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数字相位调制:BPSK, QPSK, DQPSK

第四章-无线电频率调制

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数字相位调制是一种用途广泛的无线传输数字数据的方法。

在上一页中,我们看到我们可以使用载波振幅或频率的离散变化作为一种表示1和0的方式。我们也可以用相位表示数字数据,这并不奇怪;这种技术称为相移键控(PSK)。

二元相移键控

最直接的PSK类型称为二进位相移键控(BPSK),其中“二进位”指的是使用两个相位偏移量(一个用于逻辑高,一个用于逻辑低)。

我们可以直观地认识到,如果这两个相位之间有更大的分离,系统将更健壮——当然接收器很难区分一个相位偏移为90°的符号和一个相位偏移为91°的符号。我们只有360°的阶段来工作,所以逻辑高和逻辑低阶段之间的最大差异是180°。但是我们知道将一个正弦曲线平移180°就等于将它反了;因此,我们可以把BPSK简单地看作响应一种逻辑状态的载波反转,而让它自己响应另一种逻辑状态。

更进一步,我们知道正弦函数乘以- 1就等于它的逆。这就导致了使用以下基本硬件配置实现BPSK的可能性:

但是,这种方案很容易导致载波波形的高坡过渡:如果在载波处于其最大值时发生逻辑状态之间的过渡,载波电压必须快速移动到最小电压。

像这样的高坡事件是不可取的,因为它们产生的高频能量可能会干扰其他射频信号。此外,放大器产生高斜率输出电压变化的能力有限。

如果我们用另外两个特性来完善上面的实现,我们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。第二,我们需要同步数字过渡与载波波形。有了这些改进,我们可以设计这样的系统,180°相位变化发生时,载波信号是在(或非常接近)过零。

正交相移编码

BPSK每一个符号传输一位,这是我们目前所习惯的。我们所讨论的关于数字调制的所有内容都假设载波信号是根据数字电压是高还是低进行修改的,接收机通过将每个符号解释为0或1来构建数字数据。

在我们讨论正交相移键控(QPSK)之前,我们需要介绍以下重要的概念:没有理由一个符号只能传输一个比特。这是真的,数字电子的世界是建立在电路,其中电压是在一个极端或另一个,这样电压总是代表一个数字位。但是射频不是数字的;相反,我们使用模拟波形转移数字数据,它是完全可以接受的设计系统,其中模拟波形的编码和解释方式,允许一个符号表示两个(或更多)位。

QPSK是一种调制方案,允许一个符号传输两位数据。有四个可能的二位数(00、01、10、11),因此我们需要四个相位偏移量。同样,我们想要相位选项之间最大的分离度,在这里是90度。

优点是更高的数据速率:如果我们保持相同的符号周期,我们可以将数据从发射机移动到接收机的速率提高一倍。缺点是系统的复杂性。(您可能认为QPSK比BPSK更容易出现比特错误,因为可能的相位值之间的间隔更小。这是一个合理的假设,但如果你通过数学计算,你会发现错误概率实际上非常相似。)

变体

QPSK总体上是一种有效的调制方案。但它是可以改进的。

阶段跳跃

标准QPSK保证会发生高斜率符号到符号的转换;由于相位跳变可以为±90°,我们不能使用描述的方法来处理BPSK调制产生的180°相位跳变。

可以使用两个QPSK变体之一来缓解此问题。偏移QPSK,这涉及将延迟添加到调制过程中使用的两个数字数据流之一,将最大相位跳至90°。另一种选择是π/ 4-QPSK,这将最大相位跳转至135°。因此,偏移QPSK相对于还原相位不连续性优异,但π/ 4-QPSK是有利的,因为它与差分编码兼容(在下一个子部分中讨论)。

处理符号到符号不连续性的另一种方法是实现额外的信号处理,该信号处理在符号之间创建更平滑的转换。该方法被纳入称为最小移位键控(MSK)的调制方案,并且还存在称为高斯MSK的MSK的改进。

微分编码

另一个困难是用PSK波形解调比用FSK波形更难。频率是“绝对的”,在这个意义上,频率的变化总是可以通过分析信号相对于时间的变化来解释。然而,相位是相对的,因为它没有通用的参考——发射端根据一个时间点产生相位变化,而接收端可能根据一个单独的时间点来解释相位变化。

这一现象的实际表现如下:如果用于调制和解调的振荡器的相位(或频率)存在差异,PSK就变得不可靠。我们必须假设会有相位差(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,解调振荡器与调制振荡器不同步的接收器)。差分QPSK通过产生一定的相移来编码数据相对于前面的符号。通过以这种方式使用上述符号的相位,解调电路使用接收机和发射机共同的参考来分析符号的相位。

概括

  • 二元相移键控是一种简单的调制方案,每个符号可以传输一个比特。
  • 正交相移键控更复杂,但数据速率翻倍(或以一半的带宽实现相同的数据速率)。
  • 偏置QPSK、π/4-QPSK和最小移位键控是缓解高斜率符号到符号电压变化影响的调制方案。
  • 差分QPSK利用相邻符号之间的相位差来避免发射器和接收器之间缺乏相位同步的问题。