Вероятность ошибки на бит формула

13

период выходной последовательности всегда8 в два раза больше периода входной!

Расчет вероятности битовой ошибки

Перейдем теперь к расчету вероятности ошибки на выходе дифференциального декодера. Вероятность ошибки на входе декодера считается заданной, и определяется каналом передачи информации.

Пусть ошибки в канале независимые и происходят с вероятностью p . Тогда дифференциальный кодер, канал и декодер в эквиваленте дадут канал с памятью, т. е. такой канал, ошибки в котором — зависимые. Канал с памятью может быть описан с помощью следующей модели, рис. 2.

Рис. 2 Модель канала с памятью

Такой канал полностью вероятностей

Здесь буквой «П» обозначено событие «правильный прием», буквой «О» — «ошибочный прием». Обозначение PП/О означает «вероятность правильного приема при условии, что предыдущий прием был ошибочным». Эта вероятность является условной. Зависимость вероятности от условия является признаком наличия памяти в канале. определяется матрицей условных (переходных)

P=

PП/П

PП/О

.

(9)

PО/О)

(PО/П

Обратите внимание, что буквам «П» и «О» слева соответствует момент времени tn−1 , а таким же буквам справа — tn . Время — это неотъемлемая черта каналов с памятью. Говорят, «канал помнит несколько предыдущих состояний», и эти состояния влияют на вероятность текущего состояния.

Систему «дифференциальный кодер, канал и декодер» удобно рассматривать как некоторый цифровой автомат, на выходе которого в каждый момент времени либо правильный прием, либо — ошибочный; жизнь такого автомата описывается некоторой последовательностью букв

8 За исключением случая когда числитель Y (z) сокращает знаменатель K (z ) , — в этом случае период не меняется

(матрице переходных вероятностей)

(т. е. в канале с независимыми

14

… О П П П П П О О П П П …

Цель нашего повествования — вычислить вероятность ошибки на выходе дифференциального декодера, которая в рамках принятых обозначений

соответствует событию «О» и обозначается

как PО

. Эта вероятность будет

зависеть от вероятностей перехода PX/X ,

которых,

по сути, всего две, т. к.

оставшиеся две являются дополнениями до единицы.

Всякая вероятность есть предельная величина, определяемая по бесконечному количеству событий, поэтому чтобы определить PО требуется выписать всю «линию жизни» автомата и подсчитать долю букв «О» относительно общего количества букв; практически это сделать невозможно, а вот в уме — возможно, чем мы и займемся.

Предположим, что автомат начал жить, и его жизнь кратна дням, т. е. каждый день выпадает буква, «О» или «П». Какова вероятность того, что в первый день жизни произойдет ошибочный прием «О»? Эту вероятность логично приравнять к вероятности ошибки в канале без памяти

ошибками), PО 1 =p . Во второй день могут выпасть буквы либо «О», либо «П». Соответствующие вероятности вычисляются вполне однозначно по матрице канала

(PPПО)2 =(PPП/ПО/П PPП/ОО/О)(PPПО)1 ,

и так далее. Логика данного уравнения основана на формуле умножения и сложения вероятностей.

Упражнение: распишите матричное уравнение в виде системы линейных алгебраических уравнений, и поразмыслите над смыслом умножения и сложения вероятностей.

Пусть теперь уже прошло очень много дней жизни автомата… В этом случае вероятности PО n и PП n должны сходиться к искомым безусловным вероятностям PО и PП

PП n+1 PП n

,

lim

PП n = PП

.

(10)

(PО)

(PО)

n→∞

(PО) (PО)

Тогда справедливо предельное равенство

15

(PPПО)=(PPП/ПО/П PPП/ОО/О)(PPПО) ,

из которого однозначно определяются искомые вероятности

PО=

PО/П

,

PП=1−PО=

PП/О

.

(11)

PП/О +PО/П

PО/П+PП/О

Остается понять как

переходные вероятности

зависят

от вероятности

ошибки p в канале без памяти, и цель данного повествования будет достигнута.

Предположим для наглядности, что передаются одни нули, тогда единицы будут указывать на ошибки Рассмотрим все возможные комбинации канальных ошибок на входе дифференциального декодера. Разделим рассмотрение на четыре части, согласно матрице переходных вероятностей (9).

I. Правильный прием в предыдущем и текущем битах, PП/П :

1 1 1, декодируем как 0 0,

0 0 0, декодируем как 0 0,

(1 + 1 = 0, 1 + 1 = 0),

(0 + 0 = 0, 0 + 0 = 0).

Вероятность этого события равна PП/П=p2 +(1−p)2 .

Замечание: здесь и далее первый бит (вспомогательный), который не выделен жирным шрифтом, не влияет на вероятность, потому что перебираются все его возможные значения, 0 и 1; следующие два бита полностью определяются значением вспомогательного и поставленным ограничивающим условием.

II. Ошибочный прием в предыдущем бите и правильный — в текущем, PП/О : 0 1 1, декодируем как 1 0, (0 + 1 = 1, 1 + 1 = 0), 1 0 0, декодируем как 1 0, (1 + 0 = 1, 0 + 0 = 0).

Вероятность этого события равна PП/О=p2 +(1−p)2 . III.Ошибочный прием в предыдущем и текущем битах, PО/О :

0 1 0, декодируем как 1 1, (0 + 1 = 1, 1 + 0 = 1), 1 0 1, декодируем как 1 1, (1 + 0 = 1, 0 + 1 = 1).

Вероятность этого события равна PО/О= p(1−p)+(1−p) p=2 p(1− p) .

16

IV.Правильный прием в предыдущем и ошибочный — в текущем, PО/П : 0 0 1, декодируем как 0 1, (0 + 0 = 0, 0 + 1 = 1), 1 1 0, декодируем как 0 1, (1 + 1 = 0, 1 + 0 = 1).

Вероятность этого события равна

PО/П=p(1−p)+(1− p) p=2 p(1−p) .

Подставим найденные переходные вероятности в (11) и получим

окончательный результат

PО=2 p(1−p) ,

PП= p2 +(1−p)2 .

(12)

Таким образом, вероятность ошибки на выходе дифференциального

декодера почти в два раза превышает канальную вероятность ошибки p

; этот

результат тем точнее, чем лучше

канал,

т. е. чем меньше p . Данный

факт

объясняется достаточно просто: при малых p ошибки происходят изредка и, в основном, по одиночке, а из логики дифференциального декодирования следует, что одна одиночная ошибка после декодирования трансформируется в две.

Любопытно также отметить, что если в канале вероятность ошибки равна ½, то после дифференциального декодирования вероятность ошибки остается той же!

Phase-shift keying (PSK) is a digital modulation process which conveys data by changing (modulating) the phase of a constant frequency reference signal (the carrier wave). The modulation is accomplished by varying the sine and cosine inputs at a precise time. It is widely used for wireless LANs, RFID and Bluetooth communication.

Any digital modulation scheme uses a finite number of distinct signals to represent digital data. PSK uses a finite number of phases, each assigned a unique pattern of binary digits. Usually, each phase encodes an equal number of bits. Each pattern of bits forms the symbol that is represented by the particular phase. The demodulator, which is designed specifically for the symbol-set used by the modulator, determines the phase of the received signal and maps it back to the symbol it represents, thus recovering the original data. This requires the receiver to be able to compare the phase of the received signal to a reference signal – such a system is termed coherent (and referred to as CPSK).

CPSK requires a complicated demodulator, because it must extract the reference wave from the received signal and keep track of it, to compare each sample to. Alternatively, the phase shift of each symbol sent can be measured with respect to the phase of the previous symbol sent. Because the symbols are encoded in the difference in phase between successive samples, this is called differential phase-shift keying (DPSK). DPSK can be significantly simpler to implement than ordinary PSK, as it is a ‘non-coherent’ scheme, i.e. there is no need for the demodulator to keep track of a reference wave. A trade-off is that it has more demodulation errors.

Introduction[edit]

There are three major classes of digital modulation techniques used for transmission of digitally represented data:

  • Amplitude-shift keying (ASK)
  • Frequency-shift keying (FSK)
  • Phase-shift keying (PSK)

All convey data by changing some aspect of a base signal, the carrier wave (usually a sinusoid), in response to a data signal. In the case of PSK, the phase is changed to represent the data signal. There are two fundamental ways of utilizing the phase of a signal in this way:

  • By viewing the phase itself as conveying the information, in which case the demodulator must have a reference signal to compare the received signal’s phase against; or
  • By viewing the change in the phase as conveying information – differential schemes, some of which do not need a reference carrier (to a certain extent).

A convenient method to represent PSK schemes is on a constellation diagram. This shows the points in the complex plane where, in this context, the real and imaginary axes are termed the in-phase and quadrature axes respectively due to their 90° separation. Such a representation on perpendicular axes lends itself to straightforward implementation. The amplitude of each point along the in-phase axis is used to modulate a cosine (or sine) wave and the amplitude along the quadrature axis to modulate a sine (or cosine) wave. By convention, in-phase modulates cosine and quadrature modulates sine.

In PSK, the constellation points chosen are usually positioned with uniform angular spacing around a circle. This gives maximum phase-separation between adjacent points and thus the best immunity to corruption. They are positioned on a circle so that they can all be transmitted with the same energy. In this way, the moduli of the complex numbers they represent will be the same and thus so will the amplitudes needed for the cosine and sine waves. Two common examples are «binary phase-shift keying» (BPSK) which uses two phases, and «quadrature phase-shift keying» (QPSK) which uses four phases, although any number of phases may be used. Since the data to be conveyed are usually binary, the PSK scheme is usually designed with the number of constellation points being a power of two.

Binary phase-shift keying (BPSK)[edit]

BPSK (also sometimes called PRK, phase reversal keying, or 2PSK) is the simplest form of phase shift keying (PSK). It uses two phases which are separated by 180° and so can also be termed 2-PSK. It does not particularly matter exactly where the constellation points are positioned, and in this figure they are shown on the real axis, at 0° and 180°. Therefore, it handles the highest noise level or distortion before the demodulator reaches an incorrect decision. That makes it the most robust of all the PSKs. It is, however, only able to modulate at 1 bit/symbol (as seen in the figure) and so is unsuitable for high data-rate applications. Yet there is the possibility of extending this bit/symbol, given the modulators symbol encryption / decryption logic system.

In the presence of an arbitrary phase-shift introduced by the communications channel, the demodulator (see, e.g. Costas loop) is unable to tell which constellation point is which. As a result, the data is often differentially encoded prior to modulation.

BPSK is functionally equivalent to 2-QAM modulation.

Implementation[edit]

The general form for BPSK follows the equation:

{displaystyle s_{n}(t)={sqrt {frac {2E_{b}}{T_{b}}}}cos(2pi ft+pi (1-n)),quad n=0,1.}

This yields two phases, 0 and π.
In the specific form, binary data is often conveyed with the following signals:[citation needed]

{displaystyle s_{0}(t)={sqrt {frac {2E_{b}}{T_{b}}}}cos(2pi ft+pi )=-{sqrt {frac {2E_{b}}{T_{b}}}}cos(2pi ft)} for binary «0»
{displaystyle s_{1}(t)={sqrt {frac {2E_{b}}{T_{b}}}}cos(2pi ft)} for binary «1»

where f is the frequency of the base band.

Hence, the signal space can be represented by the single basis function

{displaystyle phi (t)={sqrt {frac {2}{T_{b}}}}cos(2pi ft)}

where 1 is represented by {sqrt {E_{b}}}phi (t) and 0 is represented by -{sqrt {E_{b}}}phi (t). This assignment is arbitrary.

This use of this basis function is shown at the end of the next section in a signal timing diagram. The topmost signal is a BPSK-modulated cosine wave that the BPSK modulator would produce. The bit-stream that causes this output is shown above the signal (the other parts of this figure are relevant only to QPSK). After modulation, the base band signal will be moved to the high frequency band by multiplying {displaystyle cos(2pi f_{c}t)}.

Bit error rate[edit]

The bit error rate (BER) of BPSK under additive white Gaussian noise (AWGN) can be calculated as:[1]

P_{b}=Qleft({sqrt {frac {2E_{b}}{N_{0}}}}right) or P_{e}={frac {1}{2}}operatorname {erfc} left({sqrt {frac {E_{b}}{N_{0}}}}right)

Since there is only one bit per symbol, this is also the symbol error rate.

Quadrature phase-shift keying (QPSK)[edit]

Constellation diagram for QPSK with Gray coding. Each adjacent symbol only differs by one bit.

Sometimes this is known as quadriphase PSK, 4-PSK, or 4-QAM. (Although the root concepts of QPSK and 4-QAM are different, the resulting modulated radio waves are exactly the same.) QPSK uses four points on the constellation diagram, equispaced around a circle. With four phases, QPSK can encode two bits per symbol, shown in the diagram with Gray coding to minimize the bit error rate (BER) – sometimes misperceived as twice the BER of BPSK.

The mathematical analysis shows that QPSK can be used either to double the data rate compared with a BPSK system while maintaining the same bandwidth of the signal, or to maintain the data-rate of BPSK but halving the bandwidth needed. In this latter case, the BER of QPSK is exactly the same as the BER of BPSK – and believing differently is a common confusion when considering or describing QPSK. The transmitted carrier can undergo numbers of phase changes.

Given that radio communication channels are allocated by agencies such as the Federal Communications Commission giving a prescribed (maximum) bandwidth, the advantage of QPSK over BPSK becomes evident: QPSK transmits twice the data rate in a given bandwidth compared to BPSK — at the same BER. The engineering penalty that is paid is that QPSK transmitters and receivers are more complicated than the ones for BPSK. However, with modern electronics technology, the penalty in cost is very moderate.

As with BPSK, there are phase ambiguity problems at the receiving end, and differentially encoded QPSK is often used in practice.

Implementation[edit]

The implementation of QPSK is more general than that of BPSK and also indicates the implementation of higher-order PSK. Writing the symbols in the constellation diagram in terms of the sine and cosine waves used to transmit them:

{displaystyle s_{n}(t)={sqrt {frac {2E_{s}}{T_{s}}}}cos left(2pi f_{c}t+(2n-1){frac {pi }{4}}right),quad n=1,2,3,4.}

This yields the four phases π/4, 3π/4, 5π/4 and 7π/4 as needed.

This results in a two-dimensional signal space with unit basis functions

{displaystyle {begin{aligned}phi _{1}(t)&={sqrt {frac {2}{T_{s}}}}cos left(2pi f_{c}tright)\phi _{2}(t)&={sqrt {frac {2}{T_{s}}}}sin left(2pi f_{c}tright)end{aligned}}}

The first basis function is used as the in-phase component of the signal and the second as the quadrature component of the signal.

Hence, the signal constellation consists of the signal-space 4 points

{displaystyle {begin{pmatrix}pm {sqrt {frac {E_{s}}{2}}}&pm {sqrt {frac {E_{s}}{2}}}end{pmatrix}}.}

The factors of 1/2 indicate that the total power is split equally between the two carriers.

Comparing these basis functions with that for BPSK shows clearly how QPSK can be viewed as two independent BPSK signals. Note that the signal-space points for BPSK do not need to split the symbol (bit) energy over the two carriers in the scheme shown in the BPSK constellation diagram.

QPSK systems can be implemented in a number of ways. An illustration of the major components of the transmitter and receiver structure are shown below.

Conceptual transmitter structure for QPSK. The binary data stream is split into the in-phase and quadrature-phase components. These are then separately modulated onto two orthogonal basis functions. In this implementation, two sinusoids are used. Afterwards, the two signals are superimposed, and the resulting signal is the QPSK signal. Note the use of polar non-return-to-zero encoding. These encoders can be placed before for binary data source, but have been placed after to illustrate the conceptual difference between digital and analog signals involved with digital modulation.

Receiver structure for QPSK. The matched filters can be replaced with correlators. Each detection device uses a reference threshold value to determine whether a 1 or 0 is detected.

Probability of error[edit]

Although QPSK can be viewed as a quaternary modulation, it is easier to see it as two independently modulated quadrature carriers. With this interpretation, the even (or odd) bits are used to modulate the in-phase component of the carrier, while the odd (or even) bits are used to modulate the quadrature-phase component of the carrier. BPSK is used on both carriers and they can be independently demodulated.

As a result, the probability of bit-error for QPSK is the same as for BPSK:

P_b = Qleft(sqrt{frac{2E_b}{N_0}}right)

However, in order to achieve the same bit-error probability as BPSK, QPSK uses twice the power (since two bits are transmitted simultaneously).

The symbol error rate is given by:

{displaystyle {begin{aligned}P_{s}&=1-left(1-P_{b}right)^{2}\&=2Qleft({sqrt {frac {E_{s}}{N_{0}}}}right)-left[Qleft({sqrt {frac {E_{s}}{N_{0}}}}right)right]^{2}.end{aligned}}}

If the signal-to-noise ratio is high (as is necessary for practical QPSK systems) the probability of symbol error may be approximated:

{displaystyle P_{s}approx 2Qleft({sqrt {frac {E_{s}}{N_{0}}}}right)=operatorname {erfc} left({sqrt {frac {E_{s}}{2N_{0}}}}right)=operatorname {erfc} left({sqrt {frac {E_{b}}{N_{0}}}}right)}

The modulated signal is shown below for a short segment of a random binary data-stream. The two carrier waves are a cosine wave and a sine wave, as indicated by the signal-space analysis above. Here, the odd-numbered bits have been assigned to the in-phase component and the even-numbered bits to the quadrature component (taking the first bit as number 1). The total signal – the sum of the two components – is shown at the bottom. Jumps in phase can be seen as the PSK changes the phase on each component at the start of each bit-period. The topmost waveform alone matches the description given for BPSK above.

Timing diagram for QPSK. The binary data stream is shown beneath the time axis. The two signal components with their bit assignments are shown at the top, and the total combined signal at the bottom. Note the abrupt changes in phase at some of the bit-period boundaries.

The binary data that is conveyed by this waveform is: 11000110.

  • The odd bits, highlighted here, contribute to the in-phase component: 11000110
  • The even bits, highlighted here, contribute to the quadrature-phase component: 11000110

Variants[edit]

Offset QPSK (OQPSK)[edit]

Signal doesn’t pass through the origin, because only one bit of the symbol is changed at a time.

Offset quadrature phase-shift keying (OQPSK) is a variant of phase-shift keying modulation using four different values of the phase to transmit. It is sometimes called staggered quadrature phase-shift keying (SQPSK).

Difference of the phase between QPSK and OQPSK

Taking four values of the phase (two bits) at a time to construct a QPSK symbol can allow the phase of the signal to jump by as much as 180° at a time. When the signal is low-pass filtered (as is typical in a transmitter), these phase-shifts result in large amplitude fluctuations, an undesirable quality in communication systems. By offsetting the timing of the odd and even bits by one bit-period, or half a symbol-period, the in-phase and quadrature components will never change at the same time. In the constellation diagram shown on the right, it can be seen that this will limit the phase-shift to no more than 90° at a time. This yields much lower amplitude fluctuations than non-offset QPSK and is sometimes preferred in practice.

The picture on the right shows the difference in the behavior of the phase between ordinary QPSK and OQPSK. It can be seen that in the first plot the phase can change by 180° at once, while in OQPSK the changes are never greater than 90°.

The modulated signal is shown below for a short segment of a random binary data-stream. Note the half symbol-period offset between the two component waves. The sudden phase-shifts occur about twice as often as for QPSK (since the signals no longer change together), but they are less severe. In other words, the magnitude of jumps is smaller in OQPSK when compared to QPSK.

Timing diagram for offset-QPSK. The binary data stream is shown beneath the time axis. The two signal components with their bit assignments are shown the top and the total, combined signal at the bottom. Note the half-period offset between the two signal components.

SOQPSK[edit]

The license-free shaped-offset QPSK (SOQPSK) is interoperable with Feher-patented QPSK (FQPSK), in the sense that an integrate-and-dump offset QPSK detector produces the same output no matter which kind of transmitter is used.[2]

These modulations carefully shape the I and Q waveforms such that they change very smoothly, and the signal stays constant-amplitude even during signal transitions. (Rather than traveling instantly from one symbol to another, or even linearly, it travels smoothly around the constant-amplitude circle from one symbol to the next.) SOQPSK modulation can be represented as the hybrid of QPSK and MSK: SOQPSK has the same signal constellation as QPSK, however the phase of SOQPSK is always stationary.[3][4]

The standard description of SOQPSK-TG involves ternary symbols.[5] SOQPSK is one of the most spread modulation schemes in application to LEO satellite communications.[6]

π/4-QPSK[edit]

Dual constellation diagram for π/4-QPSK. This shows the two separate constellations with identical Gray coding but rotated by 45° with respect to each other.

This variant of QPSK uses two identical constellations which are rotated by 45° (pi /4 radians, hence the name) with respect to one another. Usually, either the even or odd symbols are used to select points from one of the constellations and the other symbols select points from the other constellation. This also reduces the phase-shifts from a maximum of 180°, but only to a maximum of 135° and so the amplitude fluctuations of pi /4-QPSK are between OQPSK and non-offset QPSK.

One property this modulation scheme possesses is that if the modulated signal is represented in the complex domain, transitions between symbols never pass through 0. In other words, the signal does not pass through the origin. This lowers the dynamical range of fluctuations in the signal which is desirable when engineering communications signals.

On the other hand, pi /4-QPSK lends itself to easy demodulation and has been adopted for use in, for example, TDMA cellular telephone systems.

The modulated signal is shown below for a short segment of a random binary data-stream. The construction is the same as above for ordinary QPSK. Successive symbols are taken from the two constellations shown in the diagram. Thus, the first symbol (1 1) is taken from the «blue» constellation and the second symbol (0 0) is taken from the «green» constellation. Note that magnitudes of the two component waves change as they switch between constellations, but the total signal’s magnitude remains constant (constant envelope). The phase-shifts are between those of the two previous timing-diagrams.

Timing diagram for π/4-QPSK. The binary data stream is shown beneath the time axis. The two signal components with their bit assignments are shown the top and the total, combined signal at the bottom. Note that successive symbols are taken alternately from the two constellations, starting with the «blue» one.

DPQPSK[edit]

Dual-polarization quadrature phase shift keying (DPQPSK) or dual-polarization QPSK — involves the polarization multiplexing of two different QPSK signals, thus improving the spectral efficiency by a factor of 2. This is a cost-effective alternative to utilizing 16-PSK, instead of QPSK to double the spectral efficiency.j

Higher-order PSK[edit]

Constellation diagram for 8-PSK with Gray coding

Any number of phases may be used to construct a PSK constellation but 8-PSK is usually the highest order PSK constellation deployed. With more than 8 phases, the error-rate becomes too high and there are better, though more complex, modulations available such as quadrature amplitude modulation (QAM). Although any number of phases may be used, the fact that the constellation must usually deal with binary data means that the number of symbols is usually a power of 2 to allow an integer number of bits per symbol.

Bit error rate[edit]

For the general M-PSK there is no simple expression for the symbol-error probability if {displaystyle M>4}. Unfortunately, it can only be obtained from

{displaystyle P_{s}=1-int _{-pi /M}^{pi /M}p_{theta _{r}}left(theta _{r}right)dtheta _{r},}

where

{displaystyle {begin{aligned}p_{theta _{r}}left(theta _{r}right)&={frac {1}{2pi }}e^{-2gamma _{s}sin ^{2}theta _{r}}int _{0}^{infty }Ve^{-{frac {1}{2}}left(V-2{sqrt {gamma _{s}}}cos theta _{r}right)^{2}},dV,\V&={sqrt {r_{1}^{2}+r_{2}^{2}}},\theta _{r}&=tan ^{-1}left({frac {r_{2}}{r_{1}}}right),\gamma _{s}&={frac {E_{s}}{N_{0}}}end{aligned}}}

and {displaystyle r_{1}sim Nleft({sqrt {E_{s}}},{frac {1}{2}}N_{0}right)} and {displaystyle r_{2}sim Nleft(0,{frac {1}{2}}N_{0}right)} are each Gaussian random variables.

Bit-error rate curves for BPSK, QPSK, 8-PSK and 16-PSK, additive white Gaussian noise channel

This may be approximated for high M and high E_{b}/N_{0} by:

{displaystyle P_{s}approx 2Qleft({sqrt {2gamma _{s}}}sin {frac {pi }{M}}right).}

The bit-error probability for M-PSK can only be determined exactly once the bit-mapping is known. However, when Gray coding is used, the most probable error from one symbol to the next produces only a single bit-error and

{displaystyle P_{b}approx {frac {1}{k}}P_{s}.}

(Using Gray coding allows us to approximate the Lee distance of the errors as the Hamming distance of the errors in the decoded bitstream, which is easier to implement in hardware.)

The graph on the right compares the bit-error rates of BPSK, QPSK (which are the same, as noted above), 8-PSK and 16-PSK. It is seen that higher-order modulations exhibit higher error-rates; in exchange however they deliver a higher raw data-rate.

Bounds on the error rates of various digital modulation schemes can be computed with application of the union bound to the signal constellation.

Spectral efficiency[edit]

Bandwidth (or spectral) efficiency of M-PSK modulation schemes increases with increasing of modulation order M (unlike, for example, M-FSK):[7]

{displaystyle rho ={frac {log _{2}M}{2}}quad [({text{bits}}/{text{s}})/{text{Hz}}]}

The same relationship holds true for M-QAM.[8]

Differential phase-shift keying (DPSK)[edit]

Differential encoding[edit]

Differential phase shift keying (DPSK) is a common form of phase modulation that conveys data by changing the phase of the carrier wave. As mentioned for BPSK and QPSK there is an ambiguity of phase if the constellation is rotated by some effect in the communications channel through which the signal passes. This problem can be overcome by using the data to change rather than set the phase.

For example, in differentially encoded BPSK a binary «1» may be transmitted by adding 180° to the current phase and a binary «0» by adding 0° to the current phase.
Another variant of DPSK is Symmetric Differential Phase Shift keying, SDPSK, where encoding would be +90° for a «1» and −90° for a «0».

In differentially encoded QPSK (DQPSK), the phase-shifts are 0°, 90°, 180°, −90° corresponding to data «00», «01», «11», «10». This kind of encoding may be demodulated in the same way as for non-differential PSK but the phase ambiguities can be ignored. Thus, each received symbol is demodulated to one of the M points in the constellation and a comparator then computes the difference in phase between this received signal and the preceding one. The difference encodes the data as described above. Symmetric differential quadrature phase shift keying (SDQPSK) is like DQPSK, but encoding is symmetric, using phase shift values of −135°, −45°, +45° and +135°.

The modulated signal is shown below for both DBPSK and DQPSK as described above. In the figure, it is assumed that the signal starts with zero phase, and so there is a phase shift in both signals at t=0.

Timing diagram for DBPSK and DQPSK. The binary data stream is above the DBPSK signal. The individual bits of the DBPSK signal are grouped into pairs for the DQPSK signal, which only changes every Ts = 2Tb.

Analysis shows that differential encoding approximately doubles the error rate compared to ordinary M-PSK but this may be overcome by only a small increase in E_{b}/N_{0}. Furthermore, this analysis (and the graphical results below) are based on a system in which the only corruption is additive white Gaussian noise (AWGN). However, there will also be a physical channel between the transmitter and receiver in the communication system. This channel will, in general, introduce an unknown phase-shift to the PSK signal; in these cases the differential schemes can yield a better error-rate than the ordinary schemes which rely on precise phase information.

One of the most popular applications of DPSK is the Bluetooth standard where pi /4-DQPSK and 8-DPSK were implemented.

Demodulation[edit]

BER comparison between DBPSK, DQPSK and their non-differential forms using Gray coding and operating in white noise

For a signal that has been differentially encoded, there is an obvious alternative method of demodulation. Instead of demodulating as usual and ignoring carrier-phase ambiguity, the phase between two successive received symbols is compared and used to determine what the data must have been. When differential encoding is used in this manner, the scheme is known as differential phase-shift keying (DPSK). Note that this is subtly different from just differentially encoded PSK since, upon reception, the received symbols are not decoded one-by-one to constellation points but are instead compared directly to one another.

Call the received symbol in the kth timeslot r_{k} and let it have phase phi _{k}. Assume without loss of generality that the phase of the carrier wave is zero. Denote the additive white Gaussian noise (AWGN) term as n_{k}. Then

{displaystyle r_{k}={sqrt {E_{s}}}e^{jphi _{k}}+n_{k}.}

The decision variable for the k-1th symbol and the kth symbol is the phase difference between r_{k} and r_{k-1}. That is, if r_{k} is projected onto r_{k-1}, the decision is taken on the phase of the resultant complex number:

{displaystyle r_{k}r_{k-1}^{*}=E_{s}e^{jleft(varphi _{k}-varphi _{k-1}right)}+{sqrt {E_{s}}}e^{jvarphi _{k}}n_{k-1}^{*}+{sqrt {E_{s}}}e^{-jvarphi _{k-1}}n_{k}+n_{k}n_{k-1}^{*}}

where superscript * denotes complex conjugation. In the absence of noise, the phase of this is phi _{k}-phi _{k-1}, the phase-shift between the two received signals which can be used to determine the data transmitted.

The probability of error for DPSK is difficult to calculate in general, but, in the case of DBPSK it is:

{displaystyle P_{b}={frac {1}{2}}e^{-{frac {E_{b}}{N_{0}}}},}[9]

which, when numerically evaluated, is only slightly worse than ordinary BPSK, particularly at higher E_{b}/N_{0} values.

Using DPSK avoids the need for possibly complex carrier-recovery schemes to provide an accurate phase estimate and can be an attractive alternative to ordinary PSK.

In optical communications, the data can be modulated onto the phase of a laser in a differential way. The modulation is a laser which emits a continuous wave, and a Mach–Zehnder modulator which receives electrical binary data. For the case of BPSK, the laser transmits the field unchanged for binary ‘1’, and with reverse polarity for ‘0’. The demodulator consists of a delay line interferometer which delays one bit, so two bits can be compared at one time. In further processing, a photodiode is used to transform the optical field into an electric current, so the information is changed back into its original state.

The bit-error rates of DBPSK and DQPSK are compared to their non-differential counterparts in the graph to the right. The loss for using DBPSK is small enough compared to the complexity reduction that it is often used in communications systems that would otherwise use BPSK. For DQPSK though, the loss in performance compared to ordinary QPSK is larger and the system designer must balance this against the reduction in complexity.

Example: Differentially encoded BPSK[edit]

Differential encoding/decoding system diagram

At the k^{textrm {th}} time-slot call the bit to be modulated b_{k}, the differentially encoded bit e_{k} and the resulting modulated signal m_{k}(t). Assume that the constellation diagram positions the symbols at ±1 (which is BPSK). The differential encoder produces:

{displaystyle ,e_{k}=e_{k-1}oplus b_{k}}

where oplus {} indicates binary or modulo-2 addition.

BER comparison between BPSK and differentially encoded BPSK operating in white noise

So e_{k} only changes state (from binary «0» to binary «1» or from binary «1» to binary «0») if b_{k} is a binary «1». Otherwise it remains in its previous state. This is the description of differentially encoded BPSK given above.

The received signal is demodulated to yield {displaystyle e_{k}=pm 1} and then the differential decoder reverses the encoding procedure and produces

{displaystyle b_{k}=e_{k}oplus e_{k-1},}

since binary subtraction is the same as binary addition.

Therefore, b_{k}=1 if e_{k} and e_{k-1} differ and b_{k}=0 if they are the same. Hence, if both e_{k} and e_{k-1} are inverted, b_{k} will still be decoded correctly. Thus, the 180° phase ambiguity does not matter.

Differential schemes for other PSK modulations may be devised along similar lines. The waveforms for DPSK are the same as for differentially encoded PSK given above since the only change between the two schemes is at the receiver.

The BER curve for this example is compared to ordinary BPSK on the right. As mentioned above, whilst the error rate is approximately doubled, the increase needed in E_{b}/N_{0} to overcome this is small. The increase in E_{b}/N_{0} required to overcome differential modulation in coded systems, however, is larger – typically about 3 dB. The performance degradation is a result of noncoherent transmission – in this case it refers to the fact that tracking of the phase is completely ignored.

Definitions[edit]

For determining error-rates mathematically, some definitions will be needed:

Q(x) will give the probability that a single sample taken from a random process with zero-mean and unit-variance Gaussian probability density function will be greater or equal to x. It is a scaled form of the complementary Gaussian error function:

{displaystyle Q(x)={frac {1}{sqrt {2pi }}}int _{x}^{infty }e^{-{frac {1}{2}}t^{2}},dt={frac {1}{2}}operatorname {erfc} left({frac {x}{sqrt {2}}}right), xgeq 0}.

The error rates quoted here are those in additive white Gaussian noise (AWGN). These error rates are lower than those computed in fading channels, hence, are a good theoretical benchmark to compare with.

Applications[edit]

Owing to PSK’s simplicity, particularly when compared with its competitor quadrature amplitude modulation, it is widely used in existing technologies.

The wireless LAN standard, IEEE 802.11b-1999,[10][11] uses a variety of different PSKs depending on the data rate required. At the basic rate of 1 Mbit/s, it uses DBPSK (differential BPSK). To provide the extended rate of 2 Mbit/s, DQPSK is used. In reaching 5.5 Mbit/s and the full rate of 11 Mbit/s, QPSK is employed, but has to be coupled with complementary code keying. The higher-speed wireless LAN standard, IEEE 802.11g-2003,[10][12] has eight data rates: 6, 9, 12, 18, 24, 36, 48 and 54 Mbit/s. The 6 and 9 Mbit/s modes use OFDM modulation where each sub-carrier is BPSK modulated. The 12 and 18 Mbit/s modes use OFDM with QPSK. The fastest four modes use OFDM with forms of quadrature amplitude modulation.

Because of its simplicity, BPSK is appropriate for low-cost passive transmitters, and is used in RFID standards such as ISO/IEC 14443 which has been adopted for biometric passports, credit cards such as American Express’s ExpressPay, and many other applications.[13]

Bluetooth 2 uses pi /4-DQPSK at its lower rate (2 Mbit/s) and 8-DPSK at its higher rate (3 Mbit/s) when the link between the two devices is sufficiently robust. Bluetooth 1 modulates with Gaussian minimum-shift keying, a binary scheme, so either modulation choice in version 2 will yield a higher data rate. A similar technology, IEEE 802.15.4 (the wireless standard used by Zigbee) also relies on PSK using two frequency bands: 868–915 MHz with BPSK and at 2.4 GHz with OQPSK.

Both QPSK and 8PSK are widely used in satellite broadcasting. QPSK is still widely used in the streaming of SD satellite channels and some HD channels. High definition programming is delivered almost exclusively in 8PSK due to the higher bitrates of HD video and the high cost of satellite bandwidth.[14] The DVB-S2 standard requires support for both QPSK and 8PSK. The chipsets used in new satellite set top boxes, such as Broadcom’s 7000 series support 8PSK and are backward compatible with the older standard.[15]

Historically, voice-band synchronous modems such as the Bell 201, 208, and 209 and the CCITT V.26, V.27, V.29, V.32, and V.34 used PSK.[16]

Mutual information with additive white Gaussian noise[edit]

Mutual information of PSK over the AWGN channel

The mutual information of PSK can be evaluated in additive Gaussian noise by numerical integration of its definition.[17] The curves of mutual information saturate to the number of bits carried by each symbol in the limit of infinite signal to noise ratio {displaystyle E_{s}/N_{0}}. On the contrary, in the limit of small signal to noise ratios the mutual information approaches the AWGN channel capacity, which is the supremum among all possible choices of symbol statistical distributions.

At intermediate values of signal to noise ratios the mutual information (MI) is well approximated by:[17]

{displaystyle {textrm {MI}}simeq log _{2}left({sqrt {{frac {4pi }{e}}{frac {E_{s}}{N_{0}}}}}right).}

The mutual information of PSK over the AWGN channel is generally farther to the AWGN channel capacity than QAM modulation formats.

See also[edit]

  • Binary offset carrier modulation
  • Differential coding
  • Modulation – for an overview of all modulation schemes
  • Phase modulation (PM) – the analogue equivalent of PSK
  • Polar modulation
  • PSK31
  • PSK63

Notes[edit]

  1. ^ Communications Systems, H. Stern & S. Mahmoud, Pearson Prentice Hall, 2004, p. 283.
  2. ^
    Tom Nelson, Erik Perrins, and Michael Rice.
    «Common detectors for Tier 1 modulations» Archived 2012-09-17 at the Wayback Machine.

    T. Nelson, E. Perrins, M. Rice.
    «Common detectors for shaped offset QPSK (SOQPSK) and Feher-patented QPSK (FQPSK)»
    Nelson, T.; Perrins, E.; Rice, M. (2005). «Common detectors for shaped offset QPSK (SOQPSK) and Feher-patented QPSK (FQPSK)». GLOBECOM ’05. IEEE Global Telecommunications Conference, 2005. pp. 5 pp. doi:10.1109/GLOCOM.2005.1578470. ISBN 0-7803-9414-3. S2CID 11020777.
    ISBN 0-7803-9414-3

  3. ^ Hill, Terrance J. «A non-proprietary, constant envelope, variant of shaped offset QPSK (SOQPSK) for improved spectral containment and detection efficiency.» MILCOM 2000. 21st Century Military Communications Conference Proceedings. Vol. 1. IEEE, 2000.
  4. ^ Li, Lifang, and M. K. Simon. «Performance of coded offset quadrature phase-shift keying (OQPSK) and MIL-STD shaped OQPSK (SOQPSK) with iterative decoding.» Interplanetary Network Prog. Rep. 42 (2004).
  5. ^ Sahin, C. and Perrins, E., 2011, November. The capacity of SOQPSK-TG. In 2011-MILCOM 2011 Military Communications Conference (pp. 555-560). IEEE.
  6. ^ Saeed, N., Elzanaty, A., Almorad, H., Dahrouj, H., Al-Naffouri, T.Y. and Alouini, M.S., 2020. Cubesat communications: Recent advances and future challenges. IEEE Communications Surveys & Tutorials.
  7. ^ Haykin, S., 2001. Communication Systems, John Wiley&Sons. Inc. — p. 368
  8. ^ Link Budget Analysis: Digital Modulation, Part 3 (www.AtlantaRF.com)
  9. ^ G.L. Stüber, “Soft Decision Direct-Sequence DPSK Receivers,” IEEE Transactions on Vehicular Technology, vol. 37, no. 3, pp. 151–157, August 1988.
  10. ^ a b IEEE Std 802.11-1999: Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications – the overarching IEEE 802.11 specification. Archived August 28, 2007, at the Wayback Machine
  11. ^ IEEE Std 802.11b-1999 (R2003) – the IEEE 802.11b specification.
  12. ^ IEEE Std 802.11g-2003 – the IEEE 802.11g specification.
  13. ^ Understanding the Requirements of ISO/IEC 14443 for Type B Proximity Contactless Identification Cards, Application Note, Rev. 2056B–RFID–11/05, 2005, ATMEL.
  14. ^ «How Communications Satellites Work». Planet Fox. 2014.
  15. ^ «Low-Cost Satellite Set-top Box SoC — BCM7325 | Broadcom». Archived from the original on 2015-09-15. Retrieved 2015-09-08.
  16. ^ «Local and Remote Modems» (PDF). Black Box. Black Box Network Services. Archived from the original (PDF) on December 22, 2015. Retrieved December 20, 2015.
  17. ^ a b Blahut, R. E. (1988). Principles and Practice of Information Theory. Boston, MA, USA: Addison Wesley Publishing Company. ISBN 0-201-10709-0.

References[edit]

The notation and theoretical results in this article are based on material presented in the following sources:

  • Proakis, John G. (1995). Digital Communications. Singapore: McGraw Hill. ISBN 0-07-113814-5.
  • Couch, Leon W. II (1997). Digital and Analog Communications. Upper Saddle River, NJ: Prentice-Hall. ISBN 0-13-081223-4.
  • Haykin, Simon (1988). Digital Communications. Toronto, Canada: John Wiley & Sons. ISBN 0-471-62947-2.

Phase-shift keying (PSK) is a digital modulation process which conveys data by changing (modulating) the phase of a constant frequency reference signal (the carrier wave). The modulation is accomplished by varying the sine and cosine inputs at a precise time. It is widely used for wireless LANs, RFID and Bluetooth communication.

Any digital modulation scheme uses a finite number of distinct signals to represent digital data. PSK uses a finite number of phases, each assigned a unique pattern of binary digits. Usually, each phase encodes an equal number of bits. Each pattern of bits forms the symbol that is represented by the particular phase. The demodulator, which is designed specifically for the symbol-set used by the modulator, determines the phase of the received signal and maps it back to the symbol it represents, thus recovering the original data. This requires the receiver to be able to compare the phase of the received signal to a reference signal – such a system is termed coherent (and referred to as CPSK).

CPSK requires a complicated demodulator, because it must extract the reference wave from the received signal and keep track of it, to compare each sample to. Alternatively, the phase shift of each symbol sent can be measured with respect to the phase of the previous symbol sent. Because the symbols are encoded in the difference in phase between successive samples, this is called differential phase-shift keying (DPSK). DPSK can be significantly simpler to implement than ordinary PSK, as it is a ‘non-coherent’ scheme, i.e. there is no need for the demodulator to keep track of a reference wave. A trade-off is that it has more demodulation errors.

Introduction[edit]

There are three major classes of digital modulation techniques used for transmission of digitally represented data:

  • Amplitude-shift keying (ASK)
  • Frequency-shift keying (FSK)
  • Phase-shift keying (PSK)

All convey data by changing some aspect of a base signal, the carrier wave (usually a sinusoid), in response to a data signal. In the case of PSK, the phase is changed to represent the data signal. There are two fundamental ways of utilizing the phase of a signal in this way:

  • By viewing the phase itself as conveying the information, in which case the demodulator must have a reference signal to compare the received signal’s phase against; or
  • By viewing the change in the phase as conveying information – differential schemes, some of which do not need a reference carrier (to a certain extent).

A convenient method to represent PSK schemes is on a constellation diagram. This shows the points in the complex plane where, in this context, the real and imaginary axes are termed the in-phase and quadrature axes respectively due to their 90° separation. Such a representation on perpendicular axes lends itself to straightforward implementation. The amplitude of each point along the in-phase axis is used to modulate a cosine (or sine) wave and the amplitude along the quadrature axis to modulate a sine (or cosine) wave. By convention, in-phase modulates cosine and quadrature modulates sine.

In PSK, the constellation points chosen are usually positioned with uniform angular spacing around a circle. This gives maximum phase-separation between adjacent points and thus the best immunity to corruption. They are positioned on a circle so that they can all be transmitted with the same energy. In this way, the moduli of the complex numbers they represent will be the same and thus so will the amplitudes needed for the cosine and sine waves. Two common examples are «binary phase-shift keying» (BPSK) which uses two phases, and «quadrature phase-shift keying» (QPSK) which uses four phases, although any number of phases may be used. Since the data to be conveyed are usually binary, the PSK scheme is usually designed with the number of constellation points being a power of two.

Binary phase-shift keying (BPSK)[edit]

BPSK (also sometimes called PRK, phase reversal keying, or 2PSK) is the simplest form of phase shift keying (PSK). It uses two phases which are separated by 180° and so can also be termed 2-PSK. It does not particularly matter exactly where the constellation points are positioned, and in this figure they are shown on the real axis, at 0° and 180°. Therefore, it handles the highest noise level or distortion before the demodulator reaches an incorrect decision. That makes it the most robust of all the PSKs. It is, however, only able to modulate at 1 bit/symbol (as seen in the figure) and so is unsuitable for high data-rate applications. Yet there is the possibility of extending this bit/symbol, given the modulators symbol encryption / decryption logic system.

In the presence of an arbitrary phase-shift introduced by the communications channel, the demodulator (see, e.g. Costas loop) is unable to tell which constellation point is which. As a result, the data is often differentially encoded prior to modulation.

BPSK is functionally equivalent to 2-QAM modulation.

Implementation[edit]

The general form for BPSK follows the equation:

{displaystyle s_{n}(t)={sqrt {frac {2E_{b}}{T_{b}}}}cos(2pi ft+pi (1-n)),quad n=0,1.}

This yields two phases, 0 and π.
In the specific form, binary data is often conveyed with the following signals:[citation needed]

{displaystyle s_{0}(t)={sqrt {frac {2E_{b}}{T_{b}}}}cos(2pi ft+pi )=-{sqrt {frac {2E_{b}}{T_{b}}}}cos(2pi ft)} for binary «0»
{displaystyle s_{1}(t)={sqrt {frac {2E_{b}}{T_{b}}}}cos(2pi ft)} for binary «1»

where f is the frequency of the base band.

Hence, the signal space can be represented by the single basis function

{displaystyle phi (t)={sqrt {frac {2}{T_{b}}}}cos(2pi ft)}

where 1 is represented by {sqrt {E_{b}}}phi (t) and 0 is represented by -{sqrt {E_{b}}}phi (t). This assignment is arbitrary.

This use of this basis function is shown at the end of the next section in a signal timing diagram. The topmost signal is a BPSK-modulated cosine wave that the BPSK modulator would produce. The bit-stream that causes this output is shown above the signal (the other parts of this figure are relevant only to QPSK). After modulation, the base band signal will be moved to the high frequency band by multiplying {displaystyle cos(2pi f_{c}t)}.

Bit error rate[edit]

The bit error rate (BER) of BPSK under additive white Gaussian noise (AWGN) can be calculated as:[1]

P_{b}=Qleft({sqrt {frac {2E_{b}}{N_{0}}}}right) or P_{e}={frac {1}{2}}operatorname {erfc} left({sqrt {frac {E_{b}}{N_{0}}}}right)

Since there is only one bit per symbol, this is also the symbol error rate.

Quadrature phase-shift keying (QPSK)[edit]

Constellation diagram for QPSK with Gray coding. Each adjacent symbol only differs by one bit.

Sometimes this is known as quadriphase PSK, 4-PSK, or 4-QAM. (Although the root concepts of QPSK and 4-QAM are different, the resulting modulated radio waves are exactly the same.) QPSK uses four points on the constellation diagram, equispaced around a circle. With four phases, QPSK can encode two bits per symbol, shown in the diagram with Gray coding to minimize the bit error rate (BER) – sometimes misperceived as twice the BER of BPSK.

The mathematical analysis shows that QPSK can be used either to double the data rate compared with a BPSK system while maintaining the same bandwidth of the signal, or to maintain the data-rate of BPSK but halving the bandwidth needed. In this latter case, the BER of QPSK is exactly the same as the BER of BPSK – and believing differently is a common confusion when considering or describing QPSK. The transmitted carrier can undergo numbers of phase changes.

Given that radio communication channels are allocated by agencies such as the Federal Communications Commission giving a prescribed (maximum) bandwidth, the advantage of QPSK over BPSK becomes evident: QPSK transmits twice the data rate in a given bandwidth compared to BPSK — at the same BER. The engineering penalty that is paid is that QPSK transmitters and receivers are more complicated than the ones for BPSK. However, with modern electronics technology, the penalty in cost is very moderate.

As with BPSK, there are phase ambiguity problems at the receiving end, and differentially encoded QPSK is often used in practice.

Implementation[edit]

The implementation of QPSK is more general than that of BPSK and also indicates the implementation of higher-order PSK. Writing the symbols in the constellation diagram in terms of the sine and cosine waves used to transmit them:

{displaystyle s_{n}(t)={sqrt {frac {2E_{s}}{T_{s}}}}cos left(2pi f_{c}t+(2n-1){frac {pi }{4}}right),quad n=1,2,3,4.}

This yields the four phases π/4, 3π/4, 5π/4 and 7π/4 as needed.

This results in a two-dimensional signal space with unit basis functions

{displaystyle {begin{aligned}phi _{1}(t)&={sqrt {frac {2}{T_{s}}}}cos left(2pi f_{c}tright)\phi _{2}(t)&={sqrt {frac {2}{T_{s}}}}sin left(2pi f_{c}tright)end{aligned}}}

The first basis function is used as the in-phase component of the signal and the second as the quadrature component of the signal.

Hence, the signal constellation consists of the signal-space 4 points

{displaystyle {begin{pmatrix}pm {sqrt {frac {E_{s}}{2}}}&pm {sqrt {frac {E_{s}}{2}}}end{pmatrix}}.}

The factors of 1/2 indicate that the total power is split equally between the two carriers.

Comparing these basis functions with that for BPSK shows clearly how QPSK can be viewed as two independent BPSK signals. Note that the signal-space points for BPSK do not need to split the symbol (bit) energy over the two carriers in the scheme shown in the BPSK constellation diagram.

QPSK systems can be implemented in a number of ways. An illustration of the major components of the transmitter and receiver structure are shown below.

Conceptual transmitter structure for QPSK. The binary data stream is split into the in-phase and quadrature-phase components. These are then separately modulated onto two orthogonal basis functions. In this implementation, two sinusoids are used. Afterwards, the two signals are superimposed, and the resulting signal is the QPSK signal. Note the use of polar non-return-to-zero encoding. These encoders can be placed before for binary data source, but have been placed after to illustrate the conceptual difference between digital and analog signals involved with digital modulation.

Receiver structure for QPSK. The matched filters can be replaced with correlators. Each detection device uses a reference threshold value to determine whether a 1 or 0 is detected.

Probability of error[edit]

Although QPSK can be viewed as a quaternary modulation, it is easier to see it as two independently modulated quadrature carriers. With this interpretation, the even (or odd) bits are used to modulate the in-phase component of the carrier, while the odd (or even) bits are used to modulate the quadrature-phase component of the carrier. BPSK is used on both carriers and they can be independently demodulated.

As a result, the probability of bit-error for QPSK is the same as for BPSK:

P_b = Qleft(sqrt{frac{2E_b}{N_0}}right)

However, in order to achieve the same bit-error probability as BPSK, QPSK uses twice the power (since two bits are transmitted simultaneously).

The symbol error rate is given by:

{displaystyle {begin{aligned}P_{s}&=1-left(1-P_{b}right)^{2}\&=2Qleft({sqrt {frac {E_{s}}{N_{0}}}}right)-left[Qleft({sqrt {frac {E_{s}}{N_{0}}}}right)right]^{2}.end{aligned}}}

If the signal-to-noise ratio is high (as is necessary for practical QPSK systems) the probability of symbol error may be approximated:

{displaystyle P_{s}approx 2Qleft({sqrt {frac {E_{s}}{N_{0}}}}right)=operatorname {erfc} left({sqrt {frac {E_{s}}{2N_{0}}}}right)=operatorname {erfc} left({sqrt {frac {E_{b}}{N_{0}}}}right)}

The modulated signal is shown below for a short segment of a random binary data-stream. The two carrier waves are a cosine wave and a sine wave, as indicated by the signal-space analysis above. Here, the odd-numbered bits have been assigned to the in-phase component and the even-numbered bits to the quadrature component (taking the first bit as number 1). The total signal – the sum of the two components – is shown at the bottom. Jumps in phase can be seen as the PSK changes the phase on each component at the start of each bit-period. The topmost waveform alone matches the description given for BPSK above.

Timing diagram for QPSK. The binary data stream is shown beneath the time axis. The two signal components with their bit assignments are shown at the top, and the total combined signal at the bottom. Note the abrupt changes in phase at some of the bit-period boundaries.

The binary data that is conveyed by this waveform is: 11000110.

  • The odd bits, highlighted here, contribute to the in-phase component: 11000110
  • The even bits, highlighted here, contribute to the quadrature-phase component: 11000110

Variants[edit]

Offset QPSK (OQPSK)[edit]

Signal doesn’t pass through the origin, because only one bit of the symbol is changed at a time.

Offset quadrature phase-shift keying (OQPSK) is a variant of phase-shift keying modulation using four different values of the phase to transmit. It is sometimes called staggered quadrature phase-shift keying (SQPSK).

Difference of the phase between QPSK and OQPSK

Taking four values of the phase (two bits) at a time to construct a QPSK symbol can allow the phase of the signal to jump by as much as 180° at a time. When the signal is low-pass filtered (as is typical in a transmitter), these phase-shifts result in large amplitude fluctuations, an undesirable quality in communication systems. By offsetting the timing of the odd and even bits by one bit-period, or half a symbol-period, the in-phase and quadrature components will never change at the same time. In the constellation diagram shown on the right, it can be seen that this will limit the phase-shift to no more than 90° at a time. This yields much lower amplitude fluctuations than non-offset QPSK and is sometimes preferred in practice.

The picture on the right shows the difference in the behavior of the phase between ordinary QPSK and OQPSK. It can be seen that in the first plot the phase can change by 180° at once, while in OQPSK the changes are never greater than 90°.

The modulated signal is shown below for a short segment of a random binary data-stream. Note the half symbol-period offset between the two component waves. The sudden phase-shifts occur about twice as often as for QPSK (since the signals no longer change together), but they are less severe. In other words, the magnitude of jumps is smaller in OQPSK when compared to QPSK.

Timing diagram for offset-QPSK. The binary data stream is shown beneath the time axis. The two signal components with their bit assignments are shown the top and the total, combined signal at the bottom. Note the half-period offset between the two signal components.

SOQPSK[edit]

The license-free shaped-offset QPSK (SOQPSK) is interoperable with Feher-patented QPSK (FQPSK), in the sense that an integrate-and-dump offset QPSK detector produces the same output no matter which kind of transmitter is used.[2]

These modulations carefully shape the I and Q waveforms such that they change very smoothly, and the signal stays constant-amplitude even during signal transitions. (Rather than traveling instantly from one symbol to another, or even linearly, it travels smoothly around the constant-amplitude circle from one symbol to the next.) SOQPSK modulation can be represented as the hybrid of QPSK and MSK: SOQPSK has the same signal constellation as QPSK, however the phase of SOQPSK is always stationary.[3][4]

The standard description of SOQPSK-TG involves ternary symbols.[5] SOQPSK is one of the most spread modulation schemes in application to LEO satellite communications.[6]

π/4-QPSK[edit]

Dual constellation diagram for π/4-QPSK. This shows the two separate constellations with identical Gray coding but rotated by 45° with respect to each other.

This variant of QPSK uses two identical constellations which are rotated by 45° (pi /4 radians, hence the name) with respect to one another. Usually, either the even or odd symbols are used to select points from one of the constellations and the other symbols select points from the other constellation. This also reduces the phase-shifts from a maximum of 180°, but only to a maximum of 135° and so the amplitude fluctuations of pi /4-QPSK are between OQPSK and non-offset QPSK.

One property this modulation scheme possesses is that if the modulated signal is represented in the complex domain, transitions between symbols never pass through 0. In other words, the signal does not pass through the origin. This lowers the dynamical range of fluctuations in the signal which is desirable when engineering communications signals.

On the other hand, pi /4-QPSK lends itself to easy demodulation and has been adopted for use in, for example, TDMA cellular telephone systems.

The modulated signal is shown below for a short segment of a random binary data-stream. The construction is the same as above for ordinary QPSK. Successive symbols are taken from the two constellations shown in the diagram. Thus, the first symbol (1 1) is taken from the «blue» constellation and the second symbol (0 0) is taken from the «green» constellation. Note that magnitudes of the two component waves change as they switch between constellations, but the total signal’s magnitude remains constant (constant envelope). The phase-shifts are between those of the two previous timing-diagrams.

Timing diagram for π/4-QPSK. The binary data stream is shown beneath the time axis. The two signal components with their bit assignments are shown the top and the total, combined signal at the bottom. Note that successive symbols are taken alternately from the two constellations, starting with the «blue» one.

DPQPSK[edit]

Dual-polarization quadrature phase shift keying (DPQPSK) or dual-polarization QPSK — involves the polarization multiplexing of two different QPSK signals, thus improving the spectral efficiency by a factor of 2. This is a cost-effective alternative to utilizing 16-PSK, instead of QPSK to double the spectral efficiency.j

Higher-order PSK[edit]

Constellation diagram for 8-PSK with Gray coding

Any number of phases may be used to construct a PSK constellation but 8-PSK is usually the highest order PSK constellation deployed. With more than 8 phases, the error-rate becomes too high and there are better, though more complex, modulations available such as quadrature amplitude modulation (QAM). Although any number of phases may be used, the fact that the constellation must usually deal with binary data means that the number of symbols is usually a power of 2 to allow an integer number of bits per symbol.

Bit error rate[edit]

For the general M-PSK there is no simple expression for the symbol-error probability if {displaystyle M>4}. Unfortunately, it can only be obtained from

{displaystyle P_{s}=1-int _{-pi /M}^{pi /M}p_{theta _{r}}left(theta _{r}right)dtheta _{r},}

where

{displaystyle {begin{aligned}p_{theta _{r}}left(theta _{r}right)&={frac {1}{2pi }}e^{-2gamma _{s}sin ^{2}theta _{r}}int _{0}^{infty }Ve^{-{frac {1}{2}}left(V-2{sqrt {gamma _{s}}}cos theta _{r}right)^{2}},dV,\V&={sqrt {r_{1}^{2}+r_{2}^{2}}},\theta _{r}&=tan ^{-1}left({frac {r_{2}}{r_{1}}}right),\gamma _{s}&={frac {E_{s}}{N_{0}}}end{aligned}}}

and {displaystyle r_{1}sim Nleft({sqrt {E_{s}}},{frac {1}{2}}N_{0}right)} and {displaystyle r_{2}sim Nleft(0,{frac {1}{2}}N_{0}right)} are each Gaussian random variables.

Bit-error rate curves for BPSK, QPSK, 8-PSK and 16-PSK, additive white Gaussian noise channel

This may be approximated for high M and high E_{b}/N_{0} by:

{displaystyle P_{s}approx 2Qleft({sqrt {2gamma _{s}}}sin {frac {pi }{M}}right).}

The bit-error probability for M-PSK can only be determined exactly once the bit-mapping is known. However, when Gray coding is used, the most probable error from one symbol to the next produces only a single bit-error and

{displaystyle P_{b}approx {frac {1}{k}}P_{s}.}

(Using Gray coding allows us to approximate the Lee distance of the errors as the Hamming distance of the errors in the decoded bitstream, which is easier to implement in hardware.)

The graph on the right compares the bit-error rates of BPSK, QPSK (which are the same, as noted above), 8-PSK and 16-PSK. It is seen that higher-order modulations exhibit higher error-rates; in exchange however they deliver a higher raw data-rate.

Bounds on the error rates of various digital modulation schemes can be computed with application of the union bound to the signal constellation.

Spectral efficiency[edit]

Bandwidth (or spectral) efficiency of M-PSK modulation schemes increases with increasing of modulation order M (unlike, for example, M-FSK):[7]

{displaystyle rho ={frac {log _{2}M}{2}}quad [({text{bits}}/{text{s}})/{text{Hz}}]}

The same relationship holds true for M-QAM.[8]

Differential phase-shift keying (DPSK)[edit]

Differential encoding[edit]

Differential phase shift keying (DPSK) is a common form of phase modulation that conveys data by changing the phase of the carrier wave. As mentioned for BPSK and QPSK there is an ambiguity of phase if the constellation is rotated by some effect in the communications channel through which the signal passes. This problem can be overcome by using the data to change rather than set the phase.

For example, in differentially encoded BPSK a binary «1» may be transmitted by adding 180° to the current phase and a binary «0» by adding 0° to the current phase.
Another variant of DPSK is Symmetric Differential Phase Shift keying, SDPSK, where encoding would be +90° for a «1» and −90° for a «0».

In differentially encoded QPSK (DQPSK), the phase-shifts are 0°, 90°, 180°, −90° corresponding to data «00», «01», «11», «10». This kind of encoding may be demodulated in the same way as for non-differential PSK but the phase ambiguities can be ignored. Thus, each received symbol is demodulated to one of the M points in the constellation and a comparator then computes the difference in phase between this received signal and the preceding one. The difference encodes the data as described above. Symmetric differential quadrature phase shift keying (SDQPSK) is like DQPSK, but encoding is symmetric, using phase shift values of −135°, −45°, +45° and +135°.

The modulated signal is shown below for both DBPSK and DQPSK as described above. In the figure, it is assumed that the signal starts with zero phase, and so there is a phase shift in both signals at t=0.

Timing diagram for DBPSK and DQPSK. The binary data stream is above the DBPSK signal. The individual bits of the DBPSK signal are grouped into pairs for the DQPSK signal, which only changes every Ts = 2Tb.

Analysis shows that differential encoding approximately doubles the error rate compared to ordinary M-PSK but this may be overcome by only a small increase in E_{b}/N_{0}. Furthermore, this analysis (and the graphical results below) are based on a system in which the only corruption is additive white Gaussian noise (AWGN). However, there will also be a physical channel between the transmitter and receiver in the communication system. This channel will, in general, introduce an unknown phase-shift to the PSK signal; in these cases the differential schemes can yield a better error-rate than the ordinary schemes which rely on precise phase information.

One of the most popular applications of DPSK is the Bluetooth standard where pi /4-DQPSK and 8-DPSK were implemented.

Demodulation[edit]

BER comparison between DBPSK, DQPSK and their non-differential forms using Gray coding and operating in white noise

For a signal that has been differentially encoded, there is an obvious alternative method of demodulation. Instead of demodulating as usual and ignoring carrier-phase ambiguity, the phase between two successive received symbols is compared and used to determine what the data must have been. When differential encoding is used in this manner, the scheme is known as differential phase-shift keying (DPSK). Note that this is subtly different from just differentially encoded PSK since, upon reception, the received symbols are not decoded one-by-one to constellation points but are instead compared directly to one another.

Call the received symbol in the kth timeslot r_{k} and let it have phase phi _{k}. Assume without loss of generality that the phase of the carrier wave is zero. Denote the additive white Gaussian noise (AWGN) term as n_{k}. Then

{displaystyle r_{k}={sqrt {E_{s}}}e^{jphi _{k}}+n_{k}.}

The decision variable for the k-1th symbol and the kth symbol is the phase difference between r_{k} and r_{k-1}. That is, if r_{k} is projected onto r_{k-1}, the decision is taken on the phase of the resultant complex number:

{displaystyle r_{k}r_{k-1}^{*}=E_{s}e^{jleft(varphi _{k}-varphi _{k-1}right)}+{sqrt {E_{s}}}e^{jvarphi _{k}}n_{k-1}^{*}+{sqrt {E_{s}}}e^{-jvarphi _{k-1}}n_{k}+n_{k}n_{k-1}^{*}}

where superscript * denotes complex conjugation. In the absence of noise, the phase of this is phi _{k}-phi _{k-1}, the phase-shift between the two received signals which can be used to determine the data transmitted.

The probability of error for DPSK is difficult to calculate in general, but, in the case of DBPSK it is:

{displaystyle P_{b}={frac {1}{2}}e^{-{frac {E_{b}}{N_{0}}}},}[9]

which, when numerically evaluated, is only slightly worse than ordinary BPSK, particularly at higher E_{b}/N_{0} values.

Using DPSK avoids the need for possibly complex carrier-recovery schemes to provide an accurate phase estimate and can be an attractive alternative to ordinary PSK.

In optical communications, the data can be modulated onto the phase of a laser in a differential way. The modulation is a laser which emits a continuous wave, and a Mach–Zehnder modulator which receives electrical binary data. For the case of BPSK, the laser transmits the field unchanged for binary ‘1’, and with reverse polarity for ‘0’. The demodulator consists of a delay line interferometer which delays one bit, so two bits can be compared at one time. In further processing, a photodiode is used to transform the optical field into an electric current, so the information is changed back into its original state.

The bit-error rates of DBPSK and DQPSK are compared to their non-differential counterparts in the graph to the right. The loss for using DBPSK is small enough compared to the complexity reduction that it is often used in communications systems that would otherwise use BPSK. For DQPSK though, the loss in performance compared to ordinary QPSK is larger and the system designer must balance this against the reduction in complexity.

Example: Differentially encoded BPSK[edit]

Differential encoding/decoding system diagram

At the k^{textrm {th}} time-slot call the bit to be modulated b_{k}, the differentially encoded bit e_{k} and the resulting modulated signal m_{k}(t). Assume that the constellation diagram positions the symbols at ±1 (which is BPSK). The differential encoder produces:

{displaystyle ,e_{k}=e_{k-1}oplus b_{k}}

where oplus {} indicates binary or modulo-2 addition.

BER comparison between BPSK and differentially encoded BPSK operating in white noise

So e_{k} only changes state (from binary «0» to binary «1» or from binary «1» to binary «0») if b_{k} is a binary «1». Otherwise it remains in its previous state. This is the description of differentially encoded BPSK given above.

The received signal is demodulated to yield {displaystyle e_{k}=pm 1} and then the differential decoder reverses the encoding procedure and produces

{displaystyle b_{k}=e_{k}oplus e_{k-1},}

since binary subtraction is the same as binary addition.

Therefore, b_{k}=1 if e_{k} and e_{k-1} differ and b_{k}=0 if they are the same. Hence, if both e_{k} and e_{k-1} are inverted, b_{k} will still be decoded correctly. Thus, the 180° phase ambiguity does not matter.

Differential schemes for other PSK modulations may be devised along similar lines. The waveforms for DPSK are the same as for differentially encoded PSK given above since the only change between the two schemes is at the receiver.

The BER curve for this example is compared to ordinary BPSK on the right. As mentioned above, whilst the error rate is approximately doubled, the increase needed in E_{b}/N_{0} to overcome this is small. The increase in E_{b}/N_{0} required to overcome differential modulation in coded systems, however, is larger – typically about 3 dB. The performance degradation is a result of noncoherent transmission – in this case it refers to the fact that tracking of the phase is completely ignored.

Definitions[edit]

For determining error-rates mathematically, some definitions will be needed:

Q(x) will give the probability that a single sample taken from a random process with zero-mean and unit-variance Gaussian probability density function will be greater or equal to x. It is a scaled form of the complementary Gaussian error function:

{displaystyle Q(x)={frac {1}{sqrt {2pi }}}int _{x}^{infty }e^{-{frac {1}{2}}t^{2}},dt={frac {1}{2}}operatorname {erfc} left({frac {x}{sqrt {2}}}right), xgeq 0}.

The error rates quoted here are those in additive white Gaussian noise (AWGN). These error rates are lower than those computed in fading channels, hence, are a good theoretical benchmark to compare with.

Applications[edit]

Owing to PSK’s simplicity, particularly when compared with its competitor quadrature amplitude modulation, it is widely used in existing technologies.

The wireless LAN standard, IEEE 802.11b-1999,[10][11] uses a variety of different PSKs depending on the data rate required. At the basic rate of 1 Mbit/s, it uses DBPSK (differential BPSK). To provide the extended rate of 2 Mbit/s, DQPSK is used. In reaching 5.5 Mbit/s and the full rate of 11 Mbit/s, QPSK is employed, but has to be coupled with complementary code keying. The higher-speed wireless LAN standard, IEEE 802.11g-2003,[10][12] has eight data rates: 6, 9, 12, 18, 24, 36, 48 and 54 Mbit/s. The 6 and 9 Mbit/s modes use OFDM modulation where each sub-carrier is BPSK modulated. The 12 and 18 Mbit/s modes use OFDM with QPSK. The fastest four modes use OFDM with forms of quadrature amplitude modulation.

Because of its simplicity, BPSK is appropriate for low-cost passive transmitters, and is used in RFID standards such as ISO/IEC 14443 which has been adopted for biometric passports, credit cards such as American Express’s ExpressPay, and many other applications.[13]

Bluetooth 2 uses pi /4-DQPSK at its lower rate (2 Mbit/s) and 8-DPSK at its higher rate (3 Mbit/s) when the link between the two devices is sufficiently robust. Bluetooth 1 modulates with Gaussian minimum-shift keying, a binary scheme, so either modulation choice in version 2 will yield a higher data rate. A similar technology, IEEE 802.15.4 (the wireless standard used by Zigbee) also relies on PSK using two frequency bands: 868–915 MHz with BPSK and at 2.4 GHz with OQPSK.

Both QPSK and 8PSK are widely used in satellite broadcasting. QPSK is still widely used in the streaming of SD satellite channels and some HD channels. High definition programming is delivered almost exclusively in 8PSK due to the higher bitrates of HD video and the high cost of satellite bandwidth.[14] The DVB-S2 standard requires support for both QPSK and 8PSK. The chipsets used in new satellite set top boxes, such as Broadcom’s 7000 series support 8PSK and are backward compatible with the older standard.[15]

Historically, voice-band synchronous modems such as the Bell 201, 208, and 209 and the CCITT V.26, V.27, V.29, V.32, and V.34 used PSK.[16]

Mutual information with additive white Gaussian noise[edit]

Mutual information of PSK over the AWGN channel

The mutual information of PSK can be evaluated in additive Gaussian noise by numerical integration of its definition.[17] The curves of mutual information saturate to the number of bits carried by each symbol in the limit of infinite signal to noise ratio {displaystyle E_{s}/N_{0}}. On the contrary, in the limit of small signal to noise ratios the mutual information approaches the AWGN channel capacity, which is the supremum among all possible choices of symbol statistical distributions.

At intermediate values of signal to noise ratios the mutual information (MI) is well approximated by:[17]

{displaystyle {textrm {MI}}simeq log _{2}left({sqrt {{frac {4pi }{e}}{frac {E_{s}}{N_{0}}}}}right).}

The mutual information of PSK over the AWGN channel is generally farther to the AWGN channel capacity than QAM modulation formats.

See also[edit]

  • Binary offset carrier modulation
  • Differential coding
  • Modulation – for an overview of all modulation schemes
  • Phase modulation (PM) – the analogue equivalent of PSK
  • Polar modulation
  • PSK31
  • PSK63

Notes[edit]

  1. ^ Communications Systems, H. Stern & S. Mahmoud, Pearson Prentice Hall, 2004, p. 283.
  2. ^
    Tom Nelson, Erik Perrins, and Michael Rice.
    «Common detectors for Tier 1 modulations» Archived 2012-09-17 at the Wayback Machine.

    T. Nelson, E. Perrins, M. Rice.
    «Common detectors for shaped offset QPSK (SOQPSK) and Feher-patented QPSK (FQPSK)»
    Nelson, T.; Perrins, E.; Rice, M. (2005). «Common detectors for shaped offset QPSK (SOQPSK) and Feher-patented QPSK (FQPSK)». GLOBECOM ’05. IEEE Global Telecommunications Conference, 2005. pp. 5 pp. doi:10.1109/GLOCOM.2005.1578470. ISBN 0-7803-9414-3. S2CID 11020777.
    ISBN 0-7803-9414-3

  3. ^ Hill, Terrance J. «A non-proprietary, constant envelope, variant of shaped offset QPSK (SOQPSK) for improved spectral containment and detection efficiency.» MILCOM 2000. 21st Century Military Communications Conference Proceedings. Vol. 1. IEEE, 2000.
  4. ^ Li, Lifang, and M. K. Simon. «Performance of coded offset quadrature phase-shift keying (OQPSK) and MIL-STD shaped OQPSK (SOQPSK) with iterative decoding.» Interplanetary Network Prog. Rep. 42 (2004).
  5. ^ Sahin, C. and Perrins, E., 2011, November. The capacity of SOQPSK-TG. In 2011-MILCOM 2011 Military Communications Conference (pp. 555-560). IEEE.
  6. ^ Saeed, N., Elzanaty, A., Almorad, H., Dahrouj, H., Al-Naffouri, T.Y. and Alouini, M.S., 2020. Cubesat communications: Recent advances and future challenges. IEEE Communications Surveys & Tutorials.
  7. ^ Haykin, S., 2001. Communication Systems, John Wiley&Sons. Inc. — p. 368
  8. ^ Link Budget Analysis: Digital Modulation, Part 3 (www.AtlantaRF.com)
  9. ^ G.L. Stüber, “Soft Decision Direct-Sequence DPSK Receivers,” IEEE Transactions on Vehicular Technology, vol. 37, no. 3, pp. 151–157, August 1988.
  10. ^ a b IEEE Std 802.11-1999: Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications – the overarching IEEE 802.11 specification. Archived August 28, 2007, at the Wayback Machine
  11. ^ IEEE Std 802.11b-1999 (R2003) – the IEEE 802.11b specification.
  12. ^ IEEE Std 802.11g-2003 – the IEEE 802.11g specification.
  13. ^ Understanding the Requirements of ISO/IEC 14443 for Type B Proximity Contactless Identification Cards, Application Note, Rev. 2056B–RFID–11/05, 2005, ATMEL.
  14. ^ «How Communications Satellites Work». Planet Fox. 2014.
  15. ^ «Low-Cost Satellite Set-top Box SoC — BCM7325 | Broadcom». Archived from the original on 2015-09-15. Retrieved 2015-09-08.
  16. ^ «Local and Remote Modems» (PDF). Black Box. Black Box Network Services. Archived from the original (PDF) on December 22, 2015. Retrieved December 20, 2015.
  17. ^ a b Blahut, R. E. (1988). Principles and Practice of Information Theory. Boston, MA, USA: Addison Wesley Publishing Company. ISBN 0-201-10709-0.

References[edit]

The notation and theoretical results in this article are based on material presented in the following sources:

  • Proakis, John G. (1995). Digital Communications. Singapore: McGraw Hill. ISBN 0-07-113814-5.
  • Couch, Leon W. II (1997). Digital and Analog Communications. Upper Saddle River, NJ: Prentice-Hall. ISBN 0-13-081223-4.
  • Haykin, Simon (1988). Digital Communications. Toronto, Canada: John Wiley & Sons. ISBN 0-471-62947-2.

Тип кодирования данных

Фазовая манипуляция (PSK ) — это цифровая модуляция процесс, который передает данные путем изменения (модуляции) фазы постоянного частоты эталонного сигнала ( несущая ). Модуляция осуществляется путем изменения входных сигналов синус и косинус в точное время. Он широко используется для беспроводных локальных сетей, RFID и Bluetooth связи.

Любая схема цифровой модуляции использует конечное количество различных сигналов для представления цифровых данных. PSK использует конечное количество фаз, каждой из которых назначен уникальный шаблон из двоичных цифр. Обычно каждая фаза кодирует равное количество битов. Каждый набор битов образует символ , который представлен конкретной фазой. Демодулятор , который разработан специально для набора символов, используемого модулятором, определяет фазу принятого сигнала и отображает ее обратно в символ, который он представляет, таким образом восстанавливая исходные данные. Для этого приемник должен иметь возможность сравнивать фазу принятого сигнала с опорным сигналом — такая система называется когерентной (и упоминается как CPSK).

CPSK требует сложного демодулятора, поскольку он должен извлекать опорную волну из принятого сигнала и отслеживать ее, чтобы сравнивать каждую выборку. В качестве альтернативы, фазовый сдвиг каждого отправленного символа можно измерить относительно фазы предыдущего отправленного символа. Поскольку символы кодируются с разностью фаз между последовательными выборками, это называется дифференциальной фазовой манипуляцией (DPSK) . DPSK может быть значительно проще в реализации, чем обычный PSK, поскольку это «некогерентная» схема, то есть демодулятору не нужно отслеживать опорную волну. Компромисс в том, что он имеет больше ошибок демодуляции.

Содержание

  • 1 Введение
    • 1.1 Определения
  • 2 Приложения
  • 3 Двоичная фазовая манипуляция (BPSK)
    • 3.1 Реализация
    • 3.2 Частота битовых ошибок
  • 4 Квадратурная фаза- Shift-манипуляция (QPSK)
    • 4.1 Реализация
    • 4.2 Вероятность ошибки
    • 4.3 Варианты
      • 4.3.1 Смещение QPSK (OQPSK)
      • 4.3.2 SOQPSK
      • 4.3.3 π / 4- QPSK
      • 4.3.4 DPQPSK
  • 5 PSK высшего порядка
    • 5.1 Частота битовых ошибок
    • 5.2 Спектральная эффективность
  • 6 Дифференциальная фазовая манипуляция (DPSK)
    • 6.1 Дифференциальное кодирование
    • 6.2 Демодуляция
    • 6.3 Пример: дифференциально-кодированная BPSK
  • 7 Взаимная информация с аддитивным белым гауссовским шумом
  • 8 См. Также
  • 9 Примечания
  • 10 Ссылки

Введение

Есть три основных класса методов цифровой модуляции, используемых для передачи представленных в цифровом виде данных:

  • Амплитудно-сдвигающая манипуляция (ASK)
  • Частотная манипуляция (FSK)
  • Фазовая манипуляция (PSK)

Все передают данные, изменяя какой-либо аспект основного знака al, несущая (обычно синусоида ) в ответ на сигнал данных. В случае PSK фаза изменяется для представления сигнала данных. Существует два основных способа использования фазы сигнала таким образом:

  • путем рассмотрения самой фазы как передачи информации, и в этом случае демодулятор должен иметь опорный сигнал. сигнал для сравнения фазы принятого сигнала; или
  • При просмотре изменения в фазе, как транспортирующая информация -. дифференциального схема, некоторые из которых не нужен опорный носителя (в определенную степень)

Удобный способ представления схем PSK — это диаграмма созвездия . Здесь показаны точки на комплексной плоскости , где в данном контексте оси действительная и мнимая называются синфазной и квадратурной осями соответственно из-за их Разделение на 90 °. Такое представление на перпендикулярных осях легко реализуется. Амплитуда каждой точки вдоль синфазной оси используется для модуляции косинусной (или синусоидальной) волны, а амплитуда вдоль квадратурной оси — для модуляции синусоидальной (или косинусной) волны. По соглашению синфазная модуляция модулирует косинус, а квадратурная модуляция синуса.

В PSK выбранные точки созвездия обычно располагаются с равномерным угловым интервалом вокруг окружности. Это обеспечивает максимальное разделение фаз между соседними точками и, следовательно, лучшую защиту от повреждений. Они расположены по кругу, поэтому все они могут передаваться с одинаковой энергией. Таким образом, модули комплексных чисел, которые они представляют, будут такими же, как и амплитуды, необходимые для косинусной и синусоидальной волн. Двумя распространенными примерами являются «двоичная фазовая манипуляция» (BPSK), которая использует две фазы, и «квадратурная фазовая манипуляция» (QPSK), которая использует четыре фазы, хотя любое количество фаз могут быть использованы. Поскольку данные, которые должны быть переданы, обычно являются двоичными, схема PSK обычно разрабатывается с количеством точек совокупности, равным степени двух.

Определения

Для математического определения частоты ошибок потребуются некоторые определения:

Q (x) { displaystyle Q (x)}Q (x) даст вероятность того, что единичный образец, взятый из случайного процесса с нулевым средним и единичным -variance функция плотности вероятности Гаусса будет больше или равна x { displaystyle x}x . Это масштабированная форма дополнительной функции ошибок Гаусса :

Q (x) = 1 2 π ∫ x ∞ e — 1 2 t 2 dt = 1 2 erfc ⁡ (x 2), x ≥ 0 { displaystyle Q (x) = { frac {1} { sqrt {2 pi}}} int _ {x} ^ { infty} e ^ {- { frac {1} {2}} t ^ { 2}} , dt = { frac {1} {2}} operatorname {erfc} left ({ frac {x} { sqrt {2}}} right), x geq 0}{ displaystyle Q (x) = { frac {1} { sqrt {2  pi}}}  int _ {x} ^ { infty} e ^ {- { frac {1} {2}} t ^ {2} } , dt = { frac {1} {2}}  operatorname {erfc}  left ({ frac {x} { sqrt {2}}}  right),  x  geq 0} .

Приведенные здесь коэффициенты ошибок соответствуют аддитивному белому гауссовскому шуму (AWGN). Эти коэффициенты ошибок ниже, чем вычисленные в каналах с замираниями, следовательно, они являются хорошим теоретическим эталоном для сравнения.

Приложения

Благодаря простоте PSK, особенно по сравнению с его конкурентом квадратурной амплитудной модуляцией, он широко используется в существующих технологиях.

Стандарт беспроводной локальной сети, IEEE 802.11b-1999, использует различные PSK в зависимости от требуемой скорости передачи данных. При базовой скорости 1 Мбит / с он использует DBPSK (дифференциальный BPSK). Для обеспечения расширенной скорости 2 Мбит / с используется DQPSK. При достижении 5,5 Мбит / с и полной скорости 11 Мбит / с используется QPSK, но он должен сочетаться с вводом дополнительного кода. Стандарт высокоскоростной беспроводной локальной сети, IEEE 802.11g-2003, имеет восемь скоростей передачи данных: 6, 9, 12, 18, 24, 36, 48 и 54 Мбит / с. В режимах 6 и 9 Мбит / с используется модуляция OFDM, где каждая поднесущая модулируется BPSK. В режимах 12 и 18 Мбит / с используется OFDM с QPSK. Четыре самых быстрых режима используют OFDM с формами квадратурной амплитудной модуляции.

Из-за своей простоты BPSK подходит для недорогих пассивных передатчиков и используется в стандартах RFID, таких как ISO / IEC 14443, который был принят для биометрических паспортов, кредитных карт, таких как American Express, ExpressPay, и многих других приложений.

Bluetooth 2 использует π / 4 { displaystyle pi / 4} pi / 4 -DQPSK на более низкой скорости (2 Мбит / с) и 8-DPSK на более высокой скорости (3 Мбит / s), когда связь между двумя устройствами достаточно надежна. Bluetooth 1 модулируется с помощью гауссовой манипуляции с минимальным сдвигом, двоичной схемы, поэтому любой выбор модуляции в версии 2 даст более высокую скорость передачи данных. Аналогичная технология, IEEE 802.15.4 (стандарт беспроводной связи, используемый ZigBee ), также полагается на PSK с использованием двух частотных диапазонов: 868–915 МГц с BPSK и на 2,4 ГГц с OQPSK.

И QPSK, и 8PSK широко используются в спутниковом вещании. QPSK по-прежнему широко используется при потоковой передаче спутниковых каналов SD и некоторых каналов HD. Программы высокого разрешения передаются почти исключительно в 8PSK из-за более высоких битрейтов HD-видео и высокой стоимости спутниковой полосы пропускания. Стандарт DVB-S2 требует поддержки как QPSK, так и 8PSK. Наборы микросхем, используемые в новых спутниковых приставках, таких как серия 7000 компании Broadcom, поддерживают 8PSK и обратно совместимы со старым стандартом.

Исторически сложилось так, что модемы с синхронизацией голосового диапазона , например, Bell 201, 208 и 209 и CCITT V.26, V.27, V.29, V.32 и V.34 использовали PSK.

Двоичная фазовая манипуляция (BPSK)

Пример диаграммы созвездия для BPSK

BPSK (также иногда называемый PRK, фазовой манипуляцией или 2PSK) — это простейшая форма фазовой манипуляции (PSK). В нем используются две фазы, разделенные на 180 °, поэтому их также можно назвать 2-PSK. Не имеет особого значения, где именно расположены точки созвездия, и на этом рисунке они показаны на действительной оси в точках 0 ° и 180 °. Следовательно, он обрабатывает самый высокий уровень шума или искажения до того, как демодулятор примет неверное решение. Это делает его самым надежным из всех PSK. Однако он может модулировать только со скоростью 1 бит / символ (как показано на рисунке) и поэтому не подходит для приложений с высокой скоростью передачи данных.

При наличии произвольного фазового сдвига, вносимого каналом связи, демодулятор (см., Например, цикл Костаса ) не может определить, какая точка совокупности который. В результате данные часто дифференциально кодируются перед модуляцией.

BPSK функционально эквивалентен модуляции 2-QAM.

Реализация

Общая форма для BPSK следует уравнению:

sn (t) = 2 E b T b cos ⁡ (2 π ft + π (1 — n)), п = 0, 1. { displaystyle s_ {n} (t) = { sqrt { frac {2E_ {b}} {T_ {b}}}} cos (2 pi ft + pi (1-n)), quad n = 0,1.}{ displaystyle s_ {n} (t) = { sqrt { frac {2E_ {b}} {T_ {b}}}}  соз (2  pi ft +  pi (1-n)),  quad n = 0,1.}

Это дает две фазы, 0 и π. В особой форме двоичные данные часто передаются с помощью следующих сигналов:

s 0 (t) = 2 E b T b cos ⁡ (2 π ft + π) = — 2 E b T b cos ⁡ (2 π фут) { displaystyle s_ {0} (t) = { sqrt { frac {2E_ {b}} {T_ {b}}}} cos (2 pi ft + pi) = — { sqrt { frac {2E_ {b}} {T_ {b}}}} cos (2 pi ft)}{ displaystyle s_ {0} (t) = { sqrt { frac {2E_ {b}} {T_ {b}}}}  cos (2  pi ft +  pi) = - { sqrt { frac {2E_ {b}} {T_ {b}}}}  соз (2  pi ft)} для двоичного «0»
s 1 (t) = 2 E b T b cos ⁡ (2 π фут) { displaystyle s_ {1} (t) = { sqrt { frac {2E_ {b}} {T_ {b}}}} cos (2 pi ft)}{ displaystyle s_ {1} (t) = { sqrt { frac {2E_ {b}} {T_ {b}}}}  cos (2  pi ft)} для двоичной «1»

, где f — частота основной полосы частот.

Следовательно, пространство сигналов может быть представлено единственной базисной функцией

ϕ (t) = 2 T b cos ⁡ (2 π ft) { displaystyle phi (t) = { sqrt { frac {2} {T_ {b}}}} cos (2 pi ft)}{ displaystyle  phi (t) = { sqrt { frac {2} {T_ {b}}}}  cos (2  pi ft)}

где 1 представлено как E b ϕ (t) { displaystyle { sqrt {E_ {b}}} phi (t)}{ sqrt {E_ {b}}}  phi (t) и 0 представлен как — E b ϕ (t) { displaystyle — { sqrt {E_ {b}}} phi (t)}- { sqrt {E_ {b}}}  phi (t) . Это назначение произвольно.

Это использование этой базовой функции показано в конце следующего раздела на временной диаграмме сигнала. Самый верхний сигнал — это косинусоидальная волна, модулированная BPSK, которую будет производить модулятор BPSK. Битовый поток, который вызывает этот вывод, показан над сигналом (другие части этого рисунка относятся только к QPSK). После модуляции сигнал основной полосы будет перемещен в полосу высоких частот путем умножения cos ⁡ (2 π fct) { displaystyle cos (2 pi f_ {c} t)}{ displaystyle  cos (2  pi f_ {c} t)} .

Коэффициент битовых ошибок

коэффициент битовых ошибок (BER) BPSK при аддитивном белом гауссовском шуме (AWGN) можно рассчитать как:

P b = Q (2 E b N 0) { displaystyle P_ {b} = Q left ({ sqrt { frac {2E_ {b}} {N_ {0}}}} right)}P_ {b} = Q  left ({ sqrt { frac {2E_ {b}}) {N_ {0}}}}  right) или P е = 1 2 erfc ⁡ (E b N 0) { displaystyle P_ {e} = { frac {1} {2}} operatorname {erfc} left ({ sqrt { frac {E_ {b}}) {N_ {0}}}} right)}P_ {e} = { frac {1} {2}}  operatorname {erfc}  left ({ sqrt { frac {E_ { b}} {N_ {0}}}}  right)

Поскольку на каждый символ приходится только один бит, это также частота ошибок символа.

Диаграмма созвездия для QPSK с кодировкой Грея. Каждый соседний символ отличается только на один бит.

Иногда это называется четырехфазным PSK, 4-PSK или 4- QAM. (Хотя основные концепции QPSK и 4-QAM различны, результирующие модулированные радиоволны точно такие же.) QPSK использует четыре точки на диаграмме созвездия, равномерно распределенные по кругу. С четырьмя фазами QPSK может кодировать два бита на символ, показанные на диаграмме с кодированием Грея, чтобы минимизировать коэффициент ошибок по битам (BER) — иногда ошибочно воспринимается как удвоенный BER, чем BPSK.

Математический анализ показывает, что QPSK может использоваться либо для удвоения скорости передачи данных по сравнению с системой BPSK при сохранении той же полосы пропускания сигнала, либо для поддержания скорости передачи данных BPSK. но необходимо сократить вдвое полосу пропускания. В последнем случае BER QPSK в точности совпадает с BER BPSK — и полагать иначе — это обычная путаница при рассмотрении или описании QPSK. Переданная несущая может претерпевать ряд фазовых изменений.

Учитывая, что каналы радиосвязи распределяются такими агентствами, как Федеральная комиссия по связи, что дает предписанную (максимальную) полосу пропускания, преимущество QPSK над BPSK становится очевидным: QPSK передает в два раза большую скорость передачи данных в заданной полосе пропускания по сравнению с BPSK — при том же BER. Плата за техническое обслуживание состоит в том, что передатчики и приемники QPSK сложнее, чем передатчики для BPSK. Однако с современной технологией электроники снижение стоимости очень умеренное.

Как и в случае с BPSK, на принимающей стороне возникают проблемы с фазовой неоднозначностью, и на практике часто используется дифференциально кодированный QPSK.

Реализация

Реализация QPSK является более общей, чем реализация BPSK, а также указывает на реализацию PSK более высокого порядка. Записывая символы на диаграмме созвездия в виде синусоидальных и косинусоидальных волн, используемых для их передачи:

sn (t) = 2 E s T s cos ⁡ (2 π fct + (2 n — 1) π 4), n = 1, 2, 3, 4. { displaystyle s_ {n} (t) = { sqrt { frac {2E_ {s}} {T_ {s}}}} cos left (2 pi f_ {c} t + (2n-1) { frac { pi} {4}} right), quad n = 1,2,3,4.}{ displaystyle s_ {n} (t) = { sqrt { frac {2E_ {s}} {T_ {s}}}}  cos  left (2  pi f_ {c} t + (2n-1) { frac { pi} {4}}  right),  q uad n = 1,2,3,4.}

Это дает четыре фазы π / 4, 3π / 4, 5π / 4 и 7π / 4 по мере необходимости.

Это приводит к двумерному сигнальному пространству с единицами базисных функций

ϕ 1 (t) = 2 T s cos ⁡ (2 π fct) ϕ 2 (t) = 2 T s грех ⁡ (2 π fct) { displaystyle { begin {align} phi _ {1} (t) = { sqrt { frac {2} {T_ {s}}}} cos left (2 pi f_ {c} t right) \ phi _ {2} (t) = { sqrt { frac {2} {T_ {s}}}} sin left (2 pi f_ { c} t right) end {align}}}{ displaystyle { begin {выровнено}  phi _ {1} (t) = { sqrt { frac {2} {T_ {s}}}}  cos  left (2  pi f_ {c} t  right) \ phi _ {2} (t) = { sqrt { frac {2} {T_ {s}}}}  sin  left (2  pi f_ {c} t  right)  end {выровнено}}}

Первая базовая функция используется как синфазная составляющая сигнала, а вторая как квадратурная составляющая сигнала.

Следовательно, совокупность сигналов состоит из 4 точек

пространства сигнала (± E s 2 ± E s 2). { displaystyle { begin {pmatrix} pm { sqrt { frac {E_ {s}} {2}}} pm { sqrt { frac {E_ {s}} {2}}} end {pmatrix}}.}{  displaystyle { begin {pmatrix}  pm { sqrt { frac {E_ {s}} {2}}}  pm { sqrt { frac {E_ {s}} {2}}}  end { pmatrix}}.}

Коэффициент 1/2 показывает, что общая мощность поровну делится между двумя несущими.

Сравнение этих базовых функций с функциями для BPSK ясно показывает, как QPSK можно рассматривать как два независимых сигнала BPSK. Обратите внимание, что точки пространства сигнала для BPSK не нуждаются в разделении энергии символа (бита) по двум несущим в схеме, показанной на диаграмме созвездия BPSK.

Системы QPSK могут быть реализованы несколькими способами. Ниже показаны основные компоненты конструкции передатчика и приемника.

Концептуальная структура передатчика для QPSK. Поток двоичных данных разделяется на синфазную и квадратурную составляющие. Затем они отдельно модулируются на две ортогональные базисные функции. В этой реализации используются две синусоиды. После этого два сигнала накладываются друг на друга, и в результате получается сигнал QPSK. Обратите внимание на использование полярного кодирования без возврата к нулю. Эти кодеры могут быть размещены перед источником двоичных данных, но были размещены после, чтобы проиллюстрировать концептуальную разницу между цифровыми и аналоговыми сигналами, связанными с цифровой модуляцией. Структура приемника для QPSK. Согласованные фильтры можно заменить корреляторами. Каждое устройство обнаружения использует эталонное пороговое значение, чтобы определить, обнаружено ли 1 или 0.

Вероятность ошибки

Хотя QPSK можно рассматривать как четвертичную модуляцию, его легче рассматривать как две независимо модулированные квадратурные носители. При такой интерпретации четные (или нечетные) биты используются для модуляции синфазной составляющей несущей, в то время как нечетные (или четные) биты используются для модуляции квадратурной составляющей несущей. BPSK используется на обеих несущих, и их можно независимо демодулировать.

В результате вероятность битовой ошибки для QPSK такая же, как для BPSK:

P b = Q (2 E b N 0) { displaystyle P_ {b} = Q left ({ sqrt { frac {2E_ {b}} {N_ {0}}}} right)}P_b = Q  left ( sqrt { frac {2E_b} {N_0}}  right)

Однако для достижения той же вероятности битовой ошибки, что и BPSK, QPSK использует вдвое большую мощность (поскольку два бита передаются одновременно).

Коэффициент ошибок символа определяется следующим образом:

P s = 1 — (1 — P b) 2 = 2 Q (E s N 0) — [Q (E s N 0)] 2. { displaystyle { begin {align} P_ {s} = 1- left (1-P_ {b} right) ^ {2} \ = 2Q left ({ sqrt { frac {E_ { s}} {N_ {0}}}} right) — left [Q left ({ sqrt { frac {E_ {s}} {N_ {0}}}} right) right] ^ { 2}. End {align}}}{ displaysty le { begin {align} P_ {s} = 1-  left (1-P_ {b}  right) ^ {2} \ = 2Q  left ({ sqrt { frac {E_ {s}) } {N_ {0}}}}  right) -  left [Q  left ({ sqrt { frac {E_ {s}} {N_ {0}}}}  right)  right] ^ {2}.  end {align}}}

Если отношение сигнал / шум высокое (что необходимо для практических систем QPSK), вероятность ошибки символа может быть приблизительно равна:

P s ≈ 2 Q (E s N 0) = erfc ⁡ (E s 2 N 0) = erfc ⁡ (E b N 0) { displaystyle P_ {s} приблизительно 2Q left ({ sqrt { frac { E_ {s}} {N_ {0}}}} right) = operatorname {erfc} left ({ sqrt { frac {E_ {s}} {2N_ {0}}}} right) = operatorname {erfc} left ({ sqrt { frac {E_ {b}} {N_ {0}}}} right)}{ displaystyle P_ {s}  приблизительно 2Q  left ({ sqrt { frac {E_ {s}} {N_ {0}}}}  right) =  operatorname {erfc}  left ({ sqrt { frac {E_ {s}} {2N_ {0}}}}  right) =  operatorname {erfc}  left ({ sqrt { frac {E_ { b}} {N_ {0}}}}  right)}

Модулированный сигнал показан ниже для короткого сегмента случайных двоичных данных — поток. Две несущие волны представляют собой косинусоидальную и синусоидальную волну, как показывает анализ пространства сигналов выше. Здесь биты с нечетными номерами назначены синфазному компоненту, а биты с четными номерами — квадратурному компоненту (принимая первый бит за номер 1). Общий сигнал — сумма двух компонентов — показан внизу. Скачки по фазе можно увидеть, поскольку PSK изменяет фазу на каждом компоненте в начале каждого битового периода. Самая верхняя форма волны соответствует описанию, данному для BPSK выше.

.

Временная диаграмма для QPSK. Поток двоичных данных показан под осью времени. Два компонента сигнала с их назначением битов показаны вверху, а общий комбинированный сигнал — внизу. Обратите внимание на резкие изменения фазы на некоторых границах битового периода.

Двоичные данные, которые передаются этим сигналом: 11000110.

  • Нечетные биты, выделенные здесь, вносят вклад в синфазную составляющую: 11000110
  • Четные биты, выделенные здесь, вносят вклад в квадратурно-фазовую составляющую: 11000110

Варианты

QPSK смещения (OQPSK)

Сигнал не проходит через источник, потому что за один раз изменяется только один бит символа.

Квадратурная фазовая манипуляция со смещением (OQPSK) — это вариант модуляции с фазовой манипуляцией, использующий четыре различных значения фазы для передачи. Иногда это называют ступенчатой ​​квадратурной фазовой манипуляцией (SQPSK).

Разница фаз между QPSK и OQPSK

Одновременное использование четырех значений фазы (два бита ) для построения символа QPSK может позволить фазе сигнала прыгнуть на столько же как 180 ° за раз. Когда сигнал фильтруется нижними частотами (как это обычно бывает в передатчике), эти фазовые сдвиги приводят к большим колебаниям амплитуды, что является нежелательным качеством в системах связи. При смещении синхронизации нечетных и четных битов на один битовый период или половину периода символа синфазная и квадратурная составляющие никогда не изменятся одновременно. На диаграмме созвездия, показанной справа, можно увидеть, что это ограничит фазовый сдвиг не более чем на 90 ° за раз. Это дает гораздо меньшие колебания амплитуды, чем QPSK без смещения, и иногда это предпочтительнее на практике.

На рисунке справа показана разница в поведении фазы между обычным QPSK и OQPSK. Видно, что на первом графике фаза может измениться сразу на 180 °, а в OQPSK изменения никогда не превышают 90 °.

Модулированный сигнал показан ниже для короткого сегмента случайного потока двоичных данных. Обратите внимание на сдвиг на половину периода символа между двумя составляющими волнами. Внезапные сдвиги фазы происходят примерно в два раза чаще, чем при QPSK (поскольку сигналы больше не изменяются вместе), но они менее серьезны. Другими словами, величина скачков меньше в OQPSK по сравнению с QPSK.

Временная диаграмма для смещения-QPSK. Поток двоичных данных показан под осью времени. Два компонента сигнала с их назначением битов показаны вверху, а общий комбинированный сигнал — внизу. Обратите внимание на смещение полупериода между двумя компонентами сигнала.

SOQPSK

Безлицензионный сформированный -смещение QPSK (SOQPSK) совместим с Feher- запатентованный QPSK (FQPSK ) в том смысле, что детектор QPSK с интегрированием и сбросом смещения дает одинаковый выходной сигнал независимо от типа используемого передатчика.

Эти модуляции тщательно формируют I и формы волны Q, так что они изменяются очень плавно, и сигнал остается постоянной амплитуды даже во время переходов сигнала. (Вместо мгновенного перехода от одного символа к другому или даже линейного, он плавно перемещается по кругу с постоянной амплитудой от одного символа к другому.) Модуляция SOQPSK может быть представлена ​​как гибрид QPSK и MSK : SOQPSK имеет ту же совокупность сигналов, что и QPSK, однако фаза SOQPSK всегда стационарна.

Стандартное описание SOQPSK-TG включает троичные символы. SOQPSK — одна из наиболее распространенных схем модуляции в применении к спутниковой связи LEO.

π / 4-QPSK

Диаграмма двойного созвездия для π / 4-QPSK. Здесь показаны два отдельных созвездия с идентичной кодировкой Грея, но повернутые на 45 ° друг относительно друга.

В этом варианте QPSK используются два идентичных созвездия, повернутых на 45 ° (π / 4 { displaystyle pi / 4} pi / 4 радиан (отсюда и название) по отношению друг к другу. Обычно, четные или нечетные символы используются для выбора точек из одного из созвездий, а другие символы выбирают точки из другого созвездия. Это также уменьшает фазовые сдвиги от максимума 180 °, но только до максимума 135 °, и поэтому колебания амплитуды π / 4 { displaystyle pi / 4} pi / 4 -QPSK находятся между OQPSK и несмещенным QPSK.

Одно свойство, которым обладает эта схема модуляции, заключается в том, что если модулированный сигнал представлен в комплексной области, переходы между символами никогда не проходят через 0. Другими словами, сигнал не проходит через начало координат. Это снижает динамический диапазон колебаний сигнала, что желательно при разработке сигналов связи.

С другой стороны, π / 4 { displaystyle pi / 4} pi / 4 -QPSK поддается простой демодуляции и был принят для использования, например, в TDMA сотовые телефонные системы.

Модулированный сигнал показан ниже для короткого сегмента случайного потока двоичных данных. Конструкция такая же, как и для обычного QPSK. Последовательные символы взяты из двух созвездий, показанных на схеме. Таким образом, первый символ (11) взят из «синего» созвездия, а второй символ (0 0) взят из «зеленого» созвездия. Обратите внимание, что величины двух составляющих волн изменяются при переключении между созвездиями, но общая величина сигнала остается постоянной (постоянная огибающая ). Фазовые сдвиги находятся между двумя предыдущими временными диаграммами.

Временная диаграмма для π / 4-QPSK. Поток двоичных данных показан под осью времени. Два компонента сигнала с их назначением битов показаны вверху, а общий комбинированный сигнал — внизу. Обратите внимание, что последовательные символы берутся поочередно из двух совокупностей, начиная с «синего».

DPQPSK

Квадратурная фазовая манипуляция с двойной поляризацией (DPQPSK) или QPSK с двойной поляризацией — включает поляризационное мультиплексирование двух разных сигналов QPSK, таким образом улучшая спектральную эффективность в 2 раза. Это экономичная альтернатива использованию 16-PSK вместо QPSK для удвоения спектральной эффективности.

PSK высшего порядка

Диаграмма совокупности для 8-PSK с кодированием Грея

Для построения совокупности PSK можно использовать любое количество фаз, но 8-PSK обычно является развернутой совокупностью PSK высшего порядка. При более чем 8 фазах частота ошибок становится слишком высокой, и доступны более качественные, хотя и более сложные модуляции, такие как квадратурная амплитудная модуляция (QAM). Хотя может использоваться любое количество фаз, тот факт, что совокупность обычно должна иметь дело с двоичными данными, означает, что количество символов обычно является степенью 2, чтобы обеспечить целое число битов на символ.

Коэффициент битовых ошибок

Для общего M-PSK не существует простого выражения для вероятности ошибки символа, если M>4 { displaystyle M>4}{displaystyle M>4} . К сожалению, это может может быть получено только из

P s = 1 — ∫ — π / M π / M p θ r (θ r) d θ r, { displaystyle P_ {s} = 1- int _ {- pi / M } ^ { pi / M} p _ { theta _ {r}} left ( theta _ {r} right) d theta _ {r},}{ displaystyle P_ {s} = 1-  int _ {-  pi / M} ^ { pi / M} p _ { theta _ { r}}  left ( theta _ {r}  right) d  theta _ {r},}

где

p θ r (θ r) = 1 2 π e — 2 γ s sin 2 ⁡ θ r ∫ 0 ∞ V e — 1 2 (V — 2 γ s cos ⁡ θ r) 2 d V, V = r 1 2 + r 2 2, θ р знак равно загар — 1 ⁡ (р 2 р 1), γ s знак равно Е s N 0 { Displaystyle { begin {align} p _ { theta _ {r}} left ( theta _ {r} right) = { frac {1} {2 pi}} e ^ {- 2 gamma _ {s} sin ^ {2} theta _ {r}} int _ {0} ^ { infty} Ve ^ {- { frac {1} {2}} left (V-2 { sqrt { gamma _ {s}}} cos theta _ {r} right) ^ {2}} , dV, \ V = { sqrt {r_ {1} ^ {2} + r_ {2} ^ {2}}}, \ theta _ {r} = tan ^ {- 1} left ({ frac {r_ {2}} {r_ {1}}} r ight), \ gamma _ {s} = { frac {E_ {s}} {N_ {0}}} end {align}}}{  Displaystyle { begin {align} p _ { theta _ {r}}  left ( theta _ {r}  right) = { frac {1} {2  pi}} e ^ {- 2  gamma _ {s}  sin ^ {2}  theta _ {r}}  int _ {0} ^ { infty} Ve ^ {- { frac {1} {2}}  left (V-2 { sqrt { gamma _ {s}}}  cos  theta _ {r}  right) ^ {2}} , dV, \ V = { sqrt {r_ {1} ^ {2} + r_ {2 } ^ {2}}}, \ theta _ {r} =  tan ^ {- 1}  left ({ frac {r_ {2}} {r_ {1}}}  right), \  gamma _ {s} = { frac {E_ {s}} {N_ {0}}}  end {align}}}

и r 1 ∼ N (E s, 1 2 N 0) { displaystyle r_ {1} sim N left ({ sqrt {E_ {s}}}, { frac {1} {2}} N_ {0} right)}{ displaystyle r_ {1}  sim N  left ({ sqrt {E_ {s}}}, { frac {1} { 2}} N_ {0}  right)} и r 2 ∼ N (0, 1 2 N 0) { displaystyle r_ {2} sim N left (0, { frac {1} {2}} N_ {0} справа)}{ displaystyle r_ {2}  sim N  left (0, { frac {1} {2}} N_ {0}  right)} — каждая гауссова случайная величина.

Кривые частоты ошибок по битам для BPSK, QPSK, 8-PSK и 16-PSK, канал аддитивного белого гауссовского шума

Это может быть приблизительно для высокого M { displaystyle M}M и высокого E b / N 0 { displaystyle E_ {b} / N_ {0}}E_ {b} / N_ { 0} на:

P s ≈ 2 Q (2 γ s sin ⁡ π M). { displaystyle P_ {s} приблизительно 2Q left ({ sqrt {2 gamma _ {s}}} sin { frac { pi} {M}} right).}{ displaystyle P_ { s}  приблизительно 2Q  left ({ sqrt {2  gamma _ {s}}}  sin { frac { pi} {M}}  right).}

Бит- вероятность ошибки для M { displaystyle M}M -PSK может быть определена точно только после того, как битовое отображение известно. Однако, когда используется кодировка Грея, наиболее вероятная ошибка от одного символа к следующему дает только одну битовую ошибку и

P b ≈ 1 k P s. { displaystyle P_ {b} приблизительно { frac {1} {k}} P_ {s}.}{ displaystyle P_ {b}  приблизительно { frac { 1} {k}} P_ {s}.}

(Использование кодирования Грея позволяет нам приблизить расстояние Ли ошибок как Расстояние Хэмминга ошибок в декодированном потоке битов, которое легче реализовать аппаратно.)

На графике слева сравниваются коэффициенты битовых ошибок BPSK, QPSK (которые являются то же, что и отмечалось выше), 8-PSK и 16-PSK. Видно, что модуляция более высокого порядка демонстрирует более высокие коэффициенты ошибок; однако взамен они обеспечивают более высокую скорость необработанных данных.

Границы частоты ошибок для различных схем цифровой модуляции могут быть вычислены с применением объединения к сигнальной совокупности.

Спектральная эффективность

Ширина полосы (или спектральная) эффективность схем модуляции M-PSK увеличивается с увеличением порядка модуляции M (в отличие, например, от M-FSK ):

ρ = журнал 2 ⁡ M 2 [бит / с ⋅ Гц] { displaystyle rho = { frac { log _ {2} M} {2}} quad [{ text {bits}} / { text {s }} cdot { text {Hz}}]}{ displaystyle  rho = { frac { log _ {2} M} {2}}  quad [{ text {bits}} / { text {s}}  cdot { текст {Гц}}]}

То же соотношение сохраняется и для M-QAM.

Дифференциальная фазовая манипуляция (DPSK)

Дифференциальное кодирование

Дифференциальная фазовая манипуляция (DPSK) — это распространенная форма фазовой модуляции, которая передает данные путем изменения фазы несущей волны. Как упоминалось для BPSK и QPSK, существует неоднозначность фазы, если совокупность поворачивается некоторым эффектом в канал связи, через который проходит сигнал. Эту проблему можно решить, используя данные для изменения, а не для установки фазы.

Например, в дифференциально-кодированной BPSK двоичной «1» может быть передан путем добавления 180 ° к текущей фазе и двоичного «0» путем добавления 0 ° к текущей фазе. Другой вариант DPSK — это симметричная дифференциальная фазовая манипуляция, SDPSK, где кодирование будет составлять + 90 ° для «1» и -90 ° для «0».

В дифференциально кодированной QPSK (DQPSK) фазовые сдвиги составляют 0 °, 90 °, 180 °, -90 °, что соответствует данным «00», «01», «11», «10». Этот вид кодирования может быть демодулирован таким же образом, как и для недифференциальной PSK, но фазовые неоднозначности можно игнорировать. Таким образом, каждый принятый символ демодулируется в одну из точек M { displaystyle M}M в совокупности, и компаратор затем вычисляет разность фаз между этим принятым сигналом и предыдущий. Разница кодирует данные, как описано выше. Симметричная дифференциальная квадратурная фазовая манипуляция (SDQPSK) похожа на DQPSK, но кодирование является симметричным, с использованием значений фазового сдвига -135 °, -45 °, + 45 ° и + 135 °.

Модулированный сигнал показан ниже как для DBPSK, так и для DQPSK, как описано выше. На рисунке предполагается, что сигнал начинается с нулевой фазы, и поэтому в обоих сигналах есть фазовый сдвиг в t = 0 { displaystyle t = 0}т = 0 .

Временная диаграмма для DBPSK и DQPSK. Поток двоичных данных находится выше сигнала DBPSK. Отдельные биты сигнала DBPSK сгруппированы в пары для сигнала DQPSK, который изменяется только каждые T s = 2T b.

Анализ показывает, что дифференциальное кодирование примерно вдвое увеличивает количество ошибок по сравнению с обычным M { displaystyle M}M -PSK, но это можно преодолеть лишь небольшим увеличением E b / N 0 { displaystyle E_ {b} / N_ {0}}E_ {b} / N_ { 0} . Кроме того, этот анализ (и графические результаты ниже) основаны на системе, в которой единственным искажением является аддитивный белый гауссовский шум (AWGN). Однако между передатчиком и приемником в системе связи также будет существовать физический канал. Этот канал, как правило, вносит неизвестный фазовый сдвиг в сигнал PSK; в этих случаях дифференциальные схемы могут давать более высокий коэффициент ошибок, чем обычные схемы, которые полагаются на точную информацию о фазе.

Одно из самых популярных приложений DPSK — это стандарт Bluetooth, где π / 4 { displaystyle pi / 4} pi / 4 -DQPSK и 8- Внедрены ДПСК.

Демодуляция

Сравнение BER между DBPSK, DQPSK и их недифференциальными формами с использованием кодирования Грея и работы с белым шумом

Для сигнала, который был закодирован дифференциально, существует очевидный альтернативный метод демодуляции. Вместо обычной демодуляции и игнорирования неоднозначности фазы несущей сравнивается фаза между двумя последовательными принятыми символами и используется для определения того, какими должны были быть данные. Когда дифференциальное кодирование используется таким образом, схема известна как дифференциальная фазовая манипуляция (DPSK). Обратите внимание, что это немного отличается от просто дифференциально кодированной PSK, поскольку при приеме принятые символы не декодируются один за другим в точки совокупности, а вместо этого напрямую сравниваются друг с другом.

Вызвать полученный символ в k { displaystyle k}k временном интервале rk { displaystyle r_ {k}}r_ {k} и дать ему фаза ϕ k { displaystyle phi _ {k}} phi _ {k} . Без ограничения общности считаем, что фаза несущей волны равна нулю. Обозначим термин аддитивный белый гауссовский шум (AWGN) как n k { displaystyle n_ {k}}n_ {k} . Тогда

r k = E s e j ϕ k + n k. { displaystyle r_ {k} = { sqrt {E_ {s}}} e ^ {j phi _ {k}} + n_ {k}.}{ displaystyle r_ {k} = { sqrt {E_ {s}}} e ^ {j  phi _ {k}} + n_ {k}.}

Переменная решения для k — 1 { displaystyle k-1}k-1 и символ k { displaystyle k}k — это разность фаз между rk { displaystyle r_ {k}}r_ {k} и rk — 1 { displaystyle r_ {k-1}}r_ {k-1} . То есть, если rk { displaystyle r_ {k}}r_ {k} проецируется на rk — 1 { displaystyle r_ {k-1}}r_ {k-1} , решение берется на фазе полученного комплексного числа:

rkrk — 1 ∗ = E sej (φ k — φ k — 1) + E sej φ knk — 1 ∗ + E se — j φ k — 1 nk + nknk — 1 * { displaystyle r_ {k} r_ {k-1} ^ {*} = E_ {s} e ^ {j left ( varphi _ {k} — varphi _ {k-1} right) } + { sqrt {E_ {s}}} e ^ {j varphi _ {k}} n_ {k-1} ^ {*} + { sqrt {E_ {s}}} e ^ {- j varphi _ {k-1}} n_ {k} + n_ {k} n_ {k-1} ^ {*}}{ displaystyle r_ {k} r_ {k-1} ^ {*} = E_ {s} e ^ {j  left ( varphi _ {k} -  varphi _ {k-1}  right)} + { sqrt {E_ {s}}} e ^ {j  varphi _ {k}} n_ {k-1} ^ {*} + {  sqrt {E_ {s}}} e ^ {- j  varphi _ {k-1}} n_ {k} + n_ {k} n_ {k-1} ^ {*}}

где верхний индекс * обозначает комплексное сопряжение. В отсутствие шума фаза этого сигнала равна ϕ k — ϕ k — 1 { displaystyle phi _ {k} — phi _ {k-1}} phi _ {k} -  phi _ {k-1} , фаза- сдвиг между двумя принятыми сигналами, который может использоваться для определения передаваемых данных.

Вероятность ошибки для DPSK в целом трудно вычислить, но в случае DBPSK это:

P b = 1 2 e — E b N 0, { displaystyle P_ {b } = { frac {1} {2}} e ^ {- { frac {E_ {b}} {N_ {0}}}},}{ displaystyle P_ {b} = { frac {1} {2}} e ^ {- { frac {E_ {b}} {N_ {0}}}},}

который при численной оценке лишь немного хуже обычного BPSK, особенно при более высоких значениях E b / N 0 { displaystyle E_ {b} / N_ {0}}E_ {b} / N_ { 0} .

Использование DPSK устраняет необходимость в возможных сложных схемах восстановления несущей для обеспечения точной оценки фазы и может быть привлекательной альтернативой обычному PSK.

В оптической связи данные могут быть модулированы по фазе лазера дифференциальным способом. Модуляция представляет собой лазер, который излучает непрерывную волну, и модулятор Маха – Цендера, который принимает электрические двоичные данные. В случае BPSK лазер передает поле без изменений для двоичной «1» и с обратной полярностью для «0». Демодулятор состоит из интерферометра линии задержки, который задерживает один бит, поэтому два бита можно сравнивать за один раз. При дальнейшей обработке используется фотодиод для преобразования оптического поля в электрический ток, так что информация возвращается в исходное состояние.

Коэффициенты ошибок по битам DBPSK и DQPSK сравниваются с их недифференциальными аналогами на графике справа. Потери при использовании DBPSK достаточно малы по сравнению с уменьшением сложности, которое часто используется в системах связи, которые иначе использовали бы BPSK. Однако для DQPSK потеря производительности по сравнению с обычным QPSK больше, и разработчик системы должен сбалансировать это с уменьшением сложности.

Пример: BPSK с дифференциальным кодированием

Схема системы дифференциального кодирования / декодирования

В k th { displaystyle k ^ { textrm {th}}}k ^ { textrm {th}} время -slot вызывает бит, который необходимо модулировать bk { displaystyle b_ {k}}b_ {k} , дифференциально кодированный бит ek { displaystyle e_ {k}}e_ {k} и результирующий модулированный сигнал mk (t) { displaystyle m_ {k} (t)}m_ {k} (t) . Предположим, что диаграмма созвездия позиционирует символы в положении ± 1 (что соответствует BPSK). Дифференциальный энкодер выдает:

ek = ek — 1 ⊕ bk { displaystyle , e_ {k} = e_ {k-1} oplus b_ {k}}{ displaystyle , e_ {k} = e_ {k-1}  oplus b _ {k}}

где ⊕ { displaystyle oplus {}} oplus {} указывает двоичное или сложение по модулю 2.

Сравнение BER между BPSK и дифференциально закодированным BPSK, работающим в белом шуме

Итак, ek { displaystyle e_ {k}}e_ {k} только изменяет состояние (с двоичного «0» на двоичное «1 «или из двоичной» 1 «в двоичную» 0 «), если bk { displaystyle b_ {k}}b_ {k} является двоичной» 1 «. В противном случае он остается в своем предыдущем состоянии. Это описание дифференциально кодированной BPSK, приведенное выше.

Полученный сигнал демодулируется для получения ek = ± 1 { displaystyle e_ {k} = pm 1}{ displaystyle e_ {k} =  pm 1} , а затем дифференциальный декодер меняет процедуру кодирования на противоположную и выдает

bk = ek ⊕ ek — 1, { displaystyle b_ {k} = e_ {k} oplus e_ {k-1},}{ displaystyle b_ {k} = e_ {k}  oplus e_ {k-1},}

поскольку двоичное вычитание аналогично двоичному сложению.

Следовательно, bk = 1 { displaystyle b_ {k} = 1}b_ {k} = 1 , если ek { displaystyle e_ {k}}e_ {k} и ek — 1 { displaystyle e_ {k-1}}e_ {k-1} different и bk = 0 { displaystyle b_ {k} = 0}b_{k}=0, если они те же самые. Следовательно, если оба ek { displaystyle e_ {k}}e_ {k} и ek — 1 { displaystyle e_ {k-1}}e_ {k-1} инвертированы, bk { displaystyle b_ {k}}b_ {k} по-прежнему будет декодироваться правильно. Таким образом, фазовая неоднозначность 180 ° не имеет значения.

Дифференциальные схемы для других модуляций PSK могут быть разработаны аналогичным образом. Формы сигналов для DPSK такие же, как для PSK с дифференциальным кодированием, приведенные выше, поскольку единственное изменение между двумя схемами — на приемнике.

Кривая BER для этого примера сравнивается с обычным BPSK справа. Как упоминалось выше, хотя частота ошибок увеличивается примерно вдвое, увеличение E b / N 0 { displaystyle E_ {b} / N_ {0}}E_ {b} / N_ { 0} , необходимое для преодоления этого, невелико. Однако увеличение E b / N 0 { displaystyle E_ {b} / N_ {0}}E_ {b} / N_ { 0} , необходимое для преодоления дифференциальной модуляции в кодированных системах, больше — обычно около 3 дБ. Ухудшение производительности является результатом — в данном случае это относится к тому факту, что отслеживание фазы полностью игнорируется.

Взаимная информация с аддитивным белым гауссовским шумом

Взаимная информация PSK по каналу AWGN

взаимная информация PSK может быть оценена в аддитивном гауссовском шуме посредством численного интегрирования его определения. Кривые взаимной информации насыщаются до количества битов, переносимых каждым символом в пределе бесконечного отношения сигнал / шум E s / N 0 { displaystyle E_ {s} / N_ {0}}{ displaystyle E_ {s} / N_ {0}} . Напротив, в пределе отношения слабого сигнала к шуму взаимная информация приближается к пропускной способности канала AWGN, что является верхним пределом среди всех возможных вариантов статистических распределений символов.

При промежуточных значениях отношения сигнал / шум взаимная информация (MI) хорошо аппроксимируется следующим образом:

MI ≃ log 2 ⁡ (4 π e E s N 0). { displaystyle { textrm {MI}} simeq log _ {2} left ({ sqrt {{ frac {4 pi} {e}} { frac {E_ {s}} {N_ {0) }}}}} right).}{ displaystyle { textrm {MI}}  simeq  log _ {2}  left ({ sqrt {{ frac {4  pi} {e}} { frac {E_ {s}} {N_ {0}}}}}  right).}

Взаимная информация PSK по каналу AWGN обычно находится дальше от пропускной способности канала AWGN, чем форматы модуляции QAM.

См. Также

  • Двоичная модуляция несущей со смещением
  • Дифференциальное кодирование
  • Модуляция — для обзора все схемы модуляции
  • Фазовая модуляция (PM) — аналог эквивалент PSK
  • Полярная модуляция
  • PSK31
  • PSK63

Примечания

Ссылки

Обозначения и теоретические результаты в этой статье основаны на материалах, представленных в следующих источниках:

  • Proakis, John G. (1995). Цифровая связь. Сингапур: Макгроу Хилл. ISBN 0-07-113814-5.
  • Диван, Леон В. II (1997). Цифровая и аналоговая связь. Река Аппер Сэдл, Нью-Джерси: Прентис-Холл. ISBN 0-13-081223-4.
  • Хайкин, Саймон (1988). Цифровые коммуникации. Торонто, Канада: John Wiley Sons. ISBN 0-471-62947-2.
Технологии модуляции (b)
Аналоговая модуляция
  • AM (b)
  • SSB (b)
  • ЧМ (FM) (b)
  • ЛЧМ (b)
  • ФМ (PM) (b)
  • СКМ (b)
Цифровая модуляция (b)
  • АМн (b)
  • ФМн (b)
  • КАМ (b)
  • ЧМн (b)
  • GMSK (b)
  • OFDM (b)
  • COFDM (b)
  • TCM (b)
Импульсная модуляция
  • АИМ (b)
  • ДМ (b)
  • ИКМ (b)
  • АДИКМ (b)
  • ΣΔ (b)
  • ШИМ (b)
  • ЧИМ (b)
  • ФИМ (b)
Расширение спектра (b)
  • FHSS (b)
  • DSSS (b)
  • CSS (b)
См. также: Демодуляция (b)

Модулирующий сигнал, несущая и фазоманипулированный сигнал системы спутниковой навигации NAVSTAR GPS (b)

Фа́зовая манипуля́ция (ФМн, англ. (b)  phase-shift keying (PSK)) — один из видов фазовой модуляции (b) , при которой фаза (b) несущего колебания (b) меняется скачкообразно в зависимости от информационного сообщения.

Описание

Фазоманипулированный сигнал имеет следующий вид:

где определяет огибающую сигнала; является модулирующим сигналом. может принимать дискретных (b) значений.  — частота несущей (b) ;  — время.

Если , то фазовая манипуляция называется двоичной фазовой манипуляцией (BPSK, B-Binary — 1 бит на 1 смену фазы), если  — квадратурной фазовой манипуляцией (QPSK, Q-Quadro — 2 бита на 1 смену фазы), (8-PSK — 3 бита на 1 смену фазы) и т. д. Таким образом, количество бит (b) , передаваемых одним перескоком фазы, является степенью, в которую возводится двойка при определении числа фаз, требующихся для передачи -порядкового двоичного числа.

Фазоманипулированный сигнал можно рассматривать как линейную комбинацию (b) двух ортонормированных сигналов и [1]:

где

Таким образом, сигнал можно считать двухмерным вектором с координатами . Если значения отложить по горизонтальной оси, а значения  — по вертикальной, то точки с координатами и будут образовывать пространственные диаграммы, показанные на рисунках.

  • Двоичная фазовая манипуляция (BPSK)

    Двоичная фазовая манипуляция (BPSK)

  • Квадратурная фазовая манипуляция (QPSK)

    Квадратурная фазовая манипуляция (QPSK)

  • Восьмеричная фазовая манипуляция (8-PSK)

    Восьмеричная фазовая манипуляция (8-PSK)

Двоичная фазовая манипуляция

Фазовое созвездие для двоичной ФМн
Осциллограммы (b) сигналов при двоичной фазовой демодуляции

Двоичная фазовая манипуляция (англ. (b)  BPSK — binary phase-shift keying или 2-PSK) — самая простая форма фазовой манипуляции. Работа схемы двоичной ФМн заключается в смещении фазы несущего колебания на одно из двух значений, нуль или (180°). Двоичную фазовую манипуляцию можно также рассматривать как частный случай квадратурной манипуляции (b) (QAM-2).

Когерентное детектирование

Вероятность ошибки на бит (BER) в зависимости от Eb/N0 (b)

Эта модуляция является самой помехоустойчивой из всех видов ФМн, то есть при использовании бинарной ФМн вероятность ошибки при приёме данных наименьшая (Сразу после кода Манчестер-2). Однако каждый символ несёт только 1 бит информации, что обуславливает наименьшую в этом методе модуляции скорость передачи информации (b) .

Вероятность ошибки на бит (англ. (b)  BER — Bit Error Rate) при бинарной ФМн в канале с аддитивным белым гауссовским шумом (b) (АБГШ) может быть вычислена по формуле:

где

Так как на символ приходится 1 бит, то по этой же формуле вычисляется и вероятность ошибки на символ.

В присутствии произвольного изменения фазы, введенного каналом связи, демодулятор не способен определить, какая точка созвездия соответствует 1 и 0. В результате данные часто дифференциально кодируются до модуляции.

Некогерентное детектирование

В случае некогерентного детектирования используется дифференциальная двоичная фазовая манипуляция.

Реализация

Двоичные данные часто передаются со следующими сигналами:

для двоичного «0»;
для двоичной «1»,

где  — частота несущего колебания.

Квадратурная фазовая манипуляция

Фазовое созвездие для квадратурной ФМн.

При квадратурной фазовой манипуляции (англ. (b)  QPSK — quadrature phase-shift keying или 4-PSK) используется созвездие из четырёх точек, размещённых на равных расстояниях на окружности. Используя 4 фазы, в QPSK на символ приходится два бита, как показано на рисунке. Анализ показывает, что скорость может быть увеличена в два раза относительно BPSK при той же полосе сигнала, либо позволяет оставить скорость прежней, но уменьшить полосу вдвое.

Хотя QPSK можно считать квадратурной манипуляцией (b) (QAM-4), иногда её проще рассматривать в виде двух независимых модулированных несущих, сдвинутых на 90°. При таком подходе чётные (нечётные) биты используются для модуляции синфазной составляющей , а нечётные (чётные) — квадратурной составляющей несущей . Так как BPSK используется для обеих составляющих несущей, то они могут быть демодулированы (b) независимо.

Когерентное детектирование

При когерентном детектировании вероятность ошибки на бит для QPSK такая же, как и для BPSK:

Однако, так как в символе два бита, то значение символьной ошибки возрастает:

При высоком отношении сигнал/шум (b) (это необходимо для реальных QPSK систем) вероятность символьной ошибки может быть оценена приблизительно по следующей формуле:

Некогерентное детектирование

Как и при BPSK, существует проблема неопределённости начальной фазы в приёмнике. Поэтому при некогерентном детектировании QPSK с дифференциальным кодированием на практике используется чаще.

Отличие QPSK от первых видов модуляции (АМн (b) , ЧМн (b) ) в том, что плотность передаваемой информации в расчёте на частотную ширину канала (на символ, на герц (b) ) выше единицы.

Например, в АМн плотность много меньше единицы (0,1—0,001 бит (b) /Гц (b) ) — это связано с необходимостью накопления энергии в фильтрах в первых малочувствительных приёмниках. В ЧМн этот показатель приближается к единице (0,1—1) бит/символ (бит/Гц (b) ). Например, в GMSK (b) , применяемом в GSM (b) , плотность информации равняется 1.

Этот вид модуляции используется, например, в стандарте сотовой связи CDMA2000 (b) 1X EV-DO (b) .

π/4-QPSK

Здесь изображены два отдельных созвездия, использующие кодирование Грея, которые повёрнуты на 45° относительно друг друга. Обычно, чётные и нечётные биты используются для определения точек соответствующего созвездия. Это приводит к уменьшению максимального скачка фазы с 180° до 135°.

Фазовое созвездие для квадратурной π/4 ФМн.

С другой стороны, использование π/4-QPSK приводит к простой демодуляции и вследствие этого она используется в системах сотовой связи с временным разделением каналов.

Сравнение OQPSK и QPSK

ФМн более высоких порядков

Фазовое созвездие для восьмеричной ФМн

ФМн с порядком больше 8 используют редко. Главным тормозящим фактором дальнейшего увеличения информационной емкости одной посылки сигнала является снижение помехозащищенности сигнала. Если фазовое расстояние между соседними символами уменьшается, то ошибка может быть создана меньшей по мощности помехой.

Дифференциальная ФМн

При реализации PSK может возникнуть проблема поворота созвездия, например, в непрерывной передаче без синхронизации. Для решения подобной проблемы может быть использовано кодирование, основанное не на положении фазы, а на её изменении.

В частности, для DBPSK фаза изменяется на 180° для передачи «1» и остается неизменной для передачи «0».

См. также

  • Амплитудная манипуляция (b)
  • Частотная манипуляция (b)
  • PSKmail (b)
  • Бод (b)

Примечания

  1. Прокис Дж. Цифровая связь. — Пер. с англ. // Под ред. Д. Д. Кловского. — М.: Радио и связь, 2000. — 800 с. — стр. 151.

Литература

  • Прокис, Дж. Цифровая связь = Digital Communications / Кловский Д. Д.. М.: Радио и связь, 2000. — 800 с. — ISBN 5-256-01434-X.
  • Скляр, Бернард. Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение = Digital Communications: Fundamentals and Applications. — 2 изд. М.: «Вильямс» (b) , 2007. — С. 1104. — ISBN 0-13-084788-7.
  • Феер К. Беспроводная цифровая связь. Методы модуляции и расширения спектра = Wireless Digital Communications: Modulation and Spread Spectrum Applications. М.: Радио и связь, 2000. — 552 с. — ISBN 5-256-01444-7.

Ссылки

  • Сигналы с двоичной фазовой манипуляцией (BPSK). Дифференциальная BPSK (DBPSK)
  • Очерк А. Б. Сергиенко «Цифровая модуляция»

4.7.1. Вероятность появления ошибочного бита при когерентном обнаружении сигнала BPSK

4.7.2. Вероятность появления ошибочного бита при когерентном обнаружении сигнала в дифференциальной модуляции BPSK

4.7.3. Вероятность появления ошибочного бита при когерентном обнаружении сигнала в бинарной ортогональной модуляции FSK

4.7.4. Вероятность появления ошибочного бита при некогерентном обнаружении сигнала в бинарной ортогональной модуляции FSK

4.7.5. Вероятность появления ошибочного бита для бинарной модуляции DPSK

4.7.6. Вероятность ошибки для различных модуляций

4.7.1. Вероятность появления ошибочного бита при когерентном обнаружении сигнала BPSK

Важной мерой производительности, используемой для сравнения цифровых схем модуляции, является вероятность ошибки, РЕ Для коррелятора или согласованного фильтра вычисление РЕ можно представить геометрически (см. рис. 4.6). Расчет РЕ включает нахождение вероятности того, что при данном векторе переданного сигнала, скажем si вектор шума n выведет сигнал из области 1. Вероятность принятия детектором неверного решения называется вероятностью символьной ошибки, рE. Несмотря на то что решения принимаются на символьном уровне, производительность системы часто удобнее задавать через вероятность битовой ошибки (Ps). Связь РВ и РЕ рассмотрена в разделе 4.9.3 для ортогональной передачи сигналов и в разделе 4.9.4 для многофазной передачи сигналов.

Для удобства изложения в данном разделе мы ограничимся когерентным обнаружением сигналов BPSK. В этом случае вероятность символьной ошибки — это то же самое, что и вероятность битовой ошибки. Предположим, что сигналы равновероятны. Допустим также, что при передаче сигнала принятый сигнал r(t) равен , где n(t) — процесс AWGN; кроме того, мы пренебрегаем ухудшением качества вследствие введенной каналом или схемой межсимвольной интерференции. Как показывалось в разделе 4.4.1, антиподные сигналы и можно описать в одномерном сигнальном пространстве, где

(4.74)

Детектор выбирает с наибольшим выходом коррелятора ; или, в нашем случае антиподных сигналов с равными энергиями, детектор, используя формулу (4.20), принимает решение следующего вида.

(4.74)

Как видно из рис. 4.9, возможны ошибки двух типов: шум так искажает переданный сигнал , что измерения в детекторе дают отрицательную величину z(T), и детектор выбирает гипотезу H2, что был послан сигнал s2(t). Возможна также обратная ситуация: шум искажает переданный сигнал , измерения в детекторе дают положительную величину z(T), и детектор выбирает гипотезу Н1, соответствующую предположению о передаче сигнала .

В разделе 3.2.1.1 была выведена формула (3.42), описывающая вероятность битовой ошибки РB для детектора, работающего по принципу минимальной вероятности ошибки.

(4.76)

Здесь σ0 — среднеквадратическое отклонение шума вне коррелятора. Функция Q(x), называемая гауссовым интегралом ошибок, определяется следующим образом.

(4.77)

Эта функция подробно описывается в разделах 3.2 и Б.3.2.

Для передачи антиподных сигналов с равными энергиями, таких как сигналы в формате BPSK, приведенные в выражении (4.74), на выход приемника поступают следующие компоненты: , при переданном сигнале , и , при переданном сигнале s2(t), где Еь — энергия сигнала, приходящаяся на двоичный символ. Для процесса AWGN дисперсию шума вне коррелятора можно заменить N0/2 (см. приложение В), так что формулу (4.76) можно переписать следующим образом.

(4.78)

(4.79)

Данный результат для полосовой передачи антиподных сигналов BPSK совпадает с полученными ранее формулами для обнаружения антиподных сигналов с использованием согласованного фильтра (формула (3.70)) и обнаружения узкополосных антиподных сигналов с применением согласованного фильтра (формула (3.76)). Это является примером описанной ранее теоремы эквивалентности. Для линейных систем теорема эквивалентности утверждает, что на математическое описание процесса обнаружения не влияет сдвиг частоты. Как следствие, использование согласованных фильтров или корреляторов для обнаружения полосовых сигналов (рассмотренное в данной главе) дает те же соотношения, что были выведены ранее для сопоставимых узкополосных сигналов.

4.7.2. Вероятность появления ошибочного бита при когерентном обнаружении сигнала в дифференциальной модуляции BPSK

Сигналы в канале иногда инвертируются; например, при использовании когерентного опорного сигнала, генерируемого контуром ФАПЧ, фаза может быть неоднозначной. Если фаза несущей была инвертирована при использовании схемы DPSK, как это скажется на сообщении? Поскольку информация сообщения кодируется подобием или отличием соседних символов, единственным следствием может быть ошибка в бите, который инвертируется, или в бите, непосредственно следующим за инвертированным. Точность определения подобия или отличия символов не меняется при инвертировании несущей. Иногда сообщения (и кодирующие их сигналы) дифференциально кодируются и когерентно обнаруживаются, чтобы просто избежать неопределенности в определении фазы.

Вероятность появления ошибочного бита при когерентном обнаружении сигналов в дифференциальной модуляции PSK (DPSK) дается выражением [5].

(4.80)

Это соотношение изображено на рис. 4.25. Отметим, что существует незначительное ухудшение достоверности обнаружения по сравнению с когерентным обнаружением сигналов в модуляции PSK. Это вызвано дифференциальным кодированием, поскольку любая отдельная ошибка обнаружения обычно приводит к принятию двух ошибочных решений. Подробно вероятность ошибки при использовании наиболее популярной схемы — когерентного обнаружения сигналов в модуляции DPSK — рассмотрена в разделе 4.7.5.

Рис. 4.25. Вероятность появления ошибочного бита для бинарных систем нескольких типов

4.7.3. Вероятность появления ошибочного бита при когерентном обнаружении сигнала в бинарной ортогональной модуляции FSK

Формулы (4.78) и (4.79) описывают вероятность появления ошибочного бита для когерентного обнаружения антиподных сигналов. Более общую трактовку для когерентного обнаружения бинарных сигналов (не ограничивающихся антиподными сигналами) дает следующее выражение для РВ [6].

(4.81)

Из формулы (3.64,б) — временной коэффициент взаимной корреляций между и , где θ — угол между векторами сигналов и s2 (см. рис. 4.6). Для антиподных сигналов, таких как сигналы BPSK, θ = π, поэтому ρ = -1.

Для ортогональных сигналов, таких как сигналы бинарной FSK (BFSK), θ = π/2, поскольку векторы и s2 перпендикулярны; следовательно, ρ = 0, что можно доказать с помощью формулы (3.64,а), поэтому выражение (4.81) можно переписать следующим образом.

(4.82)

Здесь Q(x) — дополнительная функция ошибок, подробно описанная в разделах 3.2 и Б.3.2. Зависимость (4.82) для когерентного обнаружения ортогональных сигналов BFSK, показанная на рис. 4.25, аналогична зависимости, полученной для обнаружения ортогональных сигналов с помощью согласованного фильтра (формула (3.71)) и узкополосных ортогональных сигналов (униполярных импульсов) с использованием согласованного фильтра (формула (3.73)). В данной книге мы не рассматриваем амплитудную манипуляцию ООК (on-off keying), но соотношение (4.82 применимо к обнаружению с помощью согласованного фильтра сигналов ООК, так же как и к когерентному обнаружению любых ортогональных сигналов.

Справедливость соотношения (4.82) подтверждает и то, что разность энергий между ортогональными векторами сигналов и s2 с амплитудой , как показано на рис. 3.10, б, равна квадрату расстояния между концами ортогональных векторов Ed = 2Eb. Подстановка этого результата в формулу (3.63) также дает формулу (4.82). Сравнивая формулы (4.82) и (4.79), видим, что, по сравнению со схемой BPSK, схема BFSK требует на 3 дБ большего отношения E/N0 для обеспечения аналогичной достоверности передачи. Этот результат не должен быть неожиданным, поскольку при данной мощности сигнала квадрат расстояния между ортогональными векторами вдвое (на 3 дБ) больше квадрата расстояния между антиподными векторами.

4.7.4. Вероятность появления ошибочного бита при некогерентном обнаружении сигнала в бинарной ортогональной модуляции FSK

Рассмотрим бинарное ортогональное множество равновероятных сигналов FSK , определенное формулой (4.8).

Фаза φ неизвестна и предполагается постоянной. Детектор описывается М = 2 каналами, состоящими, как показано на рис. 4.19, из полосовых фильтров и детекторов огибающей. На вход детектора поступает принятый сигнал r(t) = si(t) + n(t), где n(i) — гауссов шум с двусторонней спектральной плотностью мощности No/2. Предположим, что и достаточно разнесены по частоте, чтобы их перекрытием можно было пренебречь. Вычисление вероятности появления ошибочного бита для равновероятных сигналов и начнем, как и в случае узкополосной передачи, с уравнения (3.38).

(4.83)

Для бинарного случая тестовая статистика z(T) определена как . Предположим, что полоса фильтра Wf равна 1/T, так что огибающая сигнала FSK (приблизительно) сохраняется на выходе фильтра. При отсутствии шума в приемнике значение z(T) равно при передаче s1(t) и —при передаче s2(t). Вследствие такой симметрии оптимальный порог γ0=0. Плотность вероятности подобна плотности вероятности .

(4.84)

Таким образом, можем записать

(4.85)

или

(4.86)

где z1 и z2 обозначают выходы z1(T) и z2(T) детекторов огибающей, показанных на рис.4.19. При передаче тона , т.е. когда r(t) = s2(t) + n(t), выход z1(T) состоит исключительно из случайной переменной гауссового шума; он не содержит сигнального компонента. Распределение Гаусса в нелинейном детекторе огибающей дает распределение Релея на выходе [6], так что

(4.87)

где — шум на выходе фильтра. С другой стороны, z2(T) имеет распределение Раиса, поскольку на вход нижнего детектора огибающей подается синусоида плюс шум [6]. Плотность вероятности p(z2s2) записывается как

(4.88)

где и, как и ранее, — шум на выходе фильтра. Функция 10(х), известная как модифицированная функция Бесселя первого рода нулевого порядка [7], определяется следующим образом.

(4.89)

Ошибка при передаче s2(t) происходит, если выборка огибающей z1(T), полученная из верхнего канала (по которому проходит шум), больше выборки огибающей z2(T), полученной из нижнего канала (по которому проходит сигнал и шум). Таким образом, вероятность этой ошибки можно получить, проинтегрировав до бесконечности с последующим усреднением результата по всем возможным z2.

(4.91)

Здесь , внутренний интеграл — условная вероятность ошибки, при фиксированном значении z2, если был передан сигнал s2(1), а внешний интеграл усредняет условную вероятность по всем возможным значениям z2. Данный интеграл можно вычислить аналитически [8], и его значение равно следующему.

(4.92)

С помощью формулы (1.19) шум на выходе фильтра можно выразить как

(4.93)

где a Wfширина полосы фильтра. Таким образом, формула (4.92) приобретает следующий вид.

(4.94)

Выражение (4.94) показывает, что вероятность ошибки зависит от ширины полосы полосового фильтра и РB уменьшается при снижении Wf. Результат справедлив только при пренебрежении межсимвольной интерференцией (intersymbol interference — ISI). Минимальная разрешенная Wf (т.е. не дающая межсимвольной интерференции) получается из уравнения (3.81) при коэффициенте сглаживания г = 0. Следовательно, Wf= R бит/с =1/T, и выражение (4.94) можно переписать следующим образом.

(4.95)

(4.96)

Здесь Еь= (1/2)А2Т — энергия одного бита. Если сравнить вероятность ошибки схем некогерентной и когерентной FSK (см. рис. 4.25), можно заметить, что при равных РB некогерентная FSK требует приблизительно на 1 дБ большего отношения Eb/N0, чем когерентная FSK (для РB < 10-4). При этом некогерентный приемник легче реализуется, поскольку не требуется генерировать когерентные опорные сигналы. По этой причине практически все приемники FSK используют некогерентное обнаружение. В следующем разделе будет показано, что при сравнении когерентной ортогональной схемы FSK с нёкогерентной схемой DPSK имеет место та же разница в 3 дБ, что и при сравнении когерентной ортогональной FSK и когерентной PSK. Как указывалось ранее, в данной книге не рассматривается амплитудная манипуляция ООК (on-off keying). Все же отметим, что вероятность появления ошибочного бита РB, выраженная в формуле (4.96), идентична РB для некогерентного обнаружения сигналов ООК.

4.7.5. Вероятность появления ошибочного бита для бинарной модуляции DPSK

Определим набор сигналов BPSK следующим образом.

(4.97)

Особенностью схемы DPSK является отсутствие в сигнальном пространстве четко определенных областей решений. В данном случае решение основывается на разности фаз между принятыми сигналами. Таким образом, при передаче сигналов DPSK каждый бит в действительности передается парой двоичных сигналов.

(4.98)

Здесь обозначает сигнал , за которым следует сигнал . Первые Т секунд каждого сигнала — это в действительности последние Т секунд предыдущего. Отметим, что оба сигнала s1(t) и s2(t) могут принимать любую из возможных форм и что и — это антиподные сигналы. Таким образом, корреляцию между и s2(t) для любой комбинации сигналов можно записать следующим образом.

(4.99)

Следовательно, каждую пару сигналов DPSK можно представить как ортогональный сигнал длительностью секунд. Обнаружение может соответствовать некогерентному обнаружению огибающей с помощью четырех каналов, согласованных с каждым возможным выходом огибающей, как показано на рис. 4.26. Поскольку два детектора огибающей, представляющих каждый символ, обратны друг другу, выборки их огибающих будут совпадать. Значит, мы можем реализовать детектор как один канал для , согласовывающегося с или , и один канал для , согласовывающегося с или , как показано на рис. 4.26. Следовательно, детектор DPSK сокращается до стандартного двухканального некогерентного детектора. В действительности фильтр может согласовываться с разностным сигналом; так что необходимым является всего один канал. На рис. 4.26 показаны фильтры, которые согласовываются с огибающими сигнала (в течение двух периодов передачи символа). Что это означает, если вспомнить, что DPSK — это схема передачи сигналов с постоянной огибающей? Это означает, что нам требуется реализовать детектор энергии, подобный квадратурному приемнику на рис. 4.18, где каждый сигнал в течение периода представляется синфазным и квадратурным опорными сигналами.

синфазный опорный сигнал квадратурный опорный сигнал синфазный опорный сигнал квадратурный опорный сигнал

Поскольку пары сигналов DPSK ортогональны, вероятность ошибки при подобном некогерентном обнаружении дается выражением (4.96). Впрочем, поскольку сигналы DPSK длятся секунд, энергия сигналов , определенных в формуле (4.98), равна удвоенной энергии сигнала, определенного в течение одного периода передачи символа.

а)

б)

Рис. 4.26. Обнаружение в схеме DPSK: а) четырехканальное дифференциально-когерентное обнаружение сигналов в бинарной модуляции DPSK; б) эквивалентный двухканальный детектор сигналов в бинарной модуляции DPSK

Таким образом, РВможно записать в следующем виде.

(4.100)

Зависимость (4.100), изображенная на рис. 4.25, представляет собой дифференциальное когерентное обнаружение сигналов в дифференциальной модуляции PSK, или просто DPSK. Выражение справедливо для оптимального детектора DPSK (рис. 4.17, в). Для детектора, показанного на рис. 4.17, б, вероятность ошибки будет несколько выше приведенной в выражении (4.100) [3]. Если сравнить вероятность ошибки, приведенную в формуле (4.100), с вероятностью ошибки когерентной схемы PSK (см. рис. 4.25), видно, что при равных РB схема DPSK требует приблизительно на 1 дБ большего отношения E^N0, чем схема BPSK (для ). Систему DPSK реализовать легче, чем систему PSK, поскольку приемник DPSK не требует фазовой синхронизации. По этой причине иногда предпочтительнее использовать менее эффективную схему DPSK, чем более сложную схему PSK.

4.7.6. Вероятность ошибки для различных модуляций

В табл. 4.1 и на рис. 4.25 приведены аналитические выражения и графики РB для наиболее распространенных схем модуляции, описанных выше. Для РB = 10-4 можно видеть, что разница между лучшей (когерентной PSK) и худшей (некогерентной ортогональной FSK) из рассмотренных схем равна приблизительно 4 дБ. В некоторых случаях 4 дБ — это небольшая цена за простоту реализации, увеличивающуюся от когерентной схемы PSK до некогерентной FSK (рис. 4.25); впрочем, в других случаях ценным является даже выигрыш в 1 дБ. Помимо сложности реализации и вероятности РB существуют и другие факторы, влияющие на выбор модуляции; например, в некоторых случаях (в каналах со случайным затуханием) желательными являются некогерентные системы, поскольку иногда когерентные опорные сигналы затруднительно определять и использовать. В военных и космических приложениях весьма желательны сигналы, которые могут противостоять значительному ухудшению качества, сохраняя возможность обнаружения.

Таблица 4.1. Вероятность ошибки для различных бинарных модуляций

Модуляция

PB

PSK (когерентное обнаружение)

DPSK (дифференциальное когерентное обнаружение)

Ортогональная FSK (когерентное обнаружение)

Ортогональная FSK (некогерентное обнаружение)

Двоичная
фазовая манипуляция (англ. BPSK — binary
phase-shift keying)

— самая простая форма фазовой манипуляции.
Работа схемы двоичной ФМн заключается
в смещении фазы несущего колебания на
одно из двух значений, нуль или π (180°).
Двоичную фазовую манипуляцию можно
также рассматривать как частный случай
квадратурной манипуляции (QAM-2).

При
квадратурной фазовой манипуляции (англ.
QPSK — Quadrature Phase Shift Keying или 4-PSK)

используется созвездие из четырёх
точек, размещённых на равных расстояниях
на окружности. Используя 4 фазы, в QPSK на
символ приходится два бита, как показано
на рисунке. Анализ показывает, что
скорость может быть увеличена в два
раза относительно BPSK при той же полосе
сигнала, либо оставить скорость прежней,
но уменьшить полосу вдвое.

Хотя
QPSK можно считать квадратурной манипуляцией
(QAM-4), иногда её проще рассматривать в
виде двух независимых модулированных
несущих, сдвинутых на 90°. При таком
подходе чётные (нечётные) биты используются
для модуляции синфазной составляющей
I, а нечётные (чётные) — квадратурной
составляющей несущей Q. Так как BPSK
используется для обеих составляющих
несущей, то они могут быть демодулированы
независимо.

Когерентное
детектирование

При
когерентном детектировании вероятность
ошибки на бит для QPSK такая же, как и для
BPSK:

Однако,
так как в символе два бита, то значение
символьной ошибки возрастает:

При
высоком отношении сигнал/шум (это
необходимо для реальных QPSK систем)
вероятность символьной ошибки может
быть оценена приблизительно по следующей
формуле:

Некогерентное
детектирование

Как
и при BPSK, существует проблема
неопределённости начальной фазы в
приёмнике. Поэтому при некогерентном
детектировании QPSK с дифференциальным
кодированием на практике используется
чаще.

Отличие
QPSK от первых видов модуляции (АМн, ЧМн)
в том, что плотность передаваемой
информации в расчёте на частотную ширину
канала (на символ, на герц) выше единицы.

27. Система кодирования с адаптивной модуляцией

Главные
задачи адаптивной модуляции и кодирования
— это компенсация нестабильности
радиоканала и точная подстройка
параметров передачи. Для этого существуют
различные методы и средства, улучшающие
адаптацию радиоканала, как, например,
регулировка мощности, адаптивные
антенны, динамическое кодирование,
размещение каналов и т. д. Хотя все эти
методы преследуют в конечном итоге одну
цель, реализация их различна и поэтому
они могут использоваться как дополнительные
средства достижения положительного
эффекта.

В
отношении метода AMC можно сказать, что
его основная функция состоит в подстройке
характеристик модуляции и кодирования
для того, чтобы компенсировать изменения
в канале физического слоя.

Преимущества
системы АМС хорошо известны, но ее
характеристики сильно зависят от
измерений в радиоканале, получаемых в
оконечном оборудовании, а цикл измерений
может не совпадать с периодами обычных
изменений в канале во время быстрых
замираний. Кроме того, такие измерения
не лишены ошибок. Ненадежная сводка о
состоянии канала может привести к
принятию ошибочных решений при
планировании пакетов, установке мощности
передачи, а также выборе вида модуляции
и кодирования.

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]

  • #
  • #
  • #
  • #
  • #
  • #
  • #
  • #
  • #
  • #
  • #
Полоса пропускания модуляция
Аналоговая модуляция
  • AM
  • FM
  • ВЕЧЕРА
  • QAM
  • SM
  • SSB
Цифровая модуляция
  • ПРОСИТЬ
  • АПСК
  • Цена за тысячу показов
  • ФСК
  • MFSK
  • МСК
  • ОК
  • PPM
  • PSK
  • QAM
  • SC-FDE
  • TCM
  • WDM
Иерархическая модуляция
  • QAM
  • WDM
Расширенный спектр
  • CSS
  • DSSS
  • FHSS
  • THSS
Смотрите также
  • Коды приближения к мощности
  • Демодуляция
  • Кодирование строк
  • Модем
  • AnM
  • PoM
  • PAM
  • PCM
  • PDM
  • ШИМ
  • ΔΣM
  • OFDM
  • FDM
  • Мультиплексирование

Фазовая манипуляция (PSK) это цифровая модуляция процесс, который передает данные изменяя (модулируя) фаза постоянного частота Справка сигнал (в несущая волна ). Модуляция достигается изменением синус и косинус вводы в точное время. Он широко используется для беспроводные локальные сети, RFID и блютуз общение.

Любая схема цифровой модуляции использует конечное количество различных сигналов для представления цифровых данных. PSK использует конечное количество фаз, каждой из которых назначен уникальный образец двоичные цифры. Обычно каждая фаза кодирует равное количество битов. Каждая комбинация битов образует символ что представлено конкретной фазой. В демодулятор, который разработан специально для набора символов, используемого модулятором, определяет фазу принятого сигнала и отображает ее обратно в символ, который он представляет, таким образом восстанавливая исходные данные. Для этого приемник должен иметь возможность сравнивать фазу принятого сигнала с опорным сигналом — такая система называется когерентной (и упоминается как CPSK).

CPSK требует сложного демодулятора, потому что он должен извлекать опорную волну из принятого сигнала и отслеживать ее для сравнения каждой выборки. В качестве альтернативы, фазовый сдвиг каждого отправленного символа можно измерить относительно фазы предыдущего отправленного символа. Поскольку символы кодируются по разности фаз между последовательными выборками, это называется дифференциальная фазовая манипуляция (DPSK). DPSK может быть значительно проще в реализации, чем обычный PSK, поскольку это «некогерентная» схема, то есть демодулятор не должен отслеживать опорную волну. Компромисс в том, что он имеет больше ошибок демодуляции.

Введение

Есть три основных класса цифровая модуляция методы, используемые для передачи в цифровом виде представленные данные:

  • Амплитудная манипуляция (ПРОСИТЬ)
  • Частотная манипуляция (ФСК)
  • Фазовая манипуляция (PSK)

Все передают данные, изменяя некоторые аспекты базового сигнала, несущая волна (обычно синусоида ) в ответ на сигнал данных. В случае PSK фаза изменяется для представления сигнала данных. Есть два основных способа использования фазы сигнала таким образом:

  • Просматривая фаза сам по себе как передает информацию, и в этом случае демодулятор должен иметь опорный сигнал для сравнения фазы принятого сигнала; или
  • Просматривая изменение в фазе передачи информации — дифференциал схемы, немного для которых не требуется справочный носитель (в определенной степени).

Удобный метод представления схем PSK — на диаграмма созвездия. Это показывает точки в комплексная плоскость где в данном контексте настоящий и воображаемый Оси называются синфазными и квадратурными осями соответственно из-за их разделения на 90 °. Такое представление на перпендикулярных осях легко реализуется. Амплитуда каждой точки вдоль синфазной оси используется для модуляции косинусоидальной (или синусоидальной) волны, а амплитуда вдоль квадратурной оси — для модуляции синусоидальной (или косинусной) волны. По соглашению, синфазная модуляция модулирует косинус, а квадратурная модуляция синуса.

В ПСК точки созвездия выбранные обычно располагаются в униформе угловатый расстояние вокруг круг. Это обеспечивает максимальное разделение фаз между соседними точками и, следовательно, лучшую защиту от повреждений. Они расположены по кругу, поэтому все они могут передаваться с одинаковой энергией. Таким образом, модули комплексных чисел, которые они представляют, будут такими же, как и амплитуды, необходимые для косинусной и синусоидальной волн. Двумя распространенными примерами являются «двоичная фазовая манипуляция» (БПСК ), который использует две фазы, и «квадратурную фазовую манипуляцию» (QPSK ), который использует четыре фазы, хотя может использоваться любое количество фаз. Поскольку данные, которые должны быть переданы, обычно являются двоичными, схема PSK обычно разрабатывается с количеством точек созвездия, являющимся мощность из двух.

Определения

Для математического определения коэффициента ошибок потребуются некоторые определения:

Q (х) даст вероятность того, что одна выборка, взятая из случайного процесса с нулевым средним и единичной дисперсией Гауссова функция плотности вероятности будет больше или равно Икс. Это масштабная форма дополнительная функция ошибки Гаусса:

{ displaystyle Q (x) = { frac {1} { sqrt {2  pi}}}  int _ {x} ^ { infty} e ^ {- { frac {1} {2}} т ^ {2}} , dt = { frac {1} {2}}  operatorname {erfc}  left ({ frac {x} { sqrt {2}}}  right),  x  geq 0 }.

Приведенные здесь коэффициенты ошибок указаны в аддитивный белый гауссов шум (AWGN). Эти коэффициенты ошибок ниже, чем рассчитанные в затухающие каналы, следовательно, это хороший теоретический ориентир для сравнения.

Приложения

Благодаря простоте PSK, особенно по сравнению с конкурентом квадратурная амплитудная модуляция, он широко используется в существующих технологиях.

В Беспроводная сеть стандарт IEEE 802.11b-1999,[1][2] использует множество различных PSK в зависимости от требуемой скорости передачи данных. По базовой ставке 1 Мбит / s, он использует DBPSK (дифференциальный BPSK). Обеспечить расширенную ставку 2 Мбит / с, используется DQPSK. Достигнув 5,5 Мбит / с и полная скорость 11 Мбит / с, QPSK используется, но должен быть связан с ввод дополнительного кода. Стандарт высокоскоростной беспроводной сети, IEEE 802.11g-2003,[1][3] имеет восемь скоростей передачи данных: 6, 9, 12, 18, 24, 36, 48 и 54 Мбит / с. 6 и 9 Использование режимов Мбит / с OFDM модуляция, при которой каждая поднесущая модулируется BPSK. 12 и 18 В режимах Мбит / с используется OFDM с QPSK. Четыре самых быстрых режима используют OFDM с формами квадратурная амплитудная модуляция.

Из-за своей простоты BPSK подходит для недорогих пассивных передатчиков и используется в RFID стандарты, такие как ISO / IEC 14443 который был принят для биометрические паспорта кредитные карты, такие как American Express с ExpressPay и многие другие приложения.[4]

блютуз 2 использования  pi / 4-DQPSK с более низкой скоростью (2 Мбит / с) и 8-DPSK с более высокой скоростью (3 Мбит / с), когда связь между двумя устройствами достаточно надежна. Bluetooth 1 модулируется с Гауссовская манипуляция с минимальным сдвигом, двоичная схема, поэтому любой выбор модуляции в версии 2 даст более высокую скорость передачи данных. Похожая технология, IEEE 802.15.4 (стандарт беспроводной связи, используемый ZigBee ) также полагается на PSK с использованием двух частотных диапазонов: 868–915 МГц с BPSK и на 2,4 ГГц с OQPSK.

И QPSK, и 8PSK широко используются в спутниковом вещании. QPSK по-прежнему широко используется при потоковой передаче спутниковых каналов SD и некоторых каналов HD. Программы высокого разрешения передаются почти исключительно в 8PSK из-за более высоких битрейтов HD-видео и высокой стоимости спутниковой полосы пропускания.[5] В DVB-S2 Стандарт требует поддержки как QPSK, так и 8PSK. Чипсеты, используемые в новых спутниковых приставках, например Broadcom Серия 7000 поддерживает 8PSK и обратно совместима со старым стандартом.[6]

Исторически сложилось так, что голосовой диапазон синхронный модемы такие как Bell 201, 208 и 209 и CCITT V.26, V.27, V.29, V.32 и V.34 использовали PSK.[7]

Двоичная фазовая манипуляция (BPSK)

BPSK (также иногда называемый PRK, фазовая манипуляция или 2PSK) — это простейшая форма фазовой манипуляции (PSK). В нем используются две фазы, разделенные на 180 °, поэтому их также можно назвать 2-PSK. Не имеет особого значения, где именно расположены точки созвездия, и на этом рисунке они показаны на действительной оси в точках 0 ° и 180 °. Следовательно, он обрабатывает самый высокий уровень шума или искажения до демодулятор приходит к неверному решению. Это делает его самым надежным из всех PSK. Однако он может модулировать только на 1 бит / символ (как показано на рисунке) и поэтому не подходит для приложений с высокой скоростью передачи данных.

При наличии произвольного фазового сдвига, вносимого канал связи, демодулятор (см., например, Петля Костаса ) не может сказать, какая точка созвездия является какой. В результате данные часто дифференциально закодированный до модуляции.

BPSK функционально эквивалентен 2-КАМ модуляция.

Реализация

Общая форма для BPSK следует уравнению:

{ displaystyle s_ {n} (t) = { sqrt { frac {2E_ {b}} {T_ {b}}}}  cos (2  pi ft +  pi (1-n)),  quad n = 0,1.}

Это дает две фазы, 0 и π. В определенной форме двоичные данные часто передаются со следующими сигналами:[нужна цитата ]

{ displaystyle s_ {0} (t) = { sqrt { frac {2E_ {b}} {T_ {b}}}}  cos (2  pi ft +  pi) = - { sqrt { frac { 2E_ {b}} {T_ {b}}}}  cos (2  pi ft)} для двоичного «0»
{ displaystyle s_ {1} (t) = { sqrt { frac {2E_ {b}} {T_ {b}}}}  cos (2  pi ft)} для двоичной «1»

где ж — частота основной полосы.

Следовательно, сигнальное пространство может быть представлено одним базисная функция

{ displaystyle  phi (t) = { sqrt { frac {2} {T_ {b}}}}  cos (2  pi ft)}

где 1 представлен { sqrt {E_ {b}}}  phi (t) и 0 представлен - { sqrt {E_ {b}}}  phi (t). Это назначение произвольно.

Такое использование этой базовой функции показано на конец следующего раздела на временной диаграмме сигнала. Самый верхний сигнал — это косинусоидальная волна, модулированная BPSK, которую может производить модулятор BPSK. Битовый поток, который вызывает этот вывод, показан над сигналом (другие части этого рисунка относятся только к QPSK). После модуляции сигнал основной полосы будет перемещен в полосу высоких частот путем умножения { Displaystyle  соз (2  пи е_ {с} т)}.

Коэффициент битовых ошибок

В частота ошибок по битам (BER) BPSK под аддитивный белый гауссов шум (AWGN) можно рассчитать как:[8]

P_ {b} = Q  left ({ sqrt { frac {2E_ {b}} {N_ {0}}}}  right) или P_ {e} = { frac {1} {2}}  operatorname {erfc}  left ({ sqrt { frac {E_ {b}} {N_ {0}}}}  right)

Поскольку на каждый символ приходится только один бит, это также частота ошибок символа.

Квадратурная фазовая манипуляция (QPSK)

Диаграмма созвездия для QPSK с Серое кодирование. Каждый соседний символ отличается только на один бит.

Иногда это называют четырехфазный PSK, 4-PSK или 4-QAM. (Хотя основные концепции QPSK и 4-QAM различны, результирующие модулированные радиоволны точно такие же.) QPSK использует четыре точки на диаграмме созвездия, равномерно распределенные по кругу. С четырьмя фазами QPSK может кодировать два бита на символ, показанные на диаграмме с Серое кодирование свести к минимуму частота ошибок по битам (BER) — иногда ошибочно воспринимается как удвоенное значение BER для BPSK.

Математический анализ показывает, что QPSK может использоваться либо для удвоения скорости передачи данных по сравнению с системой BPSK при сохранении такой же пропускная способность сигнала, или поддерживать скорость передачи данных BPSK но необходимо сократить вдвое полосу пропускания. В этом последнем случае BER QPSK равен точно так же как BER для BPSK — и полагать иначе — это обычная путаница при рассмотрении или описании QPSK. Переданная несущая может претерпевать ряд фазовых изменений.

Учитывая, что каналы радиосвязи выделяются такими агентствами, как Федеральная комиссия связи при заданной (максимальной) полосе пропускания преимущество QPSK перед BPSK становится очевидным: QPSK передает вдвое большую скорость передачи данных в данной полосе пропускания по сравнению с BPSK — при том же BER. Плата за техническое обслуживание заключается в том, что передатчики и приемники QPSK сложнее, чем передатчики для BPSK. Однако с современными электроника технология, штраф в стоимости очень умеренный.

Как и в случае с BPSK, на принимающей стороне возникают проблемы с фазовой неоднозначностью, и дифференциально закодированный QPSK часто используется на практике.

Реализация

Реализация QPSK является более общей, чем реализация BPSK, а также указывает на реализацию PSK более высокого порядка. Записываем символы на диаграмме созвездия в виде синусоидальных и косинусоидальных волн, используемых для их передачи:

{ displaystyle s_ {n} (t) = { sqrt { frac {2E_ {s}} {T_ {s}}}}  cos  left (2  pi f_ {c} t + (2n-1) {  frac { pi} {4}}  right),  quad n = 1,2,3,4.}

Это дает четыре фазы π / 4, 3π / 4, 5π / 4 и 7π / 4 по мере необходимости.

Это приводит к двумерному сигнальному пространству с единицей измерения базисные функции

{ displaystyle { begin {align}  phi _ {1} (t) & = { sqrt { frac {2} {T_ {s}}}}  cos  left (2  pi f_ {c} t  right)  phi _ {2} (t) & = { sqrt { frac {2} {T_ {s}}}}  sin  left (2  pi f_ {c} t  right)  конец {выровнен}}}

Первая базовая функция используется как синфазная составляющая сигнала, а вторая как квадратурная составляющая сигнала.

Следовательно, сигнальное созвездие состоит из 4 точек пространства сигнала.

{ displaystyle { begin {pmatrix}  pm { sqrt { frac {E_ {s}} {2}}} &  pm { sqrt { frac {E_ {s}} {2}}}  end {pmatrix}}.}

Коэффициент 1/2 означает, что общая мощность делится поровну между двумя несущими.

Сравнение этих базовых функций с функциями для BPSK ясно показывает, как QPSK можно рассматривать как два независимых сигнала BPSK. Обратите внимание, что точки пространства сигнала для BPSK не нуждаются в разделении энергии символа (бита) по двум несущим в схеме, показанной на диаграмме созвездия BPSK.

Системы QPSK могут быть реализованы несколькими способами. Ниже показаны основные компоненты конструкции передатчика и приемника.

Концептуальная структура передатчика для QPSK. Поток двоичных данных разделяется на синфазную и квадратурную составляющие. Затем они отдельно модулируются на две ортогональные базисные функции. В этой реализации используются две синусоиды. После этого два сигнала накладываются друг на друга, и в результате получается сигнал QPSK. Обратите внимание на использование полярных невозврат к нулю кодирование. Эти кодировщики могут быть размещены перед источником двоичных данных, но были размещены после, чтобы проиллюстрировать концептуальную разницу между цифровыми и аналоговыми сигналами, связанными с цифровой модуляцией.

Структура приемника для QPSK. Согласованные фильтры можно заменить корреляторами. Каждое устройство обнаружения использует пороговое значение опорного, чтобы определить, обнаружено ли 1 или 0.

Вероятность ошибки

Хотя QPSK можно рассматривать как четвертичную модуляцию, его легче рассматривать как две независимо модулированные квадратурные несущие. При такой интерпретации четные (или нечетные) биты используются для модуляции синфазной составляющей несущей, в то время как нечетные (или четные) биты используются для модуляции квадратурной составляющей несущей. BPSK используется на обеих несущих, и их можно независимо демодулировать.

В результате вероятность битовой ошибки для QPSK такая же, как для BPSK:

P_b = Q  left ( sqrt { frac {2E_b} {N_0}}  right)

Однако для достижения такой же вероятности битовой ошибки, что и для BPSK, QPSK использует удвоенную мощность (поскольку два бита передаются одновременно).

Коэффициент символьных ошибок определяется как:

{ displaystyle { begin {align} P_ {s} & = 1-  left (1-P_ {b}  right) ^ {2}  & = 2Q  left ({ sqrt { frac {E_ { s}} {N_ {0}}}}  right) -  left [Q  left ({ sqrt { frac {E_ {s}} {N_ {0}}}}  right)  right] ^ { 2}.  End {выравнивается}}}

Если сигнал-шум высокая (что необходимо для практических систем QPSK) вероятность ошибки символа может быть приблизительно равна:

{ displaystyle P_ {s}  приблизительно 2Q  left ({ sqrt { frac {E_ {s}} {N_ {0}}}}  right) =  operatorname {erfc}  left ({ sqrt { frac {E_ {s}} {2N_ {0}}}}  right) =  operatorname {erfc}  left ({ sqrt { frac {E_ {b}} {N_ {0}}}}  right) }

Модулированный сигнал показан ниже для короткого сегмента случайного потока двоичных данных. Две несущие волны представляют собой косинусоидальную и синусоидальную волну, как показывает анализ пространства сигналов выше. Здесь биты с нечетными номерами назначены синфазному компоненту, а биты с четными номерами — квадратурному компоненту (принимая первый бит за номер 1). Общий сигнал — сумма двух компонентов — показан внизу. Скачки по фазе можно увидеть, поскольку PSK изменяет фазу на каждом компоненте в начале каждого битового периода. Самая верхняя форма волны соответствует описанию, данному для BPSK выше.

Временная диаграмма для QPSK. Поток двоичных данных показан под осью времени. Два компонента сигнала с их назначением битов показаны вверху, а общий комбинированный сигнал — внизу. Обратите внимание на резкие изменения фазы на некоторых границах битового периода.

Этот сигнал передает следующие двоичные данные: 11000110.

  • Нечетные биты, выделенные здесь, вносят вклад в синфазную составляющую: 11000110
  • Четные биты, выделенные здесь, вносят вклад в квадратурную составляющую: 11000110

Варианты

Смещение QPSK (OQPSK)

Сигнал не проходит через начало координат, потому что одновременно изменяется только один бит символа.

Квадратурная фазовая манипуляция со смещением (OQPSK) представляет собой вариант модуляции с фазовой манипуляцией с использованием четырех различных значений фазы для передачи. Иногда его называют ступенчатая квадратурная фазовая манипуляция (SQPSK).

Разница фазы между QPSK и OQPSK

Принимая четыре значения фазы (два биты ) за один раз для построения символа QPSK может позволить фазе сигнала прыгнуть на целых 180 ° за раз. Когда сигнал фильтруется с помощью фильтра нижних частот (что типично для передатчика), эти фазовые сдвиги приводят к большим колебаниям амплитуды, что является нежелательным качеством в системах связи. За счет смещения синхронизации нечетных и четных битов на один битовый период или половину периода символа синфазная и квадратурная составляющие никогда не изменятся одновременно. На диаграмме созвездия, показанной справа, можно увидеть, что это ограничит фазовый сдвиг не более чем на 90 ° за раз. Это дает гораздо меньшие колебания амплитуды, чем QPSK без смещения, и иногда это предпочтительнее на практике.

На рисунке справа показана разница в поведении фазы между обычным QPSK и OQPSK. Видно, что на первом графике фаза может измениться сразу на 180 °, а в OQPSK изменения никогда не превышают 90 °.

Модулированный сигнал показан ниже для короткого сегмента случайного потока двоичных данных. Обратите внимание на сдвиг на половину периода символа между двумя составляющими волнами. Внезапные сдвиги фазы происходят примерно в два раза чаще, чем при QPSK (поскольку сигналы больше не изменяются вместе), но они менее серьезны. Другими словами, величина скачков меньше в OQPSK по сравнению с QPSK.

Временная диаграмма для Offset-QPSK. Поток двоичных данных показан под осью времени. Два компонента сигнала с их назначением битов показаны вверху, а общий комбинированный сигнал — внизу. Обратите внимание на смещение полупериода между двумя компонентами сигнала.

SOQPSK

Безлицензионный сформированный -смещение QPSK (SOQPSK) совместим с запатентованной Feher QPSK (FQPSK) в том смысле, что детектор QPSK с интегрированием и сбросом смещения дает одинаковый выходной сигнал независимо от того, какой тип передатчика используется.[9]

Эти модуляции тщательно формируют формы сигналов I и Q, так что они меняются очень плавно, а сигнал остается постоянной амплитуды даже во время переходов сигнала. (Вместо того, чтобы мгновенно переходить от одного символа к другому или даже линейно, он плавно перемещается по кругу постоянной амплитуды от одного символа к другому.) Модуляция SOQPSK может быть представлена ​​как гибрид QPSK и МСК: SOQPSK имеет ту же совокупность сигналов, что и QPSK, однако фаза SOQPSK всегда стационарна.[10][11]

Стандартное описание SOQPSK-TG включает: троичные символы.[12] SOQPSK — одна из наиболее распространенных схем модуляции в применении к ЛЕО спутниковая связь.[13]

π/ 4-QPSK

Диаграмма двойного созвездия для π / 4-QPSK. На нем показаны два отдельных созвездия с идентичной кодировкой Грея, но повернутые на 45 ° относительно друг друга.

В этом варианте QPSK используются два идентичных созвездия, повернутых на 45 ° ( pi / 4 радианы, отсюда и название) по отношению друг к другу. Обычно четные или нечетные символы используются для выбора точек из одного из созвездий, а другие символы выбирают точки из другого созвездия. Это также уменьшает фазовые сдвиги от максимума 180 °, но только до максимума 135 °, и поэтому колебания амплитуды  pi / 4-QPSK находятся между OQPSK и несмещенным QPSK.

Одно свойство этой схемы модуляции заключается в том, что если модулированный сигнал представлен в комплексной области, переходы между символами никогда не проходят через 0. Другими словами, сигнал не проходит через начало координат. Это снижает динамический диапазон колебаний сигнала, что желательно при разработке сигналов связи.

С другой стороны,  pi / 4-QPSK поддается простой демодуляции и был принят для использования, например, в TDMA сотовый телефон системы.

Модулированный сигнал показан ниже для короткого сегмента случайного потока двоичных данных. Конструкция такая же, как и для обычного QPSK. Последовательные символы взяты из двух созвездий, показанных на схеме. Таким образом, первый символ (11) взят из «синего» созвездия, а второй символ (0 0) взят из «зеленого» созвездия. Обратите внимание, что амплитуды двух составляющих волн изменяются при переключении между созвездиями, но общая величина сигнала остается постоянной (постоянный конверт ). Фазовые сдвиги находятся между двумя предыдущими временными диаграммами.

Временная диаграмма для π / 4-QPSK. Поток двоичных данных показан под осью времени. Два компонента сигнала с их назначением битов показаны вверху, а общий комбинированный сигнал — внизу. Обратите внимание, что последовательные символы берутся поочередно из двух созвездий, начиная с «синего».

DPQPSK

Квадратурная фазовая манипуляция с двойной поляризацией (DPQPSK) или QPSK с двойной поляризацией — включает поляризационное мультиплексирование двух разных сигналов QPSK, таким образом улучшая спектральную эффективность в 2 раза. Это экономичная альтернатива использованию 16-PSK вместо QPSK для удвоения спектральной эффективности.

ПСК высшего порядка

Диаграмма созвездия для 8-PSK с кодировкой Грея

Для построения созвездия PSK может использоваться любое количество фаз, но 8-PSK обычно является развернутым созвездием PSK высшего порядка. При более чем 8 фазах частота ошибок становится слишком высокой, и доступны лучшие, хотя и более сложные, модуляции, такие как квадратурная амплитудная модуляция (QAM). Хотя может использоваться любое количество фаз, тот факт, что совокупность обычно должна иметь дело с двоичными данными, означает, что количество символов обычно является степенью 2, чтобы обеспечить целое число битов на символ.

Коэффициент битовых ошибок

Для общего M-PSK не существует простого выражения для вероятности символьной ошибки, если { displaystyle M> 4}. К сожалению, его можно получить только из

{ Displaystyle P_ {s} = 1-  int _ {-  pi / M} ^ { pi / M} p _ { theta _ {r}}  left ( theta _ {r}  right) d  тета _ {r},}

где

{ displaystyle { begin {align} p _ { theta _ {r}}  left ( theta _ {r}  right) & = { frac {1} {2  pi}} e ^ {- 2  gamma _ {s}  sin ^ {2}  theta _ {r}}  int _ {0} ^ { infty} Ve ^ {- { frac {1} {2}}  left (V-2 {  sqrt { gamma _ {s}}}  cos  theta _ {r}  right) ^ {2}} , dV,  V & = { sqrt {r_ {1} ^ {2} + r_ { 2} ^ {2}}},  theta _ {r} & =  tan ^ {- 1}  left ({ frac {r_ {2}} {r_ {1}}}  right),   gamma _ {s} & = { frac {E_ {s}} {N_ {0}}}  end {align}}}

и { displaystyle r_ {1}  sim N  left ({ sqrt {E_ {s}}}, { frac {1} {2}} N_ {0}  right)} и { displaystyle r_ {2}  sim N  left (0, { frac {1} {2}} N_ {0}  right)} являются гауссовскими случайные переменные.

Кривые частоты ошибок по битам для BPSK, QPSK, 8-PSK и 16-PSK, канал аддитивного белого гауссова шума

Это может быть приблизительно для высоких M и высокий E_ {b} / N_ {0} от:

{ displaystyle P_ {s}  приблизительно 2Q  left ({ sqrt {2  gamma _ {s}}}  sin { frac { pi} {M}}  right).}

Вероятность битовой ошибки для M-PSK может быть определен точно только после того, как битовое отображение известно. Однако когда Серое кодирование , наиболее вероятная ошибка от одного символа к другому приводит к единственной битовой ошибке и

{ displaystyle P_ {b}  приблизительно { frac {1} {k}} P_ {s}.}

(Использование кодирования Грея позволяет нам приблизительно Расстояние Ли ошибок как Расстояние Хэмминга ошибок в декодированном битовом потоке, что проще реализовать аппаратно.)

На графике слева сравниваются коэффициенты битовых ошибок для BPSK, QPSK (которые одинаковы, как указано выше), 8-PSK и 16-PSK. Видно, что модуляции высшего порядка демонстрируют более высокий уровень ошибок; однако взамен они обеспечивают более высокую скорость необработанных данных.

Границы частот ошибок различных схем цифровой модуляции могут быть вычислены с применением связанный союз в сигнальное созвездие.

Спектральная эффективность

Полоса пропускания (или спектральная эффективность) схем модуляции M-PSK увеличивается с увеличением порядка модуляции M (в отличие, например, от М-ФСК ):[14]

{ displaystyle  rho = { frac { log _ {2} M} {2}}  quad [{ text {bits}} / { text {s}}  cdot { text {Hz}}] }

То же самое верно и для M-QAM.[15]

Дифференциальная фазовая манипуляция (DPSK)

Дифференциальное кодирование

Дифференциальная фазовая манипуляция (DPSK) — это распространенная форма фазовой модуляции, при которой данные передаются путем изменения фазы несущей волны. Как упоминалось для BPSK и QPSK, существует неоднозначность фазы, если совокупность поворачивается каким-либо эффектом в канал связи через который проходит сигнал. Эту проблему можно решить, используя данные для изменение скорее, чем набор фаза.

Например, в дифференциально кодированной BPSK двоичная «1» может быть передана путем добавления 180 ° к текущей фазе и двоичный «0» путем добавления 0 ° к текущей фазе. Другой вариант DPSK — это симметричная дифференциальная фазовая манипуляция, SDPSK, где кодирование будет составлять + 90 ° для «1» и -90 ° для «0».

В дифференциально кодированной QPSK (DQPSK) фазовые сдвиги равны 0 °, 90 °, 180 °, -90 °, что соответствует данным «00», «01», «11», «10». Этот вид кодирования можно демодулировать так же, как и для недифференциальной PSK, но фазовые неоднозначности можно игнорировать. Таким образом, каждый принятый символ демодулируется в один из M точки в созвездии и компаратор затем вычисляет разность фаз между этим принятым сигналом и предыдущим. Разница кодирует данные, как описано выше. Симметричная дифференциальная квадратурная фазовая манипуляция (SDQPSK) похож на DQPSK, но кодирование является симметричным, с использованием значений фазового сдвига -135 °, -45 °, + 45 ° и + 135 °.

Модулированный сигнал показан ниже как для DBPSK, так и для DQPSK, как описано выше. На рисунке предполагается, что сигнал начинается с нулевой фазы, поэтому оба сигнала имеют фазовый сдвиг на t = 0.

Временная диаграмма для DBPSK и DQPSK. Поток двоичных данных находится выше сигнала DBPSK. Отдельные биты сигнала DBPSK сгруппированы в пары для сигнала DQPSK, который изменяется только каждые Тs = 2Тб.

Анализ показывает, что дифференциальное кодирование примерно вдвое увеличивает количество ошибок по сравнению с обычным кодированием. M-PSK, но это можно преодолеть только небольшим увеличением E_ {b} / N_ {0}. Кроме того, этот анализ (и графические результаты ниже) основаны на системе, в которой единственное повреждение аддитивный белый гауссов шум (AWGN). Однако между передатчиком и приемником в системе связи также будет существовать физический канал. Этот канал, как правило, вносит неизвестный фазовый сдвиг в сигнал PSK; в этих случаях дифференциальные схемы могут дать лучше частота ошибок, чем в обычных схемах, которые полагаются на точную информацию о фазе.

Одним из самых популярных приложений DPSK является Стандарт Bluetooth где  pi / 4-DQPSK и 8-DPSK были реализованы.

Демодуляция

Сравнение BER между DBPSK, DQPSK и их недифференциальными формами с использованием кодирования Грея и работы в белом шуме

Для сигнала, который был закодирован дифференциально, существует очевидный альтернативный метод демодуляции. Вместо обычной демодуляции и игнорирования неоднозначности фазы несущей, фаза между двумя последовательными принятыми символами сравнивается и используется для определения того, какими должны были быть данные. Когда дифференциальное кодирование используется таким образом, схема известна как дифференциальная фазовая манипуляция (DPSK). Обратите внимание, что это немного отличается от просто дифференциально кодированной PSK, поскольку при приеме принятые символы не декодируются одна за другой в точки созвездия, но вместо этого напрямую сравниваются друг с другом.

Назовите полученный символ в kth Временной интервал г_ {к} и пусть будет фаза  phi _ {k}. Без ограничения общности будем считать, что фаза несущей волны равна нулю. Обозначим аддитивный белый гауссов шум (AWGN) термин как n_ {k}. потом

{ displaystyle r_ {k} = { sqrt {E_ {s}}} e ^ {j  phi _ {k}} + n_ {k}.}

Переменная решения для к-1th символ и kth символ — разность фаз между г_ {к} и г_ {к-1}. То есть, если г_ {к} проецируется на г_ {к-1}, решение принимается по фазе полученного комплексного числа:

{ displaystyle r_ {k} r_ {k-1} ^ {*} = E_ {s} e ^ {j  left ( varphi _ {k} -  varphi _ {k-1}  right)} + {  sqrt {E_ {s}}} e ^ {j  varphi _ {k}} n_ {k-1} ^ {*} + { sqrt {E_ {s}}} e ^ {- j  varphi _ { k-1}} n_ {k} + n_ {k} n_ {k-1} ^ {*}}

где верхний индекс * обозначает комплексное сопряжение. В отсутствие шума фаза этого  phi _ {k} -  phi _ {k-1}, фазовый сдвиг между двумя принятыми сигналами, который может использоваться для определения переданных данных.

Вероятность ошибки для DPSK в целом трудно рассчитать, но в случае DBPSK она составляет:

{ displaystyle P_ {b} = { frac {1} {2}} e ^ {- { frac {E_ {b}} {N_ {0}}}},}[16]

который при численной оценке лишь немного хуже, чем обычный BPSK, особенно при более высоких E_ {b} / N_ {0} ценности.

Использование DPSK позволяет избежать необходимости в возможных сложных схемах восстановления несущей для обеспечения точной оценки фазы и может быть привлекательной альтернативой обычному PSK.

В оптическая связь, данные могут быть промодулированы на фазу лазер дифференциальным способом. Модуляция — это лазер, излучающий непрерывная волна, а Модулятор Маха – Цендера который принимает электрические двоичные данные. В случае BPSK лазер передает поле без изменений для двоичной «1» и с обратной полярностью для «0». Демодулятор состоит из интерферометр с линией задержки который задерживает один бит, поэтому два бита можно сравнивать одновременно. При дальнейшей обработке фотодиод используется для преобразования оптическое поле в электрический ток, поэтому информация возвращается в исходное состояние.

Коэффициенты битовых ошибок DBPSK и DQPSK сравниваются с их недифференциальными аналогами на графике справа. Потери при использовании DBPSK достаточно малы по сравнению с уменьшением сложности, которое часто используется в системах связи, которые иначе использовали бы BPSK. Однако для DQPSK потеря производительности по сравнению с обычным QPSK больше, и разработчик системы должен сбалансировать это с уменьшением сложности.

Пример: дифференциально-кодированная BPSK

Схема системы дифференциального кодирования / декодирования

На к ^ { textrm {th}} временной интервал вызывает бит, который нужно модулировать b_ {k}, дифференциально кодированный бит e_ {k} и результирующий модулированный сигнал m_ {k} (т). Предположим, что диаграмма созвездия позиционирует символы в положении ± 1 (что соответствует BPSK). Дифференциальный энкодер производит:

{ displaystyle , e_ {k} = e_ {k-1}  oplus b_ {k}}

где  oplus {} указывает двоичный или по модулю 2 дополнение.

Сравнение BER между BPSK и дифференциально кодированной BPSK, работающей в белом шуме

Так e_ {k} изменяет состояние (с двоичного «0» на двоичную «1» или с двоичного «1» на двоичный «0»), только если b_ {k} это двоичная «1». В противном случае он остается в своем предыдущем состоянии. Это описание дифференциально кодированной BPSK, приведенное выше.

Полученный сигнал демодулируется для получения { displaystyle e_ {k} =  pm 1} а затем дифференциальный декодер меняет процедуру кодирования и производит

{ displaystyle b_ {k} = e_ {k}  oplus e_ {k-1},}

поскольку двоичное вычитание аналогично двоичному сложению.

Следовательно, b_ {k} = 1 если e_ {k} и е_ {к-1} отличаются и b_ {k} = 0 если они такие же. Следовательно, если оба e_ {k} и е_ {к-1} находятся перевернутый, b_ {k} все равно будет правильно декодироваться. Таким образом, фазовая неоднозначность 180 ° не имеет значения.

Аналогичным образом могут быть разработаны дифференциальные схемы для других модуляций PSK. Формы сигналов для DPSK такие же, как и для PSK с дифференциальным кодированием, приведенные выше, поскольку единственное изменение между двумя схемами — на приемнике.

Кривая BER для этого примера сравнивается с обычным BPSK справа. Как упоминалось выше, хотя частота ошибок увеличивается примерно вдвое, требуется увеличение E_ {b} / N_ {0} побороть это мало. Увеличение E_ {b} / N_ {0} Однако, необходимая для преодоления дифференциальной модуляции в кодированных системах, больше — обычно около 3 дБ. Снижение производительности является результатом некогерентная передача — в данном случае это означает, что отслеживание фазы полностью игнорируется.

Взаимная информация с аддитивным белым гауссовским шумом

Взаимная информация PSK по каналу AWGN

В взаимная информация ПСК можно оценить в аддитивный гауссов шум от численное интегрирование его определения.[17] Кривые взаимной информации насыщаются до количества битов, переносимых каждым символом в пределе бесконечного отношения сигнал / шум. { displaystyle E_ {s} / N_ {0}}. Напротив, в пределе малых отношений сигнал / шум взаимная информация приближается к Пропускная способность канала AWGN, который является супремумом среди всех возможных вариантов статистических распределений символов.

При промежуточных значениях отношения сигнал / шум взаимная информация (MI) хорошо аппроксимируется:[17]

{ displaystyle { textrm {MI}}  simeq  log _ {2}  left ({ sqrt {{ frac {4  pi} {e}} { frac {E_ {s}} {N_ {0) }}}}}правильно).}

Взаимная информация PSK по каналу AWGN обычно дальше до пропускной способности канала AWGN, чем QAM форматы модуляции.

Смотрите также

  • Модуляция двоичной смещенной несущей
  • Дифференциальное кодирование
  • Модуляция — для обзора всех схем модуляции
  • Фазовая модуляция (PM) — аналог эквивалент PSK
  • Полярная модуляция
  • PSK31
  • PSK63

Заметки

  1. ^ а б IEEE Std 802.11-1999: Технические характеристики управления доступом к среде передачи данных (MAC) и физического уровня (PHY) беспроводной локальной сети — всеобъемлющая спецификация IEEE 802.11. В архиве 28 августа 2007 г. Wayback Machine
  2. ^ IEEE Std 802.11b-1999 (R2003) — спецификация IEEE 802.11b.
  3. ^ IEEE Std 802.11g-2003 — спецификация IEEE 802.11g.
  4. ^ Понимание требований ISO / IEC 14443 для бесконтактных идентификационных карт типа B, Примечание по применению, Ред. 2056B – RFID – 11/05, 2005, ATMEL.
  5. ^ «Как работают спутники связи». Планета Фокс. 2014.
  6. ^ http://www.broadcom.com/products/set-top-box-and-media-processors/s satellite/bcm7325
  7. ^ «Локальные и удаленные модемы» (PDF). Черный ящик. Сетевые службы черного ящика. Архивировано из оригинал (PDF) 22 декабря 2015 г.. Получено 20 декабря, 2015.
  8. ^ Системы связи, Х. Стерн и С. Махмуд, Pearson Prentice Hall, 2004, стр. 283.
  9. ^ Том Нельсон, Эрик Перринс и Майкл Райс.«Общие детекторы для модуляций уровня 1» В архиве 2012-09-17 в Wayback Machine.T. Нельсон, Э. Перринс, М. Райс.«Общие детекторы для QPSK с фасонным смещением (SOQPSK) и QPSK, запатентованного Фехером (FQPSK)»Nelson, T .; Perrins, E .; Райс, М. (2005). «Общие детекторы для QPSK со смещением формы (SOQPSK) и QPSK, запатентованного Фехером (FQPSK)». ГЛОБЭКОМ ’05. Международная конференция по телекоммуникациям IEEE, 2005 г.. стр.5 стр. Дои:10.1109 / GLOCOM.2005.1578470. ISBN  0-7803-9414-3.ISBN  0-7803-9414-3
  10. ^ Хилл, Терренс Дж. «Непатентованный вариант QPSK с постоянной огибающей (SOQPSK) с постоянной огибающей для улучшения спектрального удержания и эффективности обнаружения». МИЛКОМ 2000. Материалы конференции по военной связи 21 века. Vol. 1. IEEE, 2000.
  11. ^ Ли, Лифанг и М.К. Саймон. «Производительность квадратурной фазовой манипуляции с кодированным смещением (OQPSK) и OQPSK в форме MIL-STD (SOQPSK) с итеративным декодированием». Межпланетная сеть Prog. Отчет 42 (2004 г.).
  12. ^ Сахин К. и Перринс Э., ноябрь 2011 г. Емкость СОКПСК-ТГ. В 2011-МИЛКОМ 2011 Конференция по военной связи (стр. 555-560) IEEE.
  13. ^ Саид Н., Эльзанати А., Альморад Х., Дахрудж Х., Аль-Наффури Т. и Алуини, М.С., 2020. Связь Cubesat: последние достижения и будущие задачи. Обзоры и учебные пособия по коммуникациям IEEE.
  14. ^ Хайкин, С., 2001. Системы связи, John Wiley & Sons. Inc. — стр. 368
  15. ^ Анализ бюджета канала: цифровая модуляция, часть 3 (www.AtlantaRF.com)
  16. ^ Г.Л. Штюбер, «Приемники DPSK с прямой последовательностью мягких решений», IEEE Transactions on Vehicle Technology, vol. 37, нет. 3. С. 151–157, август 1988 г.
  17. ^ а б Блахут, Р. Э. (1988). Принципы и практика теории информации. Бостон, Массачусетс, США: издательство Addison Wesley Publishing Company. ISBN  0-201-10709-0.

использованная литература

Обозначения и теоретические результаты в статье основаны на материалах, представленных в следующих источниках:

  • Проакис, Джон Г. (1995). Цифровые коммуникации. Сингапур: Макгроу Хилл. ISBN  0-07-113814-5.
  • Диван, Леон В. II (1997). Цифровая и аналоговая связь. Река Аппер Сэдл, Нью-Джерси: Прентис-Холл. ISBN  0-13-081223-4.
  • Хайкин, Саймон (1988). Цифровые коммуникации. Торонто, Канада: John Wiley & Sons. ISBN  0-471-62947-2.

Введение

Моя сеть приёма сигналов со спутников r2cloud постепенно растёт. Однако уровень приёма оставляет желать лучшего. Несмотря на то, что на спектограмме виден сигнал, демодулятор не может восстановить его. В попытках найти проблему, я понял, что мне не хватает фундаментальных знаний по теории обработки сигналов и некоторой математики. Дело в том, что в интернете зачастую выкладываются демодуляторы без обоснования их работы. Меня это не устраивает, потому что нужны метрики по которым я буду понимать насколько один алгоритм эффективнее другого. И стал ли новый код лучше, если я добавлю какой-нибудь другой блок в обработку.

Всё это привело меня к ( E_b / N_0 ). Эта метрика показывает отношение энергии сигнала, приходящейся на 1 бит принимаемого сообщения (( E_b )), к энергетической спектральной плотности шума (( N_0 )). Почему она так важна? Дело в том, что она не зависит от способа модуляции сигнала и пропускной способности канала. Из-за этого её можно использовать, чтобы сравнивать различные модуляции между собой. Обычно строят график отношения ( E_b / N_0 ) к вероятности ошибки (BER). Вот пример графика сравнения BPSK/QPSK/8-PSK/16-PSK:

Что из этого графика можно понять?

  1. Если увеличивать энергию передаваемого бита, то уменьшается вероятность возникновения ошибки.
  2. В BPSK/QPSK ошибка возникает значительно реже, чем в 8-PSK и 16-PSK при одинаковых значениях энергии передаваемого бита.
  3. График, например, читается следующим образом: при ( E_b / N_0 ) равным 4 децибелла и BPSK модуляции можно получить 1 ошибочный бит на каждые 100 полученных.

Мне же график прежде всего нужен:

  1. Сравнивать теоретические значения с практической реализацией демодулятора. Прямо сейчас я точно знаю, что различия есть из-за ограниченной точности АЦП. Дело в том, что rtl-sdr имеет разрешающую способность 8 бит. А в теории числа могут быть бесконечной точности. Именно эта разница и должна давать ошибку.
  2. Анализировать улучшится ли демодулятор, если добавить какой-то определённый блок. Как минимум я хочу попробовать различные алгоритмы получения несущего сигнала и компенсации многолучевого распространения.

Ну и для того, чтобы понять математику, я решил проделать выводы сам. Ниже я буду рассчитывать вероятности ошибки для BPSK (см. синий график выше). Вдохновение я черпал у dsplog плюс добавлял свои мысли.

Дано

Прежде всего необходимо описать физику процесса. Схема процесса показана ниже:

  1. Изначальное сообщение кодируется в аналоговый сигнал. “1” кодируется в (+sqrt{E_b}), “0” кодируется в (-sqrt{E_b}). Почему именно как корень из (E_b)? Не знаю. Это единственное место, где я не разобрался.
  2. После этого сигнал складывается с аддитивным белым гауссовским шумом.
  3. Далее сигнал демодулируется.

Модулированный BPSK сигнал выглядит следующим образом:

Красными точками обозначается сигнал без шума. Синими — сигнал с добавлением белого гауссовского шума. Как демодулируется этот сигнал? Все точки, которые больше “0” становятся “1”, а те, что меньше “0” становятся “0”. На рисунке выше все синие точки достаточно далеко от “0”, поэтому информацию можно однозначно восстановить. Но что если шум будет сильнее?

Тут уже не всё так однозначно. Видно, что некоторые точки закодированные как “1” на самом деле оказались меньше “0”. И если бы я попытался их демодулировать, то получил бы неправильную информацию.

Решение

Теперь, когда стало понятно влияние шума на результат демодуляции, можно переходить к графику зависимости вероятности от энергии сигнала. Этот график поможет посчитать вероятность ошибок для различных входных значений. Для начала возьмём сигнал без шума. Вероятность получения “0” или “1” всегда 1.

Частота получения ошибочных битов (Bit error rate) будет 0. Т.е. 0 ошибочных битов на бесконечное количество принятых. В случае наличия гауссовского шума, вероятность получения определяется гауссовской функцией вероятности:

Гауссовский шум определяется следующей формулой:

$$
p(x) = dfrac{1}{sqrt{2pisigma^2}}e^dfrac{-(x-mu)^2}{2sigma^2}
$$

Где:

  • (mu=0),
  • (sigma^2=N_0/2)

При передаче “1” (mu=+sqrt{E_b}), при “0” (mu=-sqrt{E_b}). Подставляя это в формулу:

$$
begin{align}
P(x|s_0)=dfrac{1}{sqrt{pi N_0}}e^dfrac{-(x+sqrt{E_b})^2}{N_0} newline
P(x|s_1)=dfrac{1}{sqrt{pi N_0}}e^dfrac{-(x-sqrt{E_b})^2}{N_0}
end{align}
$$

Теперь самое интересное.

На этом рисунке показаны области возникновения ошибки. Зелёная область — это место, где возникает ошибка при передаче “1”, красная — при передаче “0”. Общую вероятность ошибки можно записать с помощью формулы полной вероятности:

$$
P(error)=dfrac{1}{2}P(error|s_0) + dfrac{1}{2}P(error|s_1)
$$

После этого необходимо найти каждую из вероятностей:

$$
begin{align}
P(error|s_0) = int_{0}^{infty}P(x|s_0)dx = dfrac{1}{sqrt{pi N_0}}int_{0}^{infty}e^dfrac{-(x+sqrt{E_b})^2}{N_0}dx newline
P(error|s_1) = int_{-infty}^{0}P(x|s_1)dx = dfrac{1}{sqrt{pi N_0}}int_{-infty}^{0}e^dfrac{-(x-sqrt{E_b})^2}{N_0}dx
end{align}
$$

Обычно вероятность ошибки записывают с помощью функции ошибок:

$$
erfc(x)=dfrac{2}{sqrtpi}int_{0}^{x}e^{-t^2}dt
$$

Для этого необходимо сделать следующее:

$$
z=dfrac{y+sqrt{E_b}}{sqrt{N_0}} => zsqrt{N_0} = y + sqrt{E_b}
$$

Заменить пределы интегрирования:

$$
begin{align}
y=0 => z = dfrac{sqrt{E_b}}{sqrt{N_0}} newline
y=infty => z = infty
end{align}
$$

Получившаяся ошибка записывается как:

$$
begin{align}
P(error|s_0)=dfrac{1}{sqrt{pi N_0}}int_limits{sqrt{dfrac{E_b}{N_0}}}^{infty}e^{-z^2}sqrt{N_0}dz
=dfrac{1}{sqrt{pi}}int_limits{sqrt{dfrac{E_b}{N_0}}}^{infty}e^{-z^2}dz
=dfrac{1}{2}erfc(sqrt{dfrac{E_b}{N_0}})
end{align}
$$

Аналогично можно найти ошибку при передаче “1”:

$$
begin{align}
P(error|s_1)=1-P(s_1)=1-dfrac{1}{2}erfc(-sqrt{dfrac{E_b}{N_0}})
end{align}
$$

Можно воспользоваться свойством функции ошибок:

$$
begin{align}
erfc(-x)=2-erfc(x) => P(error|s_1) = dfrac{1}{2}erfc(sqrt{dfrac{E_b}{N_0}})
end{align}
$$

Если подставить в формулу полной вероятности:

$$
P(error)=dfrac{1}{2}(dfrac{1}{2}erfc(sqrt{dfrac{E_b}{N_0}})) + dfrac{1}{2}(dfrac{1}{2}erfc(sqrt{dfrac{E_b}{N_0}}))=dfrac{1}{2}erfc(sqrt{dfrac{E_b}{N_0}})
$$

Ответ

Получившийся график:

Введение

Моя сеть приёма сигналов со спутников r2cloud постепенно растёт. Однако уровень приёма оставляет желать лучшего. Несмотря на то, что на спектограмме виден сигнал, демодулятор не может восстановить его. В попытках найти проблему, я понял, что мне не хватает фундаментальных знаний по теории обработки сигналов и некоторой математики. Дело в том, что в интернете зачастую выкладываются демодуляторы без обоснования их работы. Меня это не устраивает, потому что нужны метрики по которым я буду понимать насколько один алгоритм эффективнее другого. И стал ли новый код лучше, если я добавлю какой-нибудь другой блок в обработку.

Всё это привело меня к \( E_b / N_0 \). Эта метрика показывает отношение энергии сигнала, приходящейся на 1 бит принимаемого сообщения (\( E_b \)), к энергетической спектральной плотности шума (\( N_0 \)). Почему она так важна? Дело в том, что она не зависит от способа модуляции сигнала и пропускной способности канала. Из-за этого её можно использовать, чтобы сравнивать различные модуляции между собой. Обычно строят график отношения \( E_b / N_0 \) к вероятности ошибки (BER). Вот пример графика сравнения BPSK/QPSK/8-PSK/16-PSK:

Что из этого графика можно понять?

  1. Если увеличивать энергию передаваемого бита, то уменьшается вероятность возникновения ошибки.
  2. В BPSK/QPSK ошибка возникает значительно реже, чем в 8-PSK и 16-PSK при одинаковых значениях энергии передаваемого бита.
  3. График, например, читается следующим образом: при \( E_b / N_0 \) равным 4 децибелла и BPSK модуляции можно получить 1 ошибочный бит на каждые 100 полученных.

Мне же график прежде всего нужен:

  1. Сравнивать теоретические значения с практической реализацией демодулятора. Прямо сейчас я точно знаю, что различия есть из-за ограниченной точности АЦП. Дело в том, что rtl-sdr имеет разрешающую способность 8 бит. А в теории числа могут быть бесконечной точности. Именно эта разница и должна давать ошибку.
  2. Анализировать улучшится ли демодулятор, если добавить какой-то определённый блок. Как минимум я хочу попробовать различные алгоритмы получения несущего сигнала и компенсации многолучевого распространения.

Ну и для того, чтобы понять математику, я решил проделать выводы сам. Ниже я буду рассчитывать вероятности ошибки для BPSK (см. синий график выше). Вдохновение я черпал у dsplog плюс добавлял свои мысли.

Дано

Прежде всего необходимо описать физику процесса. Схема процесса показана ниже:

  1. Изначальное сообщение кодируется в аналоговый сигнал. “1” кодируется в \(+\sqrt{E_b}\), “0” кодируется в \(-\sqrt{E_b}\). Почему именно как корень из \(E_b\)? Не знаю. Это единственное место, где я не разобрался.
  2. После этого сигнал складывается с аддитивным белым гауссовским шумом.
  3. Далее сигнал демодулируется.

Модулированный BPSK сигнал выглядит следующим образом:

Красными точками обозначается сигнал без шума. Синими — сигнал с добавлением белого гауссовского шума. Как демодулируется этот сигнал? Все точки, которые больше “0” становятся “1”, а те, что меньше “0” становятся “0”. На рисунке выше все синие точки достаточно далеко от “0”, поэтому информацию можно однозначно восстановить. Но что если шум будет сильнее?

Тут уже не всё так однозначно. Видно, что некоторые точки закодированные как “1” на самом деле оказались меньше “0”. И если бы я попытался их демодулировать, то получил бы неправильную информацию.

Решение

Теперь, когда стало понятно влияние шума на результат демодуляции, можно переходить к графику зависимости вероятности от энергии сигнала. Этот график поможет посчитать вероятность ошибок для различных входных значений. Для начала возьмём сигнал без шума. Вероятность получения “0” или “1” всегда 1.

Частота получения ошибочных битов (Bit error rate) будет 0. Т.е. 0 ошибочных битов на бесконечное количество принятых. В случае наличия гауссовского шума, вероятность получения определяется гауссовской функцией вероятности:

Гауссовский шум определяется следующей формулой:

$$
p(x) = \dfrac{1}{\sqrt{2\pi\sigma^2}}e^\dfrac{-(x-\mu)^2}{2\sigma^2}
$$

Где:

  • \(\mu=0\),
  • \(\sigma^2=N_0/2\)

При передаче “1” \(\mu=+\sqrt{E_b}\), при “0” \(\mu=-\sqrt{E_b}\). Подставляя это в формулу:

$$
\begin{align}
P(x|s_0)=\dfrac{1}{\sqrt{\pi N_0}}e^\dfrac{-(x+\sqrt{E_b})^2}{N_0} \newline
P(x|s_1)=\dfrac{1}{\sqrt{\pi N_0}}e^\dfrac{-(x-\sqrt{E_b})^2}{N_0}
\end{align}
$$

Теперь самое интересное.

На этом рисунке показаны области возникновения ошибки. Зелёная область — это место, где возникает ошибка при передаче “1”, красная — при передаче “0”. Общую вероятность ошибки можно записать с помощью формулы полной вероятности:

$$
P(error)=\dfrac{1}{2}P(error|s_0) + \dfrac{1}{2}P(error|s_1)
$$

После этого необходимо найти каждую из вероятностей:

$$
\begin{align}
P(error|s_0) = \int_{0}^{\infty}P(x|s_0)dx = \dfrac{1}{\sqrt{\pi N_0}}\int_{0}^{\infty}e^\dfrac{-(x+\sqrt{E_b})^2}{N_0}dx \newline
P(error|s_1) = \int_{-\infty}^{0}P(x|s_1)dx = \dfrac{1}{\sqrt{\pi N_0}}\int_{-\infty}^{0}e^\dfrac{-(x-\sqrt{E_b})^2}{N_0}dx
\end{align}
$$

Обычно вероятность ошибки записывают с помощью функции ошибок:

$$
erfc(x)=\dfrac{2}{\sqrt\pi}\int_{0}^{x}e^{-t^2}dt
$$

Для этого необходимо сделать следующее:

$$
z=\dfrac{y+\sqrt{E_b}}{\sqrt{N_0}} => z\sqrt{N_0} = y + \sqrt{E_b}
$$

Заменить пределы интегрирования:

$$
\begin{align}
y=0 => z = \dfrac{\sqrt{E_b}}{\sqrt{N_0}} \newline
y=\infty => z = \infty
\end{align}
$$

Получившаяся ошибка записывается как:

$$
\begin{align}
P(error|s_0)=\dfrac{1}{\sqrt{\pi N_0}}\int_\limits{\sqrt{\dfrac{E_b}{N_0}}}^{\infty}e^{-z^2}\sqrt{N_0}dz
=\dfrac{1}{\sqrt{\pi}}\int_\limits{\sqrt{\dfrac{E_b}{N_0}}}^{\infty}e^{-z^2}dz
=\dfrac{1}{2}erfc(\sqrt{\dfrac{E_b}{N_0}})
\end{align}
$$

Аналогично можно найти ошибку при передаче “1”:

$$
\begin{align}
P(error|s_1)=1-P(s_1)=1-\dfrac{1}{2}erfc(-\sqrt{\dfrac{E_b}{N_0}})
\end{align}
$$

Можно воспользоваться свойством функции ошибок:

$$
\begin{align}
erfc(-x)=2-erfc(x) => P(error|s_1) = \dfrac{1}{2}erfc(\sqrt{\dfrac{E_b}{N_0}})
\end{align}
$$

Если подставить в формулу полной вероятности:

$$
P(error)=\dfrac{1}{2}(\dfrac{1}{2}erfc(\sqrt{\dfrac{E_b}{N_0}})) + \dfrac{1}{2}(\dfrac{1}{2}erfc(\sqrt{\dfrac{E_b}{N_0}}))=\dfrac{1}{2}erfc(\sqrt{\dfrac{E_b}{N_0}})
$$

Ответ

Получившийся график:

Понравилась статья? Поделить с друзьями:
  • Вероятность ошибки первого рода называется вероятность
  • Веселый шимпанзе морфологическая ошибка
  • Вероятность ошибки определения пола на втором скрининге
  • Веселое лицо при плохой игре фразеологизм ошибка
  • Веселый мажор лексическая ошибка