为数字通信系统选择混合信号组件-不同类型的调制方案总结

数字调制方案：本系列的第一部分展示了SNR和带宽的限制如何限制使用脉冲幅度来传输位信息的通信系统的位容量。作为编码数字位的一种方式，脉冲幅度是当今数字通信系统中使用的众多调制方案之一;每个都有优点和缺点。我们在下面定义了一些更常见的调制类型，重点介绍了它们的基本原理，并指出了影响性能的典型元件规格。第12页列出的教科书可以对这些调制方案提供更完整的描述。

PAM 脉冲幅度调制：（前面讨论过）以沿通道发送的脉冲流的幅度对位值进行编码。所需的理论带宽（以Hz为单位）至少是符号速率的1/2;实际实现使用的带宽比这更多。PAM通常是一种基带调制方案：它产生的信号频谱内容以直流为中心。最简单的情况是，每个符号表示单个位的存在与否，称为脉冲编码调制。

由于位值以信号幅度编码，因此信号路径中分量的增益和失调会影响系统性能。使用两个以上电平的高阶调制方案将需要系统组件中相应的更好的幅度精度。应控制失调，它可以将信号从适当的电平阈值偏移，从而产生在存在噪声的情况下误解位高（或低）的偏向倾向。组件的带宽也是一个重要的考虑因素。如前所述，有限的带宽会产生不希望的码间干扰。滤波可用于仔细控制传输信号的带宽，但信号处理组件不应无意中限制带宽。通常，组件应具有足够的带宽，以便通道本身成为频带限制因素，而不是信号处理电路。

AM幅度调制：与PAM密切相关，直接AM通过改变指定频率的固定频率载波（通常是正弦波）的幅度来表示传输的数据，fC.从概念上讲，这可以通过采用基本的PAM信号，限制频带以减少谐波含量，并将其乘以固定频率的载波来产生，fC.结果是一个以载波频率为中心的双边带信号，带宽是带限PAM信号的两倍。

与PAM情况一样，必须选择信号链中的组件，以保持以载波频率为中心的频带内的幅度完整性。fC.在这种情况下，可以根据模拟元件的线性度、THD（总谐波失真）或SFDR（无杂散动态范围）性能进行评估fC.对于具有许多不同幅度电平的多位符号，噪声可能是元件规格中的一个重要考虑因素。

FM/FSK 频率调制/频移键控：我们已经证明，幅度调制方案（包括 PAM）对电压噪声和失真非常敏感。或者，信息可以按照发送的正弦波的频率进行编码，这样信号衰减或其他基于幅度的干扰就不会破坏恢复的数据（与AM相比，FM收音机的抗静电性和信号衰减是众所周知的模拟示例;类似的原理适用于数字传输）。在每符号一位的简单二进制情况下，传输的信号将在频率之间移动f0（“0”） 和f1，（“1”），在平均值或载波频移键控 （FSK） 的两侧。需要注意的是，传输的信号带宽实际上分布在更大的带宽上，而不仅仅是f之间的跨度。0和 f1，因为两个频率之间的转换速度会产生额外的频谱内容。为了简化接收器设计，希望符号速率大大小于f0和 f1;这使得频率的变化更容易检测。

频率调制显著降低了对信号路径中幅度误差的敏感性。由于所有有用的信息都保存在频域中，因此许多FSK接收器具有限幅器，这是一种高增益电路，旨在将可变幅度正弦信号转换为更接近恒定幅度的方波，使电路对元件非线性脱敏，并使后续处理电路更容易检测信号的频率（即使计算给定时间间隔内的交叉）。信号带宽至少与AM一样重要：码间干扰仍然是由于处理带宽不足造成的。由于必须处理载波频率，因此所需的带宽可能明显大于相同数据的PAM调制。这些系统通常对时序误差（如抖动）比对电压噪声更敏感。

PM/QPSK相位调制/正交相移键控：相位和频率在数学上密切相关;事实上，相位是频率的积分（例如，加倍频率导致相位以原始速率的两倍累积）。在PM中，信号以固定频率载波信号的相位编码，fc.这可以通过直接数字频率合成器（DDS）来实现，该频率合成器产生数字正弦波，其相位由控制字调制。D/A转换器将正弦波恢复为模拟波以进行传输。

如何推导2位相位调制符号的另一个例子是，在相同频率下有两个相等的正弦分量：同相（I）和正交（Q），相距90°，每个代表数字“1”（如果非反相），“0”如果反相（偏移180°）。当将它们相加时，它们的总和是具有 4 个独特相位的相同频率的单个波，相距 90°（即 45°、135°、225° 和 315°），对应于 I 波和 Q 波的相位。图1是“单位圆”或“卫星”图，以图形方式表示这些组合。体现这种相位调制原理的系统通常被称为正交相移键控（QPSK）。与FM一样，发射频谱的带宽与符号速率之间的关系相当复杂。相位调制有几种变体，包括DQPSK（差分QPSK）。这些类型的调制方案在蜂窝电话等困难环境中很受欢迎，因为在存在噪声和功率放大器引入的失真的情况下可以保持相位信息。

图1.2 位 QPSK 相位。

与FSK一样，PSK系统的组件通常根据带宽和其他频域规格进行选择。限幅器可用于消除幅度噪声。包括抖动在内的时序误差实际上变成了“相位噪声”，使得正确解释接收到的信号变得更加困难。调制器/解调器单元可以正交排列方式实现，其中I和Q分量通过信号链的一部分分开并单独处理。在这里，I和Q路径之间的幅度和相位匹配是重要的规格，因为任何失配都映射到有效相位误差。

QAM 正交幅度调制：回到图 1，即 QPSK 系统中载波四个不同相位的表示，请注意，每个相位还有一个幅度，即 I 和 Q 幅度的矢量和;由于振幅相等，因此向量和的振幅相等。如果进一步量化每个符号的比特，而不是只有I和Q的两个电平，则可以传输更多的比特;然后，通过将不同数量的正弦（I 轴）和余弦（Q 轴）相加，矢量和的组合将调制幅度和相位。图2a显示了使用I和Q的2位量化在每个符号中实现载波的16种唯一状态，允许每个符号传输4位。这种调制可以通过直接使用直接数字合成等方式改变所生成载波的相位和幅度来产生。更常见的是，调幅I和Q（正弦和余弦）版本的载波组合在一起。

因此，术语正交幅度调制（QAM）：载波的两个正交版本分别进行幅度调制，然后组合形成幅度和相位调制结果。图2a中的曲线显示了I和Q的各种可能组合，被称为“星座”。请注意，从概念上讲，非常大的星座可用于表示每个符号的许多位，所需的带宽类似于相同符号速率的简单QPSK。星座的点代表发射信号和接收信号的期望值;但噪声或失真会使接收到的信号偏离其理想位置;如果误差很大，它可能会被误解为不同的星座点。

图2a和2b将16点星座（2位I和Q）与64点星座（3位I和Q）进行了比较。在相似的发射功率水平下，6位情况的星座点是其两倍，因此“误差阈值”是1/2，对于给定的误码率，需要6 dB（大约）更好的信噪比。该表显示了各种尺寸的QAM星座的典型SNR要求，以实现10-7误码率。请注意，二进制I和Q信息可以编码[例如，格雷码]，以便代表相邻或附近传输信号电平的点具有相似的位模式。这样，将星座点误解为它的邻居之一只会损坏多位符号的 1 或 2 位。

图2.QAM 星座。a） 4 位：2 位 1 和 2 位 Q。 b） 6 位：3 位 1 和 3 位 Q。

 

位/符号 （I，Q）	QAM 星座大小	所需的信噪比
2 (1,1)	4 （QPSK）	14.5分贝
3 (1,2)	8	19.3分贝
4 (2,2)	16	21.5分贝
5 (2,3)	32	24.5分贝
6 (3,3)	64	27.7分贝
7 (3,4)	128	30.6分贝
8 (4,4)	256	33.8分贝
10 (5,5)	1024	39.8分贝
12 (6,6)	4096	45.8分贝
15 (7,8)	32768	54.8分贝

 

以下是为QAM信号处理选择的组件的一些重要规格。带宽应足以处理载波频率，加上频带内足够的频率以避免引入码间干扰。载波频率下的总谐波失真（THD）是一个重要的考虑因素，因为失真往往会破坏载波中的幅度信息。应尽量减少抖动，以确保可以正确恢复相位信息。I和Q处理模块之间的幅度和相位匹配非常重要。最后，噪声（量化和热）可能是一个重要的考虑因素，特别是对于高阶星座。在可行的情况下，应选择组件，以确保通道本身是系统的噪声限制部分，而不是信号处理系统的组件。QAM可用于为每个符号传输许多位，但代价是增加了对通信通道和信号处理组件中非理想性的敏感性。

这提供了对基本调制方案的快速回顾。这些方法的许多变化、组合和增强旨在处理特定应用的特点和各种传输技术的缺点。它们在频谱效率、鲁棒性和实施成本之间提供了权衡。

审核编辑：郭婷