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6.3 四相移相键控

杨鸿文 主编(北京邮电大学通信原理课程组)北京邮电大学出版社《通信原理(第5版)》大学本科 · 教材与微课双语助读 (Alt+Y)

四相移相键控(Quadrature Phase Shift Keying, QPSK)又称四进制移相键控(4PSK)。它是现代高速无线通信(如 4G/5G 蜂窝网络、卫星通信广播 DVB-S、Wi-Fi 局域网)中应用最广泛、最核心的经典调制体制。QPSK 巧妙利用两个正交正弦载波同时传输两个独立的二进制比特,在误比特率完全不劣化的前提下,将系统的频带利用率提高了一倍。


QPSK 信号的正弦型载波具有 4 个离散相位状态,每个符号周期 Tₛ 携带 2 个二进制比特(Tₛ = 2T_b)。其数学表达式为:

sᵢ(t) = Acos(ω_c t + θᵢ), i = 1, 2, 3, 4, 0 ≤slant t ≤slant Tₛ (6.3.1)

式中 4 个离散相位通常采用两种体制:

  • 体制 A(轴对齐矢量):θᵢ = (i-1)(π)/(2) ∈ {0, (π)/(2), π, (3π)/(2)},如图 6.3.1(a) 所示;
  • 体制 B(象限对角矢量,最常用):θᵢ = (2i-1)(π)/(4) ∈ {(π)/(4), (3π)/(4), (5π)/(4), (7π)/(4)},如图 6.3.1(b) 所示。

图 6.3.1 QPSK 信号矢量图

图 6.3.1 QPSK 信号矢量图(原书影印参考)

对体制 B,利用三角恒等式展开式 (6.3.1):

sᵢ(t) = A(cosθᵢ cosω_c t - sinθᵢ sinω_c t) (6.3.2)

由于 cosθᵢ = ± (1)/(√(2)),sinθᵢ = ± (1)/(√(2)),式 (6.3.2) 可严格分解为两路相互正交的 2PSK 信号之和:

sᵢ(t) = (A)/(√(2))[ I(t)cosω_c t - Q(t)sinω_c t ], 0 ≤slant t ≤slant Tₛ (6.3.3)

其中 I(t) ∈ {+1, -1} 称为同相分量(In-phase),Q(t) ∈ {+1, -1} 称为正交分量(Quadrature)。正交调制原理如图 6.3.2 所示。

flowchart LR
    in["二进制双极性脉冲序列 {a_k}\n速率 R_b = 1/T_b"] --> sp["串/并变换器\n(1:2 降速分流)"]
    sp -->|"偶数位 a_{2n}, 周期 2T_b"| I["同相支路 I(t)"]
    sp -->|"奇数位 a_{2n-1}, 周期 2T_b"| Q["正交支路 Q(t)"]
    I --> m1(("乘法器"))
    Q --> m2(("乘法器"))
    c1["(A / sqrt(2)) cos(omega_c t)"] --> m1
    c2["-(A / sqrt(2)) sin(omega_c t)"] --> m2
    m1 --> add(("加法器 (+)"))
    m2 --> add
    add --> out["QPSK 已调信号\ns_QPSK(t)"]

图 6.3.2 产生 QPSK 信号的正交调制原理图

图 6.3.2 产生 QPSK 信号的正交调制原理图(原书影印参考)
例 6.3.1 QPSK 串并变换与格雷码映射波形

设输入二进制序列为 {aₖ} = {+1, +1, -1, +1, +1, -1, +1, -1, +1, +1, -1, -1, -1, +1}。分析串并变换输出的双比特序列,绘制 I(t) 与 Q(t) 的基带波形。

解

将 {aₖ} 按奇偶位拆分:

  • 偶数位分配给同相支路:{aₖ,even} = {+1, +1, -1, -1, +1, -1, +1};
  • 奇数位分配给正交支路:{aₖ,odd} = {+1, -1, +1, +1, +1, -1, -1}。

两支路码元周期均由 T_b 展宽为符号周期 Tₛ = 2T_b。波形如图 6.3.3 所示。

图 6.3.3 QPSK 串并变换及 I(t), Q(t) 波形图

图 6.3.3 QPSK 串并变换及 I(t), Q(t) 波形图(原书影印参考)

每个双比特符号 (aₖ,even, aₖ,odd) 与载波相位 θᵢ 采用**格雷码(Gray Code)**映射:

四进制码双比特码 (b₁ b₂)电平映射 (I, Q)载波相位 θᵢ
000(+1, +1)π/4
110(-1, +1)3π/4
211(-1, -1)5π/4
301(+1, -1)7π/4

格雷码的黄金法则在于:相邻两个相位状态对应的双比特码之间仅有 1 位发生变化。在信道噪声导致判决发生临近偏转时,绝大多数错判仅带来 1 个错误比特,显著压低了误比特率。

2. QPSK 信号的功率谱密度与频带利用率

Section titled “2. QPSK 信号的功率谱密度与频带利用率”

由于 QPSK 是同相与正交两路载波正交的 2PSK 信号的线性叠加,其总功率谱等于两支路功率谱之和。

当输入二进制信息速率为 R_b = 1/T_b、总发射功率为 P = (A²)/(2) 时,各支路的码元持续时间为 Tₛ = 2T_b,支路幅度为 A/√(2)。因此 QPSK 信号的双边功率谱密度为:

P_(QPSK)(f) = (A² T_b)/(2){ operatornamesinc²[2(f - f_c)T_b] + operatornamesinc²[2(f + f_c)T_b] } (6.3.5)

对比 2PSK 功率谱式 (6.2.46):

P₂PSK(f) = (A² T_b)/(4){ operatornamesinc²[(f - f_c)T_b] + operatornamesinc²[(f + f_c)T_b] }

两者的频谱对比曲线如图 6.3.4 所示。

图 6.3.4 在给定信息速率为 Rb 条件下,2PSK 及 QPSK 双边功率谱密度

图 6.3.4 在给定信息速率为 Rb 条件下,2PSK 及 QPSK 双边功率谱密度(原书影印参考)
QPSK 频谱收敛性与频带利用率
  • 谱主瓣带宽: 在相同信息速率 R_b 下,QPSK 功率谱主瓣宽度为:

    B_(QPSK) = (2)/(Tₛ) = (1)/(T_b) = R_b

    而 2PSK 的主瓣宽度为 B₂PSK = 2R_b。QPSK 所需频带宽度严格仅为 2PSK 的一半!

  • 频带利用率(频谱效率): QPSK 的频带利用率提高为原来的 2 倍:

    η = fracR_bB_(QPSK) = 1.0 bit/(s·Hz)

3. QPSK 最佳接收机与误比特率(BER)

Section titled “3. QPSK 最佳接收机与误比特率(BER)”

在加性高斯白噪声(AWGN)信道下,接收信号为:

r(t) = s_(QPSK)(t) + n_w(t)

QPSK 最佳相干接收机利用两路本地正交载波 (A)/(√(2))cosω_c t 与 -(A)/(√(2))sinω_c t 分别进行匹配滤波或相干相关积分(积分时间为符号周期 Tₛ = 2T_b),再经并串变换合并恢复出原始比特流,如图 6.3.5 所示。

flowchart LR
    r["接收信号 r(t)"] --> m1(("乘法器"))
    r --> m2(("乘法器"))
    c1["(A / sqrt(2)) cos(omega_c t)"] --> m1
    c2["-(A / sqrt(2)) sin(omega_c t)"] --> m2
    m1 --> mf1["积分器 / 匹配滤波器\n0 到 T_s 积分"]
    m2 --> mf2["积分器 / 匹配滤波器\n0 到 T_s 积分"]
    mf1 --> d1{"判决器\n(门限 0)"}
    mf2 --> d2{"判决器\n(门限 0)"}
    d1 --> ps["并/串变换器"]
    d2 --> ps
    ps --> out["恢复二进制比特流"]

图 6.3.5 QPSK 信号的最佳接收框图

图 6.3.5 QPSK 信号的最佳接收框图(原书影印参考)

由于两载波在时间区间 [0, Tₛ] 上严格正交:

∫₀^Tₛ cos(ω_c t)sin(ω_c t) dt ≈ 0

两支路之间完全无相互干扰。每支路接收机等价于一个独立的 2PSK 解调器,其符号能量为 Eₛ/2 = E_b。因此 I 支路与 Q 支路的平均判决错误概率为:

PₑI = PₑQ = 1/2operatornameerfc( √(((A/√(2))² (2T_b))/(2N₀)) ) = 1/2operatornameerfc(√((E_b)/(N₀))) (6.3.7)

总二进制码元出现于 I 支路与 Q 支路的概率均为 1/2:

P_b = 1/2PₑI + 1/2PₑQ = 1/2operatornameerfc(√((E_b)/(N₀))) = Q(√((2E_b)/(N₀))) (6.3.9)

图 6.3.6 展示了在理想限带信道下的完整 QPSK 最佳频带传输系统。

图 6.3.6 在理想限带及加性白高斯噪声信道条件下的 QPSK 系统

图 6.3.6 在理想限带及加性白高斯噪声信道条件下的 QPSK 系统(原书影印参考)
通信原理核心定理:QPSK 零代价频带加倍特性

将 QPSK 与 2PSK 严密对比: 在信息速率相同、总发射功率相同、信道白噪声谱密度相同的条件下:

  • 误比特率完全相同:P_(b,QPSK) = P_(b,2PSK) = Q(√((2E_b)/(N₀)));
  • 频带占用减少一半:B_(QPSK) = 1/2B₂PSK。

这表明:正交二维调制在不付出任何能量代价(信噪比代价)的条件下,使系统频带利用率翻倍。这是通信调制领域最具美感的物理定理之一。


与 2PSK 的双重相位模糊类似,QPSK 接收机在利用四次方环或四相科斯塔斯环提取载波时,会不可避免地产生 四重相位模糊(0, π/2, π, 3π/2)。一旦本地载波出现 90^circ 或 180^circ 旋转,解调输出将严重瘫痪。差分四相移相键控(DQPSK)通过对双比特数据执行差分编码彻底消除该隐患。

原理框图如图 6.3.7 所示。

图 6.3.7 DQPSK 信号的产生及相干解调框图

图 6.3.7 DQPSK 信号的产生及相干解调框图(原书影印参考)

输入的双比特绝对码 (b_(I,n), b_(Q,n)) 首先在差分编码器中转化为相对码 (a_(I,n), a_(Q,n))。调制载波的当前相位 θₙ 与前一符号载波相位 θₙ-1 之差 Δ θₙ = θₙ - θₙ-1 遵循格雷差分映射准则(表 6.3.2):

四进制码绝对双比特码 (b_(I,n), b_(Q,n))相位增量 Δ θₙ = θₙ - θₙ-1
0(+1, +1)0
1(-1, +1)+(π)/(2)(或 -(3π)/(2))
2(-1, -1)+π(或 -π)
3(+1, -1)+(3π)/(2)(或 -(π)/(2))

接收端解调出的双比特数据经差分译码恢复出原始绝对码。差分译码仅与相邻相位的差值相关,完全免疫于载波恢复中的整度转角模糊。各系统的误比特率曲线对比见图 6.3.8。

图 6.3.8 2PSK, QPSK 及 DPSK, DQPSK 的误比特率

图 6.3.8 2PSK, QPSK 及 DPSK, DQPSK 的误比特率(原书影印参考)

在无线数字通信发端,已调频带信号必须送入高功率放大器(HPA)进行功率放大。然而实际功率放大器均存在饱和非线性区。如果输入信号包络剧烈起伏,功放的 AM/AM 与 AM/PM 非线性失真将导致:

  1. 信号星座图产生非线性畸变与压缩,误码率急剧升高;
  2. 已经滤波成形的频带外功率发生严重频谱再生(Spectral Regrowth),旁瓣剧烈抬升,严重干扰邻近信道。

在传统 QPSK 中,同相支路 a_I(t) 与正交支路 a_Q(t) 在符号时钟边界上完全对齐。当两个支路的数据同时发生电平翻转时(例如从 (+1, +1) 跃迁至 (-1, -1)):

  • 信号相位发生 180^circ 的突变;
  • 经过脉冲成形低通滤波后,信号合成包络 A(t) = √(a_I²(t) + a_Q²(t)) 会瞬时穿越零点(A(t) → 0),如图 6.3.9(a) 所示。
  • 此时包络峰均功率比(PAPR)极大,包络最大值与最小值之比趋近于无穷大。

图 6.3.9 QPSK 及 OQPSK 的基带波形以及包络

图 6.3.9 QPSK 及 OQPSK 的基带波形以及包络(原书影印参考)

偏移四相移相键控(Offset QPSK, OQPSK,又称参差 QPSK)的核心改进非常优雅: 在调制发端将 Q 支路的基带脉冲序列在时间轴上强制错开半个符号周期(即 1 个比特间隔 T_b = Tₛ/2):

s_(OQPSK)(t) = a_I(t)cosω_c t - a_Q(t - T_b)sinω_c t
flowchart LR
    in["输入二进制序列"] --> sp["串并变换器"]
    sp -->|"I 支路 (周期 2T_b)"| p1["脉冲成形"]
    sp -->|"Q 支路 (周期 2T_b)"| p2["脉冲成形"]
    p1 --> m1(("乘法器"))
    p2 --> dly["延迟 T_b = T_s / 2"]
    dly --> m2(("乘法器"))
    c1["cos(omega_c t)"] --> m1
    c2["-sin(omega_c t)"] --> m2
    m1 --> add(("加法器"))
    m2 --> add
    add --> hpa["非线性功率放大器 (HPA)"]
    hpa --> out["OQPSK 发射信号 (恒定紧凑包络)"]

图 6.3.10 OQPSK 系统

图 6.3.10 OQPSK 系统(原书影印参考)
  1. 彻底杜绝 180^circ 相位跃变: 由于两路跳变时刻交替错开 T_b,在任何单一跳变时刻只有一路电平发生变化。载波相位在单次状态转换中最大仅能改变 ± 90^circ 或 0^circ,绝对不会穿过原点,如图 6.3.9(b) 所示。
  2. 极度平滑的包络特性: 限带后包络波动范围大大缩小(包络谷值仅降至峰值的 1/√(2) ≈ 0.707),极大放宽了对射频高功率放大器线性动态范围的要求,功放可在接近饱和点的高效率区工作。
  3. 频谱与误码率完全不变: 由于 Q 支路延迟 T_b 仅是时间平移,两路载波依然保持严密正交。在 AWGN 线性信道中,OQPSK 的理论功率谱密度和误比特率与标准 QPSK 完全一致;但在带限非线性信道中,OQPSK 的抗旁瓣扩展性能具有压倒性优势。
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