正交相移鍵控(QPSK)調(diào)制原理詳解！快速掌握數(shù)字通信的核心技術(shù)！

在有線電子領(lǐng)域，模擬信號表現(xiàn)出連續(xù)變化，而數(shù)字信號（理想情況下）呈現(xiàn)兩種離散狀態(tài)之一。這種區(qū)別可以擴(kuò)展到通過電磁輻射而不是通過電線傳輸電流傳輸數(shù)據(jù)的系統(tǒng)。

當(dāng)用于模擬信號時，頻率調(diào)制和幅度調(diào)制會導(dǎo)致載波的頻率或幅度連續(xù)變化。當(dāng)調(diào)制技術(shù)用于數(shù)字通信時，應(yīng)用于載波的變化會根據(jù)傳輸?shù)碾x散信息受到限制。

常見的數(shù)字調(diào)制類型示例包括 OOK （開/關(guān)鍵控）、ASK （幅度偏移鍵控） 和 FSK （頻移鍵控）。這些方案使載波呈現(xiàn)兩種可能狀態(tài)之一，具體取決于系統(tǒng)必須發(fā)送二進(jìn)制 1 還是二進(jìn)制 0;每個離散載波狀態(tài)稱為一個符號。

1.正交相移鍵控 （QPSK） 是另一種調(diào)制技術(shù)，QPSK的調(diào)制原理基于將輸入的二進(jìn)制數(shù)據(jù)映射為四種不同的相位變化，每兩個比特組合形成一個符號，然后這些符號通過調(diào)制載波相位進(jìn)行傳輸。它是一種特別有趣的技術(shù)，因?yàn)樗鼘?shí)際上每個符號傳輸兩位。換句話說，QPSK 符號不代表 0 或 1，它代表 00、01、10 或 11。

這種每符號 2 位的性能是可能的，因?yàn)檩d波變化不限于兩種狀態(tài)。例如，在 ASK 中，載波幅度是幅度選項 A（表示 1）或幅度選項 B（表示 0）。在 QPSK 中，載波在相位方面變化，而不是頻率方面變化，并且有四種可能的相移。

2.我們可以直觀地確定這四種可能的相移應(yīng)該是什么：首先，我們回想一下，調(diào)制只是通信過程的開始;接收器需要能夠從調(diào)制信號中提取原始信息。接下來，在 4 個相位選項之間尋求最大間隔是有意義的，這樣接收器區(qū)分一種狀態(tài)和另一種狀態(tài)的難度就會降低。我們有 360° 的相位和四種相位，因此分離應(yīng)該是 360°/4 = 90°。所以我們的四個 QPSK 相移是 45°、135°、225° 和 315°。

（注意：上面顯示的相移到數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的對應(yīng)是一個合乎邏輯但武斷的選擇;只要發(fā)射器和接收器同意以相同的方式解釋相移，就可以使用不同的對應(yīng)方案。選擇 45°、135°、225° 和 315° 還有另一個原因：它們很容易使用 I/Q 調(diào)制技術(shù)生成，因?yàn)閷?I 和 Q 信號相加是反相的或非反相的，會產(chǎn)生這四個相移。下表應(yīng)闡明這一點(diǎn)：

3.星座圖是分析調(diào)制信號的常用工具，它將調(diào)制信號的相位和幅度表示在二維平面上。在QPSK星座圖中，有四個點(diǎn)，每個點(diǎn)對應(yīng)于一種相位狀態(tài)（45°、135°、225°、315°），分別表示二進(jìn)制數(shù)對00、01、10和11。星座圖的每個點(diǎn)代表調(diào)制信號的一個狀態(tài)，位于坐標(biāo)軸的象限內(nèi)。

4.QPSK因其在帶寬效率和抗噪性能上的平衡，廣泛應(yīng)用于多種通信系統(tǒng)中。常見的應(yīng)用包括：

衛(wèi)星通信：QPSK用于衛(wèi)星上行和下行鏈路的信號傳輸，由于其抗干擾能力強(qiáng)，適合在復(fù)雜的空間環(huán)境中使用。

無線通信（如LTE、5G）：QPSK常被用于蜂窩網(wǎng)絡(luò)的物理層調(diào)制，以支持高速數(shù)據(jù)傳輸。

Wi-Fi 和藍(lán)牙：一些無線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)和短距離無線通信協(xié)議也采用了QPSK調(diào)制技術(shù)。

5.擴(kuò)展：QPSK的變種

π/4-QPSK：π/4-QPSK 是一種改進(jìn)的QPSK方案，常用于移動通信系統(tǒng)。它通過引入相位變化來減少信號的急劇相位跳變，降低了對相位同步的要求。

8PSK：8PSK 是QPSK的擴(kuò)展版本，使用八個相位而非四個相位來調(diào)制信號，能夠傳輸更多數(shù)據(jù)，但對噪聲的敏感度更高。

與每個符號傳輸一位的調(diào)制方案相比，QPSK 在帶寬效率方面具有優(yōu)勢。例如，假設(shè) BPSK （二進(jìn)制相移鍵控） 系統(tǒng)中的模擬基帶信號。BPSK 使用兩個可能的相移而不是四個，因此每個符號只能傳輸一個位。基帶信號具有一定的頻率，在每個符號周期內(nèi)，可以傳輸一個 bit。QPSK 系統(tǒng)可以使用相同頻率的基帶信號，但它在每個符號周期內(nèi)傳輸兩位。因此，它的帶寬效率（理想情況下）高出兩倍，能夠在相對較小的帶寬內(nèi)實(shí)現(xiàn)高效的數(shù)據(jù)傳輸