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相移键控

相移键控(PSK):一种用载波相位表示输入信号信息的调制技术。移相键控分为绝对移相和相对移相两种。以未调载波的相位作为基准的相位调制叫作绝对移相。以二进制调相为例,取码元为“1”时,调制后载波与未调载波同相;取码元为“0”时,调制后载波与未调载波反相;“1”和“0”时调制后载波相位差180°。

相关术语:ASK,FSK,QAM,Modulation

在某些调制解调器中用于数据传输的调制系统,在最简单的方式中,二进制调制信号产生0和1。用载波相位来表示信号占空比或者二进制1和0。对于有线线路上较高的数据传输速率,可能发生4个或8个不同的相移,系统要求在接收机上有精确和稳定的参考相位来分辨所使用的各种相位。利用不同的连续的相移键控,这个参考相位被按照相位改变而进行的编码数据所取代,并且通过将相位与前面的位进行比较来检测。 [1]

根据香农理论,在确定的带宽里面,对于给定的信号SNR其传送的无差错数据速率存在着理论上的极限值,从另一个方面来理解这个理论,可以认为,在特定的数据速率下,信号的带宽和功率(或理解成SNR)可以互相转换,这一理论成功地使用在传播状态极端恶劣的短波段,在这里具有活力的通信方式比快速方式更有实用意义。PSK就是这一理论的成功应用。所谓PSK就是根据数字基带信号的两个电平使载波相位在两个不同的数值之间切换的一种相位调制方法。

产生PSK信号的两种方法:

1、调相法:将基带数字信号(双极性)与载波信号直接相乘的方法;

2、选择法:用数字基带信号去对相位相差180度的两个载波进行选择。

业余者无线电爱好者使用特别形式的BPSK或QPSK,即PSK31。在这一个模态中,数据传输率是31.25比特,而且信号带宽大约是31个赫兹。PSK31的主要好处是它的优良信噪比(S/N或SNR),允许在不利的情况下通信。

在PSK调制时,载波的相位随调制信号状态不同而改变。如果两个频率相同的载波同时开始振荡,这两个频率同时达到正最大值,同时达到零值,同时达到负最大值,此时它们就处于“同相”状态;如果一个达到正最大值时,另一个达到负最大值,则称为“反相”。把信号振荡一次(一周)作为360度。如果一个波比另一个波相差半个周期,两个波的相位差180度,也就是反相。当传输数字信号时,“1”码控制发0度相位,“0”码控制发180度相位。

PSK相移键控调制技术在数据传输中,尤其是在中速和中高速的数传机(2400bit/s~4800bit/s)中得到了广泛的应用。相移键控有很好的抗干扰性,在有衰落的信道中也能获得很好的效果。主要讨论二相和四相调相,在实际应用中还有八相及十六相调相。

PSK也可分为二进制PSK(2PSK或BIT/SK)和多进制PSK(MPSK)。在这种调制技术中,载波相位只有0和π两种取值,分别对应于调制信号的“0”和“1”。传“1“信号时,发起始相位为π的载波;当传“0”信号时,发起始相位为0的载波。由“0”和“1”表示的二进制调制信号通过电平转换后,变成由“1”和“1”表示的双极性NRZ(不归零)信号,然后与载波相乘,即可形成2PSK信号,

在MPSK中,最常用的是四相相移键控,即QPSK(QuadraturePhaseShiftKeying),在卫星信道中传送数字电视信号时采用的就是QPSK调制方式。可以看成是由两个2PSK调制器构成的。输入的串行二进制信息序列经串并变换后分成两路速率减半的序列,由电平转换器分别产生双极性二电平信号I(t)和Q(t),然后对载波Acos2πfct和Asin2πfct进行调制,相加后即可得到QPSK信号。

PSK信号也可以用矢量图表示,矢量图中通常以零度载波相位作为参考相位。四相相移调制是利用载波的四种不同相位差来表征输入的数字信息,是四进制移相键控。QPSK是在M=4时的调相技术,它规定了四种载波相位,分别为45°,135°,225°,315°。调制器输入的数据是二进制数字序列,为了能和四进制的载波相位配合起来,则需要把二进制数据变换为四进制数据,这就是说需要把二进制数字序列中每两比特分成一组,共有四种组合,即00,01,10,11,其中每一组称为双比特码元。每一个双比特码元是由两位二进制信息比特组成的,它们分别代表四进制四个符号中的一个符号。QPSK中每次调制可传输2个信息比特,这些信息比特是通过载波的四种相位来传递的。解调器根据星座图及接收到的载波信号的相位来判断发送端发送的信息比特。

与模拟通信系统相比,数字调制和解调同样是通过某种方式,将基带信号的频谱由一个频率位置搬移到另一个频率位置上去。不同的是,数字调制的基带信号不是模拟信号而是数字信号。

在大多数情况下,数字调制是利用数字信号的离散值去键控载波。对载波的幅度、频率或相位进行键控,便可获得ASK、FSK、PSK等。这三种数字调制方式在抗干扰噪声能力和信号频谱利用率等方面,以相干PSK的性能最好,已在中、高速传输数据时得到广泛应用。

在同步解调的PSK系统中,由于收端载波恢复存在相位含糊的问题,即恢复的载波可能与未调载波同相,也可能反相,以至使解调后的信码出现“0”、“1”倒置,发送为“1”码,解调后得到“0”码;发送为“0”码,解调后得到“1”码。这是不希望的,为了克服这种现象,人们提出了相对移相方式。

相对移相的调制规律是:每一个码元的载波相位不是以固定的未调载波相位作基准的,而是以相邻的前一个码元的载波相位来确定其相位的取值。例如,当某一码元取“1”时,它的载波相位与前一码元的载波同相;码元取“0”时,它的载波相位与前一码元的载波反相。

相对移相可通过对信码进行变换和绝对移相来实现。将信码经过差分编码变换成新的码组相对码,再利用相对码对载波进行绝对移相,使输出的已调载波相位满足相对移相的相位关系。

在相移键控中,在波相位受数字基带信号的控制,如在二进制基带信号中为0时,载波相位为0,为1时载波相位为π,载波相位和基带信号有一一对应的关系。

传统的本地通讯借助于电线传输,因为这既省钱又可保证信息可靠传送。而长途通讯则需要通过无线电波传送信息。从系统硬件设备方面考虑这很方便省事,但是从传送信息的准确性考虑,却导致了信息传送不确定性增加,而且由于常常需要借助于大功率传送设备来克服因气象条件、高大建筑物以及其他各种各样的电磁干扰。

各种不同类型的调制方式能够根据系统造价、接收信号品质要求提供各种不同的解决方案,但是直到不久以前它们大部分还是属于模拟调制范畴,频率调制和相位调制噪声小,而幅度调制解调结构要简单的多。最近由于低成本微控制器的出现以及民用移动电话和卫星通信的引入,数字调制技术日益普及。数字式调制具有采用微处理器的模拟调制方式的所有优点,通讯链路中的任何不足均可借助于软件根除,它不仅可实现信息加密,而且通过误差校准技术,使接收到的数据更加可靠,另外借助于DSP,还可减小分配给每个用户设备的有限带宽,频率利用率得以提高。

如同模拟调制,数字调制也可分为频率调制、相位调制和幅度调制,性能各有千秋。由于频率、相位调制对噪声抑制更好,因此成为当今大多数通讯设备的首选方案。

对传统的模拟频率调制(FM)稍加变化,即在调制器输入端加一个数字控制信号,便得到由两个不同频率的正弦波构成的调制波,解调该信号很简单,只需让它通过两个滤波器后就可将合成波变回逻辑电平信号。通常,这种调制方式称为频移键控(FSK)。

数字相位调制(或相移键控-PSK)与频率调制很相似。不过它的实现是通过改变发送波的相位而非频率,不同的相位代表不同的数据。PSK最简单的形式为,利用数字信号对两个同频、反相正弦波进行控制、不断切换合成调相波。解调时,让它与一个同频正弦波相乘,其乘积由两部分构成:2倍频接收信号的余弦波;与频率无关,幅度与正弦波相移成正比的分量。因此采用低通滤波器滤掉高频成分后,便得到与发送波相应的原始调制数据。

如果对上述PSK概念进一步延伸,可推测调制的相位数目不仅限于两个,载波应该能够承载任意数目的相位信息,而且如果对接收信号乘以同频正弦波就可解调出相移信息,而它是与频率无关的直流电平信号。相移调制(PSK)正是基于该原理。利用PSK,载波可以承载四种不同的相移(4个码片),每个码片又代表2个二进制字节。初看这似乎毫无意义,但现在这种调制方式却使同一载波能传送2比特的信息而非原来的1比特,从而使载波的频带利用率提高了一倍。


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