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什么是調(diào)制呢?什么是載波調(diào)制呢?

射頻微波研究院 ? 來源:射頻學(xué)堂 ? 2023-06-28 18:20 ? 次閱讀

最近在做一期電磁波是怎么傳遞信號的文章,發(fā)現(xiàn)越來越多的基礎(chǔ)知識需要去挖掘。在前面幾期的文章中,我們學(xué)習(xí)了電磁波的基礎(chǔ)知識,也復(fù)習(xí)了最基礎(chǔ)的三種調(diào)制方式。但是這邊還有兩路I/Q信號,怎么解釋射頻收發(fā)系統(tǒng)中的這個I/Q信號呢?這就要繼續(xù)介紹今天的這種調(diào)試方案——QAM調(diào)制。

什么是調(diào)制呢?

調(diào)制就是把信號形式轉(zhuǎn)換成適合在信道中傳輸?shù)囊粋€過程??煞譃榛鶐д{(diào)制和載波調(diào)制。我們這里所說的調(diào)制都是載波調(diào)制。

什么是載波調(diào)制呢?

就是把調(diào)制信號騎到載波上,方法就是用調(diào)制信號去控制載波的參數(shù),使載波的一個參數(shù)或者幾個參數(shù)按照調(diào)制信號的規(guī)律變化。

載波調(diào)制根據(jù)調(diào)制信號的類型,又可以分為模擬調(diào)制和數(shù)字調(diào)制。

如果調(diào)制信號是連續(xù)的模擬信號的話,這樣的調(diào)制就是模擬調(diào)制,我們在文章《信號調(diào)制,這樣是不是就懂了?》介紹的三種最基本的調(diào)制方式:AM,F(xiàn)M和PM都是模擬調(diào)制的一類。

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通過這一個操作,就可以讓信號搭上載波的快速列車,然后傳輸出去。經(jīng)過調(diào)制的信號,稱為已調(diào)信號,在接收端可以通過解調(diào)的方式把信號恢復(fù)出來。

調(diào)幅和調(diào)頻都比較容易理解,一個是幅度的變化,一個是頻率的變化。那怎么又多出來一個QAM呢?

AM既然是調(diào)幅,前面的那個Q是什么呢?Quadrature,正交的意思,QAM就是正交幅度調(diào)制。在通信這個學(xué)科里面,正交是指這兩個信號有90°的相位差。也就是在QAM里面,既有相位調(diào)制,又有幅度調(diào)制。這一改還不得了,不僅有4QAM,8QAM,16QAM..... 甚至還有1024QAM。一下子就把調(diào)制的信息翻了好多倍,牛x的不得了了。

QAM的原理是什么呢?

我們從一個最簡單的信號說起。

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按照三角函數(shù)公式展開就是

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這樣就把信號s(t)展開成了兩個相位相差90°的正交信號的和,這個兩個正交信號分量就是In-phase 信號和Quadrature信號,

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這兩個正交分量如下圖所示,相位相差90°。

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這兩路正交信號呢,經(jīng)過DA變換器之后,就來到了我們模擬通道,我們需要對這兩個信號分別進(jìn)行調(diào)制,讓這兩個信號都搭上射頻載波的高速列車。模擬部分對QAM的處理并不復(fù)雜,I /Q 信號可以共用一個頻率源LO,然后通過混頻器直接上變頻即可,只是在Q通道,本振信號需要90°的相移,以匹配Q(t)正交特性。

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所以呢,對于QAM載波調(diào)制,從原理圖上可以看出,我們僅需要分別對I(t)和Q(t)進(jìn)行混頻即可,然后合路成一路信號S(t)進(jìn)入到射頻通道的另一個環(huán)節(jié)。所以對于模擬信號的QAM調(diào)制,也就是這么個回事。

數(shù)字信號QAM調(diào)制

既然說到數(shù)字調(diào)制,那我們就簡單復(fù)習(xí)一下數(shù)字調(diào)制的三種基本方式:振幅鍵控ASK,頻移鍵控FSK和相移鍵控PSK。

振幅鍵控ASK,類似于模擬調(diào)制中的AM,即用01 高低電平來調(diào)制載波信號的振幅。

頻移鍵控FSK,類似于模擬調(diào)制中的FM,即用01電平去調(diào)制載波信號的頻率;

相移鍵控PSK,也就是用01電平去調(diào)制載波信號的相位。

下圖給出了數(shù)字調(diào)制的三種基本調(diào)制的已調(diào)信號波形。

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QAM正交幅度調(diào)制來到數(shù)字調(diào)制這里就活躍起來了,既然主信號分成了 I 、Q 兩路信號,每個信號分量都有其各自的幅度和相位。那變化的花樣可就多了。什么16QAM,64QAM,256QAM,wifi7 現(xiàn)在玩到了4kQAM,即4096-QAM,牛叉的不要不要的。

為什么m-QAM這個m越大越牛叉呢?

在數(shù)字信號中,我們引入了一個比特 bit 的概念,這個比特就是比特幣的比特,代號是B,好貴啊,1 比特幣現(xiàn)在值15萬元, OMG。

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數(shù)字信號的BIT就是二進(jìn)制數(shù)字中0和1的位,信息量的度量單位,為信息量的最小單位。二進(jìn)制數(shù)的一位所包含的信息就是一比特,如二進(jìn)制數(shù)0100就是4比特。一個比特位里面可以含2個信息(0或者1),4比特就可以包含2^4 個信息。所以比特位越多,所能傳輸?shù)男畔⒘烤驮酱?。所以從理論上來說,m-QAM中的m越大,所能傳輸?shù)男畔⒘烤驮酱螅瑐鬏斔俾室簿驮娇?。所以呢最新的wifi7標(biāo)準(zhǔn)直接干到了4k-QAM,一個信號包含12個bit位。

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QAM是怎么實(shí)現(xiàn)的呢?

我們回到上文QAM的原理部分,繼續(xù)刷數(shù)學(xué)公式。

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上式中的I(t)和Q(t)信號的幅度提出來玩一下:

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這兩個正交分量的幅度AI 和AQ 又是一組正交的函數(shù)。我們可以取多個不同的A和Φ,來得到多組不同的I(t)和Q(t)信號,也就是可以完成主信號 S(t)的多種調(diào)制。

若A值取±A,Φ值取±90°,這就有四組不同的組合,也就是4-QAM調(diào)制,也就是QPSK。同理,通過A和Φ的不同組合,就可以得到16-QAM,甚至64-QAM,甚至更多。

為了更好的理解,我們引入了星座圖的概念,下面這個動圖,生動的展示了16-QAM調(diào)制的幅度和相位選值以及其對應(yīng)的二進(jìn)制碼元:Amp 就是A的選值,Phase 就是上式中的相位Φ的選值。

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每個點(diǎn)對應(yīng)的波形圖可以參考下圖所示。

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星座圖比較直觀地展示了m-QAM的信號矢量信息。更大的m,只需要更多的點(diǎn)來表示即可。下圖給出了Wifi5 的256-QAM和wifi6的1024-QAM 星座圖。

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QAM信號是怎么產(chǎn)生的呢?

常用的方法有兩種:正交調(diào)幅法和復(fù)合相移法

以16-QAM調(diào)制為例,正交調(diào)幅法就是用兩路獨(dú)立的正交4ASK信號疊加,形成16QAM信號。

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而復(fù)合相移法就是用兩路獨(dú)立的QPSK信號疊加,形成16QAM信號。下圖中紅圈上的四個點(diǎn)表示第一個QPSK的信號矢量的位置,在這四個位置上,可以疊加第二個QPSK矢量,下圖藍(lán)色圈上的四個點(diǎn)。

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到這,對于QAM調(diào)制的基本原理,相信大家都有了一個初印象。那是不是就可以直接搞更大的QAM,不僅上4k,還有8k,不是QAM的m越大,無線通信系統(tǒng)的數(shù)據(jù)速率和頻譜效率會越高嗎?但是事情往往有兩面性,QAM調(diào)制的m越大,對噪聲和干擾的要求也就越高。

Wifi這種室內(nèi)短距應(yīng)用,噪聲條件比較理想,更高階的QAM還有發(fā)揮的空間,但是對于移動無線通信,室外噪聲環(huán)境極其惡劣,更高階的QAM,挑戰(zhàn)極其大。所以現(xiàn)在的5G通信,256QAM是一個比較折中的調(diào)制方式。




審核編輯:劉清

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原文標(biāo)題:終于把 QAM 搞清楚了?。?!

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