Vaihesiirto (PSK) – modulaation määritelmä ja BPSK-esittely
Tutustu vaihesiirtoon (PSK) ja BPSK:ään — selkeä määritelmä, toimintaperiaate ja käytännön esimerkki binäärisestä vaiheensiirrosta.
Vaihesiirto on tapa siirtää tietoa. Tämä tapahtuu moduloimalla kantoaallon vaihetta. Tällaisessa järjestelmässä aallon amplitudi ei sisällä mitään informaatiota, vaan kaikki informaatio on signaalin vaiheessa. Monissa tapauksissa tämä mahdollistaa käytettävissä olevan kaistanleveyden paremman hyödyntämisen ja tarjoaa hyvän häiriönsietokyvyn verrattuna yksinkertaiseen amplitudimuokkaukseen.
Jos ajattelemme aaltoa kiemurtelevana viivana (kuten siniaaltona), joka toistuu tietyn määrän kertoja sekunnissa, voimme vaihtaa, missä osassa kiemurtelua se on. Jos aalto on esimerkiksi heilahduksensa yläpäässä ja vaihdamme sen välittömästi heilahduksensa alaosaan, tätä kutsutaan vaiheensiirroksi. Tällaisen vaiheensiirron suuruus mitataan tyypillisesti asteina (esim. 0° tai 180°) tai radiaaneina. Vaiheen muuttamisella voidaan siis koodata bittiarvoja ja siirtää tietoa radiokanavan yli.
Miten BPSK toimii
Binary Phase Shift Keying (BPSK) on yksinkertaisin vaihemodulaation muoto, jossa kullekin bittiarvolle on varattu yksi vaihe. Tavallisin toteutus käyttää kahta vastakkaista vaiheasentoa, esimerkiksi 0° ja 180°. Kun lähetettävä bitti on 1, kantoaallon vaihe siirretään esimerkiksi 180°; kun bitti on 0, vaihe jätetään ennalleen (0°). Näin jokainen symboli (yksi bitti) vastaa tiettyä vaihetta.
BPSK-signaalin konstellaatioavaruudessa on siis kaksi pistettä, jotka ovat vastakkaisissa kulmissa akselia. Tämä tekee BPSK:sta energiataloudellisen ja melulle melko sietokykyisen verrattuna monimutkaisempiin modulointimuotoihin. Symbolinopeus (eli kuinka monta bittiä lähetetään sekunnissa) määrää käytetyn kaistanleveyden: nopeammat symbolinopeudet vaativat laajempaa taajuuspeittoa.
Vastaanotto ja demodulaatio
Vastaanottimessa BPSK-signaali demoduloidaan yleensä koherentilla vastaanotolla, jossa vastaanotin palauttaa kantoaallon vaiheen paikallisesti (carrier recovery) ja mittaa saapuvan signaalin vaiheen suhteessa tähän viiteaaltioon. Tavallisia rakennusosia ovat sekoittimet, suodattimet ja vaihe-lukitut lukkopiirit (PLL). Koherentti demodulaatio antaa parhaan suorituskyvyn signaali-kohina-suhteessa (SNR).
Yksi käytännön haaste on vaihe-epäily (phase ambiguity): vastaanotin ei aina tiedä, mikä on "nolla-asento" suhteessa lähettäjän kanttaan. Tämän ongelman voitetaan käyttämällä esim. differential PSK (DPSK), jossa bittien muutos koodataan vaihe-eroina, tai lisäämällä synkronointisignaaleja ja tunnettuja prefiksejä, joiden avulla absoluuttinen vaihe voidaan ratkaista.
Edut ja haitat
- Edut: yksinkertainen toteuttaa, hyvä häiriönsieto ja tehokas energian käyttö; konstellaatio on yksinkertainen (vain kaksi pistettä), mikä helpottaa päätöksentekoa vastaanottimessa.
- Haitat: tarvitsee yleensä koherentin vastaanoton tai differentiaalikoodauksen vaihe-epäilyn takia; tiedonsiirtonopeus per hertsi on alhaisempi verrattuna monimutkaisempiin monivaiheisiin modulaatioihin (kuten QPSK tai 16QAM).
Binary Phase Shift Keying -menetelmää voidaan käyttää tietokonedatan lähettämiseen radioaaltojen välityksellä varsin tehokkaasti. Tietyt langattomia lähiverkkoja koskevat standardit käyttävät vaihevaiheluokitusta, joka yhdistetään joskus ortogonaaliseen taajuusjakomultipleksointiin, jotta saadaan suurempia tiedonsiirtonopeuksia ja joustavampaa kanavanhallintaa. Esimerkiksi OFDM-järjestelmissä peruskantakanavalla voidaan käyttää BPSK:ta tai QPSK:ta matalimmilla nopeuksilla ja siirtyä korkeampiin modulaatiotasoihin signaalinlaadun salliessa.
Yhteenvetona: vaihesiirto ja erityisesti BPSK ovat keskeisiä työkaluja langattomassa viestinnässä. Ne tarjoavat yksinkertaisen ja luotettavan tavan koodata bittejä kanttaajuuden vaiheeseen, ja niitä voidaan laajentaa tai yhdistää muihin tekniikoihin tarpeen mukaan paremman tehokkuuden ja suorituskyvyn saavuttamiseksi.
Harmaakoodi binäärivaiheensiirtokoodausta (2PSK) varten.
Kysymyksiä ja vastauksia
K: Mikä on vaiheistettu avaus?
V: Vaihesiirtoääni on tapa lähettää tietoa moduloimalla kantoaallon vaihetta. Aallon amplitudi ei sisällä mitään informaatiota, vaan kaikki informaatio on signaalin vaiheessa.
K: Miten voimme käyttää tätä järjestelmää paremmin käytettävissä olevaa kaistanleveyttä?
V: Tätä järjestelmää käyttämällä voimme hyödyntää käytettävissä olevaa kaistanleveyttä paremmin, koska kaikki informaatio on läsnä signaalin vaiheessa eikä amplitudissa.
K: Mitä tarkoittaa "vaihesiirtymä"?
V: "Vaihesiirtymä" tarkoittaa sitä, että jos ajattelemme aaltoa kiemurtelevana viivana (kuten siniaaltona) ja se on yhdessä osassa (esim. yläosassa) kiemurteluaan ja siirtyy sitten välittömästi toiseen osaan (esim. alaosaan) kiemurteluaan, tätä kutsutaan vaihesiirtymäksi.
Kysymys: Miten binääristä vaiheensiirtoavainta voidaan käyttää tietokonedatan lähettämiseen radioaaltojen välityksellä?
V: Binääristä vaihesiirtokytkentää voidaan käyttää tietokonedatan lähettämiseen radioaaltojen välityksellä melko tehokkaasti muuttamalla tai jättämällä muuttamatta aalto aina, kun se pääsee heilahduksensa yläpäähän, joka edustaa joko ykkösiä tai nollia.
K: Mitkä langattoman lähiverkon standardit käyttävät vaiheittaista avausta?
V: Langattoman lähiverkon standardit, joissa käytetään vaiheittaista näppäilyä, ovat muun muassa niitä, jotka yhdistetään ortogonaaliseen taajuusjakomultipleksointiin suurempien tiedonsiirtonopeuksien saavuttamiseksi.
Etsiä