Modulation de phase numérique: BPSK, QPSK, DQPSK

Modulation de fréquence radio
La modulation de phase numérique est une méthode polyvalente et largement utilisée pour transférer sans fil des données numériques.

Dans la page précédente, nous avons vu que nous pouvons utiliser des variations discrètes de l'amplitude ou de la fréquence d'une porteuse comme moyen de représenter les uns et les zéros. Il n'est pas surprenant que nous puissions également représenter des données numériques en utilisant la phase; cette technique est appelée key shifting keying (PSK).

Clé de décalage de phase binaire
Le type de PSK le plus simple est appelé détrompage à décalage de phase binaire (BPSK), où «binaire» fait référence à l'utilisation de deux décalages de phase (un pour la logique haute, un pour la logique basse).

Nous pouvons intuitivement reconnaître que le système sera plus robuste s'il y a une plus grande séparation entre ces deux phases - bien sûr, il serait difficile pour un récepteur de distinguer entre un symbole avec un décalage de phase de 90 ° et un symbole avec un décalage de phase de 91 °. 

Nous n'avons que 360 ​​° de phase pour travailler, donc la différence maximale entre les phases logique haute et logique basse est de 180 °. Mais nous savons que déplacer une sinusoïde de 180 ° équivaut à l'inverser; ainsi, nous pouvons penser à BPSK comme simplement inverser la porteuse en réponse à un état logique et la laisser seule en réponse à l'autre état logique.

Pour aller plus loin, nous savons que multiplier une sinusoïde par une négative équivaut à l'inverser. Cela conduit à la possibilité d'implémenter BPSK en utilisant la configuration matérielle de base suivante:

Cependant, ce schéma pourrait facilement entraîner des transitions à forte pente dans la forme d'onde de la porteuse: si la transition entre les états logiques se produit lorsque la porteuse est à sa valeur maximale, la tension de la porteuse doit rapidement passer à la tension minimale.




De tels événements à forte pente ne sont pas souhaitables car ils génèrent une énergie de fréquence plus élevée qui pourrait interférer avec d'autres signaux RF. De plus, les amplificateurs ont une capacité limitée à produire des changements à forte pente de la tension de sortie.

Si nous affinons l'implémentation ci-dessus avec deux fonctionnalités supplémentaires, nous pouvons assurer des transitions en douceur entre les symboles. Premièrement, nous devons nous assurer que la période binaire numérique est égale à un ou plusieurs cycles de porteuse complets. 

Deuxièmement, nous devons synchroniser les transitions numériques avec la forme d'onde porteuse. Grâce à ces améliorations, nous pourrions concevoir le système de telle sorte que le changement de phase à 180 ° se produise lorsque le signal de la porteuse est au niveau (ou très proche) du passage par zéro.

 

QPSK
BPSK transfère un bit par symbole, ce à quoi nous sommes habitués jusqu'à présent. Tout ce que nous avons discuté en ce qui concerne la modulation numérique a supposé que le signal de porteuse est modifié selon qu'une tension numérique est logique basse ou logique élevée, et le récepteur construit des données numériques en interprétant chaque symbole comme un 0 ou un 1.

Avant de discuter de l'incrustation à décalage de phase en quadrature (QPSK), nous devons introduire le concept important suivant: Il n'y a aucune raison pour qu'un symbole ne puisse transférer qu'un seul bit. Il est vrai que le monde de l'électronique numérique est construit autour de circuits dans lesquels la tension est à un extrême ou à l'autre, de sorte que la tension représente toujours un bit numérique. 

Mais la RF n'est pas numérique; nous utilisons plutôt des formes d'onde analogiques pour transférer des données numériques, et il est parfaitement acceptable de concevoir un système dans lequel les formes d'onde analogiques sont codées et interprétées de manière à ce qu'un symbole puisse représenter deux (ou plus) bits.

QPSK est un schéma de modulation qui permet à un symbole de transférer deux bits de données. Il y a quatre nombres possibles à deux bits (00, 01, 10, 11), et par conséquent nous avons besoin de quatre décalages de phase. Encore une fois, nous voulons une séparation maximale entre les options de phase, qui dans ce cas est de 90 °.

L'avantage est un débit de données plus élevé: si nous conservons la même période de symbole, nous pouvons doubler la vitesse à laquelle les données sont transférées de l'émetteur au récepteur. L'inconvénient est la complexité du système. (Vous pourriez penser que QPSK est également beaucoup plus sensible aux erreurs binaires que BPSK, car il y a moins de séparation entre les valeurs de phase possibles. C'est une hypothèse raisonnable, mais si vous passez par le calcul, il s'avère que les probabilités d'erreur sont en fait très similaire.)

Variantes
QPSK est, dans l'ensemble, un schéma de modulation efficace. Mais cela peut être amélioré.

Sauts de phase
La norme QPSK garantit que des transitions de symbole à symbole à forte pente se produiront; parce que les sauts de phase peuvent être de ± 90 °, nous ne pouvons pas utiliser l'approche décrite pour les sauts de phase de 180 ° produits par la modulation BPSK.

Ce problème peut être atténué en utilisant l'une des deux variantes QPSK. Le décalage QPSK, qui implique l'ajout d'un retard à l'un des deux flux de données numériques utilisés dans le processus de modulation, réduit le saut de phase maximal à 90 °. Une autre option est π / 4-QPSK, qui réduit le saut de phase maximum à 135 °. Le décalage QPSK est donc supérieur par rapport à la réduction des discontinuités de phase, mais π / 4-QPSK est avantageux car il est compatible avec le codage différentiel (discuté dans la sous-section suivante).

Une autre façon de traiter les discontinuités de symbole à symbole consiste à implémenter un traitement de signal supplémentaire qui crée des transitions plus fluides entre les symboles. Cette approche est incorporée dans un schéma de modulation appelé minimum shift keying (MSK), et il existe également une amélioration par rapport à MSK connue sous le nom de Gaussian MSK.

Codage différentiel
Une autre difficulté est que la démodulation avec des formes d'onde PSK est plus difficile qu'avec des formes d'onde FSK. 

La fréquence est «absolue» dans le sens où les changements de fréquence peuvent toujours être interprétés en analysant les variations du signal par rapport au temps. La phase, cependant, est relative dans le sens où elle n'a pas de référence universelle - l'émetteur génère les variations de phase en référence à un point dans le temps, et le récepteur peut interpréter les variations de phase en référence à un point dans le temps distinct.

La manifestation pratique de ceci est la suivante: S'il y a des différences entre la phase (ou la fréquence) des oscillateurs utilisés pour la modulation et la démodulation, PSK devient peu fiable. Et nous devons supposer qu'il y aura des différences de phase (sauf si le récepteur intègre des circuits de récupération de porteuse).

Le QPSK différentiel (DQPSK) est une variante compatible avec les récepteurs non cohérents (c'est-à-dire les récepteurs qui ne synchronisent pas l'oscillateur de démodulation avec l'oscillateur de modulation). 

Le QPSK différentiel code les données en produisant un certain déphasage par rapport au symbole précédent. En utilisant de cette manière la phase du symbole précédent, le circuit de démodulation analyse la phase d'un symbole en utilisant une référence commune au récepteur et à l'émetteur.

Résumé
* L'incrustation à décalage de phase binaire est un schéma de modulation simple qui peut transférer un bit par symbole.

* L'incrustation à décalage de phase en quadrature est plus complexe mais double le débit de données (ou atteint le même débit de données avec la moitié de la bande passante).

* Le décalage QPSK, π / 4-QPSK et le décalage minimal sont des schémas de modulation qui atténuent les effets des changements de tension de symbole à symbole à forte pente.

* Le QPSK différentiel utilise la différence de phase entre les symboles adjacents pour éviter les problèmes associés à un manque de synchronisation de phase entre l'émetteur et le récepteur.

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