为什么数字调制优于模拟调制？常见的数字调制实现

概述

在无线通信领域，通信信号的发展方向是数字化。这一趋势主要是因为与模拟信号相比，数字信号有很好的频谱效率。为了满足日益苛刻的对信号中心频率、谱密度和频谱宽度的用户需求，对通信设备的要求越来越复杂和苛刻。

然而，有些正准备投入应用的测试产品必须明确地符合市场标准，这些标准要求对组件进行完整地描述，大多数情况这些测试产品之间都是存在差异的，为通信设备生产专用测试产品的成本很昂贵并且难以实现。

在这里，任意波形发生器(Arbitrary Waveform Generators)和函数发生器(Function Generators)可以克服以上困难，提供从未有过的灵活性，为工程师提供一台可测试多样化通信设备的强有力的仪器，加快测试进度，缩短上市时间。

在本文中，将会以Active Technologies 最新的高级任意波形发生器/函数发生器为例，讲解现今优质信号源为满足激励多样化通信电子设备进而观察响应并验证设备行为或者查找错误的要求创建生成多样化信号的能力。

需要特别注意现代信号处理与传输模式，比如基带、中心频率、射频和超宽频等，例如扩展频谱是WiFi和WiMAX收发器的基础特性。优质信号源应能够应对生产挑战，例如多样化的复杂性和快速信号，应能够成为每个测试工具箱的核心。

微波数据收发

电磁场可以通过天线到天线传播并且携带信息，不使用线缆发射和接收信息。然而，环境中存在很多噪声，这些噪声会扭曲在环境中传输的信号波形，导致通信信号携带的信息丢失。

影响微波通信的因素很多，比如信号衰减、失真、通道间串扰，尤其是在室内环境或者楼栋密集的城市中多路径衰减贯穿整个传输带宽。为了解决这些问题，很多解决方案引入了调制技术，例如扩展频谱和高速率数字调制。

这些调制波形非常复杂，所以使用一台测试仪器完成波形的创建生成是一巨大挑战，生产用于专用微波设备的测试仪器会增加成本和延长上市时间。

近年，一种新颖的测试仪器在此领域占据了一席之地，那就是任意波形发生器(AWG)和函数发生器(AFG)。它们的主要能力是可以通过直接合成技术创建生成大量波形，或者使用内存储存每个样本值然后按照选择的时钟速率再生这些样本值，可以使用采样仪器创建这些样本值或者直接使用专用的应用工具构建这些样本值。

为什么数字调制优于模拟调制？

模拟调制在过去被广泛使用，例如幅度、频率和相位调制(AM、FM、PM)。因为模拟调制和解调技术非常简单并且廉价(比如AM，可以简单地使用二极管、电容和电阻电路解调)。

对携带信息的载波信号(通常载波频率高于调制波)的幅度、频率或相位分别进行简单地调制，然后进行传输。

然而，因为在传输的信号中没有进行编码，所以实现高信噪比(SNR)的方法是增大发射功率、在更宽的带宽上进行调制、使用高方向性和大尺寸天线。然而这些方法都存在一些缺陷，增加传输功率不总是可行的，因为增加功率带来的更大的难题是电子电路的复杂性，电路规模会更大并且需要冷却降温。

为了配置更多的射频链路应用，需要更多数量的通道，一个严格的规则分配了可以使用的最大带宽。最后一点，大尺寸天线需要更多的结构以保证天线本身的固定(通常与地面保持较高高度)，并且不允许在每个方向上以同一功率广播信号。

这些原因和数字设备的快速发展证明了一个事实，当今设计生产数字电路的成本降低了。数字调制技术的出现，使更高的信噪比、频谱效率和多路传输为了可能(比如CDMA)。

现在的信号源仪器有能力生成一系列波形，包括调制波和载波，并且可以添加环境噪声，编码等，节省了大量研发经费和时间。

数字调制

使用无线电传输信息，需要分解公共通信媒介以允许不同的非相干数据流。需要使用包含真实有用信息的调制波(相对载波而言频率较低)对载波(一般为射频或微波)进行调制。

载波和调制波可以是模拟或数字信号，大多数情况下为模拟信号。但是现今数字调制也很常见，使用一或多个符号(symbols)改变载波参数(幅度、相位或频率)。

OOK调制

为了更好地理解数字调制，下面举个例子：开关键控(On-Off Keying ,OOK)调制，一种简单的二进制幅移键控调制(2-ASK)，是包含两符号(symbols)(例如“0”或“1”)的数字幅度调制，所以类似于对载波进行“开”和“关”控制。已调制波形中载波幅值有效部分被编码为“1”，载波幅值无效部分被编码为“0”。符号(symbols)也可以表示频率或相位，当表示频率时称为二进制频移键控调制(2-FSK)，当表示相位时称为二进制相移键控(2-PSK或BPSK)。

用于编码的符号(symbols)数量影响通信的能量效率(多少有效信号被接收器正确地解码)和频谱效率(为实现指定比特率的带宽宽度)。但是前者越高，后者就会越低，所以要权衡两者。接收器以较低的信噪比捕获和正确读信号的能力在逐渐提升，所以可减少能量效率以支持更大的频谱效率。正因为如此，被传输的波形的复杂度越来越高，只有快速灵活的信号源仪器能生成高比特率信号。

另一种在现代通信系统中占据一席之地的调制方法是一种特殊的幅度调制，叫做正交幅度调制(QAM)。这中调制方法的具体操作是，将两个参数相同但只不同相的信号相混合，所以也称为I/Q调制，因为其中一个信号正交另一个信号，“I”通道是余弦信号，“Q”通道是正弦信号。

为了使用相干解调以更好的接收信号和使TX / RX同步，不仅振幅，频率和相位也可以进行正交调制。

I/Q 发射器

I/Q 接收器

被广泛使用的I/Q调制是正交相移键控(QPSK)，这种调制方法有很好的频谱和能量效率。在现代通信系统中，高复杂度的波形随处可见。QPSK技术使频谱带宽得到了充分利用。因为如果信噪比足够，那么为了获得较高的数据速率可以不占用所有可用的频谱带宽 。

其他的系统，例如蓝牙技术、已经提及过的WLAN，通信信号可以从载波频率跳跃到其他频率以扩展频谱，降低单频段发射功率(无线设备的有效辐射能量是受限制的，所以将相同的能量扩展到更宽的频域可以减少平均发射功率并且不会降低信噪比)。

为了更好地满足日益苛刻的传输需求，一些通信系统除了频分多址和时分多址(分别为FDMA和TDMA)也使用码分多址(CDMA)技术，编码范围可以覆盖更长的符号(symbols)序列。同时，要求更高的带宽和更快的调制解调速度(事实上，CDMA使用16符号(symbols)编码，为了保持相同的有效比特率，相比不使用CDMA需要16倍的带宽)。

还需要注意的是数字信号的码型对通信系统最终的性能具有重要意义。因为最后的信号频谱是码型的傅里叶变换，若使用近似矩形(通常代表一个bit，不可能精确到无限接近纯矩形，因为那需要无限带宽)，频谱看起来更像是同步。在更宽的带宽上传输能量并且会影响频率相近的通道。

广泛使用的滤波方法是升余弦，轮廓看起来像是平滑的矩形。平滑因子用参数α表示，与最终信号的带宽成比例，但是也会超过和改变原始符号(symbols)的星座图。

从以上的讨论可以得知，考虑频谱和功率的前提下创建一个信号波形会带来很多复杂的操作，若想测试所有的通信设备那么必须有一台完全定制的信号源仪器。

然而，若使用任意波形发生器(AWG)，那么生成任意波形的信号就不是不可能的了，任意波形发生器具有高带宽(1GHz以上)和14位或16位高分辨率(垂直电压精度为全量程的1/(2^14)或1/(2^16))。

使用AWG生成基带信号(TX)：Arb Rider AWG-4022 and AT-AWG-GS

使用AWG生成基带信号(RX)：Arb Rider AWG-4022 and AT-AWG-GS

使用AWG生成IF信号(TX)：Arb Rider AWG-4022 and AT-AWG-GS

使用AWG生成IF信号(RX)：Arb Rider AWG-4022 and AT-AWG-GS

市面上也有一系列其他配置的AWG，比如，时钟信号为10、20或50GHz，高时钟速率使信号源设备能够支持超宽频、可靠地抗多路径干扰，所以在保持ADC高分辨率的同时可以在室内环境很好地运行工作，并且可以以较高的时间精度进行过采样。

使用AWG生成RF信号(TX)：Arb Rider AWG-4022

使用AWG生成RF信号(RX)：Arb Rider AWG-4022

常见的数字调制实现

在近年的数字革命的推动下，并得益于DSP和FPGA成本的降低，工程师开始发展软件无线电，使用数字采样和滤波(像FIR和IIR，有限和无限响应滤波器)构建无线电设备。现今，这些技术被应用在各种各样的领域中。

除了之前提及的WLAN(原被称为802.11)和蓝牙(用于无线PAN，属于802.15 IEEE标准)，要特别注意大城市的网络，比如移动电话通信，它依赖于数字调制，从早期的版本，如GSM(例如GSM，G代表高斯，这意味着脉冲整形滤波器具有高斯谱响应)到像使用CDMA和SSS正交相位和幅度调制的HSDPA和LTE这样的现代实现。

在很多城市，电视和无线电OTA传输逐渐向数字调制方向发展，利用编码技术的优势提高抗噪能力，充分利用频谱带宽。典型代表是DVB(地面站和卫星电视流使用的数字调制方式)和DAB(数字音频广播)。

这些调制技术的另一主要应用是国防，不仅用于通信(像TETRA，警察、消防和军队的专用通信标准)，而且还用于点对点加密和多路半双工传输，使用一种特殊类型的差分正交PSK调制(pi/4)，星座图不是正交的而是45°延时。

在无线电探测和定位(RADAR)领域，数字调制被用于提高信号覆盖范围和精确度。