Fāzes nobīdes atslēga (PSK): definīcija, darbības princips un pielietojums

Fāzes nobīdes atslēga ir informācijas pārraides veids. To veic, modulējot nesošā viļņa fāzi. Šādā sistēmā viļņa amplitūda nenes nekādu informāciju; visa informācija tiek kodēta signāla fāzē. Šī pieeja bieži ļauj efektīvāk izmantot pieejamo joslas platumu, salīdzinot ar dažām citām modulācijas metodēm.

Darbības princips — vienkāršs skaidrojums

Iedomāsimies sinusoidālu viļņu (piemēram, sinusoidālā viļņa līnija), kas atkārtojas noteiktu reižu skaitu sekundē. Fāze nosaka, kurā brīdī viļņa cikla iekšā esam — vai vilnis ir “augšā”, “apakšā” vai kaut kur pa vidu. Ja brīdī, kad sagaidām viļņa virsotni, mēs pēkšņi pagriežam viļņa fāzi par 180°, tas ir fāzes nobīdījums. Šo fāzes maiņu var izmantot, lai pārnestu diskretu informāciju.

Binarā fāzes nobīdes atslēga (BPSK)

Vienkāršākais PSK variants ir BPSK (Binary Phase Shift Keying). Katrs simbols pārraida vienu bītu:

piemēram, bīts “0” tiek attēlots ar viļņa fāzi 0°;

bīts “1” — ar viļņa fāzi 180°.

Nosūtot secību "0101...", mēs mainām vai nemainām fāzi attiecīgajos simbolu laikos, un uztvērējs, mērot fāzi, atjauno sākotnējo bitu secību. BPSK ir ļoti vienkāršs un izturīgs pret trokšņainu vidi, taču pārraida tikai vienu bitu uz simbolu, tātad spektrālā efektivitāte ir zema salīdzinājumā ar sarežģītākiem režīmiem.

Citi PSK veidi (QPSK, M‑PSK)

Ir arī daudzpakāpju PSK varianti, kas uz vienu simbolu kodē vairākus bītus:

QPSK (Quadrature PSK) izmanto četras fāzes (piem., 0°, 90°, 180°, 270°) un tādējādi pārvadā 2 bitus uz simbolu.

M‑PSK vispārīgā formā nozīmē M dažādas fāzes (piem., 8‑PSK — 8 fāzes, 3 biti uz simbolu).

Palielinot M, pieaug spektrālā efektivitāte (vairāk bītu uz simbolu), bet samazinās prettraukuma izturība — simbolu atšķirība fāzē kļūst mazāka, un traucējumi vieglāk kļūst par kļūdām.

Demodulācija un sinhronizācija

PSK uztveršanai parasti nepieciešama fāzes sinhronizācija — uztvērējam jāzina nesošā viļņa fāzes atsauce, lai pareizi noteiktu, kurā fāzē ierakstīts simbols. Ko izmanto praksē:

koherentā demodulācija — uztvērējs atjauno lokālo nesēju ar pareizu fāzi (prasa labs sinhronizācijas mehānisms);

diferenciālā PSK (DPSK) — simbols tiek kodēts kā fāzes izmaiņa attiecībā pret iepriekšējo simbolu, tādējādi atvieglojot nepieciešamību pēc absolūtas fāzes atsauces.

Praktiskās sistēmās izmanto arī nēsējspēka atkopšanas (carrier recovery), ekvalizāciju lai mazinātu daudzceļu ietekmi, un kanāla kodēšanu (piem., BCH, LDPC), lai uzlabotu kļūdu izturību.

Veiktspēja un salīdzinājums

Galvenie parametri, pēc kuriem PSK vērtē:

spektrālā efektivitāte: vairāk fāžu → vairāk bītu uz simbolu → labāka efektivitāte;

izturība pret trokšņiem: BPSK un QPSK ir salīdzinoši izturīgi; ar M‑PSK, M augot, kļūst sliktāk;

kompleksitāte: koherentā demodulācija un lielāks M prasa sarežģītāku aprīkojumu.

Pielietojums

Fāzes nobīdes atslēga un tās varianti tiek plaši izmantoti reālās dzīves sakaros:

bezvadu sakari — daži bezvadu LAN un citi radiokomunikāciju standarti izmanto PSK vai to kombinācijas (ortogonālā frekvenču dalīšanas multipleksēšana (OFDM) bieži apvieno dažādas modulācijas, tostarp BPSK un QPSK, lai palielinātu datu pārraides ātrumu);

satelītsakari un mikrovaiņu datu līnijas — QPSK un augstākas pakāpes PSK bieži tiek izvēlēti to efektivitātes un robustuma dēļ;

datu radiosaimniecība, telemetrija, dažas rūpnieciskas bezvadu sistēmas.

Praktiski izaicinājumi

PSK sistēmām jārisina vairāki reāli ierobežojumi:

fāzes nesakritības un fāzes slīdēšana kanālā;

daudzceļu izraisīta fāzes kropļošana, kas var radīt ilgākas kļūdu sērijas;

troksnis un interferences, kas palielina bitu kļūdu varbūtību.

Lai samazinātu šīs problēmas, tiek lietotas tehnoloģijas kā sinhronizācija, kanāla kodēšana, intervālu izkārtojumi (interleaving) un adaptīvā modulācija, kas dinamiskā režīmā izvēlas atbilstošu modulācijas pakāpi atkarībā no kanāla kvalitātes.

Kopsavilkums

Fāzes nobīdes atslēga ir efektīvs veids, kā pārnest digitālu informāciju, kodējot datus signāla fāzē. No vienkāršā BPSK līdz sarežģītākiem M‑PSK risinājumiem — izvēle starp tiem ir kompromiss starp spektrālo efektivitāti, trokšņizturību un aparātūras sarežģītību. PSK un tā varianti ir svarīga daļa no mūsdienu bezvadu un stacionāro telekomunikāciju tehnoloģijām.

Gray kods binārajai fāzes nobīdes atslēgai (2PSK)

Jautājumi un atbildes

J: Kas ir fāzes nobīdes atslēga?

A: Fāzes nobīdes atslēga ir informācijas pārraides veids, modulējot nesošā viļņa fāzi. Viļņa amplitūda nenes nekādu informāciju; visa informācija ir signāla fāzē.

J: Kā mēs varam izmantot šo sistēmu, lai labāk izmantotu pieejamo joslas platumu?

A: Izmantojot šo sistēmu, mēs varam labāk izmantot pieejamo joslas platumu, jo visa informācija ir signāla fāzē, nevis amplitūdā.

J: Ko nozīmē "fāzes nobīde"?

A: "Fāzes nobīde" nozīmē, ka, ja mēs iedomājamies, ka vilnis ir viļņveida līnija (piemēram, sinusoidāls vilnis), un tas atrodas vienā viļņa daļā (piemēram, augšā), bet pēc tam tūlīt pāriet uz citu viļņa daļu (piemēram, apakšā), to sauc par fāzes nobīdi.

J: Kā bināro fāzes nobīdes atslēgu var izmantot, lai pārsūtītu datora datus pa radioviļņiem?

A: Bināro fāzes nobīdes atslēgu var diezgan efektīvi izmantot, lai nosūtītu datora datus pa radioviļņiem, mainot vai nemainot vilni katru reizi, kad tas sasniedz viļņa svārstību virsotni, kas nozīmē attiecīgi vienādības vai nulles.

J: Kādi ir daži bezvadu LAN standarti, kuros izmanto fāžu nobīdes atslēgas?

A: Daži bezvadu LAN standarti, kuros izmanto fāzu nobīdes atslēgas, ir tādi, kas apvienoti ar ortogonālo frekvenču dalīšanas multipleksu, lai nodrošinātu lielāku datu pārraides ātrumu.