數(shù)字調(diào)制方案：本系列的第一部分展示了SNR和帶寬的限制如何限制使用脈沖幅度來(lái)傳輸位信息的通信系統(tǒng)的位容量。作為編碼數(shù)字位的一種方式，脈沖幅度是當(dāng)今數(shù)字通信系統(tǒng)中使用的眾多調(diào)制方案之一;每個(gè)都有優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。我們?cè)谙旅娑x了一些更常見(jiàn)的調(diào)制類型，重點(diǎn)介紹了它們的基本原理，并指出了影響性能的典型元件規(guī)格。第12頁(yè)列出的教科書(shū)可以對(duì)這些調(diào)制方案提供更完整的描述。

PAM 脈沖幅度調(diào)制：（前面討論過(guò)）以沿通道發(fā)送的脈沖流的幅度對(duì)位值進(jìn)行編碼。所需的理論帶寬（以Hz為單位）至少是符號(hào)速率的1/2;實(shí)際實(shí)現(xiàn)使用的帶寬比這更多。PAM通常是一種基帶調(diào)制方案：它產(chǎn)生的信號(hào)頻譜內(nèi)容以直流為中心。最簡(jiǎn)單的情況是，每個(gè)符號(hào)表示單個(gè)位的存在與否，稱為脈沖編碼調(diào)制。

由于位值以信號(hào)幅度編碼，因此信號(hào)路徑中分量的增益和失調(diào)會(huì)影響系統(tǒng)性能。使用兩個(gè)以上電平的高階調(diào)制方案將需要系統(tǒng)組件中相應(yīng)的更好的幅度精度。應(yīng)控制失調(diào)，它可以將信號(hào)從適當(dāng)?shù)碾娖介撝灯疲瑥亩a(chǎn)生在存在噪聲的情況下誤解位高（或低）的偏向傾向。組件的帶寬也是一個(gè)重要的考慮因素。如前所述，有限的帶寬會(huì)產(chǎn)生不希望的碼間干擾。濾波可用于仔細(xì)控制傳輸信號(hào)的帶寬，但信號(hào)處理組件不應(yīng)無(wú)意中限制帶寬。通常，組件應(yīng)具有足夠的帶寬，以便通道本身成為頻帶限制因素，而不是信號(hào)處理電路。

AM幅度調(diào)制：與PAM密切相關(guān)，直接AM通過(guò)改變指定頻率的固定頻率載波（通常是正弦波）的幅度來(lái)表示傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，fC.從概念上講，這可以通過(guò)采用基本的PAM信號(hào)，限制頻帶以減少諧波含量，并將其乘以固定頻率的載波來(lái)產(chǎn)生，fC.結(jié)果是一個(gè)以載波頻率為中心的雙邊帶信號(hào)，帶寬是帶限PAM信號(hào)的兩倍。

與PAM情況一樣，必須選擇信號(hào)鏈中的組件，以保持以載波頻率為中心的頻帶內(nèi)的幅度完整性。fC.在這種情況下，可以根據(jù)模擬元件的線性度、THD（總諧波失真）或SFDR（無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍）性能進(jìn)行評(píng)估fC.對(duì)于具有許多不同幅度電平的多位符號(hào)，噪聲可能是元件規(guī)格中的一個(gè)重要考慮因素。

FM/FSK 頻率調(diào)制/頻移鍵控：我們已經(jīng)證明，幅度調(diào)制方案（包括 PAM）對(duì)電壓噪聲和失真非常敏感?；蛘?，信息可以按照發(fā)送的正弦波的頻率進(jìn)行編碼，這樣信號(hào)衰減或其他基于幅度的干擾就不會(huì)破壞恢復(fù)的數(shù)據(jù)（與AM相比，F(xiàn)M收音機(jī)的抗靜電性和信號(hào)衰減是眾所周知的模擬示例;類似的原理適用于數(shù)字傳輸）。在每符號(hào)一位的簡(jiǎn)單二進(jìn)制情況下，傳輸?shù)男盘?hào)將在頻率之間移動(dòng)f0（“0”） 和f1，（“1”），在平均值或載波頻移鍵控 （FSK） 的兩側(cè)。需要注意的是，傳輸?shù)男盘?hào)帶寬實(shí)際上分布在更大的帶寬上，而不僅僅是f之間的跨度。0和 f1，因?yàn)閮蓚€(gè)頻率之間的轉(zhuǎn)換速度會(huì)產(chǎn)生額外的頻譜內(nèi)容。為了簡(jiǎn)化接收器設(shè)計(jì)，希望符號(hào)速率大大小于f0和 f1;這使得頻率的變化更容易檢測(cè)。

頻率調(diào)制顯著降低了對(duì)信號(hào)路徑中幅度誤差的敏感性。由于所有有用的信息都保存在頻域中，因此許多FSK接收器具有限幅器，這是一種高增益電路，旨在將可變幅度正弦信號(hào)轉(zhuǎn)換為更接近恒定幅度的方波，使電路對(duì)元件非線性脫敏，并使后續(xù)處理電路更容易檢測(cè)信號(hào)的頻率（即使計(jì)算給定時(shí)間間隔內(nèi)的交叉）。信號(hào)帶寬至少與AM一樣重要：碼間干擾仍然是由于處理帶寬不足造成的。由于必須處理載波頻率，因此所需的帶寬可能明顯大于相同數(shù)據(jù)的PAM調(diào)制。這些系統(tǒng)通常對(duì)時(shí)序誤差（如抖動(dòng)）比對(duì)電壓噪聲更敏感。

PM/QPSK相位調(diào)制/正交相移鍵控：相位和頻率在數(shù)學(xué)上密切相關(guān);事實(shí)上，相位是頻率的積分（例如，加倍頻率導(dǎo)致相位以原始速率的兩倍累積）。在PM中，信號(hào)以固定頻率載波信號(hào)的相位編碼，fc.這可以通過(guò)直接數(shù)字頻率合成器（DDS）來(lái)實(shí)現(xiàn)，該頻率合成器產(chǎn)生數(shù)字正弦波，其相位由控制字調(diào)制。D/A轉(zhuǎn)換器將正弦波恢復(fù)為模擬波以進(jìn)行傳輸。

如何推導(dǎo)2位相位調(diào)制符號(hào)的另一個(gè)例子是，在相同頻率下有兩個(gè)相等的正弦分量：同相（I）和正交（Q），相距90°，每個(gè)代表數(shù)字“1”（如果非反相），“0”如果反相（偏移180°）。當(dāng)將它們相加時(shí)，它們的總和是具有 4 個(gè)獨(dú)特相位的相同頻率的單個(gè)波，相距 90°（即 45°、135°、225° 和 315°），對(duì)應(yīng)于 I 波和 Q 波的相位。圖1是“單位圓”或“衛(wèi)星”圖，以圖形方式表示這些組合。體現(xiàn)這種相位調(diào)制原理的系統(tǒng)通常被稱為正交相移鍵控（QPSK）。與FM一樣，發(fā)射頻譜的帶寬與符號(hào)速率之間的關(guān)系相當(dāng)復(fù)雜。相位調(diào)制有幾種變體，包括DQPSK（差分QPSK）。這些類型的調(diào)制方案在蜂窩電話等困難環(huán)境中很受歡迎，因?yàn)樵诖嬖谠肼暫?a href="http://www.delux-kingway.cn/tags/功率放大器/" target="_blank">功率放大器引入的失真的情況下可以保持相位信息。

圖1.2 位 QPSK 相位。

與FSK一樣，PSK系統(tǒng)的組件通常根據(jù)帶寬和其他頻域規(guī)格進(jìn)行選擇。限幅器可用于消除幅度噪聲。包括抖動(dòng)在內(nèi)的時(shí)序誤差實(shí)際上變成了“相位噪聲”，使得正確解釋接收到的信號(hào)變得更加困難。調(diào)制器/解調(diào)器單元可以正交排列方式實(shí)現(xiàn)，其中I和Q分量通過(guò)信號(hào)鏈的一部分分開(kāi)并單獨(dú)處理。在這里，I和Q路徑之間的幅度和相位匹配是重要的規(guī)格，因?yàn)槿魏问涠加成涞接行辔徽`差。

QAM 正交幅度調(diào)制：回到圖 1，即 QPSK 系統(tǒng)中載波四個(gè)不同相位的表示，請(qǐng)注意，每個(gè)相位還有一個(gè)幅度，即 I 和 Q 幅度的矢量和;由于振幅相等，因此向量和的振幅相等。如果進(jìn)一步量化每個(gè)符號(hào)的比特，而不是只有I和Q的兩個(gè)電平，則可以傳輸更多的比特;然后，通過(guò)將不同數(shù)量的正弦（I 軸）和余弦（Q 軸）相加，矢量和的組合將調(diào)制幅度和相位。圖2a顯示了使用I和Q的2位量化在每個(gè)符號(hào)中實(shí)現(xiàn)載波的16種唯一狀態(tài)，允許每個(gè)符號(hào)傳輸4位。這種調(diào)制可以通過(guò)直接使用直接數(shù)字合成等方式改變所生成載波的相位和幅度來(lái)產(chǎn)生。更常見(jiàn)的是，調(diào)幅I和Q（正弦和余弦）版本的載波組合在一起。

因此，術(shù)語(yǔ)正交幅度調(diào)制（QAM）：載波的兩個(gè)正交版本分別進(jìn)行幅度調(diào)制，然后組合形成幅度和相位調(diào)制結(jié)果。圖2a中的曲線顯示了I和Q的各種可能組合，被稱為“星座”。請(qǐng)注意，從概念上講，非常大的星座可用于表示每個(gè)符號(hào)的許多位，所需的帶寬類似于相同符號(hào)速率的簡(jiǎn)單QPSK。星座的點(diǎn)代表發(fā)射信號(hào)和接收信號(hào)的期望值;但噪聲或失真會(huì)使接收到的信號(hào)偏離其理想位置;如果誤差很大，它可能會(huì)被誤解為不同的星座點(diǎn)。

圖2a和2b將16點(diǎn)星座（2位I和Q）與64點(diǎn)星座（3位I和Q）進(jìn)行了比較。在相似的發(fā)射功率水平下，6位情況的星座點(diǎn)是其兩倍，因此“誤差閾值”是1/2，對(duì)于給定的誤碼率，需要6 dB（大約）更好的信噪比。該表顯示了各種尺寸的QAM星座的典型SNR要求，以實(shí)現(xiàn)10-7誤碼率。請(qǐng)注意，二進(jìn)制I和Q信息可以編碼[例如，格雷碼]，以便代表相鄰或附近傳輸信號(hào)電平的點(diǎn)具有相似的位模式。這樣，將星座點(diǎn)誤解為它的鄰居之一只會(huì)損壞多位符號(hào)的 1 或 2 位。

圖2.QAM 星座。a） 4 位：2 位 1 和 2 位 Q。 b） 6 位：3 位 1 和 3 位 Q。

以下是為QAM信號(hào)處理選擇的組件的一些重要規(guī)格。帶寬應(yīng)足以處理載波頻率，加上頻帶內(nèi)足夠的頻率以避免引入碼間干擾。載波頻率下的總諧波失真（THD）是一個(gè)重要的考慮因素，因?yàn)槭д嫱鶗?huì)破壞載波中的幅度信息。應(yīng)盡量減少抖動(dòng)，以確?？梢哉_恢復(fù)相位信息。I和Q處理模塊之間的幅度和相位匹配非常重要。最后，噪聲（量化和熱）可能是一個(gè)重要的考慮因素，特別是對(duì)于高階星座。在可行的情況下，應(yīng)選擇組件，以確保通道本身是系統(tǒng)的噪聲限制部分，而不是信號(hào)處理系統(tǒng)的組件。QAM可用于為每個(gè)符號(hào)傳輸許多位，但代價(jià)是增加了對(duì)通信通道和信號(hào)處理組件中非理想性的敏感性。

這提供了對(duì)基本調(diào)制方案的快速回顧。這些方法的許多變化、組合和增強(qiáng)旨在處理特定應(yīng)用的特點(diǎn)和各種傳輸技術(shù)的缺點(diǎn)。它們?cè)陬l譜效率、魯棒性和實(shí)施成本之間提供了權(quán)衡。

審核編輯：郭婷