Kvadratur fasskiftning
Kvadraturfas- eller fyrfasmoduleringen (engelska quadrature Phase-Shift Keying eller Quaternary Phase Shift Keying, QPSK) är en digital moduleringsmetod i kommunikationstekniken och en form av fasskiftning (PSK) . Med QPSK kan två bitar överföras per symbol . Detta fördubblar utnyttjandet av tillgänglig bandbredd ( spektral effektivitet ) jämfört med binär fasskiftning (PSK).
karakteristisk
En väsentlig egenskap är att de fyra symbolpunkterna som dras i det komplexa planet i det intilliggande konstellationsdiagrammet är exakt samma avstånd från nollpunkten när det gäller belopp. Detta innebär att amplituden inte bär någon information, bara fasen . Namnet på denna moduleringsteknik härleds från detta. Varje informationspunkt är bäraren av två informationsbitar. QPSK ger samma resultat som en 4- QAM . Med en QAM moduleras emellertid två ömsesidigt ortogonala bärare med samma frekvens i sin amplitud. Resultatet av båda bärarna har igen amplitud och fas, som sedan kopplas till en symbol - när det gäller överföringsteknologi finns det dock ingen fasmodulering med en QAM, utan en QDSB (AM med undertryckt bärare).
Följande bilder visar två DVB-S-signaler. När det gäller den svagare signalen kan man se att med ett stort antal punkter är det inte längre möjligt med en tydlig tilldelning till konstellationsdiagrammet till höger, vilket innebär att nästan 8% av data går förlorade. Tack vare felkorrigering framåt kan kanalen åtminstone ses med stark artefaktbildning , medan alla fel kan korrigeras med en medelstark signal och en felfri bild kan återges.
Svag DVB-S- signal (starkt brus)
Medelstark DVB-S-signal (svagt brus)
fungera
Den seriella dataströmmen för en NRZ -signal delas först upp i två parallella vägar med hjälp av en demultiplexer . Nu kan två bitar, så kallade dibits , bearbetas. Funktionen av en komplex symbol med verkliga och inbillade delar tilldelas dessa dibiter. Två sinusformade signaler med samma frekvens används som bärare , varav en fasskiftas med 90 ° (cosinussignal). QPSK -signalen är tillägget av två PSK -signaler. Mottagningsprocessen fungerar omvänt.
QPSK används för signalöverföring i digitala satellitkanaler (t.ex. DVB-S ), för marksändning av digitala signaler och även för trådbundna överföringsmetoder.
varianter
π / 4-QPSK
En stor förlängning av QPSK är π / 4-QPSK. Problemet med konventionell QPSK är att övergången mellan två diagonala överföringssymbolpunkter i det komplexa planet leder genom nollpunkten. I övergången mellan dessa diagonala överföringssymboler innebär detta en minskning av amplituden, det så kallade kuvertet, till praktiskt taget noll. På mottagarsidan försvårar den nödvändiga synkroniseringen och främjar på grund av icke-linjära transmissionsvägar signalförvrängning och oönskad intermodulation .
En åtgärd tillhandahålls av π / 4-QPSK. Oberoende av användardata görs ytterligare ett fashopp på π / 4 (45 °) och ändrad riktning efter varje överföringssymbol. Detta resulterar i två alternerande konstellationsdiagram som visas i den intilliggande figuren med de två färgerna. Detta säkerställer att övergången mellan två symboler aldrig går genom ursprunget, det vill säga att en tillräckligt stor bäraramplitud alltid skickas. Dessutom underlättas klocksynkroniseringen på mottagarsidan, eftersom fashopp alltid förekommer regelbundet i den mottagna signalen, oavsett användbar data och dess kodning.
Offset QPSK (OQPSK)
En annan möjlighet att undvika passagen genom nollpunkten, dvs en sänkning av amplituden, erbjuds av offset QPSK. Den verkliga delen och den imaginära delen av den komplexa symbolen skickas med en tidsfördröjning på en halv symbol så att den maximala förändringen med ett halvsteg bara är 90 ° istället för 180 ° som med den konventionella QPSK. Man kan tydligt föreställa sig att tillståndets övergångsförlopp följer formen på den kvadrat som avgränsas av de fyra tillstånden och inte längre kan ta den diagonala vägen genom nollpunkten. Omvänt ändras konstellationspunkten på vilken signalen är placerad med dubbelt så hög hastighet jämfört med symbolens varaktighet. Om endast I- eller Q -komponenten beaktas finns det bara en förändringshastighet som är lika med symbolens varaktighet.
Differential QPSK (DQPSK)
I fallet med differentiell QPSK används en uppströms differentiell kodning för att undvika oklarheterna hos faspunkterna vid mottagaren. Med differentiell QPSK tilldelas informationen inte till de enskilda symbolerna i konstellationsdiagrammet, utan sänds i den relativa förändringen i fasposition i förhållande till den föregående symbolen. Detta resulterar i fyra möjliga relativa fasrotationer på 0 (0 °), π / 2 (90 °), π (180 °) och 3π / 2 (270 °) till föregående symbol, vilket innebär att informationen om två bitar per symbolen kan överföras. Fördelen med onödig synkronisering av faspositionen mellan sändare och mottagare köps genom en ökning av bitfelhastigheten och minskad prestanda vid eventuell felkorrigering , eftersom varje mottagningsfel kan påverka två symboler med totalt fyra bitar.
Ansökningar
Faxmaskiner : En välkänd applikation där en QPSK-signal också kan höras är överföring av svartvita bilder ( fax ) över telefonnätet. Omodulerad skulle bäraren låta som en ren sinuston. Modulationen gör signalen mer bredband. Bäraren, som knappas snabbt och kontinuerligt, låter då som ett ljud.
Denna typ av modulering används nu också inom HSDPA -teknik i UMTS -nätverk. Här ökas datahastigheten från 384 kbit / s till cirka 2 Mbit / s.
litteratur
- Hermann Rohling : Introduktion till information och kodningsteori. Teubner-Verlag, Stuttgart 1995, ISBN 3-519-06174-0 .