浅谈无线通信中高阶调制vs低阶调制

高阶调制（High Order Modulation）——实现在有限的频谱带宽内，传输更多信息的数字调制技术。

Q 什么是高阶调制？

A

高阶调制（High Order Modulation），是一种通过让一个码元携带更多的比特信息，来实现在有限的频谱带宽内，传输更多信息的数字调制技术。

Tips    

码元的传输速率，即每秒钟发送的码元数量，称为波特率，单位为波特（Baud)。   

波特率可以理解为数据信号对载波的调制速率，与器件的处理速率强相关。

对于调制阶数为N的高阶调制来说，每个码元符号可携带N比特信息，具有2^N种码元状态。当其码元传输速率为M时，其所传输的信息速率即为M*N bps（bit per second，比特/秒）。

Example

通过例子，说明高阶调制是如何实现信息传输速率成倍提高的

假设A和B分别在两地，A要用带颜色的牌子，来向远端的B传输“00 01 10 11”这8位数字，我们假设A每秒只能更换一次牌子。

当牌子只有黑白两种颜色时，A和B可以约定，黑色代表0，白色代表1。那么A传输完这8个数字，需要举8次牌子，共计8秒钟，传输的速率即为1bps。

如果牌子有4种颜色呢？假设是黑白红绿，那么A和B就可以约定，黑色代表00，白色代表01，红色代表10，绿色代表11。这次，A只需要举4次牌子，共计4秒钟就可以完成8位数字的传输，速率就提高到2bps。

同样地，如果牌子有16种颜色，那就一定有一种颜色能代表0001，另一种颜色能代表1011，那么A只要举两次牌子，2秒钟就可以完成，相应速率就提升为4bps。

对比一下，我们可以看出，高阶调制，就相当于增加牌子的颜色：

每个牌子所代表的数字位数，就是调制阶数N

牌子的颜色有2^N种

波特率，是A举牌子的频率 

在A举牌子的频率（波特率）不变的情况下，增加牌子的颜色（通过提高调制阶数N来实现），就可以提高信息的传输速率。

在光通信领域里，一般采用高阶调制+偏振复用（PM）技术来进一步提高信息传输速率。

偏振复用，是指利用光的两个正交偏振态来同时传输两路信号的技术，可以使总的信号传输速率提升一倍。加上了偏振复用之后，总的信息传输速率就变为M*N*2 bps。

例如：PM-QPSK调制格式，其每个码元携带2比特信息，有2^2=4种码元状态（00，01，10，11），其在64GBd时，对应的最大信息传输速率为64x2x2=256Gbps。

而PM-8QAM调制格式，其每个码元携带3比特信息，有2^3=8种码元状态（000，001，010，100，011，101，110，111），其在64GBd时，对应的最大信息传输速率为64x3x2=384Gbps。

各种调制格式在不同器件波特率下，能够实现的最大信息传输速率如下表所示。

调制方式	PM-QPSK	PM-8QAM	PM-16QAM	PM-32QAM	PM-64QAM
携带的比特信息	2比特	3比特	4比特	5比特	6比特
64GBd对应的最大速率（bps）	256G	384G	512G	640G	768G
96GBd对应的最大速率（bps）	384G	576G	768G	960G	1152G
130GBd对应的最大速率（bps）	520G	780G	1040G	1300G	1560G

Q 为什么需要高阶调制？ A

在光通信领域，高阶调制主要用于线路侧传输速率的提升。

从上面的公式可知，要想提高总的信息传输量，需要从两个方面入手：

提高信号的码元速率，即波特率M。

采用高阶调制技术，即提高调制阶数N。

比如，早期的器件波特率仅为34GBd左右，而当时又有100Gbps的传输速率需求，显然一直等待器件波特率的提高是不现实的。

通过引入高阶调制技术，就可以在当前器件波特率不变的基础上，成倍地提升信息传输速率。

同样是34GBd的器件，采用PM-QPSK时，就可以支持100Gbps的传输速率，而采用PM-16QAM的方式，则可以支持到200Gbps。

Q 高阶调制  vs  低阶调制？

A

和低阶调制相比，高阶调制可以在相同的器件波特率下实现更高的传输速率。

Tips    

低阶调制：即每个符号只有“0”或“1”两种状态的调制方式，如二进制幅移键控2ASK，二进制频移键控2PSK等。

但调制阶数也并不是越高越好。

调制阶数越高，码元符号的种类就越多，也就越难把它们“分辨出来”，传输能力也就越差，因此高阶调制往往需要更复杂的补偿技术。

在器件波特率不变的情况下，采用相对低阶的调制方式可以获得更好的传输性能，但信息的传输速率会低一些。

Q 高阶调制技术业界应用进展？ A

高阶调制本身是一种比较“老”的技术，在无线通信等领域早有应用。

在光通信领域，高阶调制是用来实现100G/超100G的一种关键技术，由于要兼顾高速率与长距离两个需求，在光通信领域中，调制阶数一般都不会很高。

不同的调制方式，分别适用于不同的场景，主要取决于传输性能以及容量需求，不可一概而论。

一般来说，常见高阶调制的应用场景如下：

长距/超长距场景（>1500km）：QPSK

准长距场景（600~1500km）：QPSK/8QAM

城域场景（600km）：16QAM

DCI场景（100km）：64QAM等

  审核编辑：黄飞