最近在做一期電磁波是怎么傳遞信號的文章，發現越來越多的基礎知識需要去挖掘。在前面幾期的文章中，我們學習了電磁波的基礎知識，也復習了最基礎的三種調制方式。但是這邊還有兩路I/Q信號，怎么解釋射頻收發系統中的這個I/Q信號呢？這就要繼續介紹今天的這種調試方案——QAM調制。

什么是調制呢？

調制就是把信號形式轉換成適合在信道中傳輸的一個過程。可分為基帶調制和載波調制。我們這里所說的調制都是載波調制。

什么是載波調制呢？

就是把調制信號騎到載波上，方法就是用調制信號去控制載波的參數，使載波的一個參數或者幾個參數按照調制信號的規律變化。

載波調制根據調制信號的類型，又可以分為模擬調制和數字調制。

如果調制信號是連續的模擬信號的話，這樣的調制就是模擬調制，我們在文章《信號調制，這樣是不是就懂了？》介紹的三種最基本的調制方式：AM，FM和PM都是模擬調制的一類。

通過這一個操作，就可以讓信號搭上載波的快速列車，然后傳輸出去。經過調制的信號，稱為已調信號，在接收端可以通過解調的方式把信號恢復出來。

調幅和調頻都比較容易理解，一個是幅度的變化，一個是頻率的變化。那怎么又多出來一個QAM呢？

AM既然是調幅，前面的那個Q是什么呢？Quadrature，正交的意思，QAM就是正交幅度調制。在通信這個學科里面，正交是指這兩個信號有90°的相位差。也就是在QAM里面，既有相位調制，又有幅度調制。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？

我們從一個最簡單的信號說起。

按照三角函數公式展開就是

這樣就把信號s(t)展開成了兩個相位相差90°的正交信號的和，這個兩個正交信號分量就是In-phase 信號和Quadrature信號，

這兩個正交分量如下圖所示，相位相差90°。

這兩路正交信號呢，經過DA變換器之后，就來到了我們模擬通道，我們需要對這兩個信號分別進行調制，讓這兩個信號都搭上射頻載波的高速列車。模擬部分對QAM的處理并不復雜，I /Q 信號可以共用一個頻率源LO，然后通過混頻器直接上變頻即可，只是在Q通道，本振信號需要90°的相移，以匹配Q（t）正交特性。

所以呢，對于QAM載波調制，從原理圖上可以看出，我們僅需要分別對I(t)和Q(t)進行混頻即可，然后合路成一路信號S(t)進入到射頻通道的另一個環節。所以對于模擬信號的QAM調制，也就是這么個回事。

數字信號QAM調制

既然說到數字調制，那我們就簡單復習一下數字調制的三種基本方式：振幅鍵控ASK，頻移鍵控FSK和相移鍵控PSK。

振幅鍵控ASK，類似于模擬調制中的AM，即用01 高低電平來調制載波信號的振幅。

頻移鍵控FSK，類似于模擬調制中的FM，即用01電平去調制載波信號的頻率；

相移鍵控PSK，也就是用01電平去調制載波信號的相位。

下圖給出了數字調制的三種基本調制的已調信號波形。

QAM正交幅度調制來到數字調制這里就活躍起來了，既然主信號分成了 I 、Q 兩路信號，每個信號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 現在玩到了4kQAM，即4096-QAM，牛叉的不要不要的。

為什么m-QAM這個m越大越牛叉呢？

在數字信號中，我們引入了一個比特 bit 的概念，這個比特就是比特幣的比特，代號是B，好貴啊，1 比特幣現在值15萬元， OMG。

數字信號的BIT就是二進制數字中0和1的位，信息量的度量單位，為信息量的最小單位。二進制數的一位所包含的信息就是一比特，如二進制數0100就是4比特。一個比特位里面可以含2個信息（0或者1），4比特就可以包含2^4 個信息。所以比特位越多，所能傳輸的信息量就越大。所以從理論上來說，m-QAM中的m越大，所能傳輸的信息量就越大，傳輸速率也就越快。所以呢最新的wifi7標準直接干到了4k-QAM，一個信號包含12個bit位。

QAM是怎么實現的呢？

我們回到上文QAM的原理部分，繼續刷數學公式。

上式中的I(t)和Q(t)信號的幅度提出來玩一下：

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

若A值取±A，Φ值取±90°，這就有四組不同的組合，也就是4-QAM調制，也就是QPSK。同理，通過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，下面這個動圖，生動的展示了16-QAM調制的幅度和相位選值以及其對應的二進制碼元：Amp 就是A的選值，Phase 就是上式中的相位Φ的選值。

每個點對應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的信號矢量信息。更大的m，只需要更多的點來表示即可。下圖給出了Wifi5 的256-QAM和wifi6的1024-QAM 星座圖。

QAM信號是怎么產生的呢？

常用的方法有兩種：正交調幅法和復合相移法

以16-QAM調制為例，正交調幅法就是用兩路獨立的正交4ASK信號疊加，形成16QAM信號。

而復合相移法就是用兩路獨立的QPSK信號疊加，形成16QAM信號。下圖中紅圈上的四個點表示第一個QPSK的信號矢量的位置，在這四個位置上，可以疊加第二個QPSK矢量，下圖藍色圈上的四個點。

到這，對于QAM調制的基本原理，相信大家都有了一個初印象。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，無線通信系統的數據速率和頻譜效率會越高嗎？但是事情往往有兩面性，QAM調制的m越大，對噪聲和干擾的要求也就越高。

Wifi這種室內短距應用，噪聲條件比較理想，更高階的QAM還有發揮的空間，但是對于移動無線通信，室外噪聲環境極其惡劣，更高階的QAM，挑戰極其大。所以現在的5G通信，256QAM是一個比較折中的調制方式。

審核編輯：劉清