浅谈无线通信数字调制技术

2022-04-07 无线通信

1、为何要调制？
所谓调制就是将所需要传递的信号“搬运”到规定的频谱附近，信号调制主要出于两方面的原因技术层面和管理层面。

技术层面上，电磁波理论天线的尺寸和电磁波波长差不多的时候，能够获得较高的发射效率，由电磁波频率与波长公式壳子，所以需要将信号调制到较高的频率以减小天线的尺寸。
管理层面上，频谱是一个国家的资源，需要专门的管理机构统一管理、分配、使用，这样才能避免相互间的干扰，使得无线通信称为可能。

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2、模拟调制技术
我们以IQ调制为例来讲解模拟调制，IQ调制也叫做正交调制，数据分为两路分别进行载波调制，两路载波相互正交，I是in-phase(同相)，q是quadrature(正交) 。IQ路信号是一路是0°，另一路是90°的正交信号，IQ调制原理如图1.所示：

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图1.IQ调制原理图
I路和Q路分别输入两个数据a,b, I路信号与cos(ωt)相乘，Q路信号与sin(ωt)相乘，之后再叠加在一起(Q路通常会乘-1)，输出信号为s(t) 。这个过程叫做IQ调制。在复数域用 a+jb 表示输入信号，输入信号与 cos(ωt)+jsin(ωt)想乘后得到的实部即为输出信号，如图2所示：

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图2.复数域内的IQ调制原理图
IQ解调原理如图3所示：

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3.IQ调制与解调原理图
下面我们分别计算解调后的I路和Q路输入，假设传输信道不受噪声影响。I路和Q路调制出来的信号为：

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滤波器将高频部分过滤到，得到输入的a和b信号。在复数域的解调关系与此一致，如图4所示。

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3、数字调制技术
在模拟信号的调制过程中，我们将基带信号频谱搬移到射频载波上的过程称之为调制技术。在数字通信技术中，调制的内涵在逐渐的扩大，从信息比特映射到基带信号的过程也被称之为调制。所以数字通信调制可以理解为一种映射关系，如下图5所示：

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图5. 数字调制过程
数字信号bk首先映射成符号Ik，在形成基带信号s(t)，其中脉冲形成起到基带滤波和控制带外侧漏的作用。每个符号通过脉冲形成产生一个波形，把所有的波形按照时间顺序累加起来就得到了基带信号s(t) 。数字调制主要任务是研究如何把比特 bk 映射到符号 Ik 。数字调制的基本方法包括调幅，调相和调频：

调幅：幅移键控，Amplitude Shift Keying (ASK)
调相：相移键控，Phase Shift Keying(PSK)
调频：频移键控，Frequency Shift Keying(FSK)

图6~8给出了几种调制方式的星座图，在星座图中，我们分别将输入的比特映射为幅值和相位的关系图。

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图6.幅移键控（2ASK, 4ASK）

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图7.相移键控星座图(BPSK,QPSK,8PSK)

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图8.QAM星座图(4QAM,16QAM)
厦门我们演示如何使用IQ调制来实现上述的数字调制技术，以16QAM为例，第一象限的星座图可以描述为图9.

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图9.16QAM星座图
根据IQ调制原理图（如图1所示），当系统数字信号为(0000)时，IQ调制输出为：

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其中s(t)的幅值和相位正好是16QAM星座图，以I信道为横坐标轴，以Q信道为纵坐标轴信号（0000）所对应的点。依次类推我们可以得到如下的映射关系表

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在QAM调制星座图中，点的分布在复平面的一定范围内。模相同的点相位不相同，相位相同的点模不同。
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