QPSK调制揭秘

自电子学早期以来，随着技术的进步，本地和全球通信的界限开始受到侵蚀，导致世界更小，因此更容易分享知识和信息。贝尔和马可尼的开创性工作构成了当今信息时代的基石，并为电信的未来铺平了道路。

传统上，本地通信是通过有线进行的，因为这提供了一种确保可靠信息传输的经济有效的方法。然而，对于远距离通信，需要通过无线电波传输信息。虽然从硬件的角度来看这很方便，但无线电波传输引起了人们对信息损坏的怀疑;传输通常依赖于大功率发射器来克服天气条件、大型建筑物和其他电磁源的干扰。

各种调制技术在成本效益和接收信号质量方面提供了不同的解决方案，但直到最近，仍然在很大程度上是模拟的。频率调制和相位调制对噪声具有一定的抗扰度，而幅度调制则更容易解调。然而，最近随着低成本微控制器的出现以及家用移动电话和卫星通信的引入，数字调制越来越受欢迎。数字调制技术具有传统微处理器电路相对于模拟电路的所有优势。通信链路中的任何缺陷都可以使用软件消除。信息现在可以加密，纠错可以确保接收到的数据更加可信，使用DSP可以减少分配给每个服务的有限带宽。

与传统模拟系统一样，数字调制可以使用幅度、频率或相位调制，具有不同的优势。由于频率和相位调制技术提供了更高的抗噪声能力，因此它们是当今使用的大多数服务的首选方案，将在下面详细讨论。

数字频率调制

传统模拟频率调制（FM）的简单变化可以通过将数字信号施加到调制输入来实现。因此，输出采用两个不同频率的正弦波形式。要解调该波形，只需将信号通过两个滤波器，然后将结果转换回逻辑电平即可。传统上，这种调制形式被称为频移键控（FSK）。

数字相位调制

在频谱上，数字相位调制或相移键控（PSK）与频率调制非常相似。它涉及改变发射波形的相位而不是频率，这些有限的相位变化代表数字数据。在最简单的形式中，通过使用数字数据在两个频率相同但相位相反的信号之间切换，可以生成相位调制波形。如果将所得波形乘以等频的正弦波，则会产生两个分量：一个是接收频率两倍的余弦波形，另一个是幅度与相移余弦成正比的频率无关项。因此，滤除高频项会在传输之前产生原始调制数据。这很难从概念上描绘出来，但数学证明将在后面展示。

四相移调制

将PSK的上述概念更进一步，可以假设相移的数量不仅限于两种状态。发射的“载波”可以经历任意数量的相变，通过将接收到的信号乘以相同频率的正弦波，将相移解调为与频率无关的电压电平。

四相移键控（QPSK）确实如此。使用QPSK，载波经历四个相位变化（四个符号），因此每个符号可以表示2个二进制数据位。虽然这最初看起来微不足道，但现在已经假设了一种调制方案，使载波能够传输2位信息而不是1位信息，从而有效地将载波的带宽加倍。

相位调制以及QPSK如何解调的证明如下所示。

证明从定义欧拉关系开始，从中可以导出所有三角恒等式。

欧拉关系如下：

现在考虑将两个正弦波相乘，因此：

从公式1可以看出，将两个正弦波相乘（一个正弦是输入信号，另一个是接收器混频器的本地振荡器）得到两倍于输入频率

（幅度的一半）叠加在输入幅度一半的直流失调上。

同样，将 sin ωt 乘以 cos ωt 得到：

这使得输出频率（正弦2ωt）是输入频率的两倍，没有直流偏移。

现在可以公平地假设将sin ωt乘以任何相移正弦波（sin ωt + ø）会产生一个“解调”波形，其输出频率是输入频率的两倍，其直流偏移根据相移ø而变化。

为了证明这一点：

因此，上述假设可以通过将载波与正弦波本振相乘并滤除高频项来解调为变化的输出电压。不幸的是，相移仅限于两个象限;π/2的相移与-π/2的相移无法区分。因此，为了准确解码所有四个象限中存在的相移，需要将输入信号乘以正弦和余弦波形，滤除高频并重建数据。在上述数学的基础上扩展的证明如下所示。

因此：

SPICE仿真验证了上述理论。 图1所示为简单解调器电路的框图。输入电压QPSK IN是一个1MHz正弦波，其相位每45μs偏移135°、225°、315°和5°。

图1.

图2和图3显示了“同相”波形V。我和“正交”波形 VQ分别。两者都具有2MHz的频率，直流偏移与相移成正比，证实了上述数学原理。

图2.

图3.

图4是QPSK IN相移和解调数据的相量图。

图4.

上述理论是完全可以接受的，从载波中移除数据似乎是一个简单的过程，即低通滤波混频器的输出并将四个电压重建回逻辑电平。实际上，使接收器本振与输入信号完全同步并不容易。如果本振与输入信号同相变化，则相量图上的信号将经历相位旋转，其幅度与相位差成正比。此外，如果本振的相位和频率相对于输入信号不固定，则相量图上将持续旋转。

因此，前端解调器的输出通常馈入ADC，由本振相位或频率误差引起的任何旋转都会在DSP中消除。

直接转换为基带的有效方法是使用直接变频调谐器IC。

上述器件是Maxim Integrated快速扩展的RF芯片组的一部分。Maxim拥有70种高速工艺、52多种高频标准产品和<>种ASIC，致力于成为RF/无线、光纤/电缆和仪器仪表市场的主要参与者。

审核编辑：郭婷