調製技術基礎

“數模轉換是根據數字數據中的信息改變模擬信號的特徵之一的過程。 正弦波由三個特徵定義：幅度、頻率和相位。 當我們改變這些特徵中的任何一個時，我們就會創建該波浪的不同版本。 因此，通過改變簡單電信號的一個特徵，我們可以用它來表示數字數據。 ----- FM用戶"


將數字數據調製成模擬信號有三種機制： 幅移鍵控（問）、頻移鍵控（FSK）和相移鍵控（PSK）。 此外，還有第四種（也是更好的）機制，它結合了改變幅度和相位，稱為 正交幅度調製 (QAM).

頻寬
數字數據的模擬傳輸所需的帶寬與信號速率成正比，但FSK除外，其中需要加上載波信號之間的差值。

請參見： >> 8-QAM，16-QAM，32-QAM，64-QAM 128-QAM，256-QAM的比較 

載波信號
在模擬傳輸中，發送設備產生高頻信號，作為信息信號的基礎。 該基本信號稱為載波信號或載波頻率。 接收設備被調諧到其期望來自發送器的載波信號的頻率。 然後，數字信息通過修改載波信號的一項或多項特性（幅度、頻率或相位）來改變載波信號。 這種修改稱為 調製 （移位鍵控）。

1. 幅移鍵控：
在幅移鍵控中，改變載波信號的幅度以創建信號元素。 當幅度變化時，頻率和相位保持恆定。

二進制 ASK (BASK)
ASK 通常僅使用兩個級別來實現。 這稱為二進制幅移鍵控或開關鍵控 (OOK)。 某一信號電平的峰值幅度為0； 另一個與載波頻率的幅度相同。 下圖給出了二進制 ASKS 的概念視圖。

 

請參見： >> AM和FM有什麼區別？ 

執行：
如果數字數據呈現為高電壓為 1V、低電壓為 0V 的單極 NRZ 數字信號，則可以通過將 NRZ 數字信號乘以來自振盪器的載波信號來實現，如下圖所示。 當NRZ信號幅度為1時，保持載波頻率幅度； 當NRZ信號的幅度為0時，載波頻率的幅度為零。




ASK 的帶寬：
載波信號只是一個簡單的正弦波，但調製過程產生了非週期復合信號。 該信號具有一組連續的頻率。 正如我們所期望的，帶寬與信號速率（波特率）成正比。

然而，通常還涉及另一個因素，稱為 d，它取決於調製和濾波過程。 d 的值介於 0 和 

●這意味著帶寬可以表示為如圖所示，其中 S 是信號速率，B 是帶寬。

由公式可知，所需帶寬的最小值為S，最大值為2S。 這裡最重要的一點是帶寬的位置。 帶寬的中間是載波頻率 fc 所在的位置。 這意味著如果我們有可用的帶通信道，我們可以選擇 fc 以便調製信號佔據該帶寬。 這實際上是數模轉換最重要的優點。

請參見： >>什麼是QAM：正交幅度調製 

2. 頻移鍵控

在頻移鍵控中，改變載波信號的頻率來表示數據。 調製信號的頻率在一個信號元素的持續時間內保持恆定，但如果數據元素發生變化，則下一信號元素的頻率也會發生變化。 所有信號元素的峰值幅度和相位都保持恆定。

二進制 FSK (BFSK)
考慮二進制 FSK（或 BFSK）的一種方法是考慮兩個載波頻率。 在下圖中，我們選擇了兩個載波頻率f1和f2。 如果數據元素為0，我們使用第一個載波； 如果數據元素為 1，我們使用第二個。




上圖所示，一個帶寬的中間為f1，另一個帶寬的中間為f2。 f1 和 f2 與兩個帶之間的中點的距離均為 Δf。 兩個頻率之差為 2Δf。

請參見： >> QAM調製器和解調器  

執行：
BFSK 有兩種實現方式：非相干和相干. 在非相干 BFSK 中，當一個信號元素結束而下一個信號元素開始時，相位可能會不連續。 在相干 BFSK 中，相位連續穿過兩個信號元素的邊界。 非相干 BFSK 可以通過將 BFSK 視為兩個 ASK 調製並使用兩個載波頻率來實現。 相干 BFSK 可以通過使用一個壓控振盪器 (VCO) 來實現，該振盪器根據輸入電壓改變其頻率。

下圖顯示了第二種實現背後的簡化思想。 振盪器的輸入是單極性 NRZ 信號。 當NRZ幅度為零時，振盪器保持其正常頻率； 當幅度為正時，頻率增加。

BFSK 帶寬：

上圖顯示了FSK的帶寬。 同樣，載波信號只是簡單的正弦波，但調製會產生具有連續頻率的非週期性複合信號。 我們可以將 FSK 視為兩個 ASK 信號，每個信號都有自己的載波頻率 f1 和 f2。 如果兩個頻率之差為 2Δf，則所需帶寬為

3. 相移鍵控：
在相移鍵控中，改變載波的相位來表示兩個或多個不同的信號元素。 當相位變化時，峰值幅度和頻率都保持恆定。

二進制相移鍵控（BPSK）：
最簡單的 PSK 是二進制 PSK，其中只有兩個信號元素，一個相位為 0°，另一個相位為 180°。 下圖給出了PSK的概念圖。 二進制 PSK 與二進制 ASK 一樣簡單，但有一大優點——不易受噪聲影響。 在ASK中，位檢測的標準是信號的幅度。 但在 PSK 中，它是相位。 噪聲改變振幅比改變相位更容易。 換句話說，PSK 比 ASK 更不易受噪聲影響。 PSK 優於 FSK，因為我們不需要兩個載波信號。

樂隊寬度：
帶寬與二進制 ASK 相同，但小於 BFSK。 分離兩個載波信號時不會浪費帶寬。

請參見： >>512 QAM與1024 QAM與2048 QAM與4096 QAM調製類型

執行：
BPSK 的實現與 ASK 一樣簡單。 原因是相位為180°的信號元素可以看作是相位為0°的信號元素的補集。 這為我們提供瞭如何實現 BPSK 的線索。 我們使用極性 NRZ 信號代替單極性 NRZ 信號，如下圖所示。 極性 NRZ 信號乘以載波頻率。 1 位（正電壓）由從 0° 開始的相位表示，0 位（負電壓）由從 180° 開始的相位表示。

 

4.正交幅度調製(QAM)
PSK 受到設備區分微小相位差異的能力的限制。 這個因素限制了其潛在的比特率。 到目前為止，我們每次只改變正弦波的三個特徵之一； 但如果我們改變兩個呢？ 為什麼不結合 ASK 和 PSK 呢？ 使用兩個載波（一個同相，另一個正交，每個載波具有不同的幅度水平）的想法是正交幅度調製 (QAM) 背後的概念。

QAM 可能有多種變化。 下圖顯示了其中一些方案。 下圖中，A 部分顯示了最簡單的 4-QAM 方案（四種不同的信號元素類型），使用單極 NRZ 信號來調製每個載波。 這與我們用於 ASK (OOK) 的機制相同。 b 部分顯示了另一種使用極性 NRZ 的 4-QAM，但這與 QPSK 完全相同。 c 部分顯示了另一個 QAM-4，其中我們使用具有兩個正電平的信號來調製兩個載波中的每一個。 最後，第 d 部分顯示了具有八個電平（四個正電平和四個負電平）的 16-QAM 信號星座。

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