QPSK 数据速率与通带带宽:为什么它只能传输每赫兹 1 位而不是每赫兹 2 位?

信息处理 功率谱密度 带宽 qpsk bpsk 基带
2022-02-23 19:03:23

1)这是对该问题投票最多的答案的后续问题

2) 公认的答案是“QPSK 在通带每赫兹传输 1 位”。

3)书中发现的理论似乎同意这个答案。

4)但这违背了我的逻辑和我的经验。

5)我的逻辑和经验告诉我,QPSK 在通带每赫兹传输 2 位。

6)根据经验,我知道为了获得 1 MHz 的复数带宽(在基带),我需要将接收器的 IQ 速率设置为每秒 1 兆样本。(即 IQ 率 = 复杂带宽,请记住,IQ 率通常需要稍高一些才能考虑到抗混叠滤波器的滚降。但为了简单起见,我们假设没有滤波器。)

7) 在基带,如果不考虑负频率,这相当于 500 KHz 的带宽。

8)在通带处,总带宽将为 1 MHz,因为负频率“出现”为载波频率“较低”侧的频率,现在将它们考虑在带宽量上,有效地“加倍”带宽。

9)以每秒 1 兆样本的 IQ 速率,我可以在每个样本上发送 2 位(因为它是 QPSK)。

10) 因此,在通带带宽为 1 MHz 的情况下,有效数据速率为 2 Mbps(根据我的经验)。

11)参考下图,以我的经验描述数据速率和带宽之间的关系。

12)其他人似乎得到了与我相似的结果:

A) 请参阅这些学生实验的最后一个视频:它们显示了 2 Mbps 的传输和 1 MHz QPSK 信号。

B) 在视频中,4 KHz 数据速率信号导致 2 KHz QPSK 3dB 频谱。

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1个回答

让我们假设您有带宽W=1Hz在通带。这意味着您有带宽B=W/2=0.5Hz在基带。

在基带中,使用 sinc 脉冲,我们可以以符号率传输Rp=2B=1Bd, 在哪里Bd(波特)是“每秒符号(或脉冲)”的 SI 单位。

使用 BPSK 调制,我们可以在一个比特率下每个符号传输一个比特Rb=1b/s.

现在,QPSK 本质上是两个并行的 BPSK 信号。换句话说,我们有两个 BPSK 基带信号sI(t)sQ(t),每个具有 0.5 赫兹的带宽并每秒传输一位。

通过使用正交,我们同时传输sI(t)sQ(t)同时在通带中,使用信号

s(t)=sI(t)cos(2πfct)sQ(t)sin(2πfct).

QPSK 信号s(t)带宽为 1 赫兹,每秒传输 2 位(一个在同相分量上,一个在正交分量上)。

但是,请注意关系Rp=2B仅对 sinc 脉冲有效,在实践中几乎从未使用过。如果您使用其他脉冲,那么答案会有所不同。许多介绍性教科书没有明确说明这一点。

假设您希望使用脉冲p(t). 此外,p(t)是奈奎斯特脉冲。然后,脉冲的频谱决定了脉冲率,随后决定了比特率。

例如,让我们对半正弦波形状的脉冲重复上述练习。在这种情况下,脉率是Rp=B/2.5. 那么,如果B=0.5Hz,Rp=0.2Bd并且,使用 QPSK,您将只能以比特率传输Rb=0.4b/s每赫兹通带。

请注意,2.5我上面使用的数字是我(保守的)个人测量值,反映了我对什么感到满意。许多入门教科书对不同脉冲的实际带宽极为乐观。特别是,教科书通常声称Rp=B对于矩形脉冲,我认为这是不诚实的(Stallings 和 Tomasi 这样做,等等)。这就是您(非常明智地)怀疑是错误的“QPSK 传输 1 b/s/Hz”的说法背后的原因。

另请注意,对于假定的特定脉冲形状,您链接的答案是正确的。我的回答更笼统,允许您计算您选择使用的任何奈奎斯特脉冲的比特率。