【通讯原理】Ch.5：模拟信号调制

Arce

　　模拟信号的代表波长：
LTE(4G):2GHz
5G:3.5GHz
Wifi:2.4GHz/5GHz

Digital-to-Analog transmission

　　现在全套使用模拟信号的设备已经很少见了，在数据时代一切基于数字信号，而声音这种数据需要还原到模拟信号才能正式反馈出原本特征，也就需要用到调制解调技术。

接下来要介绍的三种调制方式，是由模拟信号本身的特性决定的。模拟信号其实就一个正弦波，决定一个正弦波即决定其振幅、初像、和频率（周期的倒数）。在吃之前，先将需要的基本知识普及一下：

基础科普
数据传输速率/波特率

数据传输速率或者波特率（Baud rate）即调制速率。指的是有效数据信号调制载波的速率，即单位时间内载波调制状态变化的次数。它是对符号传输速率的一种度量，1波特即指每秒传输1个符号，而通过不同的调制方式，可以在一个码元符号上负载多个bit位信息。
波特率：是码元传输速率单位，他说明单位时间传输了多少个码元。
比特率：是信息量传送速率单位，即每秒传输二进制代码位数。bit/s

带宽与载波

在通信原理中，我们用Tx表示发送端，Rx表示接收端。
带宽：在正弦函数图像中，带宽直接反馈到函数的周期中。函数的周期越小（频率越高/带宽越大）则函数图像单位时间内变化的越频繁，图像越紧凑。

　　载波信号Carrier Signal：载波是指被调制以传输信号的波形，一般为正弦波。就是把普通信号（声音、图象）加载到一定频率的高频信号上，在没有加载普通信号的高频信号时，高频信号的波幅是固定的，加载之后波幅就随着普通信号的变化而变化（调幅），还可以调相，调频。载波信号一般要求正弦载波的频率远远高于调制信号的带宽，否则会发生混叠，使传输信号失真。
　　调制：原始电信号常常需要在发送端进行调制变换，是因为原始电信号频率很低（我们称这种信号为基带信号），在信道中传输损耗大，不宜直接传输 。调制是将各种基带信号转换成适于信道传输的调制信号。通过调制，可以对频谱进行挪移，将被调制的信号的频谱挪移倒所需的位置，从而把被调制的信号变换为适用于信道传输或者是利于信道进行多路复用的信号

Amplitude Shift Keying(ASK)振幅键控

ASK是指将数字信号调制成模拟信号的这个过程中，用正弦函数的振幅来体现对应数值的不同。在BASK（BinaryASK）中，1表示有振幅0表示无振幅；同理在更多位的表现中，如4位，也是用4中不同的振幅大小来对应表现不同的数值，且0往往表现为无振幅。

BASK由于表现为无振幅和有振幅，处于一种ON-OFF状态，所以也称为OOK（on-off keying）

Frequency Shift Keying(FSK)频移键控

顾名思义，用不同频率来表示数字信号代表的值的不同。如图所示，消耗的带宽会比较多，开销大。如果不仅是BFSK，MFSK的话，可能会占据大量带宽。

实际上类似ASK或者PSK，他们在信道传输过程中受到噪声干扰相对严重，即失真率高，换言之对于数据的保护性能不够好。而在信道传输过程中最不容易改变的就是频率，也就说FSK相对其他的信号转换技术，更加安全，对数据具有更好地保留能力。但是开销很大，浪费的资源较多。在选取数据转换方式时应该根据需要来处理。

BFSK可以通过使用根据输入电压改变频率的压控振荡器(VCO)来实现。

Phase Shift Keying（PSK）Phase Shift Keying

是三种SK中最常用的方式。在BPSK中，相位偏移量为                              π                          π               π。
PSK比ASK抗干扰能力强，信道传输中相对于ASK而言转化的信号传输到Rx后的准确率更高。且PSK相较于FSK，不需要两个频段，即节省带宽资源，这一点与ASK相似。缺点是对接收端的识别用硬件要求较高，但是最近的硬件价格一直在下降，因此PSK在当下阶段成为最普遍的DA转换方式。

PSK的DA转化过程也与ASK相似。

对于MPSK而言（用2位以上bit表示）的SK技术，我们以4PSK（QPSK）为例。它以90°为基准区分4种初像。在调制初期，由于是0,90,180，270的角度变化。相位便宜令正弦函数本身变成了                              s                      i                      n                      x                      ,                      c                      o                      s                      x                      ,                      −                      s                      i                      n                      x                      ,                      −                      c                      o                      s                      x                          sinx,cosx,-sinx,-cosx               sinx,cosx,−sinx,−cosx，也就说可以将其分成两类，sin和cos函数。分割出的sin函数和cos函数进行分别处理，处理后再将波进行结合就形成了最终调制后的波形。

　　Signal Constellation Diagram:

可以使用极坐标来表示A和φ的值。A是点到原点的距离，而φ是两点间连线与x轴的夹角。对于BASK而言，只有两个值0和1，对应到频率是有和无；而对于BPSK而言，用两种不同的频率表示，两种频率互为相反数（夹角为180°）；
对于QPSK而言，将x轴视为sinx，y轴视为cosx；将二者分开来看，每个点有对应的sin和cos函数的值，这个值就是他们的振幅，而导致出现这个值的角度就是他们的初像。
如果一个极坐标画出一个圆形图像，说明这个波形的初像与振幅是从头到尾不会改变的。

信号在信道中传输时会受到干扰而发生一定的变形，而到时候识别如果误读则就意味着出现了error。如上图可知BPSK比BASK更加稳定，黄色部分是他们可能出现的振幅变化，对于ASK如果误差较大，红点坐落于靠近原点的位置，则有可能让1被读成0，反之0读成1；而如果是BPSK，由于他的区分轴从二分之一正x轴变成了y轴，误差许可范围更大，同样的误差在BPSK中不会被误判。
而对于QPSK，由于它是一次发送2bit，而BPSK是一次发送1bit，两者在误差上的性能是等同的，QPSK本身就相当于两个BPSK的结合。

Quadrature Amplitude Modulation（QAM）正交调制

正交调制的极坐标标示图如上所示。x-QAM中的x表示的是点的个数，也就意味着接收端需要一次性接收和发送端需要一次性发送的bits数据。
现在的LTE使用的是64-QAM，无线AP是256-QAM，铜线是1024-QAM，光纤2048-QAM。

　　上述的所有调制，默认变量只有一个，其余变量不变。
Analog-to-Analog conversation

调幅，调相，调频。

Amplitude Modulation (AM)

调幅：将原本的信号与基带信号直接相乘得到已调信号，该信号可以在信道中传输。

而频率不同的波在接收端可以根据区间过滤到具体某一个频段的波，因此根据事业不同被分配的带宽（频率区间）也不同，像音乐语音等类似的通畅是5kHz，之前也说过如果想要完整保存一个模拟信号，只要有它两倍的带宽通常就可以了，因此如果需求AM的带宽为B，则我们分配给他的带宽应给为2B。
人类事业有多种多样，航天用，军事用等等，都会占用一段特殊被划定的带宽用于具体事务。

Frequency Modulation (FM)

同AM直接乘就行，对应生成的调制波的频率也会跟着变化。

收音机等设备基本默认15kHz，规定上允许每个基站使用200KHz，相邻基站之间不能使用相同的带宽或相近的带宽，容易出现干扰。只要基站之间互相存在一个无信号区域防止干扰，也就说上图20MHz/200KHz=100个基站中可以有50个基站同时工作。

Phase Modulation (PM)

对于初像的调制，起初是将对应函数的变化量d/dt进行调制。而函数的变化量就是频率，所以PM是FM的一种变种。只不过VCO 的输出结果是原模拟信号的PM调制结果。