調頻調幅調相原理（調幅調頻調相）

2023-05-16 20:56:28 2

無線通信是現在應用最為廣泛的通信技術之一，其核心是把要傳輸的數據調製在載波上發射出去，載波狀態的變化承載了不同的信息。

如下圖所示，載波信號的狀態變化可以分為幅度變化、頻率變化以及相位變化，因此對應的就有AM（Amplitude Modulation）或ASK（Amplitude Shift Keying）調製、FM（Frequency Modulation）或FSK（Frequency Shift Keying）調製、PM（Phase Modulation）或PSK（Phase Shift Keying）調製，更複雜的調製中可能同時會改變1個以上的狀態量，比如同時改變幅度和相位。早期的無線通信技術中是把模擬量（如語音信息）直接調製在載波上，傳輸過程中信噪比的惡化會造成傳輸信息的嚴重失真。

現代的無線通信都普遍採用數字調製技術，即把數位化後的信息調製到載波上。這樣只要信噪比的惡化控制在一定程度以內，就可以大大減小接收端的誤判。再加上數位訊號可以採用大量的信號編碼和糾錯技術，使得數字調製成為了現代無線通信的絕對主流技術。

在數字移動通信、無線網絡、衛星通信等應用中，為了提高頻譜利用效率，普遍採用I/Q調製技術來實現數字調製。

I/Q調製技術是把要傳輸的數字信息分為I（In-phase component）支路和Q（Quadrature component）支路，通過I/Q調製器（I/Q Modulator）分別改變載波信號及正交信號（相對於載波信號有90度相位差）的幅度，然後再合成在一起。I/Q調製技術通過控制加載在I路和Q路信號載波上的不同幅度，就可以控制合成後載波信號的幅度以及相位的變化，從而可以承載更多信息。這種調製方式具有實現簡單、調製方式靈活、頻譜利用效率高等特點，因此在現代移動通信技術中廣泛使用。

I/Q調製可以控制合成後載波信號的幅度以及相位狀態，並用不同的狀態代表不同的數據含義。每次信號變化可以表示的狀態越多，調製越複雜，但同時每個狀態可以表示更多的數據bit，從而在有限的狀態跳變速度下可以承載更多的信息內容。為了更好地對載波在某個時刻的幅度和相位信息進行描述，通常用如下圖所示的極坐標的方式，其相位的變化可以表示為在極坐標上的旋轉，其幅度的變化可以表示為其離原點的距離。

比如，對於BPSK（Binary Phase Shift Keying：二進位相移鍵控）的調製方式來說，採用相差180度的兩個相位狀態進行數據的傳輸，在星座圖上就表示為兩個相位差180度的點；對於QPSK（Quadrature Phase Shift Keying：四相移鍵控）的調製方式來說，採用相差90度的四個相位狀態進行數據的傳輸，在星座圖上就表示為四個相位差90度的點；而對於16QAM（16-state Quadrature Amplitude Modulation：16狀態幅相調製）的調製方式來說，則除了改變載波相位，還會改變載波的幅度，共使用了16個不同的狀態進行數據的傳輸，其在星座圖上就表示為16個不同幅度和相位的點。

一般情況下，我們把信號在星座圖上每個狀態承載的數據內容叫做1個符號（Symbol），每個符號對應星座圖上的一個狀態，不同狀態間的變化速率就叫做符號速率（Symbol Rate），有時又稱為波特率（Baud Rate）。

在採用I/Q調製的發射機裡，要提高信號的傳輸速率，主要有兩種方式：提高波特率或採用更複雜的調製方式。波特率越高，其在無線傳輸時的佔用的頻譜帶寬越寬。而通常情況下在民用無線通信中，頻譜資源是非常寶貴的，因此很多時候不可能使用非常高的波特率，除非開發新的頻譜資源（比如在未來的5G移動通信中會考慮6GHz以及毫米波頻段的頻譜資源）或者頻譜資源是獨佔的（比如在有些軍用或者衛星通信中）。

如果波特率或者頻譜帶寬已經不能再提高了，要提高信號傳輸速率，就需要採用更複雜的調製方式。比如在前面的例子裡，BPSK調製只有兩個狀態，每個狀態可以傳輸1bit信息；QPSK調製有四個狀態，每個狀態可以傳輸2bit信息；而16QAM調製有16個狀態，每個狀態可以傳輸4bit信息。調製方式越複雜，則每個狀態就可以傳輸更多的數據bit，單位帶寬下的數據傳輸速率越高。但要注意的是，調製方式也不是能無限複雜的，調製方式越複雜，對於信噪比的要求也越高，如果信噪比不能提高而單方面採用更複雜的調製方式，則誤碼率可能會大到不可接受的程度。

參考來源：麵包板社區https://www.mianbaoban.cn/blog/376490-204734.html