Uwaga! Strona zawiera ilustracje w formacie SVG. Ilustracje te nie są wyświetlane przez przeglądarkę Internet Explorer.
Modulacja QPSK (Quadrature Phase Shift Keying) w swojej idei podobna jest do wcześniej omówionej modulacji BPSK. Różnica polega na użyciu czterech możliwych przesunięć fazy zamiast dwóch. Cztery przesunięcia ponumerowane w systemie dwójkowym wymagają dwóch bitów. Dlatego w jednym okresie fali nośnej zakodowane są dwa bity. Zatem, przy tej samej częstotliwości nośnej, modulacja QPSK pozwala na dwa razy szybszą transmisję danych, niż BPSK. W typowym przypadku, gdy prawdopodobieństwa wystąpienia każdej z dwójek bitów (00, 01, 10, 11) są równe, przesunięcia fazy rozmieszczone są symetrycznie. Mogą to być na przykład kąty 0°, 90°, 180° i 270°.
W przypadku modulacji analogowej, generator fali nośnej dostarcza dwóch przebiegów sinusoidalnych, synchronicznych wobec siebie, ale jeden z nich jest przesunięty w fazie o 90° względem drugiego. Wygenerowanie takich przebiegów jest dla techniki analogowej sporym wyzwaniem. Oba przebiegi są następnie podawane do kluczowanych układów odwracania fazy (mnożenia przez -1). Każdy z odwracaczy fazy jest sterowany jednym z pary bitów danych. Następnie te dwa przebiegi sumuje się. W efekcie otrzymujemy jedno z 4 możliwych, symetrycznie rozmieszczonych przesunięć fazy. Sterowanie układami odwracania fazy musi być zsynchronizowane z okresami fali nośnej.
Powyższy rysunek przedstawia schemat modulatora QPSK pracującego według opisanej zasady. Układ przekształcający sygnał cyfrowy (mnożenie przez 2 i zmiana składowej stałej), zwany jest w literaturze koderem NRZ (No Return to Zero), ponieważ przekształcony sygnał cyfrowy jest symetryczny względem poziomu zerowego i nigdy do niego nie wraca. Tłumiki (współczynnik wzmocnienia 0,707) umieszczone przed układami mnożącymi są umieszczone tylko po to, aby amplituda sygnału QPSK na wyjściu była znormalizowana, czyli wynosiła 1,0. W układzie praktycznym może więc tych tłumików nie być.
Modulator cyfrowy korzysta z tablicy zawierającej jeden okres nośnej sinusoidalnej. Ponieważ mamy do czynienia z przesunięciami fazy o wielokrotność π/2, ilość próbek w tablicy musi być podzielna przez 4. Pierwszym krokiem pracy jest pobranie pary bitów ze źródła danych. Następnie określamy jedno z 4 przesunięć fazy odpowiadających tej parze. Istnieją 24 (4!) możliwe przyporządkowania przesunięć. O ile wszystkie 4 pary występują w danych tak samo często, oraz kolejne pary nie są ze sobą skorelowane, wybór konkretnego z 24 przyporządkowań nie wpływa na jakość transmisji. Oczywiście odbiornik i nadajnik muszą używać tego samego przyporządkowania.
Po określeniu przesunięcia fazowego, należy je przeliczyć na przesunięcie wyrażone w próbkach tablicy z falą nośną. Kolejne przesunięcia o 90° odpowiadają próbkom: 0, N/4, N/2 i 3N/4, gdzie N to ilość próbek odpowiadających jednemu okresowi nośnej. Teraz widać, dlaczego liczba próbek przypadających na jeden okres fali nośnej powinna być podzielna przez 4.
Ostatnim krokiem jest wygenerowanie na wyjściu jednego okresu nośnej z wyliczonym wcześniej przesunięciem w próbkach. Jeżeli tablica nośnej zawiera 1 jej okres, pojawi się problem wyjścia poza koniec tablicy, w przypadku, kiedy przesunięcie fazy jest różne od zera. Problem ten można rozwiązać na dwa sposoby. Pierwszy jest szybszy, ale wymaga więcej pamięci. Wydłużamy tablicę nośnej tak aby zawierała 1 3/4 okresu nośnej. Wtedy przy dowolnym z 4 symetrycznych przesunięć fazy nie nastąpi wyjście poza tablicę. Drugie rozwiązanie nie wymaga wydłużania tablicy nośnej. W tym rozwiązaniu indeks tablicy przed użyciem poddajemy operacji modulo N (reszta z dzielenia przez N). To powoduje, że indeksy większe od N zostają niejako „zawinięte” na początek tablicy.
Konstelacja sygnałowa modulacji QPSK zawiera cztery punkty odpowiadające czterem możliwym dwójkom bitów przesyłanym w jednym okresie fali nośnej. Punkty są rozmieszczone symetrycznie na okręgu, którego promień równy jest amplitudzie sygnału. Na rysunku po lewej kolorem zielonym oznaczono położenie punktów sygnałowych dla modulatora analogowego. Ponieważ modulator ten sumuje ze sobą sygnały sinusoidalne o fazach będących wielokrotnością 90°, wypadkowe punkty znajdują się na kole obrócone o kąt 45° w stosunku do osi układu współrzędnych. W modulatorze cyfrowym można użyć przesunięć będących wielokrotnością 90°, odpowiada to czerwonym punktom na rysunku. Obrócenie całej konstelacji o dowolny kąt wokół środka układu współrzędnych nie zmienia w niczym właściwości modulacji.
W porównaniu do modulacji BPSK, odległości między sąsiednimi punktami konstelacji są mniejsze. Można się więc spodziewać, że odporność tej modulacji na szum i zakłócenia będzie gorsza, niż BPSK. Jest to cena jaką płacimy za dwukrotne zwiększenie szybkości transmisji przy tej samej częstotliwości nośnej.
S. Haykin, Systemy telekomunikacyjne, t. 2, rozdział 8.13.
Strona o cyfrowych modulacjach fazowych na Wikipedii (po angielsku).