Faasiviirutus (faasimoduleerimine): definitsioon, BPSK ja rakendused
Faasiviirutus (faasimoduleerimine): mõistlik selgitus BPSK-ist, tööpõhimõte ja praktilised rakendused traadita side ning andmeedastuse optimeerimiseks.
Faasiviirutus on teabe edastamise viis, kus teave kodeeritakse kandelaine faasi moduleerimise teel. Sellises süsteemis ei kanna laine amplituud põhiliselt informatsiooni; kogu teave sisaldub signaali faasis. Faasiviirutus võimaldab sageli tõhusamat kasutust olemasoleva ribalaiuse piires ja on vastupidav mõnedele tüüpilistele müratüüpidele, mis mõjutavad amplitude rohkem kui faasi.
Mis täpselt on faasinihe?
Kui mõelda kandelainele kui perioodilisele vingerdusele (näiteks siinuslaine), siis faas kirjeldab, kus vingerduse tsüklis hetkeseis paikneb. Faasinihe tähendab seda, et laine "aega" nihutatakse — näiteks võime asetada laine oma võnkumise tipu asemel põhja peale. Selliseid faasimuutusi (nihu) kasutatakse teabe koodimiseks: erinevad faasiasendid vastavad erinevatele sümbolitele.
Binary Phase Shift Keying (BPSK)
BPSK ehk kahefaasiline faasiviirutus on kõige lihtsam faasiviirutusmeetod. Siin on olemas kaks faasiseisundit, tavaliselt 0 ja π (180°). Iga bitt (0 või 1) kuvandatakse ühe faasiga:
- faas 0 → bitt 0;
- faas π → bitt 1.
Matemaatiliselt saab BPSK-signaali kirjutada kujul s(t) = A·cos(2πft + φ), kus φ = 0 või φ = π sõltuvalt edastatavast bitist. Selle lihtsuse tõttu on BPSK robustne ja hõlpsasti analüüsitav.
Saatmine ja vastuvõtt
Saadetes muudetakse digitaalne andmevoog kindladenud faaside jadaks ja edastatakse raadiospektris. Vastuvõtja peab tuvastama iga sümboli faasi, et taastada algne teabe. Koherentne demoduleerimine (kus vastuvõtjal on faasi-referents ehk kandja müravaba versioon või sünkroniseeritud kohalik kandja) annab parima jõudluse. On olemas ka diferentseeritud faasiviirutus (DPSK), kus kodeeritakse faasimuutused järjestikuste sümbolite vahel — see vähendab vajadust täpse faasisünkroonimise järele.
Demoduleerimine ja veatõenäosus
Coherentse BPSK puhul, häguse (AWGN) kanali tingimustes, on bitivigade tõenäosus (BER) antud valemiga P_b = Q(√(2E_b/N_0)), kus E_b on ühe biti energia ja N_0 on müra tihedus. See tähendab, et BPSK annab kahefaasilise modulatsiooni kohta hea signaali-müra suhte (SNR) jõudluse.
Eelised ja piirangud
- Eelised:
- lihtne realiseerida ja analüüsida;
- hea müra- ja segamisresistentsus amplituudipõhiste häirete suhtes;
- madala SNR-i tingimustes tihti parem jõudlus võrreldes keerulisemate mitmefaasiliste skeemidega.
- Piirangud:
- tagab madalama spektritõhususe kui kõrgema järgu modulatsioonid (nt QPSK, 8-PSK või QAM), sest iga sümbol kannab ainult ühte bitti;
- nõuab täpset faasisünkroonimist coherentseks demoduleerimiseks;
- hajumisel (multipath) või tugevate faasihäirete korral võib olla tundlik.
Seosed teiste tehnoloogiatega
BPSK on sageli osa komplekssematest süsteemidest. Näiteks mõned traadita LAN standardid kasutavad faasiviirutust kombineerituna ortogonaalse sagedusjaotusega multipleksimisega, et saavutada kõrgemat andmeedastuskiirust. Samuti kasutatakse faasiviirutuse kõrgemaid vorme (nt QPSK) või OFDM-i koos erinevate alakanalite modulatsiooniga, et parandada ribalaiuse kasutust ja jõudlust mitmepettekeskkonnas.
Rakendused
BPSK-d kasutatakse laialdaselt erinevates sidevaldkondades, sealhulgas:
- satelliit- ja teleside ning kosmoseside (telemeetria ja juhtimine);
- GPS-signaalide mõningad variandid (näiteks BPSK-modulatsioon C/A signaalile);
- häälestatud digitaalsed raadiosüsteemid ja mõned kiiremad andmesideprotokollid;
- testsüsteemid ja õppevahendid modulatsiooni põhimõtete tutvustamiseks.
Kokkuvõte
Faasiviirutus on võimas ja laialt kasutatav meetod digitaalsete teabe edastamiseks, kus informatsioon kodeeritakse kandelaine faasi kaudu. BPSK on selle põhiline ja kõige lihtsam vorm: kaks faasiseisundit vastavad bittidele 0 ja 1. Kuigi BPSK ei paku kõrgeimat spektritõhusust, on selle lihtsus ja stabiilsus teinud selle usaldusväärseks valikuks paljudes rakendustes, eriti seal, kus on oluline töökindlus madala SNR-i tingimustes.
Gray-kood Binary-phase-shift keying'i (2PSK) jaoks
Küsimused ja vastused
K: Mis on faasinihke võtmesignaal?
V: Faasinihke klahvimine on viis teabe edastamiseks kandelaine faasi moduleerimise teel. Laine amplituud ei kanna mingit informatsiooni; kogu informatsioon sisaldub signaali faasis.
K: Kuidas saame selle süsteemi abil kasutada paremini olemasolevat ribalaiust?
V: Seda süsteemi kasutades saame paremini kasutada olemasolevat ribalaiust, sest kogu teave on olemas signaali faasis, mitte amplituudis.
K: Mida tähendab "faasinihe"?
V: "Faasinihe" tähendab seda, et kui me mõtleme lainest kui lainest kui võnkuvast joonest (nagu siinuslaine) ja see on oma võnkumise ühes osas (nt ülaosas) ning seejärel kohe muutub selle võnkumise teise ossa (nt põhjaosas), siis nimetatakse seda faasinihkumiseks (phase shift).
K: Kuidas saab binaarset faasinihke võtmestikku kasutada arvutiandmete saatmiseks raadiolainete kaudu?
V: Binaarset faasinihke klahvimist saab kasutada arvutiandmete saatmiseks üle raadiolainete üsna tõhusalt, muutes või mitte muutes lainet iga kord, kui see jõuab oma võnkumise tippu, mis tähistab vastavalt kas ühikuid või nulle.
K: Millised on mõned traadita kohtvõrgu standardid, mis kasutavad faasinihkepõhist klahvimist (Phase-Shift Keying)?
V: Mõned traadita kohtvõrgu standardid, mis kasutavad faasinihkepõhist klahvimist, hõlmavad neid, mis on ühendatud ortogonaalse sagedusjaotusega multipleksimisega, et saavutada suuremad andmeedastuskiirused.
Otsige