?信號(hào)為什么需要調(diào)制？常用調(diào)制有哪些？

調(diào)制是什么意思?

如今，大多數(shù)無(wú)線服務(wù)都在使用復(fù)雜的載波調(diào)制方案。調(diào)制技術(shù)和元器件的持續(xù)改進(jìn)以及糾錯(cuò)碼的進(jìn)步，促使信道容量更加接近香農(nóng)定理設(shè)定的基礎(chǔ)極限。那么，調(diào)制是什么意思？調(diào)制的分類？

調(diào)制是一種將需要傳送的信號(hào)搬移到高頻載波，實(shí)現(xiàn)頻譜搬移的過(guò)程。把輸入信號(hào)變換為通過(guò)信道傳輸波形的變換過(guò)程稱為調(diào)制。通常把原始信號(hào)稱為調(diào)制信號(hào)，也稱基帶信號(hào)；被調(diào)制的高頻用于運(yùn)載原始信號(hào)，因此稱載波。

調(diào)制實(shí)現(xiàn)了信源的頻譜與信道的頻帶匹配。

需要傳送的信號(hào)是基帶信號(hào)

需要傳送的信號(hào)是基帶信號(hào)。最開(kāi)始是語(yǔ)音信號(hào)，現(xiàn)在是數(shù)字化的各種數(shù)據(jù)，包括程序，圖片，語(yǔ)音，視頻。

調(diào)制的目的是什么?

通過(guò)對(duì)載波參數(shù)的改變, 將需要傳輸?shù)?a target="_blank">信息（話音、數(shù)據(jù)等） 通過(guò)一定的媒介進(jìn)行傳輸

信號(hào)為什么需要調(diào)制？

對(duì)于數(shù)字通信來(lái)說(shuō)，調(diào)制使您能夠使用窄頻率帶寬傳輸更多數(shù)據(jù)。

1.低頻信號(hào)不適合在空中傳播，天線尺寸與信號(hào)波長(zhǎng)成正比，調(diào)制實(shí)現(xiàn)頻譜搬移。

2.無(wú)線頻譜資源有限，需要在指定的頻率上進(jìn)行發(fā)射接收，調(diào)制實(shí)現(xiàn)頻率復(fù)用

3.增加信號(hào)在信道中傳輸時(shí)的抗干擾性能，提高頻率效率

無(wú)線通信的調(diào)制技術(shù)

如今，大多數(shù)無(wú)線服務(wù)都在使用復(fù)雜的載波調(diào)制方案。調(diào)制技術(shù)和元器件的持續(xù)改進(jìn)以及糾錯(cuò)碼的進(jìn)步，促使信道容量更加接近香農(nóng)定理設(shè)定的基礎(chǔ)極限。那么，常用的調(diào)制方式有哪些？

常用的調(diào)制方式有哪些？

調(diào)制方式基本可以分為數(shù)字調(diào)制和模擬調(diào)制

什么是模擬調(diào)制？

調(diào)制的三種類型：調(diào)幅（AM）、調(diào)頻（FM）、相位調(diào)制（PM）

模擬調(diào)制是用連續(xù)變化的信號(hào)去調(diào)制一個(gè)高頻正弦波。模擬調(diào)制的三種方式：調(diào)幅（AM）、調(diào)頻（FM）、相位調(diào)制（PM）。

調(diào)幅（Amplitude Modulation - AM）

調(diào)幅（AM） 可維持頻率和相位常數(shù)并縮放振幅（與音頻信號(hào)成正比）。在最簡(jiǎn)單的情況下，音頻信號(hào)是正弦波，頻域圖看起來(lái)像三個(gè)音調(diào) － 載波加上兩個(gè)旁波帶，以調(diào)制速率區(qū)隔。低頻調(diào)制顯示旁波帶很靠近載波，而高頻調(diào)制則顯示旁波帶離載波更遠(yuǎn)。它的調(diào)制方式改變的是信號(hào)的幅度或者強(qiáng)度。幅度調(diào)制是用于廣播聲音的調(diào)制類型。

時(shí)域中的調(diào)幅（AM）范例

頻域中的調(diào)幅（AM）范例

調(diào)頻（Frequency modulation - FM）

調(diào)頻可讓振幅維持恒定，并隨時(shí)間改變波形頻率（與音頻信號(hào)成正比）。如果音頻信號(hào)是正弦波，則在頻域中，調(diào)頻看起來(lái)像是信號(hào)載波加上與調(diào)制相符的旁波帶。您可以使用貝索（Bessel）函數(shù)來(lái)確認(rèn)。記住，在頻域中看起來(lái)可能與 AM 完全一樣。

頻率調(diào)制的優(yōu)點(diǎn)是可以限制信號(hào)上的幅度噪聲，因?yàn)橹挥蓄l率變化才能攜帶所需的信息。這可以通過(guò)使信號(hào)通過(guò)一個(gè)進(jìn)入限制的階段來(lái)實(shí)現(xiàn)，從而消除可能是噪聲和一般信號(hào)變化的結(jié)果的幅度變化。如果有足夠的信號(hào)使某個(gè)階段進(jìn)入限制狀態(tài)，則任何信號(hào)強(qiáng)度變化都不會(huì)改變解調(diào)音頻的電平，假設(shè)正在傳輸音頻。因此，調(diào)制形式已被用于許多應(yīng)用，包括高質(zhì)量的模擬聲音廣播。

時(shí)域中的調(diào)頻（FM）范例

頻域中的 調(diào)頻（FM） 范例

相位調(diào)制（Phase modulation - PM）

相位調(diào)制PM 同樣也可讓振幅維持恒定，但依照相位改變波形。在時(shí)域中，它看起來(lái)與 FM 完全一樣。有時(shí) FM 和 PM 又稱為角度調(diào)制，因?yàn)樵跁r(shí)域中它們看來(lái)非常相似。在頻域中，PM 看起來(lái)像是信號(hào)載波加上與調(diào)制相符的旁波帶。與調(diào)頻一樣，您可以使用貝索函數(shù)來(lái)確認(rèn)這些旁波帶。

相位調(diào)制和頻率調(diào)制有許多相似之處并且是相互聯(lián)系的——一個(gè)是另一個(gè)的差分。然而，相位調(diào)制適用于數(shù)據(jù)傳輸，因此近年來(lái)它的使用迅速增長(zhǎng)。

數(shù)字調(diào)制

什么是數(shù)字調(diào)制？

數(shù)字調(diào)制是無(wú)線、衛(wèi)星和地面通信行業(yè)中使用的一個(gè)術(shù)語(yǔ)，指數(shù)字狀態(tài)由載波相對(duì)相位和/ 或幅度表示的一種調(diào)制。雖然我們討論的是數(shù)字調(diào)制，但是應(yīng)記住這種調(diào)制并不是數(shù)字的，而真正是模擬的。調(diào)制是按照調(diào)制( 基帶) 信號(hào)的幅度變化成比例地改變載波的幅度、頻率或相位。參見(jiàn)圖。在數(shù)字調(diào)制中，基帶調(diào)制信號(hào)是數(shù)字式的，而調(diào)制過(guò)程不是數(shù)字的。

在數(shù)字調(diào)制中，信息包含在載波的相對(duì)相位、頻率或幅度中

基帶信號(hào)是數(shù)字信號(hào)的調(diào)制方式

數(shù)字信號(hào)，就是只有有限種信息狀態(tài)的信號(hào)。例如現(xiàn)在最基本的010101的信號(hào)，只有0和1兩種狀態(tài)的組合。

數(shù)字調(diào)制方式的進(jìn)化，就是提升數(shù)據(jù)傳輸速率的方法！

讓每一個(gè)周期發(fā)送的符號(hào)，包含更多信息，換言之要求離散的可選狀態(tài)點(diǎn)增多

調(diào)制信號(hào)的描述方式

如前所述，模擬調(diào)制信號(hào)和數(shù)字調(diào)制信號(hào)的唯一區(qū)別是載波狀態(tài)的改變是連續(xù)（無(wú)窮多）還是離散（有限個(gè)）。從傳統(tǒng)時(shí)域和頻域的表示上看，兩種調(diào)制是非常相似的。

在模擬調(diào)制中應(yīng)用的調(diào)幅 (AM)、調(diào)頻 (FM)和調(diào)相 (PM)，在數(shù)字調(diào)制中分別稱為幅移鍵控 (ASK)、頻移鍵控 (FSK)和相移鍵控 (PSK)。而數(shù)字調(diào)制中常用的正交幅度調(diào)制 (QAM)是典型的矢量調(diào)制，同時(shí)改變載波的幅度和相位。任何調(diào)制方案都有它的優(yōu)點(diǎn)和不足，帶寬和成本是主要問(wèn)題。模擬調(diào)制和數(shù)字調(diào)制到底有什麼區(qū)別呢？

例如，當(dāng)我們選擇復(fù)雜的調(diào)制制式以得到最好的噪聲抗擾度時(shí)，它將占用更多的信道空間，從而限制了信道上的用戶數(shù)。選擇窄帶寬能兼顧信號(hào)信息和抗擾度。在一些案例中，為補(bǔ)償噪聲或信道噪聲，我們可能需要發(fā)送更高的功率。如果設(shè)計(jì)不好，過(guò)大的功率會(huì)使放大器進(jìn)入非線性區(qū)，造成輸出信號(hào)的失真?；蛘吒郊拥墓β试斐蓪?duì)其它信道的干擾。調(diào)制方案越復(fù)雜，就越難實(shí)現(xiàn)，工程要求會(huì)更多，從而也增加了成本。

基本調(diào)制方案包括幅度、頻率和相位調(diào)制。調(diào)制信號(hào)可以使用幅度和相位（矢量）的極坐標(biāo)來(lái)表示。I/Q調(diào)制由于頻譜效率較高，因而在數(shù)字通信中得到廣泛采用。

模擬調(diào)制和數(shù)字調(diào)制的區(qū)別

模擬調(diào)制信號(hào)和數(shù)字調(diào)制信號(hào)的唯一區(qū)別是載波狀態(tài)的改變是連續(xù)（無(wú)窮多）還是離散（有限個(gè)）

模擬調(diào)制和數(shù)字調(diào)制在本質(zhì)上是一樣的，都是將需要傳遞的信息通過(guò)變換過(guò)程即改變載波的特征參數(shù)而攜帶在載波上。載波有三個(gè)特征參數(shù)可以改變，即幅度、相位和頻率。分別針對(duì)這三個(gè)特征參數(shù)進(jìn)行改變就稱為調(diào)幅、調(diào)相和調(diào)頻。數(shù)字調(diào)制稱為矢量調(diào)制，因?yàn)橥瑫r(shí)改變兩個(gè)以上的參數(shù)，如幅度和相位。

在信息論中，稱信道無(wú)差錯(cuò)傳輸信息的最大信息速率為信道容量，記為C。從信息論的觀點(diǎn)來(lái)看，各種信道可概括為兩大類：離散信道和連續(xù)信道。所謂離散信道就是輸入與輸出信號(hào)都是取值離散的時(shí)間函數(shù)；而連續(xù)信道是指輸入和輸出信號(hào)都是取值連續(xù)的。這里主要討論后者即調(diào)制信道，僅從說(shuō)明概念的角度考慮，我們只討論連續(xù)信道的信道容量。

1948年，香農(nóng)(Shannon)提出了信息論，導(dǎo)出了香農(nóng)公式。其結(jié)論為：

在給定B、S/N 的情況下，信道的極限傳輸能力為 C，而且此時(shí)能夠做到無(wú)差錯(cuò)傳輸（即差錯(cuò)率為零）。這就是說(shuō)，如果信道的實(shí)際傳輸速率大于 C 值，則無(wú)差錯(cuò)傳輸在理論上就已不可能。因此，實(shí)際傳輸速率一般不能大于信道容量?，除非允許存在一定的差錯(cuò)率。2. 提高信噪比 S/N（通過(guò)減小 N 或增大 S ），可提高信道容量 C。特別是，若 N→0，則 C →∞，這意味著無(wú)干擾信道容量為無(wú)窮大；3. 增加信道帶寬?，也可增加信道容量?，但做不到無(wú)限制地增加。

通常，把實(shí)現(xiàn)了極限信息速率傳送（即達(dá)到信道容量值）且能做到任意小差錯(cuò)率的通信系統(tǒng)，稱為理想通信系統(tǒng)。香農(nóng)只證明了理想通信系統(tǒng)的“存在性”，卻沒(méi)有指出具體的實(shí)現(xiàn)方法。先進(jìn)的數(shù)字調(diào)制技術(shù)是實(shí)現(xiàn)更高系統(tǒng)容量的重要手段。一方面寬帶調(diào)制使B增大，不僅有效增加系統(tǒng)容量，而且提高抗干擾能力；另一方面數(shù)字調(diào)制和編碼結(jié)合提供更大的處理增益，使每個(gè)用戶需要的S/N下降，使通信容量增大。通信系統(tǒng)從模擬系統(tǒng)轉(zhuǎn)向數(shù)字系統(tǒng)，其中一個(gè)根本原因在于系統(tǒng)抗噪聲性能的好壞。

模擬調(diào)制和數(shù)字調(diào)制的區(qū)別

模擬調(diào)制信號(hào)要反映的對(duì)象是連續(xù)變化的波形。

數(shù)字系統(tǒng)以誤碼率或誤幀率來(lái)衡量接收質(zhì)量。由于數(shù)字系統(tǒng)接收機(jī)中使用最佳接收機(jī)技術(shù)（匹配或相關(guān)接收），采用最大似然判決來(lái)得到較好的信噪比。數(shù)字調(diào)制信號(hào)要反應(yīng)的對(duì)象是離散的電平狀態(tài)，即使在調(diào)制或傳輸過(guò)程中對(duì)信號(hào)波形造成變化，對(duì)傳輸?shù)碾x散狀態(tài)可能不會(huì)造成損害。模擬調(diào)制信號(hào)的載波特征參數(shù)變化有無(wú)窮多的狀態(tài)，任何連續(xù)狀態(tài)變化過(guò)程中的誤差都會(huì)造成信息的損失，通信質(zhì)量完全取決于S/N。數(shù)字調(diào)制信號(hào)的載波變化狀態(tài)是有限的，離散的，非有效狀態(tài)的誤差不會(huì)造成信息的損失，因此數(shù)字調(diào)制信號(hào)可以承受更大的噪聲。

通信系統(tǒng)從模擬系統(tǒng)轉(zhuǎn)向數(shù)字系統(tǒng)，其中一個(gè)根本原因在于系統(tǒng)抗噪聲性能的好壞

? 模擬調(diào)制信號(hào)基于對(duì)連續(xù)波形信號(hào)的傳輸，需完成對(duì)信號(hào)連續(xù)變化過(guò)程的精確描述和檢測(cè)，其載波特征參數(shù)變化有無(wú)窮多的狀態(tài)，任何連續(xù)狀態(tài)變化過(guò)程中的誤差都會(huì)造成信息的損失，通信質(zhì)量完全取決于S/N。

? 數(shù)字調(diào)制信號(hào)基于對(duì)離散狀態(tài)的傳輸，只需完成對(duì)離散時(shí)間點(diǎn)信號(hào)狀態(tài)的控制和判決，其載波變化狀態(tài)是有限的和離散的，非有效狀態(tài)的誤差不會(huì)造成信息的損失。因此數(shù)字調(diào)制信號(hào)可以承受更大的噪聲。

為什么全部商用通信系統(tǒng)從模擬轉(zhuǎn)向數(shù)字調(diào)制?

隨著無(wú)線通信系統(tǒng)的發(fā)展，全部商用通信系統(tǒng)從模擬轉(zhuǎn)向數(shù)字，是德科技總結(jié)了以下幾點(diǎn)原因:

更大的系統(tǒng)容量 長(zhǎng)距離通信也能保證通信質(zhì)量 數(shù)據(jù)傳輸能力

但是數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)與模擬系統(tǒng)一樣，也需要考慮多種因素的折衷。這些折衷因素主要是系統(tǒng)信息帶寬與可得到射頻帶寬限制的折衷?？乖肼曅阅芎脡囊约半姵?a target="_blank">供電時(shí)間長(zhǎng)短；選用不同調(diào)制格式以使系統(tǒng)性能達(dá)到某種意義上的最優(yōu)化。

大多數(shù)通信系統(tǒng)的優(yōu)化著眼于下列三類要素：帶寬效率、功率效率或價(jià)格效率。

帶寬效率描述一個(gè)調(diào)制體制在有限的帶寬內(nèi)可容納數(shù)據(jù)的能力。功率效率描述這個(gè)系統(tǒng)在最低功率電平下可靠的傳送信息的能力。在多數(shù)系統(tǒng)中，帶寬效率具有高的優(yōu)先級(jí)。價(jià)格在系統(tǒng)優(yōu)先選擇中處于支配地位，通常要求低價(jià)格的無(wú)線電設(shè)備。過(guò)去用犧牲功率和帶寬效率的辦法來(lái)獲得低價(jià)格的無(wú)線電設(shè)備是可行的，而現(xiàn)在已不可能，因?yàn)闊o(wú)線電頻譜變得越來(lái)越昂貴。所以在射頻通信設(shè)計(jì)中必須考慮這些參數(shù)的折衷。

調(diào)制格式

簡(jiǎn)單調(diào)制格式

開(kāi)/關(guān)鍵控(OOK）是最基礎(chǔ)的調(diào)制格式，通過(guò)調(diào)節(jié)幅度來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)制信號(hào)， 在OOK中：當(dāng)激光源開(kāi)啟時(shí)，表示“1”；當(dāng)激光源關(guān)閉時(shí)，表示“0”。換句話說(shuō)，當(dāng)光幅度超過(guò)某個(gè)水平時(shí)，表示“1”；當(dāng)光幅度低于這個(gè)水平時(shí)，表示“0”。

OOK的星座圖。在OOK中，相位是隨機(jī)的。

復(fù)合調(diào)制格式

通過(guò)復(fù)合調(diào)制可以在一個(gè)信號(hào)狀態(tài)內(nèi)（表示為‘符號(hào)’）對(duì)多個(gè)比特進(jìn)行編碼，復(fù)合傳輸不是發(fā)送二進(jìn)制數(shù)據(jù)流，而是將多個(gè)比特編碼變成一個(gè)新符號(hào)，然后發(fā)送這些符號(hào)的數(shù)據(jù)流，比如正交相移鍵控(QPSK）使用4個(gè)符號(hào)對(duì)每2個(gè)比特進(jìn)行編碼。如圖1所示，2個(gè)比特編碼成1個(gè)新符號(hào)，通過(guò)這種方式，相同的帶寬可以傳輸兩倍的數(shù)據(jù)量。采用更高級(jí)的調(diào)制格式，使用單個(gè)符號(hào)定義更多比特，可以繼續(xù)提高數(shù)據(jù)傳輸速率。

圖1. ?編碼概念：使用符號(hào)表示比特串，這里用一個(gè)字母符號(hào)表示2個(gè)比特

為什么采用復(fù)合調(diào)制？

使用OOK 時(shí)，信道干擾或衰減會(huì)在100 Gbps 及以上速率造成嚴(yán)重的干擾，這是因?yàn)殡S著頻譜擴(kuò)大的信道開(kāi)始與臨近信道重疊，OOK信號(hào)所占用的帶寬巨大，信號(hào)經(jīng)過(guò)波長(zhǎng)濾波器整形， 結(jié)果會(huì)產(chǎn)生串?dāng)_和調(diào)制信息質(zhì)量下降。復(fù)合調(diào)制方案使用光波的所有參數(shù)（幅度和頻率或相位）進(jìn)行信息編碼， 可以有效改善頻譜效率，采用復(fù)合調(diào)制方案，比如正交相移鍵控（QPSK）可以解決這些問(wèn)題。

圖 2. ITU 網(wǎng)格中的信號(hào)頻譜

調(diào)制方式（PDM、強(qiáng)度、IQ、WDM）

圖3為電磁波（電場(chǎng)）的數(shù)學(xué)描述，電磁波中包含兩個(gè)偏振分量Ex和Ey。這些正交分量在偏振多路復(fù)用(PDM)中用作兩個(gè)不同的信道來(lái)發(fā)送獨(dú)立信號(hào)。在波分復(fù)用（WDM）中，不同的頻率ω用作不同信道，在這些頻率/波長(zhǎng)上進(jìn)行獨(dú)立的數(shù)據(jù)傳送。對(duì)于復(fù)合調(diào)制方案來(lái)說(shuō)，除了幅度E之外，光波的相位Ф也可以經(jīng)過(guò)調(diào)制用于定義上述符號(hào)。調(diào)制光波的電場(chǎng)也可以用I/Q圖中的復(fù)數(shù)平面來(lái)描述。這里，I是同相或?qū)嵅?，Q是正交或虛部，如圖4所示（在去除了波的時(shí)間和空間依賴性之后，僅用于一個(gè)偏振面）。符號(hào)對(duì)應(yīng)于圖（也稱為“星座圖”）上的一個(gè)點(diǎn)（也稱為“星座點(diǎn)”），由極坐標(biāo)中的I和Q值通過(guò)幅度E和相位φ定義。星座點(diǎn)對(duì)應(yīng)的是符號(hào)時(shí)鐘時(shí)間，也稱為“檢測(cè)決策點(diǎn)”。

圖3. 電磁波的數(shù)學(xué)描述

圖4.符號(hào)的I/Q表示

圖5顯示了QPSK中的4個(gè)符號(hào)的星座點(diǎn)。QPSK是一種復(fù)合調(diào)制類型，使用4個(gè)符號(hào)對(duì)每2個(gè)比特進(jìn)行編碼。星座點(diǎn)位于半徑為E的圓上。這意味著符號(hào)只是相位不同（相鄰兩點(diǎn)的相位差大約為π/2），幅度是相同的。在時(shí)域中，4個(gè)符號(hào)可使用幅度相同、相位不同的兩個(gè)波形的組合來(lái)表示。

圖5.QPSK的4個(gè)符號(hào)/星座點(diǎn)，一個(gè)符號(hào)編碼2比特

圖6.QPSK和OOK星座圖比較

相移鍵控（PSK）

什么是相移鍵控（PSK）？
? 相移鍵控是一種數(shù)字調(diào)制方法。這種方法用于通過(guò)調(diào)制否則會(huì)改變被稱為參考信號(hào)的載波信號(hào)的相位來(lái)傳輸數(shù)據(jù)。通過(guò)使用有限數(shù)量的單獨(dú)信號(hào)，可以用任何一種數(shù)字調(diào)制方法來(lái)表示數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。這種調(diào)制方法使用有限數(shù)量的相位，其中每個(gè)相位都可以分配二進(jìn)制數(shù)字。通常，每個(gè)階段都編碼相等數(shù)量的位。每個(gè)位模式形成由確切相位表示的符號(hào)。

二進(jìn)制相移鍵控(2PSK)

二進(jìn)制相移鍵控(2PSK)的原理

相移鍵控是利用載波的相位變化來(lái)傳遞數(shù)字信息，而振幅和頻率保持不變。在二進(jìn)制相移鍵控(2PSK)中，通常用初始相位0和π分別表示二進(jìn)制相位“0”和“1”。
? 二進(jìn)制相移鍵控（BPSK），是最簡(jiǎn)單的相移鍵控形式，它具有兩個(gè)相隔180°的相位值，例如：0和π。幅度是恒定的。與OOK相比，這兩個(gè)符號(hào)的間距很大，可免受失真和噪聲的干擾。因此，BPSK適合超長(zhǎng)距離應(yīng)用，例如數(shù)據(jù)速率為40 Gbps的海底光纖網(wǎng)絡(luò)。BPSK的不足之處是每個(gè)符號(hào)僅表示1比特，與OOK相同，因此不適合用于100 Gbps及數(shù)據(jù)速率更高的應(yīng)用。BPSK相對(duì)于OOK的劣勢(shì)是它很難確定信號(hào)的絕對(duì)相位。需要采用更復(fù)雜、更昂貴的方法比如相干檢測(cè)。對(duì)于OOK，光電二極管可以檢測(cè)出承載信息的幅度，稱為“直接檢測(cè)”。

圖7.OOK和BPSK星座圖對(duì)比
? 什么是差分相移鍵控(DPSK)？

差分相移鍵控常稱為二相相對(duì)調(diào)相，記作2DPSK。它不是利用載波相位的絕對(duì)數(shù)值傳送數(shù)字信息，而是用前后碼元的相對(duì)載波相位值傳送數(shù)字信息。所謂相對(duì)載波相位是指本碼元初相與前一碼元初相之差。
? 差分相移鍵控(DPSK)，為了避免進(jìn)行相干檢測(cè)，需要對(duì)BPSK進(jìn)行修改。對(duì)于DPSK信號(hào)，π的相位變化表示0，而不是絕對(duì)相位π。如果從一個(gè)比特到下一個(gè)比特的相位沒(méi)有發(fā)生改變，可以稱之1。在接收機(jī)一側(cè)，數(shù)據(jù)流被分成兩個(gè)相同的流，兩個(gè)流之間有一個(gè)比特周期的時(shí)延（差分）。將兩個(gè)數(shù)據(jù)流混合在一起，就能生成一個(gè)信號(hào)，光電探測(cè)器可以直接檢測(cè)到該信號(hào)，這種混合信號(hào)的強(qiáng)度更高。與OOK類似，DPSK每個(gè)符號(hào)中僅有1比特，因而不適合數(shù)據(jù)速率極高的應(yīng)用。

圖8.DPSK信號(hào)直接檢測(cè)
? 正交相移鍵控(QPSK)
? QPSK的1個(gè)符號(hào)表示2個(gè)比特。4個(gè)星座點(diǎn)的相位相差π/2，而幅度是恒定值。相對(duì)于OOK和BPSK，QPSK可在帶寬不變的情況下讓數(shù)據(jù)速率翻倍，這意味著，它也能夠在一半帶寬上提供原有的數(shù)據(jù)速率。QPSK通常用于100 Gbps的數(shù)據(jù)速率。信號(hào)相位檢測(cè)要求使用相干技術(shù)。
正交相移鍵控編碼規(guī)則
QPSK的每個(gè)碼元含有2b的信息，用ab代表兩個(gè)比特。發(fā)送碼元序列在編碼時(shí)需要先將每?jī)蓚€(gè)比特分成一個(gè)雙比特組ab。ab有4中排列方式，即00,01,10,11,代表了4種相位。各種排列的相位之間的關(guān)系按照格雷碼安排。采用格雷碼的好處，在于相鄰相位所代表的兩個(gè)比特只有一位不同，降低了因相位誤差造成錯(cuò)判的概率，從而使總誤比特率降低。
差分正交相移鍵控(DQPSK)。
? 為避免接收機(jī)端上的QPSK出現(xiàn)由光纖引起的相移所造成的相位模糊現(xiàn)象，可采用DQPSK，通過(guò)差分已傳輸符號(hào)間的相移來(lái)表示信息。4個(gè)可能的相移值通常為：0、-π/2、π/2或π。DQPSK的誤碼率（BER）低于QPSK，但對(duì)離差 (dispersion)的容限程度不高。與OOK類似，DQPSK信號(hào)可被直接檢測(cè)。
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正交幅度調(diào)制

什么是正交幅度調(diào)制？

正交幅度調(diào)制（Quadrature Amplitude Modulation - QAM）是一種在兩個(gè)正交載波上進(jìn)行幅度調(diào)制的調(diào)制方式。這兩個(gè)載波通常是相位差為90度（π/2）的正弦波，因此被稱作正交載波。這種調(diào)制方式因此而得名。在QAM中，數(shù)據(jù)信號(hào)由相互正交的兩個(gè)載波的幅度變化表示。

使用QAM調(diào)制方案可以讓數(shù)據(jù)速率達(dá)到400 Gbps或更高。QAM信號(hào)的調(diào)制和解調(diào)更加復(fù)雜，要比其他制式的成本要高。換句話說(shuō)，高階QAM的星座點(diǎn)比純粹PSK更加分散。它們不容易受到噪聲和失真的影響，BER也會(huì)降低。當(dāng)進(jìn)制數(shù)較低時(shí)，一般為8進(jìn)制以下，則選用PSK傳輸技術(shù)更為經(jīng)濟(jì)。在2n-QAM方案中，2n星座點(diǎn)表示每個(gè)符號(hào)有一組n比特，通常分布在正方形點(diǎn)陣（參見(jiàn)圖9）。2-QAM（最低階QAM）每符號(hào)僅有1比特。在對(duì)應(yīng)1和0的兩個(gè)星座點(diǎn)之間，幅度保持不變，但存在π的相位差。因此，2-QAM實(shí)際上與BPSK是同一個(gè)方案。同樣，4-QAM與QPSK不同，但兩者的星座圖是一樣的，只有1個(gè)幅度值，4個(gè)星座點(diǎn)之間的相位差為π/2。8-QAM有2個(gè)幅度值和4個(gè)相差π/2的相位值，每個(gè)點(diǎn)表示3個(gè)比特。在其他的2n-QAM方案（n是奇數(shù)）中，很難使星座點(diǎn)呈現(xiàn)正方形點(diǎn)陣分布，會(huì)對(duì)BER性能帶來(lái)負(fù)面影響；實(shí)際上，8-QAM方案并不實(shí)用。相反，16-QAM的頻譜 效率是8-QAM的兩倍，且BER的增幅很小，因而更受歡迎。

圖9.QAM方案的星座點(diǎn)以正方形點(diǎn)陣分布
? 幅移鍵控和相移鍵控（APSK）。在APSK中,幅度和相位均被調(diào)制。與QAM不同的是,它的星座點(diǎn)分布在I/Q平面中的同心圓上。這個(gè)概念被引入到衛(wèi)星系統(tǒng)（射頻功率放大器具有非線性特性）。因此需要一個(gè)能夠容忍非線性放大的調(diào)制方案（包含較少的幅度）。圖10對(duì)比了16-QAM和16-APSK的星座圖，其中QAM和APSK幅度不同。在光纖中，APSK可應(yīng)用到非線性噪聲場(chǎng)景中，用于改善對(duì)非線性光纖特征的容忍度。當(dāng)數(shù)據(jù)速率高達(dá)400 Gbps及以上時(shí),16-QAM的星座點(diǎn)間距較大，更易實(shí)施且光信噪比性能更佳，因而是首選的方案。
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圖 10. APSK方案的星座圖和對(duì)應(yīng)的 QAM 制式

圖11.不同調(diào)制方式時(shí)域和頻域特性 ? 復(fù)合調(diào)制結(jié)合其他傳輸方法
? 復(fù)合調(diào)制方案還能與其他傳輸方法結(jié)合使用。例如，在PDM中，第二個(gè)光波信號(hào)與第一個(gè)光波信號(hào)正交偏振，可承載獨(dú)立的信息，并通過(guò)同一條光纖進(jìn)行傳輸。使用正交相移鍵控(QPSK)的話，傳輸速率可以增加一倍，通過(guò)PDM還可以使傳輸速率再增加一倍，如圖12。

圖12. 使用復(fù)合調(diào)制、偏振復(fù)用和頻譜整形提高100 Gbps數(shù)據(jù)信號(hào)的頻譜效率

信號(hào)速度 ? 我們現(xiàn)在實(shí)際上使用兩種不同的速度。第一種是以每秒比特?cái)?shù)為單位的比特率ftx，也稱為“傳輸速率”。第二種是符號(hào)率S，表示每秒傳輸?shù)姆?hào)數(shù)，單位為波特。它也因此通常被稱為“波特率 ”。Nsymbols是按字母順序的符號(hào)數(shù)量，符號(hào)率的計(jì)算公式如下：

如果信號(hào)也被偏振復(fù)用，那么這個(gè)結(jié)果要除以2。以一個(gè)100-Gbps QPSK信號(hào)為例，符號(hào)率S = (100 Gbps) / log2(4比特/符號(hào))/(2偏振) = 25 Gbaud。最低光占用帶寬是25 GHz。
? 因此，復(fù)合調(diào)制信號(hào)所需的帶寬并不取決于數(shù)據(jù)速率，同時(shí)與符號(hào)數(shù)量有關(guān)。這也意味著，以給定數(shù)據(jù)速率編入單個(gè)符號(hào)中的比特?cái)?shù)目越多（Nsymobls越高），光占用帶寬就會(huì)越小。換句話說(shuō)，當(dāng)符號(hào)速率不變時(shí)，可以通過(guò)增加每個(gè)符號(hào)的比特?cái)?shù)，同時(shí)保持占用的光學(xué)帶寬來(lái)提高數(shù)據(jù)速率，用于提高頻譜效率。
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香農(nóng)極限

香農(nóng)極限是什么意思？
? 上個(gè)世紀(jì) 40 年代，美國(guó)數(shù)學(xué)家和電子工程師克勞德?香農(nóng)（信息理論之父）發(fā)現(xiàn)，在任何通信信道內(nèi)，能夠準(zhǔn)確無(wú)誤地傳輸數(shù)據(jù)的最大速度與噪聲和帶寬有關(guān)。他將這個(gè)最大比特率稱為“信道容量”，也就是目前眾所周知的“香農(nóng)極限”。 香農(nóng)極限（或稱香農(nóng)容量）指的是在信道上進(jìn)行無(wú)差錯(cuò)傳輸?shù)睦碚撟畲髠鬏斔俾?，是香農(nóng)定理在有限帶寬的信道上的理論。

香農(nóng)－哈特利定理

信道容量 ：

其中 B 表示測(cè)得的帶寬 (Hz)，S 表示接收的信號(hào)平均功率 (W)，N 表示平均噪聲功率 (W)。
? S/N是信噪比，那么信道容量和信號(hào)傳輸使用的帶寬有關(guān)，而與載波所在的頻率無(wú)關(guān)。
? 香農(nóng)極限定理是在 Hartley's law 和 Nyquist rate 基礎(chǔ)之上發(fā)展的。
? 信道容量可以通過(guò)增加帶寬或優(yōu)化信噪比 (SNR = S/N) 來(lái)增加。
? 實(shí)際上，該定理給出了理論上的最大值，但沒(méi)有說(shuō)明哪種信號(hào)概念可以讓我們最接近這一極限。
? 實(shí)際上，SNR 是基本的限制因數(shù)。無(wú)論在現(xiàn)在還是未來(lái)，它都需要不斷優(yōu)化，因?yàn)楫?dāng)數(shù)據(jù)速率超過(guò) 100 Gbps 時(shí)，遠(yuǎn)距離通信需要更好的信噪比性能才能在給定帶寬內(nèi)達(dá)到香農(nóng)極限。
? 香農(nóng)極限（或稱香農(nóng)容量）指的是在信道上進(jìn)行無(wú)差錯(cuò)傳輸?shù)睦碚撟畲髠鬏斔俾剩窍戕r(nóng)定理在有限帶寬的信道上的理論。
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利用電光效應(yīng)控制光信號(hào)相位（MZ相位調(diào)制器）

在傳輸OOK信號(hào)時(shí)，只需要由電信號(hào)直接調(diào)制激光源（DML），得到的光信號(hào)具有二進(jìn)制強(qiáng)度。但如果需要對(duì)相位進(jìn)行調(diào)制，這類簡(jiǎn)潔的低成本方法則很難實(shí)現(xiàn)。 構(gòu)建相位調(diào)制器時(shí)，我們可以借助特定晶體（例如鈮酸鋰）的折射率n受局域電場(chǎng)強(qiáng)度影響的“電光效應(yīng)”：n=n0+aE+bE2+…，n0為E=0時(shí)折射率，一次項(xiàng)為線性電光效應(yīng)，稱為pokels，二次為kerr效應(yīng)。因此電壓越高，折射率越大。n與場(chǎng)強(qiáng)有關(guān)系，那么光在晶體內(nèi)的傳播速度（折射率）和波長(zhǎng)也與場(chǎng)強(qiáng)有關(guān)系。再由v=C/n，v=fλ，v為傳播速度，C為光速，n為介質(zhì)折射率。折射率越高，速度越慢，波長(zhǎng)越短。因此，如果向晶體應(yīng)用電壓，那么穿過(guò)晶體的光波長(zhǎng)減小，并且可以通過(guò)選擇適當(dāng)?shù)碾妷簛?lái)控制出射光的相位（參見(jiàn)圖13）。
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圖 13. 施加的電壓U越高，光在晶體內(nèi)的傳播速度就越慢，可用于控制輸出光的相位
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什么是Mach-Zehnder調(diào)制器？

Mach-Zehnder調(diào)制器就是電光效應(yīng)的一個(gè)應(yīng)用實(shí)例。將一個(gè)光束一分為二，其中一束或兩束經(jīng)過(guò)類似上述的相移鈮酸鋰元件完成相位調(diào)制。兩個(gè)信號(hào)之間存在相位差ΔΦ， 該值取決于兩個(gè)信號(hào)路徑之間的電壓差ΔU。因此，兩個(gè)調(diào)制信號(hào)重新組合時(shí)，ΔU也可以確定信號(hào)是相長(zhǎng)干涉或者相消干涉。圖14的方框圖顯示了發(fā)射光功率與ΔU之間的周期關(guān)系。半波電壓（Vπ）是功率傳輸相變?chǔ)行枰碾妷?，表示調(diào)制器0功率和100%輸入功率傳輸之間的電壓差。
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圖14.調(diào)制器發(fā)射功率與電壓的周期關(guān)系，其中Vπ是0與100%功率傳輸之間的電壓差
? Mach-Zehnder調(diào)制器的相移效應(yīng)也可以使用IQ圖來(lái)描述。圖15是一個(gè)正弦波示例，具有恒定的幅度，相對(duì)相位Φ = 0。在信號(hào)分離之后，每個(gè)分支上只有一半的功率。
? ① 在紫色示例中，調(diào)制器支路沒(méi)有施加任何電壓，因此兩個(gè)支路（假設(shè)長(zhǎng)度相等）的信號(hào)相相位保持不變?chǔ)?= 0。這樣的重新組合得到的正弦波具有與之前一樣的幅度。 ② 在紅色示例中，信號(hào)在下分支上經(jīng)歷了π?2的相移，而在上分支上的經(jīng)歷了3π?2的相移。深灰色示例則與之相反。兩個(gè)示例的共同點(diǎn)是：兩個(gè)支路信號(hào)合成時(shí)，光信號(hào)相位相差π，產(chǎn)生相消干涉，兩個(gè)矢量相加為零。因此，輸出端沒(méi)有信號(hào)。 ③ 在淺灰色示例中，調(diào)制器的電壓進(jìn)行了調(diào)整，使得信號(hào)在兩個(gè)分支上的相位都偏移π。如果疊加這兩個(gè)信號(hào)，會(huì)產(chǎn)生相長(zhǎng)干涉。所生成的正弦波信號(hào)的原始振幅偏移Φ = π。
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圖 15. Mach-Zehnder調(diào)制器的相移、時(shí)域及IQ圖示例
? QPSK信號(hào)傳輸?shù)腗Z調(diào)制器
? QPSK調(diào)制在1個(gè)符號(hào)中編碼2個(gè)比特，因此傳輸速率比OOK快一倍。4個(gè)符號(hào)在IQ圖中表現(xiàn)為處于同一個(gè)圓的4個(gè)星座點(diǎn)，這意味著我們僅在一個(gè)振幅上處理信號(hào)。這些點(diǎn)之間的間隔為π?2。在發(fā)射機(jī)中，電比特流到解多路復(fù)用器分為信號(hào)的I和Q部分。這兩個(gè)部分都可以直接 通過(guò)MZ調(diào)制器對(duì)支路激光信號(hào)的相位單獨(dú)進(jìn)行調(diào)制。使用MZ調(diào)制器調(diào)制下方支路（Q支路）信號(hào)，實(shí)現(xiàn)π?2的相移。兩個(gè)支路信號(hào)重新組合之后，得到圖16下方所示的QPSK信號(hào)。
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圖16.用于調(diào)制QPSK信號(hào)的發(fā)射機(jī)設(shè)置
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審核編輯：黃飛