Przesunięte QPSK (OQPSK)

Problem ze standardowym QPSK

W standardowej kwadraturowej modulacji z kluczowaniem fazy (QPSK) dane są kodowane przez zmianę fazy fali nośnej do jednej z czterech pozycji, co pozwala każdemu stanowi (symbolowi) reprezentować parę bitów, czyli . Przy typowym odwzorowaniu Graya przejście między przeciwległymi punktami, na przykład z '00' do '11', zmienia oba bity i wymaga odwrócenia fazy o 180 stopni.

Ten nagły skok fazy o 180 stopni powoduje problemy, gdy sygnał przechodzi przez niezbędne filtry w systemie radiowym. Po filtracji amplituda sygnału może się zmieniać i w niektórych chwilach zbliżać się do zera.

Dlaczego wahania amplitudy są problemem?

Wzmacniacze nieliniowe: Wzmacniacze mocy stosowane w nadajnikach pracują najwydajniej z sygnałami o niewielkich wahaniach obwiedni. Duże zmiany amplitudy mogą wprowadzić wzmacniacz w nieliniowy zakres pracy.
Odrosty widmowe: Gdy sygnał o zmiennej amplitudzie przechodzi przez wzmacniacz nieliniowy, jego widmo może rozszerzyć się na sąsiednie kanały częstotliwościowe. To zjawisko, znane jako , jest formą interferencji, która może zakłócać inne komunikacje.

Rozwiązanie: przesunięte QPSK (OQPSK)

OQPSK, czyli przesunięte kwadraturowe kluczowanie fazą, opóźnia jedną gałąź standardowego QPSK, aby obie gałęzie nie przełączały się w tej samej chwili. W idealnym modelu z impulsami prostokątnymi eliminuje to bezpośrednie odwrócenia fazy o 180 stopni.

Konkretnie, strumień bitów dla składowej kwadraturowej (kanał Q) jest przesuwany w czasie o połowę okresu symbolu ( $T_s/2$ ), co jest równoważne jednemu okresowi bitu ( $T_b$ ), względem składowej w fazie (kanał I).

Konsekwencja przesunięcia

Przy idealnym taktowaniu składowe I oraz Q sygnału przełączają się w różnych chwilach. W czasie przejścia zmienia się tylko jedna gałąź, więc faza przechodzi do sąsiedniego punktu konstelacji. OQPSK ogranicza zatem zmianę fazy w pojedynczym przejściu do $\pm 90^{\circ}$ , zamiast 180 stopni.

Wizualizacja OQPSK: konstelacja i przejścia

Konstelacja OQPSK ma te same cztery punkty co standardowe QPSK, zwykle z parami bitów przypisanymi za pomocą kodowania Graya w celu ograniczenia liczby błędów bitowych.

OQPSK zmienia dozwolone przejścia między tymi punktami. Ponieważ w danej chwili zmienia się tylko jeden bit (I lub Q), przejścia przebiegają wzdłuż osi poziomej lub pionowej. Przejścia po przekątnej, odpowiadające zmianie fazy o 180 stopni, są wykluczone.

Na przykład, z punktu reprezentującego '00', sygnał może przejść do '01' (ruch pionowy, zmiana bitu Q) lub do '10' (ruch poziomy, zmiana bitu I). Bezpośrednie przejście do '11', które wymagałoby jednoczesnej zmiany obu bitów, nie jest możliwe. Aby przejść z '00' do '11', sygnał musi najpierw przejść przez '01' lub '10'.

Zalety i zastosowania OQPSK

Główną korzyścią OQPSK jest mniejsza zmienność obwiedni po ukształtowaniu impulsów, co pozwala wykorzystać wzmacniacze o wysokiej sprawności energetycznej, których charakterystyka jest nieliniowa.

Zmniejszone wahania amplitudy: Eliminując bezpośrednie odwrócenia fazy o 180 stopni, OQPSK ogranicza fluktuacje amplitudy powstające po filtracji sygnału.
Lepsza wydajność wzmacniacza: Stabilniejsza obwiednia sygnału sprawdza się w systemach z nieliniowymi wzmacniaczami mocy i może ograniczyć odrosty widmowe przy pracy wzmacniacza w granicach parametrów.
Zachowana wydajność widmowa: OQPSK przenosi tak samo jak QPSK dwa bity na symbol i przy identycznym kształtowaniu impulsu ma tę samą wydajność widmową. Dla impulsu Nyquista z filtrem podniesionego cosinusa o współczynniku roll-off $\alpha$ idealna wydajność widmowa wynosi $\eta = 2/(1 + \alpha)$ bit/s/Hz. Dodatkowy koszt obejmuje układ przesunięcia czasowego i synchronizację, przy niezmienionej szybkości symbolowej.

OQPSK oraz pokrewne schematy z przesunięciem lub filtrowaniem stosuje się w łączach satelitarnych i systemach z rozpraszaniem widma. Protokoły krótkiego zasięgu oparte na IEEE 802.15.4, takie jak Zigbee, wykorzystują OQPSK. W łączu zwrotnym cdma2000 stosuje HPSK, które należy opisywać osobno od czystego OQPSK.