位相いそうへんうつり変調へんちょう

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QPSKから転送てんそう

位相いそうへんうつり変調へんちょう(いそうへんいへんちょう)もしくは位相いそうシフトキーイング英語えいご: phase-shift keying, PSK)は、基準きじゅん信号しんごう搬送波はんそうは)の位相いそう変調へんちょうすることによって、データ伝送でんそうする、デジタル変調へんちょう方式ほうしきである。

概要がいよう[編集へんしゅう]

PSKでは、基本きほん位相いそう不連続ふれんぞく変化へんかさせることにより、デジタルデータ表現ひょうげんする。たとえば、4しゅ位相いそうもちいて表現ひょうげんするとき(QPSK)、ひとつの位相いそうには2ビット(00、01、10、11)がてられる。 位相いそうてられる各々おのおののビットパターンをシンボルぶ。 復調ふくちょうは、変調へんちょうにおいて使用しようされたシンボルと位相いそうわせにもとづいて設計せっけいされる。まず、受信じゅしん信号しんごう位相いそうあきらかにし、つぎに、かく位相いそう表現ひょうげんしているシンボルをもとに、ビット列びっとれつてることでもとのデータを復元ふくげんする。

受信じゅしん信号しんごう基準きじゅん信号しんごう位相いそうにより、デジタルデータを表現ひょうげんする方式ほうしきを、coherent phase-shift keying (CPSK)とぶ。この場合ばあい復調ふくちょうは、基準きじゅん信号しんごう同期どうきしていなければならない。

受信じゅしん信号しんごうにおける、位相いそう相対そうたいてき変化へんかりょうによってデジタルデータを表現ひょうげんする方式ほうしきを、どう差分さぶん位相いそうへんうつり変調へんちょう(DPSK)とぶ。この場合ばあい復調ふくちょう基準きじゅん信号しんごう同期どうきする必要ひつようがないため、比較的ひかくてき実装じっそう容易よういとなるが、復調ふくちょうあやまりがしょうじやすくなるため、あやま訂正ていせいなどによる補正ほせい重要じゅうようである。

序論じょろん[編集へんしゅう]

デジタル信号しんごう伝送でんそう使用しようされる、おもデジタル変調へんちょう技術ぎじゅつは、つぎさん種類しゅるいである。

すべて、データ信号しんごうおうじて、基準きじゅん信号しんごう搬送波はんそうは通常つうじょうシヌソイド)の一部いちぶ特性とくせい変化へんかさせることによってデータを伝送でんそうする。 PSKの場合ばあい、データ信号しんごうあらわすために位相いそう変化へんかさせる。 このようにPSKで信号しんごう位相いそう利用りようするためには、以下いかふたつの方法ほうほうがある。

  • 情報じょうほう伝達でんたつする信号しんごう位相いそう自体じたい方法ほうほう。この場合ばあい復調ふくちょう受信じゅしん信号しんごう位相いそう比較ひかくする基準きじゅん信号しんごうたなければならない。
  • 情報じょうほう伝達でんたつする信号しんごう位相いそうの「変化へんか」を方法ほうほう。すなわち、位相いそう判断はんだんする。この方式ほうしき一部いちぶ構成こうせいでは、基準きじゅん搬送波はんそうは必要ひつようとしない。
8PSKの信号しんごう空間くうかんダイヤグラム

PSKを表現ひょうげんする便利べんり方法ほうほうに、信号しんごう空間くうかんダイヤグラムがある。 これは、同相どうしょう信号しんごう実数じっすうじくに、直角ちょっかく位相いそう信号しんごう虚数きょすうじくにとったガウス平面へいめんうえ信号しんごうてんしめ方法ほうほうである。 垂直すいちょくじくにおけるそのような表現ひょうげんは、簡単かんたん実現じつげんてきしている。 同相どうしょうじく沿ったそれぞれの信号しんごうてん振幅しんぷくコサイン(またはサインなみ変調へんちょうし、さらに直角ちょっかく位相いそうじく沿った振幅しんぷくはサイン(またはコサイン)なみ変調へんちょうする。

PSKでは、えらばれる信号しんごうてんは、通常つうじょうえんのまわりに、均一きんいつ角度かくど間隔かんかく配置はいちされる。 これにより、隣接りんせつてんあいだ位相いそう距離きょり最大さいだいにし、干渉かんしょうたいするたいせい最大さいだいにする。 それらのてんすべ同一どういつのエネルギーで送信そうしん可能かのうであるように、えんうえ配置はいちされる。 この方法ほうほうによって、それらがあらわ複素数ふくそすうノルムひとしくなり、コサインとサイン必要ひつようとなる振幅しんぷくおなじになる。 いくつの位相いそうもちいてもいが、一般いっぱんてきれいとして、ふたつの位相いそう使用しようする、位相いそうへんうつり変調へんちょうや、4つの位相いそう使用しようするよん位相いそうへんうつり変調へんちょう存在そんざいする。 伝達でんたつされるデータは通常つうじょうバイナリであるので、PSKは通常つうじょう、2の累乗るいじょうである信号しんごうてんかず設計せっけいされる。

定義ていぎ[編集へんしゅう]

あやまりつ数学すうがくてき計算けいさんするためには、いくつかの定義ていぎ必要ひつようとなる。

  • = 1ビットあたりのエネルギー
  • = 1シンボルあたりのエネルギー = 1シンボルあたりkビットのエネルギー
  • = ビット間隔かんかく
  • = シンボル間隔かんかく
  • = ノイズ電力でんりょくスペクトル密度みつど( W / Hz )
  • = 符号ふごうあやまりつ
  • = シンボルあやまりつ

.

Q(x)は、平均へいきんがゼロ、分散ぶんさんが1となるガウスのかくりつ密度みつど関数かんすうでランダムな過程かていからられた単一たんいつのサンプルがx以上いじょうであるかくりつである。 それは相補そうほガウスエラー関数かんすう規格きかくされたかたちである。 ここでしめしたあやまりつ加算かさんせい白色はくしょくガウス雑音ざつおん(AWGN)のものである。 このあやまりつフェージングのものよりはひくく、理論りろんてき比較ひかくてきしている。

用途ようと[編集へんしゅう]

比較ひかく対象たいしょうとしてげられるQAM比較ひかくすると、PSKはその単純たんじゅんさのため、既存きそん技術ぎじゅつもちいてひろ利用りようされている。

もっと一般いっぱんてき無線むせんLAN規格きかくIEEE 802.11b[1][2]は、要求ようきゅうされるデータ転送てんそう速度そくどおうじて、様々さまざまなPSKをわせて利用りようしている。

1Mbit/sの基本きほん速度そくどでは、DBPSKを使用しようし、拡張かくちょうされた2Mbit/sの速度そくどでは、DQPSKが使つかわれ、5.5 Mbit/s と11Mbit/sのフルレートでは、QPSKが利用りようされる。このとき、CCK(Complementary Code Keying)も併用へいようされる。

高速こうそく無線むせんLAN規格きかくIEEE 802.11g[1][3]では、6, 9, 12, 18, 24, 36, 48 そして 54 Mbit/sの8つのデータ転送てんそう速度そくどつ。6、9Mbit/sのモードではBPSKが、12、18Mbit/sのモードではQPSKが、のこりの4つの高速こうそくなモードでは、QAMが利用りようされる。

その単純たんじゅんさのため、BPSKはていコストの受動じゅどうてき送信そうしん利用りようされ、ISO14443たすRFID利用りようされている。このRFIDは、生体せいたい認証にんしょうパスポートクレジットカードやその用途ようと利用りようされている。

Bluetooth 2は、ひくいレート(2 Mbit/s)ではπぱい / 4-DQPSKが、2だい装置そうちのリンクが十分じゅうぶんつよいときたかいレート(3 Mbit/s)では8-DPSKが使つかわれる。Bluetooth 1は、ガウス最小さいしょうへんうつり変調へんちょう変調へんちょうされ、バージョン2では、どちらの変調へんちょう方式ほうしき選択せんたくするかにより、より高速こうそく転送てんそう速度そくどすことができる。

位相いそうへんうつり変調へんちょう (BPSK)[編集へんしゅう]

BPSKにおける信号しんごう空間くうかんダイヤグラム

BPSK(英語えいご: binary phase-shift keying)はPSKでもっと単純たんじゅん形式けいしきである。 これは180°分離ぶんりされた2つの位相いそう使つかい、「2-PSK」ともばれる。 信号しんごうてんがどこにかれるかはかならずしもとく重要じゅうようではなく、そしてこのかたちではそれらはじつじくにおいて0°と180°にしめされる。 この方式ほうしきは、あやまった内容ないよう復号ふくごうされるには、致命ちめいてきなほどの妨害ぼうがい必要ひつようであるため、すべてのPSKのなかもっと強力きょうりょくなものである。しかし、にあるように1シンボルあたり1ビットのみの変調へんちょう可能かのうであるため、帯域たいいきはば限定げんていされている場合ばあい高速こうそくのデータ転送てんそうには不適切ふてきせつである。


AWGN環境かんきょうにおけるBPSKの符号ふごうあやまりつ(BER)をしめすと以下いかのとおりになる:

1シンボルにつき1ビットだけなので、これはシンボルあやまりつ(SER)でもある。

通信つうしん伝送でんそうによってもたらされる任意にんい位相いそうシフトがある状態じょうたいで、復調ふくちょうはどの信号しんごうてんがどれかをつたえることができない。 そのため、データは変調へんちょうまえにしばしば特異とくいてき符号ふごうされる。

計算けいさん[編集へんしゅう]

バイナリデータは、以下いか信号しんごうでしばしば伝達でんたつされる:

バイナリ"0"をしめす。
バイナリ"1"をしめす。 搬送波はんそうは周波数しゅうはすう

したがって、信号しんごうスペース(signal space)はひとつの基底きてい関数かんすうによってあらわすことができる。

1はによって表現ひょうげんされ、0はによって表現ひょうげんされる。 このてはもちろん、任意にんいである。


よん位相いそうへんうつり変調へんちょう (QPSK)[編集へんしゅう]

QPSKの信号しんごう空間くうかんダイヤグラムとなりのシンボルと1ビットだけことなる。

quaternary または quadriphase PSK、 4-PSK、4-QAMともわれる[4]。 QPSKは信号しんごう空間くうかんダイヤグラムで4てん使用しようし、えんじょう配置はいちされる。 4段階だんかい位相いそうもちいて、QPSKは1シンボルにつき2ビットを符号ふごうすることができる。さらにグレイ符号ふごうもちいて符号ふごうあやまりつちいさくできる。 QPSKのビットあやまりつは、BPSKとおなじになる

しかしながら、BPSKとおなビットあやまりつ達成たっせいするためには、電力でんりょくを2ばい必要ひつようとする。(2ビットが同時どうじおくられるため) シンボルあやまりつつぎのようにあたえられる:

.

もし、信号しんごうたい雑音ざつおんたかい(実用じつようてきなQPSKシステムのために必要ひつようであるような)ならば、シンボルあやまりつつぎのように近似きんじされる:

どう(差分さぶん)位相いそうへんうつり変調へんちょう (DPSK)[編集へんしゅう]

どう符号ふごう[編集へんしゅう]

どう位相いそうへんうつり変調へんちょう(DPSK)は搬送波はんそうは位相いそう変更へんこうすることでデータを伝達でんたつする一般いっぱんてき形式けいしき位相いそう変調へんちょうである。BPSKとQPSKで説明せつめいしたように信号しんごう通過つうかする通信つうしんなんらかの効果こうかによりコンステレーションが回転かいてんすると位相いそう不明ふめいかくになる。この問題もんだいはデータを使用しようして位相いそうを「設定せってい」するのではなく「変更へんこう」することで解決かいけつすることができる。

たとえば、どう符号ふごうされたBPSKでは、現在げんざい位相いそうに180°をくわえることでバイナリ"1"を送信そうしんでき、0°をくわえることで"0"を送信そうしんできるSDPSK。DPSKの変形へんけい対称たいしょうどう位相いそうへんうつり変調へんちょう(SDPSK)であり、この場合ばあい、"1"の場合ばあいは+90°、"0"の場合ばあいは−90°である。

どう符号ふごうされたQPSK(DQPSK)では、位相いそうシフトは0°、90°、180°、−90°でありデータ"00"、"01"、"11"、"10"に対応たいおうする。このたね符号ふごうどうPSKと場合ばあいおな方法ほうほう復調ふくちょうできるが、位相いそうのあいまいさは無視むしできる。したがって、かく受信じゅしん符号ふごうはコンステレーションのMてんの1つに復調ふくちょうされ、コンパレータはこの受信じゅしん信号しんごうまえ信号しんごうとのあいだ位相いそう計算けいさんする。上記じょうきのようにデータを符号ふごうする。対称たいしょうどうよん位相いそうへんうつり変調へんちょう(SDQPSK)はDQPSKにているが、符号ふごう対称たいしょうてきであり、位相いそうシフトは−135°, −45°, +45°,+135°である。

上記じょうきのDBPSKとDQPSKの両方りょうほう変調へんちょう信号しんごう以下いかしめす。このでは「信号しんごうが0位相いそうはじまる」と仮定かていされており、両方りょうほう信号しんごう位相いそうシフトがある。

DBPSKとDQPSKのタイミング。バイナリデータストリームはDBPSK信号しんごううえにある。DBPSK信号しんごう個々ここのビットはペアにまとめられDQPSK信号しんごうとなり、Ts = 2Tbごとのみ変化へんかする。

解析かいせきにより、どう符号ふごう通常つうじょう-PSKと比較ひかくしてエラーりつやく2ばいになるが、これはすこやすだけで解決かいけつできる可能かのうせいがある。さらに、この解析かいせき(および以下いかのグラフ結果けっか)は改悪かいあく加算かさんせい白色はくしょくガウス雑音ざつおん(AWGN)のみであるシステムにもとづいている。しかし、通信つうしんシステムの送信そうしん受信じゅしんあいだ物理ぶつりチャネルもある。このチャネルは一般いっぱんてきにPSK信号しんごう未知みち位相いそうシフトを導入どうにゅうする。これらの場合ばあい微分びぶんスキームは正確せいかく位相いそう情報じょうほう依存いぞんする通常つうじょうのスキームよりも「すぐれた」エラーりつすことがある。

DPSKのもっと一般いっぱんてき応用おうようの1つは-DQPSKと8-DPSKが実装じっそうされたBluetooth規格きかくである。

復調ふくちょう[編集へんしゅう]

グレイ符号ふごうおよホワイトノイズ動作どうさしているときのDBPSK、DQPSKおよびそれらのnon-differential formsのBERの比較ひかく

差分さぶん符号ふごうされた信号しんごう場合ばあい復調ふくちょう明白めいはく代替だいたい方法ほうほうがある。通常つうじょうのように復調ふくちょうしキャリア位相いそうのあいまいさを無視むしするわりに、2つの連続れんぞくする受信じゅしん符号ふごうあいだ位相いそう比較ひかくされ、データがなにでなくてはならなかったのかを決定けっていするために使用しようされる。この方法ほうほう差分さぶん符号ふごう使用しようされる場合ばあい、このスキームはどう位相いそうへんうつり変調へんちょう(DPSK)とばれる。これは受信じゅしん受信じゅしん符号ふごうが1つずつコンステレーションてん復号ふくごうされるのではなく直接ちょくせつたがいに比較ひかくされるため、たんどう符号ふごうされたPSKと微妙びみょうことなることに注意ちゅうい

受信じゅしん符号ふごうをkばんのタイムスロットし、位相いそうにする。一般いっぱんせいうしなうことなく搬送波はんそうは位相いそうが0であると仮定かていする。加算かさんせい白色はくしょくガウス雑音ざつおん(AWGN)こうとしてしめすと、つぎしき

となる。(k-1)番目ばんめ符号ふごうとkばん符号ふごう決定けってい変数へんすう位相いそうである。つまり、投影とうえいされると、結果けっかとして複素数ふくそすう位相いそうられる。

うえきの*は複素ふくそ共役きょうやくあらわす。ノイズがない場合ばあい、この位相いそうであり、送信そうしんされたデータを決定けっていするために使用しようできる2つの受信じゅしん信号しんごうあいだ位相いそうシフトである。

DPSKのエラーのかくりつは、一般いっぱん計算けいさん困難こんなんであるがDBPSKの場合ばあいつぎのようになる。

[5]

数値すうち評価ひょうかすると、とくたか場合ばあいに、通常つうじょうのBPSKよりわずかにわるいだけである。

DPSKを使用しようすると、複雑ふくざつかもしれないキャリア回復かいふくスキームにより正確せいかく位相いそう推定すいていおこな必要ひつようがなくなり、通常つうじょうのPSKの魅力みりょくてき代替だいたい手段しゅだんとなる。

光通信ひかりつうしんでは、データをどう方式ほうしきレーザー位相いそう変調へんちょうできる。変調へんちょう連続れんぞく放出ほうしゅつするレーザーと、電気でんきバイナリデータを受信じゅしんするマッハ・ツェンダー干渉かんしょうけいである。BPSKの場合ばあい、レーザーはバイナリの'1'のフィールドを変更へんこうせずに送信そうしんし、'0'の極性きょくせいぎゃくにする。復調ふくちょうは1ビットを遅延ちえんさせる遅延ちえん干渉かんしょうけい英語えいごばん構成こうせいされているため、2ビットを同時どうじ比較ひかくできる。その処理しょりでは、フォトダイオード使用しようして光学こうがくじょう電流でんりゅう変換へんかんし、情報じょうほうもと状態じょうたいもどる。

みぎのグラフではDBPSKとDQPSKのビットあやまりつどうではないものと比較ひかくしている。DBPSKを使用しようすることによる損失そんしつはBPSKを使用しようする通信つうしんシステムでしばしば使用しようされる複雑ふくざつさの低減ていげん比較ひかくして十分じゅうぶんちいさい。ただしDQPSKの場合ばあい通常つうじょうのQPSKと比較ひかくして動作どうさ損失そんしつおおきく、システム設計せっけいしゃはこれと複雑ふくざつさの低減ていげんとのバランスをとる必要ひつようがある。

れい: どう符号ふごうBPSK[編集へんしゅう]

Differential encoding/decoding system diagram

kばんのタイムスロットで変調へんちょうされるビットどう符号ふごうビット結果けっかられる変調へんちょう信号しんごうす。コンステレーション符号ふごうを±1(BPSKでは)に配置はいちすると仮定かていする。どう符号ふごう以下いか生成せいせいする。

二進法にしんほうまたはモジュロ2加算かさんしめす。

BPSKとホワイトノイズで動作どうさするグレイコーディングを使用しようしたどう符号ふごうBPSKのBER比較ひかく

そのため、はバイナリ"1"である場合ばあい状態じょうたい変更へんこうするだけである(バイナリ"0"からバイナリ"1"に、またはバイナリ"1"からバイナリ"0"に)。それ以外いがい場合ばあい以前いぜん状態じょうたいのままである。これが上記じょうきどう符号ふごうBPSKの説明せつめいである。

受信じゅしん信号しんごう復調ふくちょうされ、生成せいせいされ、差分さぶん復号ふくごう符号ふごう手順てじゅんぎゃくにして

生成せいせいする(バイナリ減算げんざんはバイナリ加算かさんおなじであるため)。

したがって、ことなる場合ばあいであり、おな場合ばあいである。したがって、が「反転はんてん」していてもまさしく復号ふくごうされる。よって180°の位相いそうのあいまいさは問題もんだいにならない。

のPSK変調へんちょうどうスキームも同様どうよう方法ほうほう考案こうあんできる。DPSKの波形はけいは2つのスキームあいだ唯一ゆいいつ変更へんこう受信じゅしんおこなわれるため、上記じょうきあたえられたどう符号ふごうPSKの波形はけいおなじである。

このれいのBER曲線きょくせん右側みぎがわ通常つうじょうのBPSKと比較ひかくされる。うえべたように、エラーりつはおよそ2ばいになるが、これを解決かいけつするために必要ひつよう増加ぞうかりょうはわずかである。しかし、符号ふごうシステムのどう変調へんちょうるために必要ひつよう増加ぞうかおおきく、通常つうじょうやく3 dBである。動作どうさ低下ていかコヒーレント伝送でんそう結果けっかである。この場合ばあい位相いそう追跡ついせき完全かんぜん無視むしされていることをしめす。

脚注きゃくちゅう[編集へんしゅう]

  1. ^ a b IEEE Std 802.11-1999: Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications — the overarching IEEE 802.11 specification.
  2. ^ IEEE Std 802.11b-1999 (R2003) — the IEEE 802.11b specification.
  3. ^ IEEE Std 802.11g-2003 — the IEEE 802.11g specification.
  4. ^ 4-QAMとQPSKは概念がいねんことなるが、変調へんちょう構成こうせい結果けっかとしておなじとなる
  5. ^ G.L. Stüber, “Soft Decision Direct-Sequence DPSK Receivers,” IEEE Transactions on Vehicular Technology, vol. 37, no. 3, pp. 151–157, August 1988.

関連かんれん項目こうもく[編集へんしゅう]