Fazna modulacija (PSK) - razlaga, primeri in uporaba

Fazni premik ključa (angleško Phase Shift Keying, PSK) je način prenosa informacij, pri katerem se nosilni sinusni signal modulira s spreminjanjem njegove faze. V takem sistemu amplituda nosilnega vala ne nosi informacije; vsa informacija je v fazi signala. Zaradi tega PSK pogosto omogoča boljšo izrabo razpoložljive pasovne širine in dobro odpornost proti nekaterim vrstam motenj, še posebej pri ustrezni obdelavi na sprejemni strani.

Osnovni pojem

Če si nosilni signal predstavljamo kot valovito črto (kot sinusni val), ki se valovi določeno številokrat na sekundo, lahko spreminjamo, v katerem delu tega vala (v kateri fazi) se nahaja trenutni signal. Sprememba položaja vala iz enega dela v drug del imenujemo fazni premik. Če na primer signal v enem trenutku kaže vrh valovanja, v naslednjem trenutku pa ga takoj obrnemo v nasprotni ekstrem (torej premikamo fazo za 180°), govorimo o faznem premiku, ki ga lahko uporabimo za kodiranje podatkov.

Binarni PSK (BPSK)

Najpreprostejša oblika PSK je Binary Phase Shift Keying (BPSK). V BPSK sta na voljo le dve fazi, običajno ločeni za 180°:

• ena faza predstavlja bit 0,
• nasprotna faza predstavlja bit 1.

Praktično to pomeni, da vsakič, ko želimo poslati 1, spremenimo fazo nosilnega signala, ko želimo poslati 0, pa je faza nespremenjena (ali obratno, odvisno od dogovora). Električno se signal pogosto zapiše kot cos(2πft + θ), kjer θ predstavlja izbrano fazo. BPSK ima enostavno implementacijo in dobro razmerje signal/šum pri nizkih hitrostih prenosa, zato je še vedno pogosto uporabljen v aplikacijah, kjer je zanesljivost pomembnejša od hitrosti.

Večbitne in višje stopnje PSK (QPSK, 8-PSK, ...)

Da bi povečali prenosno hitrost pri enaki hitrosti simbolov, uporabljamo PSK z več različnimi fazami. Najpogostejši primer je Quadrature Phase Shift Keying (QPSK), kjer so na voljo štiri faze (npr. 0°, 90°, 180°, 270°). Vsak simbol pri QPSK prenaša 2 bita (00, 01, 11, 10), kar poveča učinkovitost spektra v primerjavi z BPSK.

Še višje stopnje, kot so 8-PSK, 16-PSK itd., prenašajo še več bitov na simbol (npr. 8-PSK prenaša 3 bita na simbol), vendar z rahlo poslabšano odpornostjo proti šumu. Z več fazami so sosednji simboli v faznem prostoru bližje, zato je večja verjetnost napačne detekcije pri enaki ravni šuma.

Diferencialni PSK (DPSK) in problemi fazne negotovosti

V nekaterih praktičnih sistemih je težko zagotoviti natančno referenčno fazo na sprejemniku. Da se izognemo potrebi po strogi sinhronizaciji faze, se uporablja diferencialni PSK (DPSK), kjer se informacija kodira v spremembi faze med zaporednimi simboli (namesto v absolutni vrednosti faze). Prednost DPSK je manjši zahtev po sinhronizaciji; slabost pa rahlo slabša občutljivost na šum v primerjavi s koherentnim sprejemom, ki ima referenčno fazo.

Demodulacija in sinhronizacija

Demodulacija PSK običajno zahteva sinhronizacijo v frekvenci in fazi. Koherenten sprejemnik uporabi lokalni oscilator, poravnan z nosilcem, ter meri in primerja fazo prejetega signala s to referenco. To pogosto dosežemo s pomočjo fazno-zaklenjenega zanke (PLL). Brez koherentne referenčne faze se lahko uporabi nekoherenten ali diferencialni postopek demodulacije, ki je preprost, vendar manj učinkovit v pogojih šuma.

Kartuza bitov in Gray kodiranje

Pri višjih modulacijah (npr. QPSK, 8-PSK) se pogosto uporablja Gray kodiranje pri dodelitvi bitov fazam. Gray kod zagotavlja, da se pri prehodu med sosednjima fazama spremeni le en bit, kar zmanjša verjetnost večbitnih napak, ko zaradi šuma pride do napačne detekcije sosednjega simbola.

Prednosti in slabosti PSK

• Prednosti: dobra spektralna učinkovitost, robustnost pri zmernih motnjah (še posebej BPSK in QPSK), enostavna implementacija pri digitalnih sistemih.
• Slabosti: občutljivost na fazne motnje in frekvenčne premike, pri višjih redih PSK slabša odpornost proti šumu (simboli so v faznem prostoru bližje), potreba po natančni sinhronizaciji v koherentnih sprejemnikih.

Uporaba

PSK se široko uporablja v telekomunikacijah in brezžičnih omrežjih. Na primer, z binarnim faznim pomikom ključev lahko učinkovito pošiljate računalniške podatke prek radijskih valov. Nekateri standardi brezžičnih omrežij LAN uporabljajo fazno premikanje ključa, ki ga včasih kombinirajo z ortogonalnim multipleksiranjem s frekvenčno delitvijo, da dosežejo višje hitrosti prenosa podatkov. PSK se uporablja tudi v satelitski komunikaciji, telefonskih modemi, mobilnih omrežjih in v digitalni televiziji.

Tehnični kazalniki

Pri izbiri vrste PSK upoštevamo več meril:

• Spektralna učinkovitost: koliko bitov na sekundo lahko prenesemo v danem pasu (b/s/Hz). Višji red PSK poveča spektralno učinkovitost.
• Robustnost proti šumu: BPSK ima najboljšo bitno napako (BER) pri danem signalno-šumskem razmerju (SNR) med osnovnimi PSK-ji.
• Kompleksnost sprejemnika: koherentni sprejemniki in sinhronizacija faze povečata kompleksnost in stroške, a izboljšata zmogljivost.

Zaključek

Fazna modulacija (PSK) je temeljna tehnika digitalne modulacije, ki omogoča učinkovit in zanesljiv prenos podatkov prek različnih medijev. Izbira med BPSK, QPSK, 8-PSK ali višjimi vrstami vedno vključuje kompromis med hitrostjo prenosa, odpornostjo proti šumu in zahtevano kompleksnostjo strojne opreme. V mnogih sodobnih sistemih se PSK kombinira z drugimi tehnikami (npr. ortogonalnim multipleksiranjem s frekvenčno delitvijo, kodiranjem napak in adaptivnim modulatorem), da se doseže optimalno delovanje glede na razpoložljive vire in kanalne pogoje.

Vprašanja in odgovori

V: Kaj je ključevanje s faznim zamikom?

V: Kako lahko s tem sistemom bolje izkoristimo razpoložljivo pasovno širino?

V: Kaj pomeni "fazni premik"?

V: Kako se lahko binarni fazni premik ključa uporabi za pošiljanje računalniških podatkov prek radijskih valov?

V: Kateri so nekateri standardi za brezžična omrežja LAN, ki uporabljajo ključ s faznim zamikom?

Išči po črki