探究现代数字调制技术

影响频谱效率的其他因素
　　虽然调制方式在频谱效率中起着非常关键的作用，但是无线设计中的其他因素也会影响频谱效率。比如，使用正向纠错（FEC）技术可以大幅改进BER。这种编码方式可以增加额外的比特数，因此可以检测和纠正错误。
　　这些额外的编码比特会增加信号的开销，从而降低数据的净比特率，不过这往往是CNR的一位数dB改进的一个可以接受的折衷因素。如今几乎所有的无线系统都有这种编码增益。
　　数字压缩是另一个有用的技术。要发送的数字数据易受用来大幅减少信息量的压缩算法的影响。这样就可以减少数字信号量，以便这些信号以更短更慢的数据流进行传输。
　　比如，数字手机和互联网协议语言（VoIP）电话的语言信号就是经过压缩的。MP3或AAC文件的音乐经过压缩后可以获得更快的传输速度，并且所需的存储空间也更小。视频经过压缩后，高分辨率的图像可以更快地传输或者在带宽有限的系统中传输。
　　影响频谱效率的另一个因素是多输入多输出（MIMO）的使用，该技术使用多个天线和收发器来传送两个或多个比特流。单个高速率流被分成两个并行流，并同时以相同的带宽进行传输。
　　通过对流及其独特的通路特性进行编程，接收器可以对每个流进行识别和解调，并将其重编成原始的流。因此，MIMO可以提升数据速率、噪声性能和频谱效率。802.11n和802.11ac/ad等更新的无线LAN （WLAN）标准以及LTE和WiMAX等蜂窝标准都采用MIMO技术。

　　

　　图7：这是以BER和CNR表示多种流行的调制方式及其频谱效率的比较图。请注意，对于给定的BER，QAM级别越高，所需的CNR越大
　　调制和解调的实现
　　过去，实现调制和解调的电路往往是唯一的。如今，大多数现代无线电都是软件定义无线电（SDR），在这类无线电中，调制和解调等功能都是通过软件的方式实现的。DSP算法执行以前指定给调制器和解调器电路的工作。
　　调制过程是从要传输的数据被送至产生两个数据输出的DSP器件开始的，这两个数字输出用来定义接收器端恢复数据所需的振幅和相位信息。DSP产生两个基带流，这两个基带流被发送至数模转换器（DAC），从而产生模拟当量。
　　这些调制信号向混频器提供载波。载波信号与混频器之间有90°的相移。从混频器获得的正交输出信号合在一起产生要传输的信号。如果载波信号的频率为最终的传输频率，那么该复合信号将被放大，然后被发送至天线。这个过程称为直接转换。载波信号的频率也有可能是较低的中频（IF）。该中频信号通过另一个混频器被上变频至最终的载波频率，然后被施加到发射器功放。
　　在接收器端，来自天线的信号被放大，然后下变频至中频，或者直接下变频至最初的基带信号。来自天线的放大信号与载波信号一起被施加到混频器。施加到混频器的载波信号之间也有90°的相移。
　　混频器产生最初的基带模拟信号，然后该信号在一对模数转换器（ADC）中转换成数字信号，并被发送至DSP电路，该电路中的解调算法用来恢复最初的数字数据。
　　这里要考虑三个重点。首先，调制和解调过程采用两个正交信号。如果相位和振幅将要在调制或解调过程中保存和捕获时，DSP算法就需要两个正交信号。
　　其次，DSP电路可能是传统的可编程DSP芯片，也可能通过实现算法的固定数字逻辑来实现。固定逻辑电路尺寸更小速率更快，由于在调制或解调过程中具有低延迟而往往得到优先使用。
　　第三，如果调制方式为QPSK或QAM，发射器中的功放就需要是线性放大器，这样才能真实地再现振幅和相位信息。如果采用ASK、FSK和BPSK调制方式，可以要使用效率更高的非线性放大器。
　　对更高频谱效率的追求
　　频谱是有限的资源，它总是供不应求。多年来，美国联邦通信委员会（FCC）和其他政府机构已分配了大多数电磁频谱，并且大多数频谱都处在积极使用的状态。
　　现在，蜂窝和陆地移动无线电领域存在频谱供不应求的局面，从而限制了高数据速率等业务的拓展和新用户的加入。解决这个问题的一个方案是通过将更多用户压缩到相同或更少的频谱中并实现更高的数据速率来提高使用效率。改进的调制和访问方案可能会有所帮助。
　　最密集的频谱区之一是联邦政府、州政府和消防局和警察局等当地公共安全机构使用的陆地移动无线电（LMR）和专用移动无线电（PMR）频谱。目前，这些频谱是由FCC认证分配的频谱150至174MHz VHF频谱和421至512MHz UHF频谱。
　　大多数无线电系统和手持机都使用占用25kHz信道的FM模拟调制。最近FCC已经要求所有的这类无线电都切换到12.5kHz信道。这种转换称为窄带转换，它可以使可用信道数翻倍。
　　窄带转换有望提升无线电访问信道的能力。此外，窄带还意味着可以在系统中增加更多的无线电。这种转换必须在2013年1月1日之前进行。否则机构或公司可能会失去认证或者被罚款。由于对新无线电系统和手持机的需求仍存在，因此这种转换的成本将非常高。
　　未来，FCC有望授权从12.5kHz信道进一步转换到6.25kHz信道，这样就又在不增加分配的频谱量的情况下将容量增加了一倍。这种转换尚未提供时间表。
　　新设备可以使用模拟或数字调制方式。通过调整调制指标并使用其他窄带转换技术可以将标准模拟FM置于12.5kHz信道上。不过，6.25kHz信道中的模拟FM无法工作，因此必须使用数字技术。
　　数字技术可以将语音信号转换成数字信号，并使用压缩技术产生可以调制到窄带的极低速率的串行数字信号。这种数字调制技术有望满足窄带转换目标，并带来一些额外的性能优势。
　　目前已经开发了新的调制技术和协议（包括P25、TETRA、DMR、dPMR和NXDN）来满足这一要求。所有这些新技术都必须满足FCC法规第90部分和/或欧洲电信标准学会（ETSI）标准（如针对LMR的TS-102 490和TS-102-658）的要求。
　　最流行的数字LMR技术P25目前已在美国12.5kHz信道上得到广泛使用。其频分多址（FDMA）技术可将分配的频谱分成6.25kHz或12.5kHz信道。
　　P25项目的第I阶段使用四符号FSK （4FSK）调制技术。早期推出的标准FSK使用两种频率或“音调（tone）”来实现1bit/Hz的频谱效率。不过，4FSK是使用四种频率的FSK技术的一种变体，该技术可以实现2bit/Hz的效率。使用该方案时，该标准可以在12.5KHz的信道中实现9600bit/s的数据速率。使用4FSK技术时，载波频率出现±1.8kHz或±600Hz的频移，以实现四个符号。
　　在第2阶段，使用一种兼容的QPSK调制技术在6.25kHz信道中实现类似的数据速率。发生±45°或±135°的相移，以实现四个符号。现已开发出一款独一无二的解调器，它可以检测到4FSK或QPSK信号，以恢复数字语音。仅需要发射端的另一调制器即可实现从第1阶段到第2阶段的转换。
　　美国以外的地区使用最广泛的数字LMR技术是TETRA，即陆地中继无线电。这种ETSI标准在欧洲以及非洲、亚洲和拉丁美洲应用相当广泛。其时分多址（TDMA）技术可将四个数字语音或数据信号复用至25kHz信道。
　　单个信道可用来支持每个用户的数字数据的四个时隙的数字流。这相当于相邻的6.25kHz信道中的四个独立信号。这种调制方式是π/4-DQPSK，数据速率是每时隙7.2kbps。
　　另一个ETSI标准数字移动无线电（DMR）在12.5kHz信道中使用4FSK调制技术。这种调制技术通过使用双时隙TDMA方式在12.5kHz信道中实现等效的6.25kHz信道。语音通过数字方式进行编码，带纠错功能，基本速率是3.6kbps。12.5kHz频带的数据速率是9600kbps。
　　类似的技术还有dPMR，这是一种数字专用移动无线电标准。此ETSI标准也使用4FSK调制技术，不过使用的多址技术是6.25kHz信道中的FDMA。带纠错功能时的语音编码速率也是3.6kbps。
　　LMR厂商Icom和Kenwood已开发出另一个LMR标准NXDN。该标准旨在使用数字语音压缩技术和四符号FSK系统在12.5或6.25kHz信道中工作。可以选择一个信道用来传输语音或数据。
　　基本数据速率为4800bit/s。多址技术是FDMA。NXDN和dPMR是两个类似的标准，因为它们都在6.25kHz信道中使用4FSK和FDMA。不过由于数据协议和其他特性不相同，这两种技术并不兼容。
　　由于所有这些数字技术都是类似的，并且在标准频率范围内工作，因此飞思卡尔（Freescale）公司开发出了一款整合RF收发器和ARM9处理器的单芯片数字无线电，该无线电经过编程后可以适用于任何数字标准。如果不使用多个协议的话，MC13260片上系统（SoC）可以成为手持机无线电的基础。
　　NovelSat公司推出的一种称为NS3调制的新技术就是提高给定信道的频谱效率并增加数据吞吐能力的调制技术的另一个实例。卫星定位在距地球22，300英里的围绕赤道的轨道上。这称为地球静止轨道，该轨道上的卫星以与地球同步的方式旋转，因此它们的运动轨迹是固定的，这使其成为一个非常合适的从地球上的一个位置到另一位置的信号中继平台。
　　卫星上有多个转发器，它们可以捡拾来自地球的弱上行线路信号，并将该信号以不同的频率重新发送。这些转发器是线性设备，具有固定带宽，一般为36MHz。有些新型卫星具有72MHz的信道转发器。带宽固定时，数据速率也是固定的，并且由调制技术和多址技术决定。
　　问题是如何满足由于对更高通信能力的日益增长的需求而引起的提高远程卫星中的数据速率的要求。解决方法很简单，就是创建和实现频谱效率更高的调制技术。NovelSat公司正是按照这个思路做的。该公司的NS3调制技术可以将带宽容量提高多达78%。
　　这种提高来自以前推出的APSK调制技术的修订版。常用的卫星传输标准DVB-S2是一个可以使用QPSK、8PSK、16APSK和32APSK调制方式和不同的正向纠错（FEC）方案的单个载波（一般是L波段950至1750MHz）。最常见的应用是视频传输。
　　NS3技术通过多个振幅和相位符号提供64APSK调制方式，提高了频谱效率，在DVB-S2技术的基础上有所提升。此外还包含了低密度奇偶校验（LDPC）码。这种整合可以在72MHz的转发器中实现358Mbps的最高数据速率。由于调制方式是APSK，因此TWT PA不必进行回退，以保留完美的线性度。因此与DVB-S2相比，它们能以更高的功率工作，并实现更高的数据速率和更低的CNR。NovelSat公司的NS1000调制器和NS2000解调器可用来将卫星系统升级至NS3。在大多数应用中，针对给定的CNR，NS3都可以在DVB-S2基础上实现数据速率的提升。

来源：电子工程网