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原创 调幅、调频、调相 与 I/Q 调制有什么区别? #W0010

2017-7-31 08:24 2435 2 2 分类: 通信

无线通信是现在应用最为广泛的通信技术之一,其核心是把要传输的数据调制在载波上发射出去,载波状态的变化承载了不同的信息。


如下图所示,载波信号的状态变化可以分为幅度变化、频率变化以及相位变化,因此对应的就有AM(Amplitude Modulation)或ASK(Amplitude Shift Keying)调制、FM(Frequency Modulation)或FSK(Frequency Shift Keying)调制、PM(Phase Modulation)或PSK(Phase Shift Keying)调制,更复杂的调制中可能同时会改变1个以上的状态量,比如同时改变幅度和相位。早期的无线通信技术中是把模拟量(如语音信息)直接调制在载波上,传输过程中信噪比的恶化会造成传输信息的严重失真。

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现代的无线通信都普遍采用数字调制技术,即把数字化后的信息调制到载波上。这样只要信噪比的恶化控制在一定程度以内,就可以大大减小接收端的误判。再加上数字信号可以采用大量的信号编码和纠错技术,使得数字调制成为了现代无线通信的绝对主流技术。


在数字移动通信、无线网络、卫星通信等应用中,为了提高频谱利用效率,普遍采用I/Q调制技术来实现数字调制。

I/Q调制技术是把要传输的数字信息分为I(In-phase component)支路和Q(Quadrature component)支路,通过I/Q调制器(I/Q Modulator)分别改变载波信号及正交信号(相对于载波信号有90度相位差)的幅度,然后再合成在一起。I/Q调制技术通过控制加载在I路和Q路信号载波上的不同幅度,就可以控制合成后载波信号的幅度以及相位的变化,从而可以承载更多信息。这种调制方式具有实现简单、调制方式灵活、频谱利用效率高等特点,因此在现代移动通信技术中广泛使用。下图是Linear公司的一款I/Q调制器产品(参考资料:www.linear.com)。

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I/Q调制可以控制合成后载波信号的幅度以及相位状态,并用不同的状态代表不同的数据含义。每次信号变化可以表示的状态越多,调制越复杂,但同时每个状态可以表示更多的数据bit,从而在有限的状态跳变速度下可以承载更多的信息内容。为了更好地对载波在某个时刻的幅度和相位信息进行描述,通常用如下图所示的极坐标的方式,其相位的变化可以表示为在极坐标上的旋转,其幅度的变化可以表示为其离原点的距离。

对于数字调制来说,采用的是离散的数字量来控制载波相位和幅度的变化,因此其在极坐标上的状态表示为一个个离散的点,这些点根据不同的调制方式而组成不同的图案,这些图案有时又称为星座图(Constellation)。

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比如,对于BPSK(Binary Phase Shift Keying:二进制相移键控)的调制方式来说,采用相差180度的两个相位状态进行数据的传输,在星座图上就表示为两个相位差180度的点;对于QPSK(Quadrature Phase Shift Keying:四相移键控)的调制方式来说,采用相差90度的四个相位状态进行数据的传输,在星座图上就表示为四个相位差90度的点;而对于16QAM(16-state Quadrature Amplitude Modulation:16状态幅相调制)的调制方式来说,则除了改变载波相位,还会改变载波的幅度,共使用了16个不同的状态进行数据的传输,其在星座图上就表示为16个不同幅度和相位的点。


一般情况下,我们把信号在星座图上每个状态承载的数据内容叫做1个符号(Symbol),每个符号对应星座图上的一个状态,不同状态间的变化速率就叫做符号速率(Symbol Rate),有时又称为波特率(Baud Rate)。


在采用I/Q调制的发射机里,要提高信号的传输速率,主要有两种方式:提高波特率或采用更复杂的调制方式。波特率越高,其在无线传输时的占用的频谱带宽越宽。而通常情况下在民用无线通信中,频谱资源是非常宝贵的,因此很多时候不可能使用非常高的波特率,除非开发新的频谱资源(比如在未来的5G移动通信中会考虑6GHz以及毫米波频段的频谱资源)或者频谱资源是独占的(比如在有些军用或者卫星通信中)。


如果波特率或者频谱带宽已经不能再提高了,要提高信号传输速率,就需要采用更复杂的调制方式。比如在前面的例子里,BPSK调制只有两个状态,每个状态可以传输1bit信息;QPSK调制有四个状态,每个状态可以传输2bit信息;而16QAM调制有16个状态,每个状态可以传输4bit信息。调制方式越复杂,则每个状态就可以传输更多的数据bit,单位带宽下的数据传输速率越高。但要注意的是,调制方式也不是能无限复杂的,调制方式越复杂,对于信噪比的要求也越高,如果信噪比不能提高而单方面采用更复杂的调制方式,则误码率可能会大到不可接受的程度。


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