前回の記事「 線形および回転エンコード方式」では、エンコーダの直交信号について説明しました。興味深くて便利ですが、ここでの直交位相 (互いに90度に配置された2つの方形波信号) は、生成される直交パターンによってディスクまたはリニア スライダーの位置を示すだけです。しかし、この概念を逆転させて、信号生成のために互いに90度位相がずれた2つの繰り返し信号を生成するとしたらどうなるでしょうか?
QPSK変調とは何ですか?
この種の配置は、 RFおよびデータ伝送アプリケーションにおいて非常に強力です。これにより、信号の位相変調 (PM) が可能になり、搬送波の位相が動的にシフトされて情報が伝達されます。直交位相シフトキーイング（QPSK）では、2つの入力搬送波I（同相波）とQ（直交波）がバイナリ信号として +1と -1の間で切り替えられます。この入力を組み合わせると、4つの異なる位相シフトの可能性が生じます。
同位相直交: QPSK波形の説明
下のスケッチに示すように、互いに90度の角度にある2つの波を考えます。
同相成分I はシフトされていない搬送波と同相の余弦波ですが、 直交成分Q はI波に対して90º シフトされた正弦波です。これはシフトされていない正弦波として定義することもでき、これは当然、余弦波Iと直交します。実線は、バイナリ1に対して各入力波に +1を乗じたものを表し、破線は、バイナリ0に対して各波に -1を乗じたものを表します。
下のスケッチは、I成分とQ成分がそれぞれ1倍になっていることを示しています。一方、赤い線は両方の信号を加算した合計を表しています。それぞれの振幅が同じであれば、この合計出力搬送波は両方の入力波の中央に45度シフトされます。
最初のスケッチをもう一度考えてみましょう。各波に +1または -1を入力するだけで、各アクティブ信号の中間点である45º、135º、225º、または315º の合計搬送波を生成できます。たとえば、以下のスケッチは、Iコンポーネントが1、Qコンポーネントが0の場合に何が起こるかを示しており、この入力をミラーリングするために -1が乗算されます。したがって、新しいキャリア出力は315度シフトされ、サイクルが最初からやり直して、270度と360度/0度の中間になります。
QPSK星座図とQPSKボーレート
4つの異なる信号の可能性は、バイナリ信号を送信するときに1ビットと同じ時間内に2ビットを送信できることを意味します。言い換えると、シグナリング イベントごとに2ビットのデータ レートは、 ボー レートの2倍になりますが、この違いが混同されることがあります。
特定の瞬間における位相シフトと振幅をプロットすると、以下に示すようにQPSKコンステレーション ダイアグラムを生成できます。4つの赤い点はそれぞれ、特定の信号状態、つまり位相シフトを表します。4つの小さな円は、信号がノイズによってある程度変化した場合でも、受信側で正しい意味を復調できるという事実を表しています。
この表現では、シフトされた出力は、単にIのコサイン関数とQのサイン関数を加算し、+1または -1を乗算したものであることが簡単にわかります。Qコンポーネントがまったく存在せず、+1と -1の間で変化した場合、信号は同位相から180度の位相差に切り替わります。このより単純なQPSK変調シナリオは、バイナリ位相シフトキーイング (BPSK) に使用できます。
RF信号リピーター: 位相シフトと信号あたり2ビットを超えるもの?
これまで、+1と -1を生成するバイナリ信号のコンテキストで直交について説明してきましたが、IとQの振幅はその間のどこにでも存在できます。これは、信号ごとに2ビットを送信できるだけでなく、4つ以上の状態で位相シフトと総振幅を変化させることによって、実際にははるかに多くのデータを送信できることを意味します。QAM (直交振幅変調) は、この種のデータ エンコーディングを表す用語の1つであり、さまざまなバリエーションがあります。ここでの注意点は、信号ごとに送信されるビット数が増えると、通常はエラー許容度が低下するため、選択した方法に対して信号対雑音比が十分に良好でなければならないということです。
この記事では、直交信号エンコーディングの概念について簡単に紹介しますが、これは非常に広範囲にわたるテーマであり、本当に理解するにはかなりの研究が必要です。しかし、その応用範囲は広いので、調査する価値は十分にあると言えるでしょう。数え切れないほどの トランジスタ コンピューター、携帯電話、そしておそらくトースターにまで電力を供給するこの技術は、今日の私たちのつながりのある世界を動かす目に見えない技術の1つです。
