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调制,调制,你知多少?

2023/06/23
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一个射频载波,有三个变量,分别为幅度,频率和相位。用公式表示,就是:

所以,所谓的调制,就是对这三个变量进行调制。

在模拟调制中,分别有AM,FM和PM。

在数字调制中,分别有ASK,FSK和PSK。

鉴于现在通信系统中,用到的基本都是数字调制,所以今天就来论论数字调制。

用数字化的基带信号,对载波的幅度进行调制,称为幅移键控(ASK,amplitude shift keying)。

比如有两个离散载波幅度,一个是满幅,即100%的振幅;一个是较低的幅度。如下图所示。

每个幅度,则表示一个符号。有两个离散幅度,所以可以表示两种状态,每个符号匹配一个比特。

使用两个以上的载波幅度,称为"M-ary" ASK。但在实际系统中,很少使用。

因为当载波幅度的个数增加时,幅度电平之间的距离减小,冗余性减小,容易产生误判。

用数字化的基带信号,对载波的频率进行调制,称为频移键控(FSK,frequency shift keying).

比如说,有两个频率,当要传输0时,使用频率f0,当要传输1时,使用频率f1。这就是FSK的最基本形式,称为BFSK。

使用多个频率的FSK,称为“M-ary”FSK。

比如8FSK,使用8个频率,可以表示8种状态,所以每种状态可以唯一的表示3个比特。

什么叫做唯一?

就是说,这三个比特的排列组合不会重复,分别为000,001,010,011,100,101,110,111。

8种状态,正好能把这2^3=8种二进制数的排列给穷尽了。

用数字化的基带信号,对载波的相位进行调制的方式,称为"PSK"。

比如说,有两个相位,分别是0度和180度,当要传输0时,使用相位0度,当要传输1时,使用相位180度。这就是PSK的最基本形式,称为BPSK。

使用多个相位的PSK,称为“M-ary”PSK。

比如通常所说的QPSK,就是4PSK,在这里,有4个相位状态。每个相位代表一个符号,每个符号传递2个比特。

因为4个相位状态,正好可以把2^2=4种二进制数的排列给穷尽了。

描述PSK调制信号时,通常使用星座图的形式。

星座图是极坐标图,即当一个点画到星座图上后,其角度即代表信号的相位,点到原点的距离,即是信号的幅度。

纯粹的PSK,具有恒定的幅度,在星座图上,就是都在同一个圆上。

ASK,FSK和PSK都可以通过增加调制的阶数,来提高吞吐率。

什么意思呢?

假设现在有50人,需要从一个地方到另一个地方。

那么显然,假设交通工具的时速是差不多的情况下,位置多的大巴,肯定比5个位置的小汽车,运力要大。大巴的阶数,就是要比小汽车的阶数大。

但是实际使用中,调制阶数也不能搞得太高。

对于ASK而言,调制阶数增加,幅度之间的距离减少,容易受噪声影响;

对于FSK而言,调制阶数增加,所要求的带宽也增加,而实际生活中,频率带宽是很贵的;

PSK也一样,虽然可能比ASK和FSK要好点,但是调制阶数增加的太多,符号间的距离减小,同样也会受噪声影响。

那怎么办呢?

于是,就有了同时调节两种变量的方法。如APSK,即amplitude ­and ­phase ­shift keying,同时对幅度和相位进行调制。

比如16APSK,增加了一个幅度电平,反映到星座图上,就是增加了一个圆,与原有的圆同心。

因为不同的符号,分布在不同的圆上,增加了符号之间的距离,如下图所示。

另外一种,同时对幅度和相位进行调制的调制方式,为QAM,即quadrature amplitude modulation.

QAM星座图上的符号,是以矩形形式排列的。

和APSK一样,星座图上的每一点,也代表了唯一的幅度和相位。

如下图所示的两种QAM星座图。

16QAM包括16种唯一的幅度和相位的结合,每种组合,代表4个比特。

64QAM包括64种唯一的幅度和相位的结合,每种组合,代表6个比特。

最后,来比较一下16PSK,16APSK,16QAM的星座图。

很明显,QAM符号间隔与16PSK,16APSK相比,分布更均匀,间隔也更远。

参考文献:

[1] Rohde&Schwarz White Paper,UNDERSTANDING EVM

 

 

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公众号加油射频工程师,分享工作和学习中,对射频知识的理解和感悟。