各种数字调制方法对比

调制是所有无线通信的基础，调制是一个将数据传送到无线电载波上用于发射的过程。

如今的大多数无线传输都是数字过程，并且可用的频谱有限，因此调制方式变得前所未有地重要。

如今的调制的主要目的是将尽可能多的数据压缩到最少的频谱中。

此目标被称为频谱效率，量度数据在分配的带宽中传输的速度。

此度量的单位是比特每秒每赫兹（b/s/Hz）。

现在已现出现了多种用来实现和提高频谱效率的技术。

幅移键控（ASK）和频移键控（FSK）调制正弦无线电载波有三种基本方法：更改振幅、频率或相位。

比较先进的方法则通过整合两个或者更多这些方法的变体来提高频谱效率。

如今，这些基本的调制方式仍在数字信号领域中使用。

图1显示了二进制零的基本串行数字信号和用于发射的信号以及经过调制后的相应AM和FM信号。

有两种AM信号：开关调制（OOK）和幅移键控（ASK）。

在图1a中 ,载波振幅在两个振幅级之间变化，从而产生ASK调制。

在图1b中，二进制信号关断和导通载波，从而产生OOK调制。

图1:三种基本的数字调制方式仍在低数据速率短距离无线应用中相当流行：幅移键控（a）、开关键控（b）和频移键控（c）。

在载波零交叉点发生二进制状态变化时，这些波形是相干的。

AM在与调制信号的最高频率含量相等的载波频率之上和之下产生边带。

所需的带宽是最高频率含量的两倍，包括二进制脉冲调制信号的谐波。

频移键控（FSK）使载波在两个不同的频率（称为标记频率和空间频率，即fm和fs）之间变换（图1c）。

FM会在载波频率之上和之下产生多个边带频率。

产生的带宽是最高调制频率（包含谐波和调制指数）的函数，即：m = Δf（T）Δf是标记频率与空间频率之间的频率偏移，或者：Δf = fs –fmT是数据的时间间隔或者数据速率的倒数（1/bit/s）。

M的值越小，产生的边带越少。

流行的FSK版本是最小频移键控（MSK），这种调制方式指定m = 0.5.还使用m = 0.3等更小的值。

接下来我们讨论两种进一步提高ASK和FSK的频谱效率的方法。

第一个方法是选择数据速率、载波频率和移频，以便发生二进制状态变化时，正弦载波不会出现不连续。

这些不连续性会产生短时脉冲波干扰，这种干扰会增加谐波含量和带宽。

这里的思路是使二进制数据的停止和开始时间与正弦载波在零交叉点出现振幅或频率变化的时间同步。

这称为连续相或相干操作。

与非相干信号相比，相干ASK/OOK和相干FSK的谐波较少，带宽较窄。

第二种方法是在调制之前对数据进行滤波。

这种方法可以对信号进行修整，从而延长上升时间和下降时间，减少谐波含量。

特别的高斯滤波器和升余弦低通滤波器的用途就在于此。

GSM蜂窝电话广泛使用了一种流行的整合方案，即高斯滤波MSK（GMSK），这种方案可以在200kHz信道中实现270kbps的数据速率。

二进制相移键控（BPSK）和正交相移键控（QPSK）二进制相移键控（BPSK）是一种非常流行的数字调制方式，该调制方式是在发生每一个二进制状态变化时将正弦载波进行180°的相移（图2）。

BPSK在零交叉点出现相变时是相干的。

BPSK的正确解调需要信号与相同相位的正弦载波进行对比。

这涉及到载波恢复和其他的复杂电路。

图2:在二进制相移键控中，请注意二进制0的相位是怎样为0°，而二进制1的相位是怎样为180°的。

当二进制状态发生变换时，相位发生变化，因此信号是相关的。

差分BPSK或DPSK是比较简单的调制方式，这两种调制试试会将接收到的比特相位与以前的比特信号的相位进行对比。

BPSK是频谱效率极高的一种调制方式，你可以以与带宽（即1bit/Hz）相等的数据速率传送数据。

正交PSK（QPSK）是BPSK的一种比较流行的变体，在该方式中，调制器产生两个相移为90°的正弦载波。

二进制数据对每个相位进行调制，从而产生四个相移为45°的唯一的正弦信号。

两个相位叠加在一起，产生最终的信号。

每一对唯一的比特都产生具有不同相位的载波（表1）。

表1图3a通过相量图描述了QPSK,图中的相量表示载波正弦振幅峰值，及其位置表示相位。

图3b中的星座图显示了同样的信息。

由于每一个载波相位都表示两比特数据，因此QPSK是一种频谱效率极极高的调制方式。

其频谱效率为2bit/Hz,这是同一带宽中BPSK能够实现的数据速率的两倍。

图3:可以不使用时域波形来表示调制方式。

比如，QPSK可以用相量图（a）或者星座图（b）表示，这两种图都表示相位和振幅的大小。

数据速率和波特率理论上的最大数据速率或信道容量（C）（单位为bits/s）是信道带宽（B）信道（单位为Hz）和信噪比（SNR）的函数：C = B log2 （1 + SNR）这就是所谓的香农-哈特雷定律。

最大数据速率与带宽成正比，与SNR成对数比。

在误码率（BER）一定的情况下，噪声会大幅降低数据速率。

另一个关键因素是波特率，即每秒传送的调制符号数。

调制符号这个术语是指正弦载波信号的一种具体状态。

它可以是振幅、频率、相位或者这些参数的某种形式的组合。

基本的二进制传输模式采用每个符号一比特的机制。

在ASK调制方式中，二进制0表示一个振幅，二进制1表示另外一个振幅。

在FSK调制方式中，二进制0表示一个载波频率，二进制1表示另一个载波频率。

在BPSK调制方式中，二进制0表示0°相移，二进制1表示180°相移。

以上的每一种调制方式都采用每个符号一比特的机制。

数据速率（单位为bits/s）按比特时间（tb）的倒数计：bits/s = 1/ tb采用每比特一个符号的机制时，波特率与比特率相同。

不过，如果每个符号传输多个比特，波特率就会降至比特率的每个符号的比特数分之一。

比如，如果按每个符号2比特传输，波特率即为比特率的二分之一。

举例来讲，采用QPSK调制方式时，70Mb/s的数据流是以35个符号/秒的波特率传输的。

多相移键控（M-PSK）在QPSK调制方式下，每个符号为2比特，其频谱效率极高。

由于有四种振幅相位组合，因此QPSK也称为4-PSK.通过使用较小的相移，每个符号可以传输更多比特。

8-PSK和16-PSK是比较常用的调制方式。

8-PSK采用八个符号，这些符号之间存在45°的等幅载波相移，从而可以实现每个符号传输三比特。

16-PSK采用22.5°的等幅载波信号相移。

该方案可以实现每个符号传输4比特。

虽然多相移键控（M-PSK）的频谱效率较高，但是小相移数越大，在有噪声的环境下解调信号就越难。

M-PSK的优势在于等幅载波可以使用效率更高的非线性功放。

正交调幅（QAM）创建具有某种振幅和相位组合的符号可以进一步增加每个符号传输的比特数。

这种方法称为正交调幅（QAM）。

比如，8QAM使用四种载波相位和两个振幅级来实现每个符号传输3比特。

其他流行的调制方式包括16QAM、64QAM和256QAM,这三种调制方式每个符号分别传输4、6和8比特。

图4:16QAM同时使用振幅和相位来实现4bit/Hz的频谱效率。

在此示例中，有三个幅移和12个相移。

虽然QAM的频谱效率极高，但是在有噪声的情况下解调信号的难度也更大，其振幅变化往往是随机的。

此外还需要线性功放。

QAM在有线电视、Wi-Fi无线局域网（LAN）、卫星和蜂窝电话系统中使用相当广泛，它可以在带宽有限的情况下产生最高的数据速率。

幅相键控（APSK）幅相键控（APSK）是一种从M-PSK和QAM演变而来的调制方式，这种调制方式是随着更高级QAM的需求的出现应运而生的。

更高级别的QAM（比如16QAM和更高）具有很多不同的振幅级和相移。

这些振幅级更容易受噪声影响。

此外，这些多个振幅级需要线性功放（PA），而线性功放的效率要比非线性功放（比如C类功放）低。

振幅级数越少，或者振幅级差越小，在PA的非线性区工作的可能性就越大，从而提高功率水平。

APSK使用更少的振幅级。

这种调制方式基本上将符号排列到两个或更多恒定相位差为θ的同心环中。

例如，16APSK采用双环PSK格式（图5）。

此调制方式称为4-12 16APSK,中心环有四个字符，外环有12个字符。

图5:16APSK使用两个振幅级A1和A2以及16个偏移为θ的不同相位位置。

此调制技术已广泛用于卫星领域。

采用两个振幅级差较小的振幅级时，可使放大器在更加靠近非线性区的位置工作，从而提高效率和功率输出。

由于APSK非常适合使用普遍使用的行波管（TWT）功放，因此APSK主要用在卫星应用中。

正交频分复用（OFDM）正交频分复用（OFDM）通过整合调制技术和复用技术来提高频谱效率。

传输信道被分成许多较小的子信道或子载波。

选择副载波频率和间距时需使它们成正交关系。

这样，其光谱就不会互相干扰，因此就不需要防护频带（图6）。

图6:在IEEE 802.11n Wi-Fi标准的OFDM信号中，56个副载波在20MHz信道中的间隔为312.5kHz.使用64QAM调制方式时，可以实现300Mbps的数据速率。

要传输的串行数字数据被分成数据速率较低的并行信道。

然后这些数据速率较低的信号被用来调制每一个副载波。

BPSK、QPSK和几种级别的QAM是最常见的调制方式。

802.11n标准对BPSK、QPSK、16QAM和64QAM进行了定义。

64QAM可以实现高达300Mbps左右的数据速率。

只有数字信号处理（DSP）技术会产生复杂的调制过程。

反向快速傅立叶变换（IFFT）产生用于传输的信号。

FFT过程会恢复接收器端的信号。

OFDM的频谱效率相当高。

该效率取决于副载波数和调制方式，不过它可以高达30bit/s/Hz.由于高带宽，这种调制方式通常会占用大量副载波，由于衰减、多路反射以及UHF和微波无线电信号传播中常见的类似效应，这种调制方式还不容易出现丢失信号的情况。

当前，OFDM是使用最为广泛的数字调制方式。

这种调制方式的应用范围包括Wi-Fi LAN、WiMAX宽带无线网络、长期演进（LTE） 4G蜂窝系统、数字用户线路（DSL）系统和大多数电力线通信（PLC）应用。

频谱效率的确定频谱效率是在分配的带宽中数据的传输速率的量度，其单位为bit/s/Hz（b/s/Hz）。

每一种调制方式都有其理论最高频谱效率（表2）。

表2SNR是影响频谱效率的另一个重要因素。

该因素还可以用载波噪声功率比（CNR）来表示。

此量度是针对给定CNR值的BER.BER是在给定的传输比特数中出错的比例。

由于与信号级相比，噪声变得更大，因此会出现更多错误。

有些调制方式不易受噪声影响。

ASK/OOK和QAM等振幅调制方式极易受噪声影响，因此对于给定的调制而言，这些调制方式的BER较高。

相位和频率调制（BPSK和FSK等）在有噪声的环境中具有更好的表现，因此对于给定的噪声级，这些调制方式需要的信号功率较少。