相移鍵控

相移鍵控(PSK)：一種用載波相位表示輸入信號信息的調製技術。移相鍵控分為絕對移相和相對移相兩種。以未調載波的相位作為基準的相位調製叫作絕對移相。以二進制調相為例，取碼元為“1”時，調製後載波與未調載波同相；取碼元為“0”時，調製後載波與未調載波反相；“1”和“0”時調製後載波相位差180°。

基本介紹

• 中文名：相移鍵控
• 外文名：phase-shiftkeying
• 縮寫：PSK
• 套用學科：IT、通信

基本描述

相關術語：ASK，FSK，QAM，Modulation

在某些數據機中用於數據傳輸的調製系統，在最簡單的方式中，二進制調製信號產生0和1。用載波相位來表示信號占空比或者二進制1和0。對於有線線路上較高的數據傳輸速率，可能發生4個或8個不同的相移，系統要求在接收機上有精確和穩定的參考相位來分辨所使用的各種相位。利用不同的連續的相移鍵控，這個參考相位被按照相位改變而進行的編碼數據所取代，並且通過將相位與前面的位進行比較來檢測。

相移鍵控

香農理論

根據香農理論，在確定的頻寬裡面，對於給定的信號SNR其傳送的無差錯數據速率存在著理論上的極限值，從另一個方面來理解這個理論，可以認為，在特定的數據速率下，信號的頻寬和功率（或理解成SNR）可以互相轉換，這一理論成功地使用在傳播狀態極端惡劣的短波段，在這裡具有活力的通信方式比快速方式更有實用意義。PSK就是這一理論的成功套用。所謂PSK就是根據數字基帶信號的兩個電平使載波相位在兩個不同的數值之間切換的一種相位調製方法。

PSK信號

產生PSK信號的兩種方法：

相移鍵控

1、調相法：將基帶數位訊號（雙極性）與載波信號直接相乘的方法；

2、選擇法：用數字基帶信號去對相位相差180度的兩個載波進行選擇。

業餘者無線電愛好者使用特別形式的BPSK或QPSK，即PSK31。在這一個模態中，數據傳輸率是31.25比特，而且信號頻寬大約是31個赫茲。PSK31的主要好處是它的優良信噪比（S/N或SNR），允許在不利的情況下通信。

工作原理

在PSK調製時，載波的相位隨調製信號狀態不同而改變。如果兩個頻率相同的載波同時開始振盪，這兩個頻率同時達到正最大值，同時達到零值，同時達到負最大值，此時它們就處於“同相”狀態；如果一個達到正最大值時，另一個達到負最大值，則稱為“反相”。把信號振盪一次（一周）作為360度。如果一個波比另一個波相差半個周期，兩個波的相位差180度，也就是反相。當傳輸數位訊號時，“1”碼控制發0度相位，“0”碼控制發180度相位。

PSK相移鍵控調製技術在數據傳輸中，尤其是在中速和中高速的數傳機（2400bit/s～4800bit/s）中得到了廣泛的套用。相移鍵控有很好的抗干擾性,在有衰落的信道中也能獲得很好的效果。主要討論二相和四相調相，在實際套用中還有八相及十六相調相。

PSK也可分為二進制PSK（2PSK或BIT/SK）和多進制PSK（MPSK）。在這種調製技術中，載波相位只有0和π兩種取值，分別對應於調製信號的“0”和“1”。傳“1“信號時，發起始相位為π的載波；當傳“0”信號時，發起始相位為0的載波。由“0”和“1”表示的二進制調製信號通過電平轉換後，變成由“–1”和“1”表示的雙極性NRZ（不歸零）信號，然後與載波相乘，即可形成2PSK信號，

在MPSK中，最常用的是四相相移鍵控，即QPSK（QuadraturePhaseShiftKeying），在衛星信道中傳送數位電視信號時採用的就是QPSK調製方式。可以看成是由兩個2PSK調製器構成的。輸入的串列二進制信息序列經串—並變換後分成兩路速率減半的序列，由電平轉換器分別產生雙極性二電平信號I（t）和Q（t），然後對載波Acos2πfct和Asin2πfct進行調製，相加後即可得到QPSK信號。

PSK信號也可以用矢量圖表示，矢量圖中通常以零度載波相位作為參考相位。四相相移調製是利用載波的四種不同相位差來表征輸入的數字信息，是四進制移相鍵控。QPSK是在M=4時的調相技術，它規定了四種載波相位，分別為45°，135°，225°，315°。調製器輸入的數據是二進制數字序列，為了能和四進制的載波相位配合起來，則需要把二進制數據變換為四進制數據，這就是說需要把二進制數字序列中每兩比特分成一組，共有四種組合，即00，01，10，11，其中每一組稱為雙比特碼元。每一個雙比特碼元是由兩位二進制信息比特組成的，它們分別代表四進制四個符號中的一個符號。QPSK中每次調製可傳輸2個信息比特，這些信息比特是通過載波的四種相位來傳遞的。解調器根據星座圖及接收到的載波信號的相位來判斷發送端傳送的信息比特。

調製技術

與模擬通信系統相比，數字調製和解調同樣是通過某種方式，將基帶信號的頻譜由一個頻率位置搬移到另一個頻率位置上去。不同的是，數字調製的基帶信號不是模擬信號而是數位訊號。

在大多數情況下，數字調製是利用數位訊號的離散值去鍵控載波。對載波的幅度、頻率或相位進行鍵控，便可獲得ASK、FSK、PSK等。這三種數字調製方式在抗干擾噪聲能力和信號頻譜利用率等方面，以相干PSK的性能最好，已在中、高速傳輸數據時得到廣泛套用。

在同步解調的PSK系統中，由於收端載波恢復存在相位含糊的問題，即恢復的載波可能與未調載波同相，也可能反相，以至使解調後的信碼出現“0”、“1”倒置，傳送為“1”碼，解調後得到“0”碼；傳送為“0”碼，解調後得到“1”碼。這是不希望的，為了克服這種現象，人們提出了相對移相方式。

相對移相的調製規律是：每一個碼元的載波相位不是以固定的未調載波相位作基準的，而是以相鄰的前一個碼元的載波相位來確定其相位的取值。例如，當某一碼元取“1”時，它的載波相位與前一碼元的載波同相；碼元取“0”時，它的載波相位與前一碼元的載波反相。

相對移相可通過對信碼進行變換和絕對移相來實現。將信碼經過差分編碼變換成新的碼組——相對碼，再利用相對碼對載波進行絕對移相，使輸出的已調載波相位滿足相對移相的相位關係。

在相移鍵控中，在波相位受數字基帶信號的控制，如在二進制基帶信號中為0時，載波相位為0，為1時載波相位為π，載波相位和基帶信號有一一對應的關係。

主要套用

傳統的本地通訊藉助於電線傳輸，因為這既省錢又可保證信息可靠傳送。而長途通訊則需要通過無線電波傳送信息。從系統硬體設備方面考慮這很方便省事，但是從傳送信息的準確性考慮，卻導致了信息傳送不確定性增加，而且由於常常需要藉助於大功率傳送設備來克服因氣象條件、高大建築物以及其他各種各樣的電磁干擾。

各種不同類型的調製方式能夠根據系統造價、接收信號品質要求提供各種不同的解決方案，但是直到不久以前它們大部分還是屬於模擬調製範疇，頻率調製和相位調製噪聲小，而幅度調製解調結構要簡單的多。最近由於低成本微控制器的出現以及民用行動電話和衛星通信的引入，數字調製技術日益普及。數字式調製具有採用微處理器的模擬調製方式的所有優點，通訊鏈路中的任何不足均可藉助於軟體根除，它不僅可實現信息加密，而且通過誤差校準技術，使接收到的數據更加可靠，另外藉助於DSP，還可減小分配給每個用戶設備的有限頻寬，頻率利用率得以提高。

如同模擬調製，數字調製也可分為頻率調製、相位調製和幅度調製，性能各有千秋。由於頻率、相位調製對噪聲抑制更好，因此成為當今大多數通訊設備的首選方案。

相移鍵控

數字調頻

對傳統的模擬頻率調製(FM)稍加變化，即在調製器輸入端加一個數字控制信號，便得到由兩個不同頻率的正弦波構成的調製波，解調該信號很簡單，只需讓它通過兩個濾波器後就可將合成波變回邏輯電平信號。通常，這種調製方式稱為頻移鍵控(FSK)。

數字調相

數字相位調製(或相移鍵控-PSK)與頻率調製很相似。不過它的實現是通過改變傳送波的相位而非頻率，不同的相位代表不同的數據。PSK最簡單的形式為，利用數位訊號對兩個同頻、反相正弦波進行控制、不斷切換合成調相波。解調時，讓它與一個同頻正弦波相乘，其乘積由兩部分構成：2倍頻接收信號的餘弦波；與頻率無關，幅度與正弦波相移成正比的分量。因此採用低通濾波器濾掉高頻成分後，便得到與傳送波相應的原始調製數據。

正交相移調製

如果對上述PSK概念進一步延伸，可推測調製的相位數目不僅限於兩個，載波應該能夠承載任意數目的相位信息，而且如果對接收信號乘以同頻正弦波就可解調出相移信息，而它是與頻率無關的直流電平信號。相移調製(PSK)正是基於該原理。利用PSK，載波可以承載四種不同的相移(4個碼片)，每個碼片又代表2個二進制位元組。初看這似乎毫無意義，但現在這種調製方式卻使同一載波能傳送2比特的信息而非原來的1比特，從而使載波的頻帶利用率提高了一倍。