探究现代数字调制技术

多相移键控（M-PSK）
　　在QPSK调制方式下，每个符号为2比特，其频谱效率极高。由于有四种振幅相位组合，因此QPSK也称为4-PSK。通过使用较小的相移，每个符号可以传输更多比特。8-PSK和16-PSK是比较常用的调制方式。
　　8-PSK采用八个符号，这些符号之间存在45°的等幅载波相移，从而可以实现每个符号传输三比特。16-PSK采用22.5°的等幅载波信号相移。该方案可以实现每个符号传输4比特。
　　虽然多相移键控（M-PSK）的频谱效率较高，但是小相移数越大，在有噪声的环境下解调信号就越难。M-PSK的优势在于等幅载波可以使用效率更高的非线性功放。
　　正交调幅（QAM）
　　创建具有某种振幅和相位组合的符号可以进一步增加每个符号传输的比特数。这种方法称为正交调幅（QAM）。比如，8QAM使用四种载波相位和两个振幅级来实现每个符号传输3比特。其他流行的调制方式包括16QAM、64QAM和256QAM，这三种调制方式每个符号分别传输4、6和8比特。

　　

　　图4：16QAM同时使用振幅和相位来实现4bit/Hz的频谱效率。在此示例中，有三个幅移和12个相移
　　虽然QAM的频谱效率极高，但是在有噪声的情况下解调信号的难度也更大，其振幅变化往往是随机的。此外还需要线性功放。QAM在有线电视、Wi-Fi无线局域网（LAN）、卫星和蜂窝电话系统中使用相当广泛，它可以在带宽有限的情况下产生最高的数据速率。
　　幅相键控（APSK）
　　幅相键控（APSK）是一种从M-PSK和QAM演变而来的调制方式，这种调制方式是随着更高级QAM的需求的出现应运而生的。更高级别的QAM（比如16QAM和更高）具有很多不同的振幅级和相移。这些振幅级更容易受噪声影响。
　　此外，这些多个振幅级需要线性功放（PA），而线性功放的效率要比非线性功放（比如C类功放）低。振幅级数越少，或者振幅级差越小，在PA的非线性区工作的可能性就越大，从而提高功率水平。
　　APSK使用更少的振幅级。这种调制方式基本上将符号排列到两个或更多恒定相位差为θ的同心环中。例如，16APSK采用双环PSK格式（图5）。此调制方式称为4-12 16APSK，中心环有四个字符，外环有12个字符。

　　

　　图5：16APSK使用两个振幅级A1和A2以及16个偏移为θ的不同相位位置。此调制技术已广泛用于卫星领域。
　　采用两个振幅级差较小的振幅级时，可使放大器在更加靠近非线性区的位置工作，从而提高效率和功率输出。由于APSK非常适合使用普遍使用的行波管（TWT）功放，因此APSK主要用在卫星应用中。
　　正交频分复用（OFDM）
　　正交频分复用（OFDM）通过整合调制技术和复用技术来提高频谱效率。传输信道被分成许多较小的子信道或子载波。选择副载波频率和间距时需使它们成正交关系。这样，其光谱就不会互相干扰，因此就不需要防护频带（图6）。

　　

　　图6：在IEEE 802.11n Wi-Fi标准的OFDM信号中，56个副载波在20MHz信道中的间隔为312.5kHz。使用64QAM调制方式时，可以实现300Mbps的数据速率
　　要传输的串行数字数据被分成数据速率较低的并行信道。然后这些数据速率较低的信号被用来调制每一个副载波。BPSK、QPSK和几种级别的QAM是最常见的调制方式。802.11n标准对BPSK、QPSK、16QAM和64QAM进行了定义。64QAM可以实现高达300Mbps左右的数据速率。
　　只有数字信号处理（DSP）技术会产生复杂的调制过程。反向快速傅立叶变换（IFFT）产生用于传输的信号。FFT过程会恢复接收器端的信号。
　　OFDM的频谱效率相当高。该效率取决于副载波数和调制方式，不过它可以高达30bit/s/Hz。由于高带宽，这种调制方式通常会占用大量副载波，由于衰减、多路反射以及UHF和微波无线电信号传播中常见的类似效应，这种调制方式还不容易出现丢失信号的情况。
　　当前，OFDM是使用最为广泛的数字调制方式。这种调制方式的应用范围包括Wi-Fi LAN、WiMAX宽带无线网络、长期演进（LTE） 4G蜂窝系统、数字用户线路（DSL）系统和大多数电力线通信（PLC）应用。
　　频谱效率的确定
　　频谱效率是在分配的带宽中数据的传输速率的量度，其单位为bit/s/Hz（b/s/Hz）。每一种调制方式都有其理论最高频谱效率（表2）。

　　

　　表2

　　SNR是影响频谱效率的另一个重要因素。该因素还可以用载波噪声功率比（CNR）来表示。此量度是针对给定CNR值的BER。BER是在给定的传输比特数中出错的比例。由于与信号级相比，噪声变得更大，因此会出现更多错误。
　　有些调制方式不易受噪声影响。ASK/OOK和QAM等振幅调制方式极易受噪声影响，因此对于给定的调制而言，这些调制方式的BER较高。相位和频率调制（BPSK和FSK等）在有噪声的环境中具有更好的表现，因此对于给定的噪声级，这些调制方式需要的信号功率较少。