天华中威科技微波小课堂_数字相位调制的BPSK、QPSK、DQPSK

数字相位调制是一种功能强大且广泛使用的无线传输数字数据的方法。

在之前，我们了解到可以利用载波振幅或频率的离散变化来表示1和0。那么，我们同样可以使用相位来表示数字数据，这种方法被称为相移键控（PSK）。

二进制相移键控

最简单的PSK类型被称为二进制相移键控（BPSK），其中“二进制”指的是使用两种相位偏移（一种用于逻辑高，一种用于逻辑低）。

我们可以直观地认识到，如果这两种相位之间的间隔更大，那么系统就会更加稳健——当然，对于相位偏移为90°的符号和相位偏移为91°的符号，接收器很难进行区分。我们只有360°的相位可供使用，因此逻辑高和逻辑低相位之间的最大差异为180°。但我们知道，正弦波移动180°等同于将其反转；因此，我们可以将BPSK视为简单地根据一种逻辑状态反转载波，而根据另一种逻辑状态则保持载波不变。

为了更进一步，我们知道将正弦波乘以-1等同于将其反转。这就为使用以下基本硬件配置实现BPSK提供了可能：

然而，这种方案很容易在载波波形中产生高斜率过渡：如果逻辑状态之间的转换发生在载波处于最大值时，那么载波电压必须迅速降至最小值。

这种高斜率事件是不利的，因为它们会产生高频能量，可能会干扰其他射频信号。此外，放大器在输出电压上产生高斜率变化的能力有限。

如果我们在上述实现中加入两个额外的特性，就可以确保符号之间的平滑过渡。首先，我们需要确保数字位周期等于一个或多个完整的载波周期。其次，我们需要将数字转换与载波波形同步。通过这些改进，我们可以设计系统，使得当载波信号处于（或非常接近）零交叉点时，发生180°的相位变化。

QPSK（四相相移键控）

到目前为止，BPSK（二进制相移键控）每个符号传输一个比特，这是我们所熟悉的。我们之前讨论的所有关于数字调制的内容都假设载波信号是根据数字电压是逻辑低还是逻辑高来修改的，接收器通过解释每个符号是0还是1来构造数字数据。

在讨论四相相移键控（QPSK）之前，我们需要引入以下重要概念：没有理由让一个符号只能传输一个比特。确实，数字电子世界是建立在电路之上的，其中电压处于极端状态之一，因此电压总是代表一个数字比特。但射频不是数字的；相反，我们正在使用模拟波形来传输数字数据，完全可以设计一种系统，其中模拟波形以允许一个符号表示两个（或更多）比特的方式进行编码和解释。

QPSK是一种调制方案，允许一个符号传输两个比特的数据。有四个可能的两位数字（00、01、10、11），因此我们需要四个相位偏移。同样，我们希望相位选项之间的间隔尽可能大，在这种情况下是90°。

优势与劣势

优势在于更高的数据速率：如果我们保持相同的符号周期，我们可以将数据从发射器传输到接收器的速率加倍。劣势在于系统复杂性。（您可能会认为，由于可能的相位值之间的间隔较小，QPSK比BPSK更容易出现比特错误。这是一个合理的假设，但如果您进行数学计算，就会发现错误概率实际上非常相似。）

变体

总体而言，QPSK是一种有效的调制方案，但还可以进一步改进。

相位跳变

标准QPSK会保证发生高斜率的符号间跳变；因为相位跳变可以是±90°，所以我们不能使用为BPSK调制产生的180°相位跳变所描述的方法。

这个问题可以通过使用两种QPSK变体之一来缓解。偏移QPSK通过在调制过程中使用的两个数字数据流之一中添加延迟，将最大相位跳变减小到90°。另一种选择是π/4-QPSK，它将最大相位跳变减小到135°。因此，偏移QPSK在减少相位不连续性方面更优，但π/4-QPSK的优势在于它与差分编码（在下一小节中讨论）兼容。

处理符号间不连续性的另一种方法是实现额外的信号处理，以在符号之间创建更平滑的过渡。这种方法被纳入称为最小频移键控（MSK）的调制方案中，而MSK的改进版本称为高斯MSK。

差分编码

另一个困难是，使用PSK波形进行解调比使用FSK波形更加困难。从某种意义上说，频率是“绝对的”，因为频率变化总是可以通过分析信号随时间的变化来解读。然而，相位是相对的，因为它没有通用的参考——发射器以某个时间点为参考生成相位变化，而接收器可能会以另一个时间点为参考来解读相位变化。

这种情况的实际表现如下：如果用于调制和解调的振荡器在相位（或频率）上存在差异，PSK就会变得不可靠。我们必须假设存在相位差异（除非接收器包含载波恢复电路）。

差分QPSK（DQPSK）是一种与非相干接收器兼容的变体（即，不与调制振荡器同步解调振荡器的接收器）。差分QPSK通过相对于前一个符号产生一定的相位偏移来编码数据。通过这种方式使用前一个符号的相位，解调电路可以使用接收器和发射器共有的参考来分析符号的相位。

总结

二进制相移键控（BPSK）是一种简单的调制方案，每个符号可以传输一个比特。

正交相移键控（QPSK）更为复杂，但能将数据速率加倍（或在相同数据速率下将带宽减半）。

偏移QPSK、π/4-QPSK和最小频移键控（MSK）是缓解高斜率符号间电压变化影响的调制方案。

差分QPSK（DQPSK）利用相邻符号之间的相位差，避免了发射器和接收器之间相位不同步所带来的问题。