探究现代数字调制技术

　　调制是所有无线通信的基础，调制是一个将数据传送到无线电载波上用于发射的过程。如今的大多数无线传输都是数字过程，并且可用的频谱有限，因此调制方式变得前所未有地重要。
　　如今的调制的主要目的是将尽可能多的数据压缩到最少的频谱中。此目标被称为频谱效率，量度数据在分配的带宽中传输的速度。此度量的单位是比特每秒每赫兹（b/s/Hz）。现在已现出现了多种用来实现和提高频谱效率的技术。
　　幅移键控（ASK）和频移键控（FSK）
　　调制正弦无线电载波有三种基本方法：更改振幅、频率或相位。比较先进的方法则通过整合两个或者更多这些方法的变体来提高频谱效率。如今，这些基本的调制方式仍在数字信号领域中使用。
　　图1显示了二进制零的基本串行数字信号和用于发射的信号以及经过调制后的相应AM和FM信号。有两种AM信号：开关调制（OOK）和幅移键控（ASK）。在图1a中 ，载波振幅在两个振幅级之间变化，从而产生ASK调制。在图1b中，二进制信号关断和导通载波，从而产生OOK调制。

　　图1：三种基本的数字调制方式仍在低数据速率短距离无线应用中相当流行：幅移键控（a）、开关键控（b）和频移键控（c）。在载波零交叉点发生二进制状态变化时，这些波形是相干的
　　AM在与调制信号的最高频率含量相等的载波频率之上和之下产生边带。所需的带宽是最高频率含量的两倍，包括二进制脉冲调制信号的谐波。
　　频移键控（FSK）使载波在两个不同的频率（称为标记频率和空间频率，即fm和fs）之间变换（图1c）。FM会在载波频率之上和之下产生多个边带频率。产生的带宽是最高调制频率（包含谐波和调制指数）的函数，即：
　　m = Δf（T）
　　Δf是标记频率与空间频率之间的频率偏移，或者：
　　Δf = fs –fm
　　T是数据的时间间隔或者数据速率的倒数（1/bit/s）。
　　M的值越小，产生的边带越少。流行的FSK版本是最小频移键控（MSK），这种调制方式指定m = 0.5。还使用m = 0.3等更小的值。
　　接下来我们讨论两种进一步提高ASK和FSK的频谱效率的方法。第一个方法是选择数据速率、载波频率和移频，以便发生二进制状态变化时，正弦载波不会出现不连续。这些不连续性会产生短时脉冲波干扰，这种干扰会增加谐波含量和带宽。
　　这里的思路是使二进制数据的停止和开始时间与正弦载波在零交叉点出现振幅或频率变化的时间同步。这称为连续相或相干操作。与非相干信号相比，相干ASK/OOK和相干FSK的谐波较少，带宽较窄。
　　第二种方法是在调制之前对数据进行滤波。这种方法可以对信号进行修整，从而延长上升时间和下降时间，减少谐波含量。特别的高斯滤波器和升余弦低通滤波器的用途就在于此。GSM蜂窝电话广泛使用了一种流行的整合方案，即高斯滤波MSK（GMSK），这种方案可以在200kHz信道中实现270kbps的数据速率。
　　二进制相移键控（BPSK）和正交相移键控（QPSK）
　　二进制相移键控（BPSK）是一种非常流行的数字调制方式，该调制方式是在发生每一个二进制状态变化时将正弦载波进行180°的相移（图2）。BPSK在零交叉点出现相变时是相干的。BPSK的正确解调需要信号与相同相位的正弦载波进行对比。这涉及到载波恢复和其他的复杂电路。
　　
　　图2：在二进制相移键控中，请注意二进制0的相位是怎样为0°，而二进制1的相位是怎样为180°的。当二进制状态发生变换时，相位发生变化，因此信号是相关的
　　差分BPSK或DPSK是比较简单的调制方式，这两种调制试试会将接收到的比特相位与以前的比特信号的相位进行对比。BPSK是频谱效率极高的一种调制方式，你可以以与带宽（即1bit/Hz）相等的数据速率传送数据。
　　正交PSK（QPSK）是BPSK的一种比较流行的变体，在该方式中，调制器产生两个相移为90°的正弦载波。二进制数据对每个相位进行调制，从而产生四个相移为45°的唯一的正弦信号。两个相位叠加在一起，产生最终的信号。每一对唯一的比特都产生具有不同相位的载波（表1）。
　　
　　表1
　　图3a通过相量图描述了QPSK，图中的相量表示载波正弦振幅峰值，及其位置表示相位。图3b中的星座图显示了同样的信息。由于每一个载波相位都表示两比特数据，因此QPSK是一种频谱效率极极高的调制方式。其频谱效率为2bit/Hz，这是同一带宽中BPSK能够实现的数据速率的两倍。
　　
　　图3：可以不使用时域波形来表示调制方式。比如，QPSK可以用相量图（a）或者星座图（b）表示，这两种图都表示相位和振幅的大小
　　数据速率和波特率
　　理论上的最大数据速率或信道容量（C）（单位为bits/s）是信道带宽（B）信道（单位为Hz）和信噪比（SNR）的函数：
　　C = B log2 （1 + SNR）
　　这就是所谓的香农-哈特雷定律。最大数据速率与带宽成正比，与SNR成对数比。在误码率（BER）一定的情况下，噪声会大幅降低数据速率。
　　另一个关键因素是波特率，即每秒传送的调制符号数。调制符号这个术语是指正弦载波信号的一种具体状态。它可以是振幅、频率、相位或者这些参数的某种形式的组合。基本的二进制传输模式采用每个符号一比特的机制。
　　在ASK调制方式中，二进制0表示一个振幅，二进制1表示另外一个振幅。在FSK调制方式中，二进制0表示一个载波频率，二进制1表示另一个载波频率。在BPSK调制方式中，二进制0表示0°相移，二进制1表示180°相移。以上的每一种调制方式都采用每个符号一比特的机制。
　　数据速率（单位为bits/s）按比特时间（tb）的倒数计：
　　bits/s = 1/ tb
　　采用每比特一个符号的机制时，波特率与比特率相同。不过，如果每个符号传输多个比特，波特率就会降至比特率的每个符号的比特数分之一。比如，如果按每个符号2比特传输，波特率即为比特率的二分之一。举例来讲，采用QPSK调制方式时，70Mb/s的数据流是以35个符号/秒的波特率传输的。
　　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。
　　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