WCDMA/LTE调制方式入门

伯乐在线注:本文来自@曾大树 的投稿(原文)。

什么是调制?我们可以参照一下维基百科的定义:“调制是一种将信号注入载波,以此信号对载波加以调制的技术,以便将原始信号转变成适合传送的电波信号。调制的逆过程叫做解调,用以解出原始的信号。”打个比方,我们买来的台式机电脑并不是组装好了被运来的,而是以一种便于“运输”的方式“装载”到箱子中。无线传输也是如此,原始数据的波形要经过某种加工,或者是出于速率的考虑,或是出于抗干扰的考虑等等,进而采用了某种调制方式。

変調

如上图所示,在收音机中我们常常会见到AM和FM两种频道划分的方式,AM和FM就是模拟调制中常用的两种方式。那么,分别介绍一下AM和FM。

AM(Amplitude Modulation)调幅:根据要传输的波形来调整载波的振幅。AM的优点是收发设备的设计制造比较容易;缺点是传输质量比较差,比较容易受到噪音的干扰。

FM(Frequency Modulation)调频:根据要传输的波形来调整载波的频率。FM的优点是抗干扰能力增强了,可以传输高音质的信号;缺点是高传输速率会占用比较高的带宽。

那么,AM和FM在收音机广播中会常常被用到。结合我们自身的感受,也可以得出FM的音质要比AM的音质好上一些的结论。除了模拟方式的调制以外,更重要的要介绍一下数字方式的调制。这里将分别介绍ASK、FSK、PSK和QAM。

ASK(Amplitude Shift Keying)幅移键控:根据要传输的波形,来控制载波的断续。如下图所示,高电平时载波振幅不变,低电平时载波振幅为零,这跟AM有很大的相似。我们可以看出来,ASK可以很容易的传输由“1”和“0”组成的数字信号。那么它的收发回路也比较简单,但是抗干扰能力比较差。ASK在生活中应用的一个例子是电波表的同步。

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FSK(Frequency Shift Keying)频移键控:根据要传输的波形,来控制载波的频率。FSK和FM也很相似,不同的是FM传输的是连续的波形,而FSK传输的是0和1这样的二进制信号。FSK的收发回路也比较简单,可是如果要提高FSK的速率会占用较高的带宽,所以一般不适用于高速通信。生活中FSK的例子是寻呼机(BP机)和蓝牙通信。

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PSK(Phase Shift Keying)相移键控:之前介绍过的AM、FM、ASK和FSK都是通过改变频率或者振幅来实现调制。那么如果我们想要更快的速率,就必须充分挖掘波形的特点,这里使用了“相位”。PSK根据要传输的波形,来调整载波的相位。那么所谓相位,是一个角度的概念。如下图所示,正弦波可以看做一个圆周映射到一个周期的正弦波之上:正弦波的起点是0°,终点是360°。

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BPSK(Binary Phase Shift Keying):其要传输的信号为由0和1组成的二进制形式,进而我们可以采用0°和180°,或者90°和270°的相位波来传输数据,如下图所示。采用BPSK虽然也只能传输1和0两种数据,但是其有着较强的抗干扰能力。

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QPSK(Quadrature Phase Shift Keying):与BPSK只能传输1和0不同,QPSK使用4种相位波形,因而可以传输2比特数据诸如“00、01、10、11”,其传输速率为BPSK的两倍,如下图所示。与BPSK相比,QPSK的抗干扰能力有所减弱,但是2倍的传输速率还是很吸引人的。除此之外还有8PSK,这里就不再介绍了。

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QAM(Quadrature Amplitude Modulation):与之前单对波形的某个要素进行调制不同,QAM同时对相位和振幅两个要素进行调制。QPSK(4PSK)通过4个相位的调制可以传输2比特的数据,如果同时通过改变振幅来调幅的话,就是我们所说的QAM调制。如下图所示,同样45°相位角的波形,我们可以根据振幅不同来表示两个不同的数据,从而传输更多的数据。比如我们可以根据相位和振幅将空间划分成4×4的阵列,这就是常说的16QAM,其可以传输4比特的数据。进一步,我们可以划分8×8的阵列,就是64QAM可以传输6比特的数据。QAM和波形的映射关系,这里就不给出了,有兴趣的话可以自己试着画一画。

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