在有线电子领域,模拟信号表现出连续变化,而数字信号(理想情况下)呈现两种离散状态之一。这种区别可以扩展到通过电磁辐射而不是通过电线传输电流传输数据的系统。
当用于模拟信号时,频率调制和幅度调制会导致载波的频率或幅度连续变化。当调制技术用于数字通信时,应用于载波的变化会根据传输的离散信息受到限制。
常见的数字调制类型示例包括 OOK (开/关键控)、ASK (幅度偏移键控) 和 FSK (频移键控)。这些方案使载波呈现两种可能状态之一,具体取决于系统必须发送二进制 1 还是二进制 0;每个离散载波状态称为一个符号。
1.正交相移键控 (QPSK) 是另一种调制技术,QPSK的调制原理基于将输入的二进制数据映射为四种不同的相位变化,每两个比特组合形成一个符号,然后这些符号通过调制载波相位进行传输。它是一种特别有趣的技术,因为它实际上每个符号传输两位。换句话说,QPSK 符号不代表 0 或 1,它代表 00、01、10 或 11。
这种每符号 2 位的性能是可能的,因为载波变化不限于两种状态。例如,在 ASK 中,载波幅度是幅度选项 A(表示 1)或幅度选项 B(表示 0)。在 QPSK 中,载波在相位方面变化,而不是频率方面变化,并且有四种可能的相移。
2.我们可以直观地确定这四种可能的相移应该是什么:首先,我们回想一下,调制只是通信过程的开始;接收器需要能够从调制信号中提取原始信息。接下来,在 4 个相位选项之间寻求最大间隔是有意义的,这样接收器区分一种状态和另一种状态的难度就会降低。我们有 360° 的相位和四种相位,因此分离应该是 360°/4 = 90°。所以我们的四个 QPSK 相移是 45°、135°、225° 和 315°。
(注意:上面显示的相移到数字数据的对应是一个合乎逻辑但武断的选择;只要发射器和接收器同意以相同的方式解释相移,就可以使用不同的对应方案。选择 45°、135°、225° 和 315° 还有另一个原因:它们很容易使用 I/Q 调制技术生成,因为将 I 和 Q 信号相加是反相的或非反相的,会产生这四个相移。下表应阐明这一点:
3.星座图是分析调制信号的常用工具,它将调制信号的相位和幅度表示在二维平面上。在QPSK星座图中,有四个点,每个点对应于一种相位状态(45°、135°、225°、315°),分别表示二进制数对00、01、10和11。星座图的每个点代表调制信号的一个状态,位于坐标轴的象限内。
4.QPSK因其在带宽效率和抗噪性能上的平衡,广泛应用于多种通信系统中。常见的应用包括:
卫星通信:QPSK用于卫星上行和下行链路的信号传输,由于其抗干扰能力强,适合在复杂的空间环境中使用。
无线通信(如LTE、5G):QPSK常被用于蜂窝网络的物理层调制,以支持高速数据传输。
Wi-Fi 和蓝牙:一些无线局域网标准和短距离无线通信协议也采用了QPSK调制技术。
5.扩展:QPSK的变种
π/4-QPSK:π/4-QPSK 是一种改进的QPSK方案,常用于移动通信系统。它通过引入相位变化来减少信号的急剧相位跳变,降低了对相位同步的要求。
8PSK:8PSK 是QPSK的扩展版本,使用八个相位而非四个相位来调制信号,能够传输更多数据,但对噪声的敏感度更高。
与每个符号传输一位的调制方案相比,QPSK 在带宽效率方面具有优势。例如,假设 BPSK (二进制相移键控) 系统中的模拟基带信号。BPSK 使用两个可能的相移而不是四个,因此每个符号只能传输一个位。基带信号具有一定的频率,在每个符号周期内,可以传输一个 bit。QPSK 系统可以使用相同频率的基带信号,但它在每个符号周期内传输两位。因此,它的带宽效率(理想情况下)高出两倍,能够在相对较小的带宽内实现高效的数据传输