數(shù)字相位調(diào)制是一種功能強(qiáng)大且廣泛使用的無線傳輸數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的方法。

在之前，我們了解到可以利用載波振幅或頻率的離散變化來表示1和0。那么，我們同樣可以使用相位來表示數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，這種方法被稱為相移鍵控（PSK）。

二進(jìn)制相移鍵控

最簡單的PSK類型被稱為二進(jìn)制相移鍵控（BPSK），其中“二進(jìn)制”指的是使用兩種相位偏移（一種用于邏輯高，一種用于邏輯低）。

我們可以直觀地認(rèn)識(shí)到，如果這兩種相位之間的間隔更大，那么系統(tǒng)就會(huì)更加穩(wěn)健——當(dāng)然，對于相位偏移為90°的符號(hào)和相位偏移為91°的符號(hào)，接收器很難進(jìn)行區(qū)分。我們只有360°的相位可供使用，因此邏輯高和邏輯低相位之間的最大差異為180°。但我們知道，正弦波移動(dòng)180°等同于將其反轉(zhuǎn)；因此，我們可以將BPSK視為簡單地根據(jù)一種邏輯狀態(tài)反轉(zhuǎn)載波，而根據(jù)另一種邏輯狀態(tài)則保持載波不變。

為了更進(jìn)一步，我們知道將正弦波乘以-1等同于將其反轉(zhuǎn)。這就為使用以下基本硬件配置實(shí)現(xiàn)BPSK提供了可能：

然而，這種方案很容易在載波波形中產(chǎn)生高斜率過渡：如果邏輯狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換發(fā)生在載波處于最大值時(shí)，那么載波電壓必須迅速降至最小值。

這種高斜率事件是不利的，因?yàn)樗鼈儠?huì)產(chǎn)生高頻能量，可能會(huì)干擾其他射頻信號(hào)。此外，放大器在輸出電壓上產(chǎn)生高斜率變化的能力有限。

如果我們在上述實(shí)現(xiàn)中加入兩個(gè)額外的特性，就可以確保符號(hào)之間的平滑過渡。首先，我們需要確保數(shù)字位周期等于一個(gè)或多個(gè)完整的載波周期。其次，我們需要將數(shù)字轉(zhuǎn)換與載波波形同步。通過這些改進(jìn)，我們可以設(shè)計(jì)系統(tǒng)，使得當(dāng)載波信號(hào)處于（或非常接近）零交叉點(diǎn)時(shí)，發(fā)生180°的相位變化。

QPSK（四相相移鍵控）

到目前為止，BPSK（二進(jìn)制相移鍵控）每個(gè)符號(hào)傳輸一個(gè)比特，這是我們所熟悉的。我們之前討論的所有關(guān)于數(shù)字調(diào)制的內(nèi)容都假設(shè)載波信號(hào)是根據(jù)數(shù)字電壓是邏輯低還是邏輯高來修改的，接收器通過解釋每個(gè)符號(hào)是0還是1來構(gòu)造數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。

在討論四相相移鍵控（QPSK）之前，我們需要引入以下重要概念：沒有理由讓一個(gè)符號(hào)只能傳輸一個(gè)比特。確實(shí)，數(shù)字電子世界是建立在電路之上的，其中電壓處于極端狀態(tài)之一，因此電壓總是代表一個(gè)數(shù)字比特。但射頻不是數(shù)字的；相反，我們正在使用模擬波形來傳輸數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，完全可以設(shè)計(jì)一種系統(tǒng)，其中模擬波形以允許一個(gè)符號(hào)表示兩個(gè)（或更多）比特的方式進(jìn)行編碼和解釋。

QPSK是一種調(diào)制方案，允許一個(gè)符號(hào)傳輸兩個(gè)比特的數(shù)據(jù)。有四個(gè)可能的兩位數(shù)字（00、01、10、11），因此我們需要四個(gè)相位偏移。同樣，我們希望相位選項(xiàng)之間的間隔盡可能大，在這種情況下是90°。

優(yōu)勢與劣勢

優(yōu)勢在于更高的數(shù)據(jù)速率：如果我們保持相同的符號(hào)周期，我們可以將數(shù)據(jù)從發(fā)射器傳輸?shù)浇邮掌鞯乃俾始颖?。劣勢在于系統(tǒng)復(fù)雜性。（您可能會(huì)認(rèn)為，由于可能的相位值之間的間隔較小，QPSK比BPSK更容易出現(xiàn)比特錯(cuò)誤。這是一個(gè)合理的假設(shè)，但如果您進(jìn)行數(shù)學(xué)計(jì)算，就會(huì)發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤概率實(shí)際上非常相似。）

變體

總體而言，QPSK是一種有效的調(diào)制方案，但還可以進(jìn)一步改進(jìn)。

相位跳變

標(biāo)準(zhǔn)QPSK會(huì)保證發(fā)生高斜率的符號(hào)間跳變；因?yàn)橄辔惶兛梢允恰?0°，所以我們不能使用為BPSK調(diào)制產(chǎn)生的180°相位跳變所描述的方法。

這個(gè)問題可以通過使用兩種QPSK變體之一來緩解。偏移QPSK通過在調(diào)制過程中使用的兩個(gè)數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)流之一中添加延遲，將最大相位跳變減小到90°。另一種選擇是π/4-QPSK，它將最大相位跳變減小到135°。因此，偏移QPSK在減少相位不連續(xù)性方面更優(yōu)，但π/4-QPSK的優(yōu)勢在于它與差分編碼（在下一小節(jié)中討論）兼容。

處理符號(hào)間不連續(xù)性的另一種方法是實(shí)現(xiàn)額外的信號(hào)處理，以在符號(hào)之間創(chuàng)建更平滑的過渡。這種方法被納入稱為最小頻移鍵控（MSK）的調(diào)制方案中，而MSK的改進(jìn)版本稱為高斯MSK。

差分編碼

另一個(gè)困難是，使用PSK波形進(jìn)行解調(diào)比使用FSK波形更加困難。從某種意義上說，頻率是“絕對的”，因?yàn)轭l率變化總是可以通過分析信號(hào)隨時(shí)間的變化來解讀。然而，相位是相對的，因?yàn)樗鼪]有通用的參考——發(fā)射器以某個(gè)時(shí)間點(diǎn)為參考生成相位變化，而接收器可能會(huì)以另一個(gè)時(shí)間點(diǎn)為參考來解讀相位變化。

這種情況的實(shí)際表現(xiàn)如下：如果用于調(diào)制和解調(diào)的振蕩器在相位（或頻率）上存在差異，PSK就會(huì)變得不可靠。我們必須假設(shè)存在相位差異（除非接收器包含載波恢復(fù)電路）。

差分QPSK（DQPSK）是一種與非相干接收器兼容的變體（即，不與調(diào)制振蕩器同步解調(diào)振蕩器的接收器）。差分QPSK通過相對于前一個(gè)符號(hào)產(chǎn)生一定的相位偏移來編碼數(shù)據(jù)。通過這種方式使用前一個(gè)符號(hào)的相位，解調(diào)電路可以使用接收器和發(fā)射器共有的參考來分析符號(hào)的相位。

總結(jié)

二進(jìn)制相移鍵控（BPSK）是一種簡單的調(diào)制方案，每個(gè)符號(hào)可以傳輸一個(gè)比特。

正交相移鍵控（QPSK）更為復(fù)雜，但能將數(shù)據(jù)速率加倍（或在相同數(shù)據(jù)速率下將帶寬減半）。

偏移QPSK、π/4-QPSK和最小頻移鍵控（MSK）是緩解高斜率符號(hào)間電壓變化影響的調(diào)制方案。

差分QPSK（DQPSK）利用相鄰符號(hào)之間的相位差，避免了發(fā)射器和接收器之間相位不同步所帶來的問題。