QPSK調制揭秘

自電子學早期以來，隨著技術的進步，本地和全球通信的界限開始受到侵蝕，導致世界更小，因此更容易分享知識和信息。貝爾和馬可尼的開創(chuàng)性工作構成了當今信息時代的基石，并為電信的未來鋪平了道路。

傳統(tǒng)上，本地通信是通過有線進行的，因為這提供了一種確?？煽啃畔鬏數慕洕行У姆椒āＨ欢?，對于遠距離通信，需要通過無線電波傳輸信息。雖然從硬件的角度來看這很方便，但無線電波傳輸引起了人們對信息損壞的懷疑;傳輸通常依賴于大功率發(fā)射器來克服天氣條件、大型建筑物和其他電磁源的干擾。

各種調制技術在成本效益和接收信號質量方面提供了不同的解決方案，但直到最近，仍然在很大程度上是模擬的。頻率調制和相位調制對噪聲具有一定的抗擾度，而幅度調制則更容易解調。然而，最近隨著低成本微控制器的出現(xiàn)以及家用移動電話和衛(wèi)星通信的引入，數字調制越來越受歡迎。數字調制技術具有傳統(tǒng)微處理器電路相對于模擬電路的所有優(yōu)勢。通信鏈路中的任何缺陷都可以使用軟件消除。信息現(xiàn)在可以加密，糾錯可以確保接收到的數據更加可信，使用DSP可以減少分配給每個服務的有限帶寬。

與傳統(tǒng)模擬系統(tǒng)一樣，數字調制可以使用幅度、頻率或相位調制，具有不同的優(yōu)勢。由于頻率和相位調制技術提供了更高的抗噪聲能力，因此它們是當今使用的大多數服務的首選方案，將在下面詳細討論。

數字頻率調制

傳統(tǒng)模擬頻率調制（FM）的簡單變化可以通過將數字信號施加到調制輸入來實現(xiàn)。因此，輸出采用兩個不同頻率的正弦波形式。要解調該波形，只需將信號通過兩個濾波器，然后將結果轉換回邏輯電平即可。傳統(tǒng)上，這種調制形式被稱為頻移鍵控（FSK）。

數字相位調制

在頻譜上，數字相位調制或相移鍵控（PSK）與頻率調制非常相似。它涉及改變發(fā)射波形的相位而不是頻率，這些有限的相位變化代表數字數據。在最簡單的形式中，通過使用數字數據在兩個頻率相同但相位相反的信號之間切換，可以生成相位調制波形。如果將所得波形乘以等頻的正弦波，則會產生兩個分量：一個是接收頻率兩倍的余弦波形，另一個是幅度與相移余弦成正比的頻率無關項。因此，濾除高頻項會在傳輸之前產生原始調制數據。這很難從概念上描繪出來，但數學證明將在后面展示。

四相移調制

將PSK的上述概念更進一步，可以假設相移的數量不僅限于兩種狀態(tài)。發(fā)射的“載波”可以經歷任意數量的相變，通過將接收到的信號乘以相同頻率的正弦波，將相移解調為與頻率無關的電壓電平。

四相移鍵控（QPSK）確實如此。使用QPSK，載波經歷四個相位變化（四個符號），因此每個符號可以表示2個二進制數據位。雖然這最初看起來微不足道，但現(xiàn)在已經假設了一種調制方案，使載波能夠傳輸2位信息而不是1位信息，從而有效地將載波的帶寬加倍。

相位調制以及QPSK如何解調的證明如下所示。

證明從定義歐拉關系開始，從中可以導出所有三角恒等式。

歐拉關系如下：

現(xiàn)在考慮將兩個正弦波相乘，因此：

從公式1可以看出，將兩個正弦波相乘（一個正弦是輸入信號，另一個是接收器混頻器的本地振蕩器）得到兩倍于輸入頻率

（幅度的一半）疊加在輸入幅度一半的直流失調上。

同樣，將 sin ωt 乘以 cos ωt 得到：

這使得輸出頻率（正弦2ωt）是輸入頻率的兩倍，沒有直流偏移。

現(xiàn)在可以公平地假設將sin ωt乘以任何相移正弦波（sin ωt + ?）會產生一個“解調”波形，其輸出頻率是輸入頻率的兩倍，其直流偏移根據相移?而變化。

為了證明這一點：

因此，上述假設可以通過將載波與正弦波本振相乘并濾除高頻項來解調為變化的輸出電壓。不幸的是，相移僅限于兩個象限;π/2的相移與-π/2的相移無法區(qū)分。因此，為了準確解碼所有四個象限中存在的相移，需要將輸入信號乘以正弦和余弦波形，濾除高頻并重建數據。在上述數學的基礎上擴展的證明如下所示。

因此：

SPICE仿真驗證了上述理論。 圖1所示為簡單解調器電路的框圖。輸入電壓QPSK IN是一個1MHz正弦波，其相位每45μs偏移135°、225°、315°和5°。

圖1.

圖2和圖3顯示了“同相”波形V。我和“正交”波形 VQ分別。兩者都具有2MHz的頻率，直流偏移與相移成正比，證實了上述數學原理。

圖2.

圖3.

圖4是QPSK IN相移和解調數據的相量圖。

圖4.

上述理論是完全可以接受的，從載波中移除數據似乎是一個簡單的過程，即低通濾波混頻器的輸出并將四個電壓重建回邏輯電平。實際上，使接收器本振與輸入信號完全同步并不容易。如果本振與輸入信號同相變化，則相量圖上的信號將經歷相位旋轉，其幅度與相位差成正比。此外，如果本振的相位和頻率相對于輸入信號不固定，則相量圖上將持續(xù)旋轉。

因此，前端解調器的輸出通常饋入ADC，由本振相位或頻率誤差引起的任何旋轉都會在DSP中消除。

直接轉換為基帶的有效方法是使用直接變頻調諧器IC。

上述器件是Maxim Integrated快速擴展的RF芯片組的一部分。Maxim擁有70種高速工藝、52多種高頻標準產品和<>種ASIC，致力于成為RF/無線、光纖/電纜和儀器儀表市場的主要參與者。

審核編輯：郭婷