最近在做一期電磁波是怎么傳遞信號(hào)的文章，發(fā)現(xiàn)越來(lái)越多的基礎(chǔ)知識(shí)需要去挖掘。在前面幾期的文章中，我們學(xué)習(xí)了電磁波的基礎(chǔ)知識(shí)，也復(fù)習(xí)了最基礎(chǔ)的三種調(diào)制方式。但是這邊還有兩路I/Q信號(hào)，怎么解釋射頻收發(fā)系統(tǒng)中的這個(gè)I/Q信號(hào)呢？這就要繼續(xù)介紹今天的這種調(diào)試方案——QAM調(diào)制。

什么是調(diào)制呢？

調(diào)制就是把信號(hào)形式轉(zhuǎn)換成適合在信道中傳輸?shù)囊粋€(gè)過(guò)程?？煞譃榛鶐д{(diào)制和載波調(diào)制。我們這里所說(shuō)的調(diào)制都是載波調(diào)制。

什么是載波調(diào)制呢？

就是把調(diào)制信號(hào)騎到載波上，方法就是用調(diào)制信號(hào)去控制載波的參數(shù)，使載波的一個(gè)參數(shù)或者幾個(gè)參數(shù)按照調(diào)制信號(hào)的規(guī)律變化。

載波調(diào)制根據(jù)調(diào)制信號(hào)的類型，又可以分為模擬調(diào)制和數(shù)字調(diào)制。

如果調(diào)制信號(hào)是連續(xù)的模擬信號(hào)的話，這樣的調(diào)制就是模擬調(diào)制，我們?cè)谖恼隆缎盘?hào)調(diào)制，這樣是不是就懂了？》介紹的三種最基本的調(diào)制方式：AM，F(xiàn)M和PM都是模擬調(diào)制的一類。

通過(guò)這一個(gè)操作，就可以讓信號(hào)搭上載波的快速列車，然后傳輸出去。經(jīng)過(guò)調(diào)制的信號(hào)，稱為已調(diào)信號(hào)，在接收端可以通過(guò)解調(diào)的方式把信號(hào)恢復(fù)出來(lái)。

調(diào)幅和調(diào)頻都比較容易理解，一個(gè)是幅度的變化，一個(gè)是頻率的變化。那怎么又多出來(lái)一個(gè)QAM呢？

AM既然是調(diào)幅，前面的那個(gè)Q是什么呢？Quadrature，正交的意思，QAM就是正交幅度調(diào)制。在通信這個(gè)學(xué)科里面，正交是指這兩個(gè)信號(hào)有90°的相位差。也就是在QAM里面，既有相位調(diào)制，又有幅度調(diào)制。這一改還不得了，不僅有4QAM，8QAM，16QAM..... 甚至還有1024QAM。一下子就把調(diào)制的信息翻了好多倍，牛x的不得了了。

QAM的原理是什么呢？

我們從一個(gè)最簡(jiǎn)單的信號(hào)說(shuō)起。

按照三角函數(shù)公式展開就是

這樣就把信號(hào)s(t)展開成了兩個(gè)相位相差90°的正交信號(hào)的和，這個(gè)兩個(gè)正交信號(hào)分量就是In-phase 信號(hào)和Quadrature信號(hào)，

這兩個(gè)正交分量如下圖所示，相位相差90°。

這兩路正交信號(hào)呢，經(jīng)過(guò)DA變換器之后，就來(lái)到了我們模擬通道，我們需要對(duì)這兩個(gè)信號(hào)分別進(jìn)行調(diào)制，讓這兩個(gè)信號(hào)都搭上射頻載波的高速列車。模擬部分對(duì)QAM的處理并不復(fù)雜，I /Q 信號(hào)可以共用一個(gè)頻率源LO，然后通過(guò)混頻器直接上變頻即可，只是在Q通道，本振信號(hào)需要90°的相移，以匹配Q（t）正交特性。

所以呢，對(duì)于QAM載波調(diào)制，從原理圖上可以看出，我們僅需要分別對(duì)I(t)和Q(t)進(jìn)行混頻即可，然后合路成一路信號(hào)S(t)進(jìn)入到射頻通道的另一個(gè)環(huán)節(jié)。所以對(duì)于模擬信號(hào)的QAM調(diào)制，也就是這么個(gè)回事。

數(shù)字信號(hào)QAM調(diào)制

既然說(shuō)到數(shù)字調(diào)制，那我們就簡(jiǎn)單復(fù)習(xí)一下數(shù)字調(diào)制的三種基本方式：振幅鍵控ASK，頻移鍵控FSK和相移鍵控PSK。

振幅鍵控ASK，類似于模擬調(diào)制中的AM，即用01 高低電平來(lái)調(diào)制載波信號(hào)的振幅。

頻移鍵控FSK，類似于模擬調(diào)制中的FM，即用01電平去調(diào)制載波信號(hào)的頻率；

相移鍵控PSK，也就是用01電平去調(diào)制載波信號(hào)的相位。

下圖給出了數(shù)字調(diào)制的三種基本調(diào)制的已調(diào)信號(hào)波形。

QAM正交幅度調(diào)制來(lái)到數(shù)字調(diào)制這里就活躍起來(lái)了，既然主信號(hào)分成了 I 、Q 兩路信號(hào)，每個(gè)信號(hào)分量都有其各自的幅度和相位。那變化的花樣可就多了。什么16QAM，64QAM，256QAM，wifi7 現(xiàn)在玩到了4kQAM，即4096-QAM，牛叉的不要不要的。

為什么m-QAM這個(gè)m越大越牛叉呢？

在數(shù)字信號(hào)中，我們引入了一個(gè)比特 bit 的概念，這個(gè)比特就是比特幣的比特，代號(hào)是B，好貴啊，1 比特幣現(xiàn)在值15萬(wàn)元， OMG。

數(shù)字信號(hào)的BIT就是二進(jìn)制數(shù)字中0和1的位，信息量的度量單位，為信息量的最小單位。二進(jìn)制數(shù)的一位所包含的信息就是一比特，如二進(jìn)制數(shù)0100就是4比特。一個(gè)比特位里面可以含2個(gè)信息（0或者1），4比特就可以包含2^4 個(gè)信息。所以比特位越多，所能傳輸?shù)男畔⒘烤驮酱?。所以從理論上?lái)說(shuō)，m-QAM中的m越大，所能傳輸?shù)男畔⒘烤驮酱?，傳輸速率也就越快。所以呢最新的wifi7標(biāo)準(zhǔn)直接干到了4k-QAM，一個(gè)信號(hào)包含12個(gè)bit位。

QAM是怎么實(shí)現(xiàn)的呢？

我們回到上文QAM的原理部分，繼續(xù)刷數(shù)學(xué)公式。

上式中的I(t)和Q(t)信號(hào)的幅度提出來(lái)玩一下：

這兩個(gè)正交分量的幅度AI 和AQ 又是一組正交的函數(shù)。我們可以取多個(gè)不同的A和Φ，來(lái)得到多組不同的I(t)和Q(t)信號(hào)，也就是可以完成主信號(hào) S(t)的多種調(diào)制。

若A值取±A，Φ值取±90°，這就有四組不同的組合，也就是4-QAM調(diào)制，也就是QPSK。同理，通過(guò)A和Φ的不同組合，就可以得到16-QAM，甚至64-QAM，甚至更多。

為了更好的理解，我們引入了星座圖的概念，下面這個(gè)動(dòng)圖，生動(dòng)的展示了16-QAM調(diào)制的幅度和相位選值以及其對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制碼元：Amp 就是A的選值，Phase 就是上式中的相位Φ的選值。

每個(gè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的波形圖可以參考下圖所示。

星座圖比較直觀地展示了m-QAM的信號(hào)矢量信息。更大的m，只需要更多的點(diǎn)來(lái)表示即可。下圖給出了Wifi5 的256-QAM和wifi6的1024-QAM 星座圖。

QAM信號(hào)是怎么產(chǎn)生的呢？

常用的方法有兩種：正交調(diào)幅法和復(fù)合相移法

以16-QAM調(diào)制為例，正交調(diào)幅法就是用兩路獨(dú)立的正交4ASK信號(hào)疊加，形成16QAM信號(hào)。

而復(fù)合相移法就是用兩路獨(dú)立的QPSK信號(hào)疊加，形成16QAM信號(hào)。下圖中紅圈上的四個(gè)點(diǎn)表示第一個(gè)QPSK的信號(hào)矢量的位置，在這四個(gè)位置上，可以疊加第二個(gè)QPSK矢量，下圖藍(lán)色圈上的四個(gè)點(diǎn)。

到這，對(duì)于QAM調(diào)制的基本原理，相信大家都有了一個(gè)初印象。那是不是就可以直接搞更大的QAM，不僅上4k，還有8k，不是QAM的m越大，無(wú)線通信系統(tǒng)的數(shù)據(jù)速率和頻譜效率會(huì)越高嗎？但是事情往往有兩面性，QAM調(diào)制的m越大，對(duì)噪聲和干擾的要求也就越高。

Wifi這種室內(nèi)短距應(yīng)用，噪聲條件比較理想，更高階的QAM還有發(fā)揮的空間，但是對(duì)于移動(dòng)無(wú)線通信，室外噪聲環(huán)境極其惡劣，更高階的QAM，挑戰(zhàn)極其大。所以現(xiàn)在的5G通信，256QAM是一個(gè)比較折中的調(diào)制方式。

審核編輯：劉清