為數(shù)字通信系統(tǒng)選擇混合信號組件-不同類型的調制方案總結

數(shù)字調制方案：本系列的第一部分展示了SNR和帶寬的限制如何限制使用脈沖幅度來傳輸位信息的通信系統(tǒng)的位容量。作為編碼數(shù)字位的一種方式，脈沖幅度是當今數(shù)字通信系統(tǒng)中使用的眾多調制方案之一;每個都有優(yōu)點和缺點。我們在下面定義了一些更常見的調制類型，重點介紹了它們的基本原理，并指出了影響性能的典型元件規(guī)格。第12頁列出的教科書可以對這些調制方案提供更完整的描述。

PAM 脈沖幅度調制：（前面討論過）以沿通道發(fā)送的脈沖流的幅度對位值進行編碼。所需的理論帶寬（以Hz為單位）至少是符號速率的1/2;實際實現(xiàn)使用的帶寬比這更多。PAM通常是一種基帶調制方案：它產生的信號頻譜內容以直流為中心。最簡單的情況是，每個符號表示單個位的存在與否，稱為脈沖編碼調制。

由于位值以信號幅度編碼，因此信號路徑中分量的增益和失調會影響系統(tǒng)性能。使用兩個以上電平的高階調制方案將需要系統(tǒng)組件中相應的更好的幅度精度。應控制失調，它可以將信號從適當?shù)碾娖介撝灯?，從而產生在存在噪聲的情況下誤解位高（或低）的偏向傾向。組件的帶寬也是一個重要的考慮因素。如前所述，有限的帶寬會產生不希望的碼間干擾。濾波可用于仔細控制傳輸信號的帶寬，但信號處理組件不應無意中限制帶寬。通常，組件應具有足夠的帶寬，以便通道本身成為頻帶限制因素，而不是信號處理電路。

AM幅度調制：與PAM密切相關，直接AM通過改變指定頻率的固定頻率載波（通常是正弦波）的幅度來表示傳輸?shù)臄?shù)據，fC.從概念上講，這可以通過采用基本的PAM信號，限制頻帶以減少諧波含量，并將其乘以固定頻率的載波來產生，fC.結果是一個以載波頻率為中心的雙邊帶信號，帶寬是帶限PAM信號的兩倍。

與PAM情況一樣，必須選擇信號鏈中的組件，以保持以載波頻率為中心的頻帶內的幅度完整性。fC.在這種情況下，可以根據模擬元件的線性度、THD（總諧波失真）或SFDR（無雜散動態(tài)范圍）性能進行評估fC.對于具有許多不同幅度電平的多位符號，噪聲可能是元件規(guī)格中的一個重要考慮因素。

FM/FSK 頻率調制/頻移鍵控：我們已經證明，幅度調制方案（包括 PAM）對電壓噪聲和失真非常敏感。或者，信息可以按照發(fā)送的正弦波的頻率進行編碼，這樣信號衰減或其他基于幅度的干擾就不會破壞恢復的數(shù)據（與AM相比，F(xiàn)M收音機的抗靜電性和信號衰減是眾所周知的模擬示例;類似的原理適用于數(shù)字傳輸）。在每符號一位的簡單二進制情況下，傳輸?shù)男盘枌⒃陬l率之間移動f0（“0”） 和f1，（“1”），在平均值或載波頻移鍵控 （FSK） 的兩側。需要注意的是，傳輸?shù)男盘枎拰嶋H上分布在更大的帶寬上，而不僅僅是f之間的跨度。0和 f1，因為兩個頻率之間的轉換速度會產生額外的頻譜內容。為了簡化接收器設計，希望符號速率大大小于f0和 f1;這使得頻率的變化更容易檢測。

頻率調制顯著降低了對信號路徑中幅度誤差的敏感性。由于所有有用的信息都保存在頻域中，因此許多FSK接收器具有限幅器，這是一種高增益電路，旨在將可變幅度正弦信號轉換為更接近恒定幅度的方波，使電路對元件非線性脫敏，并使后續(xù)處理電路更容易檢測信號的頻率（即使計算給定時間間隔內的交叉）。信號帶寬至少與AM一樣重要：碼間干擾仍然是由于處理帶寬不足造成的。由于必須處理載波頻率，因此所需的帶寬可能明顯大于相同數(shù)據的PAM調制。這些系統(tǒng)通常對時序誤差（如抖動）比對電壓噪聲更敏感。

PM/QPSK相位調制/正交相移鍵控：相位和頻率在數(shù)學上密切相關;事實上，相位是頻率的積分（例如，加倍頻率導致相位以原始速率的兩倍累積）。在PM中，信號以固定頻率載波信號的相位編碼，fc.這可以通過直接數(shù)字頻率合成器（DDS）來實現(xiàn)，該頻率合成器產生數(shù)字正弦波，其相位由控制字調制。D/A轉換器將正弦波恢復為模擬波以進行傳輸。

如何推導2位相位調制符號的另一個例子是，在相同頻率下有兩個相等的正弦分量：同相（I）和正交（Q），相距90°，每個代表數(shù)字“1”（如果非反相），“0”如果反相（偏移180°）。當將它們相加時，它們的總和是具有 4 個獨特相位的相同頻率的單個波，相距 90°（即 45°、135°、225° 和 315°），對應于 I 波和 Q 波的相位。圖1是“單位圓”或“衛(wèi)星”圖，以圖形方式表示這些組合。體現(xiàn)這種相位調制原理的系統(tǒng)通常被稱為正交相移鍵控（QPSK）。與FM一樣，發(fā)射頻譜的帶寬與符號速率之間的關系相當復雜。相位調制有幾種變體，包括DQPSK（差分QPSK）。這些類型的調制方案在蜂窩電話等困難環(huán)境中很受歡迎，因為在存在噪聲和功率放大器引入的失真的情況下可以保持相位信息。

圖1.2 位 QPSK 相位。

與FSK一樣，PSK系統(tǒng)的組件通常根據帶寬和其他頻域規(guī)格進行選擇。限幅器可用于消除幅度噪聲。包括抖動在內的時序誤差實際上變成了“相位噪聲”，使得正確解釋接收到的信號變得更加困難。調制器/解調器單元可以正交排列方式實現(xiàn)，其中I和Q分量通過信號鏈的一部分分開并單獨處理。在這里，I和Q路徑之間的幅度和相位匹配是重要的規(guī)格，因為任何失配都映射到有效相位誤差。

QAM 正交幅度調制：回到圖 1，即 QPSK 系統(tǒng)中載波四個不同相位的表示，請注意，每個相位還有一個幅度，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。如果進一步量化每個符號的比特，而不是只有I和Q的兩個電平，則可以傳輸更多的比特;然后，通過將不同數(shù)量的正弦（I 軸）和余弦（Q 軸）相加，矢量和的組合將調制幅度和相位。圖2a顯示了使用I和Q的2位量化在每個符號中實現(xiàn)載波的16種唯一狀態(tài)，允許每個符號傳輸4位。這種調制可以通過直接使用直接數(shù)字合成等方式改變所生成載波的相位和幅度來產生。更常見的是，調幅I和Q（正弦和余弦）版本的載波組合在一起。

因此，術語正交幅度調制（QAM）：載波的兩個正交版本分別進行幅度調制，然后組合形成幅度和相位調制結果。圖2a中的曲線顯示了I和Q的各種可能組合，被稱為“星座”。請注意，從概念上講，非常大的星座可用于表示每個符號的許多位，所需的帶寬類似于相同符號速率的簡單QPSK。星座的點代表發(fā)射信號和接收信號的期望值;但噪聲或失真會使接收到的信號偏離其理想位置;如果誤差很大，它可能會被誤解為不同的星座點。

圖2a和2b將16點星座（2位I和Q）與64點星座（3位I和Q）進行了比較。在相似的發(fā)射功率水平下，6位情況的星座點是其兩倍，因此“誤差閾值”是1/2，對于給定的誤碼率，需要6 dB（大約）更好的信噪比。該表顯示了各種尺寸的QAM星座的典型SNR要求，以實現(xiàn)10-7誤碼率。請注意，二進制I和Q信息可以編碼[例如，格雷碼]，以便代表相鄰或附近傳輸信號電平的點具有相似的位模式。這樣，將星座點誤解為它的鄰居之一只會損壞多位符號的 1 或 2 位。

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

以下是為QAM信號處理選擇的組件的一些重要規(guī)格。帶寬應足以處理載波頻率，加上頻帶內足夠的頻率以避免引入碼間干擾。載波頻率下的總諧波失真（THD）是一個重要的考慮因素，因為失真往往會破壞載波中的幅度信息。應盡量減少抖動，以確?？梢哉_恢復相位信息。I和Q處理模塊之間的幅度和相位匹配非常重要。最后，噪聲（量化和熱）可能是一個重要的考慮因素，特別是對于高階星座。在可行的情況下，應選擇組件，以確保通道本身是系統(tǒng)的噪聲限制部分，而不是信號處理系統(tǒng)的組件。QAM可用于為每個符號傳輸許多位，但代價是增加了對通信通道和信號處理組件中非理想性的敏感性。

這提供了對基本調制方案的快速回顧。這些方法的許多變化、組合和增強旨在處理特定應用的特點和各種傳輸技術的缺點。它們在頻譜效率、魯棒性和實施成本之間提供了權衡。

審核編輯：郭婷