QUADRATURE PHASE SHIFT KEYING (QPSK)

Dalam evolusi teknik modulasi digital, kebutuhan untuk mengirimkan lebih banyak data dalam jumlah bandwidth yang terbatas menjadi sangat mendesak. Sementara Binary Phase Shift Keying (BPSK) menawarkan ketahanan noise yang luar biasa dengan memvariasikan dua fase, ia hanya mampu mengirimkan satu bit per simbol. Untuk melampaui batasan ini dan meningkatkan efisiensi spektrum, lahirlah Quadrature Phase Shift Keying (QPSK). QPSK adalah bentuk modulasi fase yang lebih canggih, yang mampu mengirimkan dua bit per simbol dengan memanfaatkan empat pergeseran fase berbeda dari gelombang pembawa. Kemampuannya ini menjadikannya salah satu skema modulasi digital yang paling banyak digunakan di berbagai sistem komunikasi modern, dari Wi-Fi hingga komunikasi satelit.

Memahami Konsep Dasar QPSK

Istilah “Quadrature” dalam QPSK merujuk pada penggunaan dua gelombang pembawa yang saling ortogonal (berbeda fase 90 derajat atau π/2 radian). Kedua gelombang ini secara efektif digunakan untuk membawa informasi secara independen. Dengan memvariasikan fase dari gelombang pembawa tunggal ke salah satu dari empat kemungkinan posisi, QPSK mampu mengodekan dua bit sekaligus.

Setiap kombinasi dua bit (disebut dibit atau simbol) dipetakan ke salah satu dari empat fase unik yang tersedia:

• 00 → Fase 45∘
• 01 → Fase 135∘
• 10 → Fase 225∘ (atau −135∘)
• 11 → Fase 315∘ (atau −45∘)

(Catatan: Pemetaan bit ke fase dapat bervariasi tergantung pada konvensi Gray coding yang digunakan, tetapi prinsipnya sama: empat fase yang terpisah 90∘ satu sama lain.)

Amplitudo dan frekuensi gelombang pembawa tetap konstan, sama seperti pada BPSK. Keunggulan utama QPSK dibandingkan BPSK adalah efisiensi spektrumnya yang dua kali lipat. Artinya, untuk bandwidth yang sama, QPSK dapat mengirimkan data dua kali lebih cepat daripada BPSK. Atau, untuk laju data yang sama, QPSK hanya membutuhkan setengah bandwidth BPSK.

Prinsip Kerja QPSK secara Matematis

Untuk memahami bagaimana QPSK mencapai ini, kita bisa melihatnya sebagai kombinasi dari dua sinyal BPSK yang ortogonal. Ini sering disebut sebagai pendekatan “Quadrature” atau “I/Q” (In-phase/Quadrature).

Misalkan kita memiliki gelombang pembawa sinus dasar: Ac​cos(2πfc​t).

Sinyal data biner input b(t) dengan laju bit Rb​. Di QPSK, sinyal ini dibagi menjadi dua aliran data paralel yang masing-masing memiliki laju Rb​/2:

• Aliran data In-phase (I): bI​(t)
• Aliran data Quadrature (Q): bQ​(t)

Setiap aliran bI​(t) dan bQ​(t) adalah sinyal bipolar (misalnya, +1 atau −1) dengan durasi simbol dua kali lipat dari durasi bit asli.

Gelombang pembawa dibagi menjadi dua komponen ortogonal:

• Komponen In-phase: cos(2πfc​t)
• Komponen Quadrature: sin(2πfc​t) (atau cos(2πfc​t−π/2))

Sinyal QPSK yang termodulasi, s(t), adalah jumlah dari dua komponen ini:

s(t)=AI​bI​(t)cos(2πfc​t)−AQ​bQ​(t)sin(2πfc​t)

Di mana AI​ dan AQ​ adalah amplitudo komponen I dan Q. Dalam QPSK standar, AI​=AQ​=A (amplitudo konstan), sehingga:

s(t)=A[bI​(t)cos(2πfc​t)−bQ​(t)sin(2πfc​t)]

Perhatikan tanda minus sebelum bQ​(t)sin(2πfc​t). Ini memastikan bahwa pergeseran fase yang dihasilkan adalah 45∘, 135∘, 225∘, dan 315∘.

Diagram Konstelasi (Constellation Diagram)

Salah satu cara terbaik untuk memvisualisasikan skema modulasi fase seperti QPSK adalah dengan menggunakan diagram konstelasi. Diagram ini memplot kemungkinan simbol yang dikirim sebagai titik-titik dalam ruang kompleks (I/Q plane).

Untuk BPSK, diagram konstelasi hanya memiliki dua titik pada sumbu I (real) (misalnya, pada +1 dan -1). Untuk QPSK, diagram konstelasi memiliki empat titik yang terletak pada sebuah lingkaran dengan radius yang sama (menunjukkan amplitudo konstan), dan terpisah 90∘ satu sama lain. Setiap titik mewakili kombinasi I dan Q yang sesuai dengan salah satu dari empat fase dan dua bit.

Diagram konstelasi sangat berguna untuk memahami bagaimana noise memengaruhi kinerja modulasi. Noise akan menggeser titik yang diterima dari posisi idealnya. Semakin jauh titik-titik konstelasi terpisah (untuk amplitudo yang sama), semakin besar ketahanan terhadap noise.

Spektrum Sinyal QPSK dan Bandwidth

Mirip dengan BPSK, spektrum sinyal QPSK memiliki pita sisi (sidebands) di sekitar frekuensi pembawa fc​. Karena QPSK mengirimkan 2 bit per simbol, laju simbol (Rs​) adalah setengah dari laju bit (Rb​): Rs​=Rb​/2.

Lebar pita minimum yang dibutuhkan oleh QPSK adalah dua kali laju simbol:

BWQPSK​≈2⋅Rs​=2⋅(Rb​/2)=Rb​

Bandwidth ini secara teoritis hanya setengah dari bandwidth yang dibutuhkan BPSK untuk laju bit Rb​ yang sama (BWBPSK​≈2Rb​). Inilah yang membuat QPSK dua kali lebih efisien secara spektral daripada BPSK.

Pemancar QPSK (QPSK Transmitter)

Pemancar QPSK sedikit lebih kompleks daripada BPSK karena memerlukan pemisahan aliran data dan dua jalur modulasi ortogonal:

1. Sumber Data Biner: Menghasilkan urutan bit yang akan ditransmisikan.
2. Serial-to-Parallel Converter: Mengambil aliran bit serial input dan membaginya menjadi dua aliran paralel:
   • Aliran bit genap (bI​(t))
   • Aliran bit ganjil (bQ​(t)) Setiap aliran ini memiliki laju simbol Rs​=Rb​/2.
3. Konverter Unipolar ke Bipolar: Kedua aliran paralel (bI​(t) dan bQ​(t)) diubah menjadi sinyal bipolar (misalnya, +1 atau −1).
4. Osilator Gelombang Pembawa (Carrier Oscillator): Menghasilkan gelombang sinus murni pada frekuensi fc​.
5. Pembagi Fase 90∘ (90-degree Phase Shifter): Memisahkan gelombang pembawa menjadi dua komponen yang ortogonal: cos(2πfc​t) (untuk jalur I) dan sin(2πfc​t) (untuk jalur Q).
6. Pengganda (Multipliers): Dua pengganda digunakan:
   • Satu pengganda mengalikan bI​(t) dengan komponen pembawa In-phase.
   • Pengganda lain mengalikan bQ​(t) dengan komponen pembawa Quadrature.
7. Penjumlah (Summer): Kedua sinyal termodulasi dari pengganda (dengan salah satu jalur biasanya dibalik polaritasnya, seperti pada persamaan sebelumnya A[bI​(t)cos(2πfc​t)−bQ​(t)sin(2πfc​t)]) dijumlahkan untuk menghasilkan sinyal QPSK akhir.
8. Penguat Daya (Power Amplifier): Menguatkan sinyal QPSK ke level transmisi yang sesuai. Karena amplitudo QPSK konstan (idealnya), penguat daya non-linier dapat digunakan untuk efisiensi yang lebih tinggi.
9. Antena: Memancarkan sinyal.

Penerima QPSK (QPSK Receiver) dan Demodulasi

Demodulasi QPSK adalah proses yang kompleks dan membutuhkan deteksi koheren (coherent detection) untuk kinerja optimal. Ini berarti penerima harus meregenerasi gelombang pembawa lokal yang disinkronkan secara frekuensi dan fase dengan gelombang pembawa pemancar.

1. Antena dan Penguat RF/IF: Menerima sinyal QPSK, menguatkannya, dan mengubahnya ke frekuensi IF (jika menggunakan arsitektur superheterodyne).
2. Pemulihan Pembawa (Carrier Recovery Unit): Ini adalah bagian paling kritis. Sama seperti BPSK, unit ini harus mengekstrak informasi frekuensi dan fase dari sinyal QPSK yang masuk untuk meregenerasi dua gelombang pembawa lokal yang ortogonal (In-phase dan Quadrature) yang sangat akurat. Algoritma seperti Costas loop atau quadrature loop sering digunakan.
3. Pengganda (Multipliers): Sinyal QPSK yang diterima dikalikan dengan kedua gelombang pembawa lokal yang diregenerasi:
   • Satu pengganda untuk jalur In-phase.
   • Satu pengganda untuk jalur Quadrature.
4. Filter Low-Pass: Output dari setiap pengganda dilewatkan melalui filter low-pass untuk menghilangkan komponen frekuensi tinggi dan mendapatkan kembali sinyal data bipolar (bI​(t) dan bQ​(t)).
5. Sirkuit Pemulihan Clock (Clock Recovery Unit): Mengekstrak informasi timing dari sinyal untuk menyinkronkan pengambilan sampel.
6. Decision Device (Komparator / Threshold Detector): Masing-masing sinyal bI​(t) dan bQ​(t) dibandingkan dengan threshold (biasanya 0V) untuk merekonstruksi bit ‘0’ atau ‘1’.
7. Parallel-to-Serial Converter: Kedua aliran bit paralel (bI​(t) dan bQ​(t)) digabungkan kembali menjadi satu aliran data biner serial asli.

Kelebihan QPSK

1. Efisiensi Spektrum Tinggi: Ini adalah keunggulan utama QPSK. Mampu mengirimkan 2 bit per simbol, artinya QPSK dua kali lebih efisien secara spektral daripada BPSK. Ini memungkinkan transmisi data yang lebih cepat untuk bandwidth yang sama.
2. Ketahanan Terhadap Noise yang Baik: Karena amplitudo sinyal QPSK konstan (idealnya), ia tetap tahan terhadap noise amplitudo, mirip dengan BPSK. Titik-titik konstelasi terpisah cukup jauh sehingga noise relatif kecil tidak akan menyebabkan kesalahan deteksi.
3. Efisiensi Daya Tinggi: Amplitudo gelombang pembawa yang konstan memungkinkan penggunaan penguat daya non-linier yang lebih efisien di pemancar.
4. Relatif Robust: QPSK adalah kompromi yang baik antara efisiensi spektrum dan ketahanan terhadap noise.

Kekurangan QPSK

1. Kompleksitas Penerima: Deteksi koheren memerlukan sirkuit pemulihan pembawa yang kompleks dan akurat. Ini adalah tantangan desain yang signifikan.
2. Lebih Rentan Terhadap Noise daripada BPSK: Meskipun tahan noise yang baik, karena ada lebih banyak titik konstelasi (empat dibandingkan dua), jarak antara titik-titik tersebut lebih kecil dibandingkan BPSK. Ini berarti QPSK memerlukan SNR yang sedikit lebih tinggi daripada BPSK untuk mencapai tingkat kesalahan bit (BER) yang sama.
3. Fluktuasi Amplitudo (untuk QPSK Non-Konstan Envelope): QPSK standar memiliki envelope yang konstan. Namun, varian QPSK tertentu atau implementasi yang buruk dapat menyebabkan fluktuasi amplitudo saat terjadi transisi fase. Fluktuasi ini (terutama saat transisi 180∘) dapat menyebabkan masalah ketika melalui penguat daya non-linier, menghasilkan spectral regrowth (penyebaran sinyal ke sideband yang tidak diinginkan). Masalah ini diatasi dengan varian seperti Offset QPSK (OQPSK) atau π/4-QPSK.
   • OQPSK: Menunda aliran data Q sebesar setengah durasi simbol. Ini memastikan bahwa transisi 180∘ tidak pernah terjadi secara bersamaan pada jalur I dan Q, sehingga meminimalkan fluktuasi amplitudo.
   • π/4-QPSK: Menggeser konstelasi sebesar 45∘ pada setiap simbol, mencegah transisi 180∘ dan mengurangi fluktuasi amplitudo.

Aplikasi Quadrature Phase Shift Keying

Karena kombinasi yang seimbang antara efisiensi spektrum, ketahanan noise, dan kompleksitas yang wajar, QPSK telah menjadi skema modulasi yang sangat populer dan banyak digunakan di berbagai sistem komunikasi digital:

• Komunikasi Seluler: Banyak digunakan dalam standar seluler seperti 3G (UMTS), 4G (LTE), dan 5G (NR), terutama untuk uplink (dari perangkat ke menara) dan downlink di mana kondisi sinyal mungkin tidak ideal.
• Wi-Fi (Wireless LANs): Standar IEEE 802.11 (Wi-Fi) menggunakan QPSK untuk laju data menengah.
• Komunikasi Satelit: Digunakan secara luas untuk uplink dan downlink satelit karena kemampuannya mengirimkan data secara efisien melalui saluran yang rawan noise.
• TV Digital: Standar penyiaran televisi digital (misalnya, DVB-T, ATSC) menggunakan QPSK (dan varian seperti 8-PSK dan QAM) untuk transmisi video dan audio.
• Sistem Komunikasi Nirkabel Lainnya: Banyak aplikasi nirkabel lain, seperti radio mikro gelombang, sistem komunikasi titik-ke-titik, dan broadband wireless access.
• Modem Kabel dan DSL: Dalam beberapa kasus, QPSK digunakan untuk laju data yang lebih rendah atau sebagai bagian dari skema modulasi yang lebih kompleks.

QPSK sebagai Gerbang ke Modulasi Multi-level yang Lebih Tinggi

QPSK adalah langkah evolusi yang penting dari BPSK dan juga berfungsi sebagai fondasi untuk teknik modulasi digital yang lebih canggih, terutama M-ary Phase Shift Keying (M-PSK) dan Quadrature Amplitude Modulation (QAM).

• M-PSK: Jika QPSK menggunakan 4 fase untuk 2 bit/simbol, 8-PSK menggunakan 8 fase untuk 3 bit/simbol, 16-PSK menggunakan 16 fase untuk 4 bit/simbol, dan seterusnya. Semakin banyak fase, semakin efisien spektrumnya, tetapi semakin rentan terhadap noise.
• QAM: QAM adalah kombinasi dari ASK dan PSK. Ini memvariasikan baik amplitudo maupun fase untuk mengkodekan bahkan lebih banyak bit per simbol. Misalnya, 16-QAM mengkodekan 4 bit per simbol dengan menggunakan 16 titik konstelasi yang bervariasi dalam amplitudo dan fase. QAM mencapai efisiensi spektrum yang sangat tinggi tetapi juga memerlukan SNR yang lebih tinggi dan lebih rentan terhadap noise amplitudo.

QPSK menawarkan keseimbangan optimal antara ketahanan noise dan efisiensi spektrum untuk banyak aplikasi praktis.

— BPSK —

Kesimpulan

Quadrature Phase Shift Keying (QPSK) adalah teknik modulasi digital yang sangat penting yang mengodekan dua bit data per simbol dengan memvariasikan fase gelombang pembawa ke salah satu dari empat posisi ortogonal. Dengan secara efektif menggunakan dua saluran BPSK secara paralel (I dan Q), QPSK mampu menggandakan efisiensi spektrum BPSK, memungkinkan transmisi data yang lebih cepat dalam bandwidth yang sama.

Meskipun memerlukan penerima koheren yang lebih kompleks untuk pemulihan pembawa dan sedikit lebih rentan terhadap noise dibandingkan BPSK, keunggulan QPSK dalam efisiensi spektrum menjadikannya pilihan yang dominan dalam berbagai sistem komunikasi modern. Dari jaringan seluler hingga komunikasi satelit dan Wi-Fi, QPSK adalah pilar yang memungkinkan sebagian besar konektivitas digital berkecepatan tinggi yang kita nikmati saat ini, dan berfungsi sebagai jembatan penting menuju teknik modulasi yang lebih kompleks seperti QAM.

Referensi : https://www.sciencedirect.com/topics/computer-science/quadrature-phase-shift-keying&hl=id&sl=en&tl=id&client=srp