Zasada Działania BPSK

BPSK to najprostsza i najbardziej odporna forma kluczowania z przesuwem fazy (PSK). Określenie "Binarne" wskazuje, że używa ona tylko dwóch odrębnych stanów do reprezentacji dwóch cyfr binarnych: '0' i '1'. Czyni ją to schematem kodowania "jeden do jednego", gdzie jeden symbol odpowiada dokładnie jednemu bitowi informacji.

Podstawową ideą BPSK jest wykorzystanie przesunięć fazy fali nośnej o stałej częstotliwości do reprezentacji danych. Aby zapewnić maksymalne rozróżnienie między stanami dla '0' i '1', fazy są wybrane tak, aby były od siebie jak najdalej: 180 stopni $(\pi \text{ radianów})$.

Kodowanie '0' i '1'

Przesunięcie fazy o 180° to w istocie "odwrócenie fali do góry nogami". Tworzy to jasną i jednoznaczną różnicę między dwoma stanami binarnymi. Powszechnie stosowane mapowanie to:

• Bit '1' jest kodowany fazą 0°. Fala nośna jest kontynuowana bez żadnych zmian.
• Bit '0' jest kodowany fazą 180°. Fala nośna jest odwracana na początku trwania bitu.

Wybór mapowania (np. '1' na 0° i '0' na 180°, lub odwrotnie) jest dowolny, pod warunkiem, że zarówno nadajnik, jak i odbiornik zgadzają się na tę samą konwencję.

Diagram Konstelacji BPSK

Najefektywniejszym sposobem wizualizacji schematów modulacji cyfrowej jest diagram konstelacji. Odwzorowuje on symbole na dwuwymiarowej mapie zdefiniowanej przez osie I (w fazie) i Q (kwadraturową).

• Dwa Punkty: Ponieważ BPSK ma tylko dwa symbole, jego konstelacja składa się z zaledwie dwóch punktów.
• Stała Amplituda: Oba symbole mają tę samą amplitudę (moc), więc leżą w tej samej odległości od początku układu współrzędnych.
• Położenie na osi I: Ponieważ używane fazy to 0° i 180°, oba punkty leżą na poziomej osi I. Symbol dla fazy 0° (np. bit '1') znajduje się po stronie dodatniej, a symbol dla 180° (np. bit '0') po stronie ujemnej. Nie ma składowej Q.

Interaktywny BPSK – Konstelacja i przebieg czasowy

Sygnał zmodulowany BPSK

Diagram konstelacji

Odporność na Błędy i Zastosowania

Odporność na Błędy

Największą zaletą BPSK jest wysoka odporność na szum. Na diagramie konstelacji odległość między dwoma punktami symboli jest zmaksymalizowana dla danej mocy sygnału. Szum w kanale może przesunąć pozycję odebranego symbolu, ale aby wystąpił błąd, szum musi być na tyle silny, by przesunąć symbol za granicę decyzyjną (pionową oś Q, dokładnie w połowie między punktami). Wymaga to przesunięcia fazy o ponad $\pm 90^\circ$, co jest stosunkowo rzadkim zdarzeniem. To sprawia, że BPSK jest bardzo solidne, co skutkuje niską bitową stopą błędów (BER).

Wydajność Widmowa i Zastosowania

Ceną za tę odporność jest niska wydajność widmowa. Ponieważ każdy symbol przenosi tylko jeden bit, BPSK nie nadaje się do szybkiej transmisji danych. Jednak jej niezawodność czyni ją idealnym wyborem tam, gdzie integralność danych jest ważniejsza niż prędkość.

Typowe zastosowania obejmują:

• Komunikacja satelitarna: Stosowana w systemach, gdzie moc sygnału jest ograniczona, a kanał jest zaszumiony.
• Sondy kosmiczne: Komunikacja ze statkami kosmicznymi, takimi jak sondy Voyager, opiera się na bardzo odpornych modulacjach o niskiej przepływności, jak BPSK.
• Tagi RFID: Proste systemy RFID często wykorzystują BPSK ze względu na niską złożoność implementacji i niezawodność.
• Podstawa dla złożonych modulacji: BPSK jest fundamentalnym budulcem dla bardziej zaawansowanych schematów, takich jak QPSK, który można postrzegać jako dwa niezależne modulatory BPSK.