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 dibit. Chociaż jest to wydajne, może pojawić się krytyczny problem: gdy oba bity dibitu zmieniają się w tym samym momencie (np. przejście z '00' na '11'), faza sygnału musi natychmiast skoczyć o 180 stopni.

Ten nagły, 180-stopniowy skok fazy powoduje problemy, gdy sygnał przechodzi przez niezbędne filtry w systemie radiowym. Filtry te mogą sprawić, że amplituda sygnału zacznie gwałtownie fluktuować, nawet chwilowo spadając blisko zera.

Dlaczego Fluktuacje Amplitudy są Problemem?

• Wzmacniacze Nieliniowe: Wzmacniacze mocy dużej mocy stosowane w nadajnikach działają najwydajniej, gdy wzmacniany przez nie sygnał ma stałą amplitudę. Duże wahania amplitudy mogą wepchnąć wzmacniacz w jego nieliniowy zakres pracy.
• Odrosty Widmowe: Gdy sygnał o zmiennej amplitudzie przechodzi przez wzmacniacz nieliniowy, może to spowodować „rozlanie się” widma sygnału na sąsiednie kanały częstotliwościowe. To zjawisko, znane jako odrosty widmowe, jest formą interferencji, która może zakłócać inne komunikacje.

Rozwiązanie: Przesunięte QPSK (OQPSK)

OQPSK, czyli Przesunięte Kwadraturowe Kluczowanie Fazą, to elegancka modyfikacja standardowego QPSK, która zapobiega 180-stopniowym skokom fazy. Kluczowa modyfikacja jest prosta, ale potężna: strumień bitów w jednym z kanałów jest celowo opóźniany.

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

Z powodu tego przesunięcia czasowego, składowe I oraz Q sygnału nigdy nie mogą zmienić się w tym samym momencie. W dowolnej chwili przejścia, tylko jeden z dwóch bitów (albo bit I, albo bit Q) może zmienić swoją wartość. Zapobiegając jednoczesnym zmianom bitów, OQPSK eliminuje możliwość 180-stopniowego skoku fazy. Maksymalna możliwa zmiana fazy w pojedynczym momencie przejścia jest teraz ograniczona do $\pm 90^{\circ}$.

Wizualizacja OQPSK: Konstelacja i Przejścia

Na pierwszy rzut oka, diagram konstelacji dla OQPSK wygląda identycznie jak dla standardowego QPSK. Ma te same cztery punkty, zazwyczaj z przypisanymi parami bitów przy użyciu kodowania Graya, aby zminimalizować błędy bitowe.

Kluczowa różnica nie leży w samych punktach, ale w dozwolonych przejściach między nimi. Ponieważ tylko jeden bit (I lub Q) może się zmienić w danym momencie, przejścia są ograniczone do ruchów wzdłuż osi poziomej lub pionowej. Przejścia po przekątnej, które reprezentują 180-stopniową zmianę fazy, są zabronione.

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 ze stosowania OQPSK jest poprawa jakości przesyłanego sygnału, zwłaszcza w systemach, w których krytyczna jest wydajność energetyczna.

• Zmniejszone Wahania Amplitudy: Eliminując 180-stopniowe skoki fazy, OQPSK znacznie redukuje fluktuacje amplitudy, które występują po filtracji sygnału.
• Lepsza Wydajność Wzmacniacza: Bardziej stała obwiednia sygnału sprawia, że OQPSK doskonale nadaje się do systemów z nieliniowymi wzmacniaczami mocy, pozwalając im pracować wydajniej bez powodowania znacznych odrostów widmowych.
• Zachowana Wydajność Widmowa: OQPSK oferuje te korzyści przy zachowaniu tej samej wydajności widmowej co standardowe QPSK (2 bity/symbol/Hz). Kompromis nie dotyczy szybkości transmisji danych, ale nieco zwiększonej złożoności nadajnika i odbiornika.

Ze względu na te zalety, OQPSK i jego pochodne są szeroko stosowane w systemach komunikacji satelitarnej, standardach komórkowych, takich jak CDMA2000, oraz protokołach bezprzewodowych krótkiego zasięgu, takich jak Zigbee, gdzie wydajność wzmacniacza mocy i integralność sygnału są kluczowe.

Interaktywny OQPSK (offset) – Konstelacja i przebieg czasowy

Sygnał zmodulowany OQPSK (offset)

Diagram konstelacji