Zasada Działania Kluczowania Fazowego

Kluczowanie z przesuwem fazy (PSK) to solidna metoda modulacji cyfrowej, w której informacja jest kodowana w dyskretnych zmianach fazy fali nośnej o wysokiej częstotliwości. Wyobraź sobie wskazówkę zegara: aby wysłać informację, możemy błyskawicznie przestawić wskazówkę na konkretne pozycje (fazy) na tarczy. Przez cały czas trwania transmisji, długość wskazówki (czyli amplituda) oraz prędkość jej obrotu (czyli częstotliwość) pozostają stałe.

Skupienie się na fazie sprawia, że schematy PSK są z natury odporne na zakłócenia i zniekształcenia amplitudowe, które są częstym problemem w wielu kanałach transmisyjnych.

Wizualizacja PSK: Diagramy Konstelacji

Najbardziej intuicyjnym sposobem wizualizacji schematu PSK jest Diagram Konstelacji. Każda unikalna faza używana w modulacji jest reprezentowana jako punkt. Ponieważ PSK utrzymuje stałą amplitudę, wszystkie punkty leżą na okręgu o środku w punkcie początkowym układu współrzędnych.

Najprostsza Forma: Binarne Kluczowanie Fazy (BPSK)

BPSK to najbardziej podstawowa forma PSK. Używa dwóch faz do reprezentowania dwóch stanów binarnych: '0' i '1'.

• Fazy: Dwie fazy są wybrane tak, aby były maksymalnie odseparowane w celu zapewnienia najlepszej odporności na szum. Oznacza to, że są oddalone o $180^\circ$ ($\pi$ radianów). Na przykład:
  • Bit '0' → faza 180°
  • Bit '1' → faza 0°
• Szybkość Danych: Ponieważ każdy symbol reprezentuje jeden stan, BPSK koduje 1 bit na symbol.
• Odporność na Szum: BPSK jest niezwykle odporna. Błąd może wystąpić tylko wtedy, gdy szum w kanale przesunie fazę sygnału o więcej niż $\pm 90^\circ$, co wymaga znacznej mocy szumu.

Diagram Konstelacji BPSK

Konstelacja BPSK składa się z zaledwie dwóch punktów. Przy rozdzieleniu faz o 0°/180°, punkty te leżą na poziomej osi (I) w równych odległościach od początku układu.

Podwojenie Szybkości: Kwadraturowe Kluczowanie Fazy (QPSK)

QPSK (nazywane również 4-PSK) to kolejny krok, wykorzystujący cztery różne fazy. Pozwala to na przesyłanie dwa razy większej ilości danych niż BPSK bez zwiększania wymaganego pasma.

• Fazy: Cztery fazy są zazwyczaj równomiernie rozłożone na okręgu, co $90^\circ$ (np. 45°, 135°, 225°, 315°).
• Szybkość Danych: Z czterema stanami ($2^2 = 4$), QPSK może kodować 2 bity na symbol. Każdy symbol reprezentuje unikalną dwubitową sekwencję, zwaną dibitem (np.'00', '01', '11', '10').
• Kodowanie Graya: Aby zminimalizować błędy, dibity przypisywane są do faz przy użyciu Kodowania Graya. Oznacza to, że sąsiednie punkty w konstelacji różnią się tylko jednym bitem. Jeśli szum spowoduje, że odbiornik pomyli '01' z jego sąsiadem '11', tylko jeden bit będzie błędny, a nie dwa.

Uogólnienie: M-PSK

Zasada PSK może być rozszerzona do użycia $M$ różnych faz, gdzie $M$ jest potęgą liczby 2. Nazywa się to M-PSK.

• Schemat M-PSK koduje $N = \log_2(M)$ bitów na symbol.
• Przykłady to BPSK ($M=2$), QPSK ($M=4$) oraz 8-PSK ($M=8$, które koduje 3 bity na symbol).
• Kompromis: Zwiększanie $M$ poprawia wydajność widmową (więcej bitów/s na Hz), ale wiąże się to ze znacznym kosztem. W miarę wzrostu $M$, punkty na konstelacji zbliżają się do siebie. Zmniejsza to separację między fazami, czyniąc system znacznie bardziej podatnym na szumy i zniekształcenia fazy.
• Praktyczne Ograniczenia: Ze względu na malejącą odporność na szum, 8-PSK jest często uważane za najwyższy praktyczny rząd PSK w powszechnym użyciu. Dla wyższej wydajności preferowane są schematy takie jak QAM, które zmieniają również amplitudę.

Praktyczne Rozwiązanie: Różnicowe PSK (DPSK)

Znaczącym wyzwaniem dla standardowego PSK jest detekcja koherentna. Odbiornik potrzebuje idealnie stabilnego odniesienia fazowego, aby poprawnie określić fazę przychodzącego sygnału. DPSK sprytnie omija ten problem.

W DPSK informacja nie jest kodowana w absolutnej fazie symbolu, lecz w zmianie fazy między kolejnymi symbolami.

• Przykład (DBPSK):
  • Aby wysłać '1', faza jest zmieniana o 180°.
  • Aby wysłać '0', faza jest pozostawiana bez zmian (zmiana o 0°).
• Zalety: Odbiornik jest znacznie prostszy, ponieważ musi jedynie porównać fazę bieżącego symbolu z poprzednim. Czyni go to odpornym na powolne dryfty fazy wprowadzane przez kanał transmisyjny.
• Wady: DPSK może być nieco bardziej podatne na błędy niż idealny system koherentny. Błąd w detekcji jednego symbolu może spowodować kolejny błąd, zjawisko znane jako propagacja błędu.

Przekraczanie Granic: Podwójnie Polaryzowane QPSK (DP-QPSK)

DP-QPSK to zaawansowana technika modulacji używana w nowoczesnych systemach o wysokiej pojemności (takich jak światłowody) w celu radykalnego zwiększenia przepustowości. Wykorzystuje ona inną właściwość fal elektromagnetycznych: polaryzację.

Zasada polega na przesyłaniu dwóch niezależnych sygnałów QPSK jednocześnie na tej samej częstotliwości nośnej, ale przy użyciu dwóch różnych, ortogonalnych polaryzacji (np. pionowej i poziomej).

To skutecznie podwaja wydajność widmową. Ponieważ każdy sygnał QPSK przenosi 2 bity/symbol, DP-QPSK osiąga efektywną szybkość 4 bitów na symbol bez użycia dodatkowego pasma częstotliwości. Oferuje podobną pojemność co 16-QAM, ale może mieć lepszą wydajność w odniesieniu do niektórych zniekształceń kanału.

Interaktywny QPSK – Konstelacja i przebieg czasowy

Sygnał zmodulowany QPSK

Diagram konstelacji