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终于把QAM搞清楚了!

2023-03-08 射频学堂 阅读:
怎么解释射频收发系统中的这个I/Q信号呢?这就要继续介绍今天的这种调试方案——QAM调制。

大家好,这里是射频学堂。NTrednc

最近在做一期电磁波是怎么传递信号的文章,发现越来越多的基础知识需要去挖掘。在前面几期的文章中,我们学习了电磁波的基础知识(链接1),也复习了最基础的三种调制方式(链接2)。但是这边还有两路I/Q信号,怎么解释射频收发系统中的这个I/Q信号呢?这就要继续介绍今天的这种调试方案——QAM调制。NTrednc

什么是调制呢?NTrednc

调制就是把信号形式转换成适合在信道中传输的一个过程。可分为基带调制和载波调制。我们这里所说的调制都是载波调制。NTrednc

什么是载波调制呢?NTrednc

就是把调制信号骑到载波上,方法就是用调制信号去控制载波的参数,使载波的一个参数或者几个参数按照调制信号的规律变化。NTrednc

载波调制根据调制信号的类型,又可以分为模拟调制和数字调制。NTrednc

如果调制信号是连续的模拟信号的话,这样的调制就是模拟调制,我们在文章《信号调制,这样是不是就懂了?》介绍的三种最基本的调制方式:AM,FM和PM都是模拟调制的一类。NTrednc

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通过这一个操作,就可以让信号搭上载波的快速列车,然后传输出去。经过调制的信号,称为已调信号,在接收端可以通过解调的方式把信号恢复出来。NTrednc

调幅和调频都比较容易理解,一个是幅度的变化,一个是频率的变化。那怎么又多出来一个QAM呢?NTrednc

AM既然是调幅,前面的那个Q是什么呢?Quadrature,正交的意思,QAM就是正交幅度调制。在通信这个学科里面,正交是指这两个信号有90°的相位差。也就是在QAM里面,既有相位调制,又有幅度调制。这一改还不得了,不仅有4QAM,8QAM,16QAM..... 甚至还有1024QAM。一下子就把调制的信息翻了好多倍,牛x的不得了了。NTrednc

QAM的原理是什么呢?NTrednc

我们从一个最简单的信号说起。NTrednc

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按照三角函数公式展开就是NTrednc

NTrednc

这样就把信号s(t)展开成了两个相位相差90°的正交信号的和,这个两个正交信号分量就是 In-phase 信号和 Quadrature 信号,NTrednc

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这两个正交分量如下图所示,相位相差90°。NTrednc

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这两路正交信号呢,经过DA变换器之后,就来到了我们模拟通道,我们需要对这两个信号分别进行调制,让这两个信号都搭上射频载波的高速列车。模拟部分对QAM的处理并不复杂,I /Q 信号可以共用一个频率源LO,然后通过混频器直接上变频即可,只是在Q通道,本振信号需要90°的相移,以匹配Q(t)正交特性。NTrednc

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所以呢,对于QAM载波调制,从原理图上可以看出,我们仅需要分别对I(t)和Q(t)进行混频即可,然后合路成一路信号S(t)进入到射频通道的另一个环节。所以对于模拟信号的QAM调制,也就是这么个回事。NTrednc

数字信号QAM调制NTrednc

既然说到数字调制,那我们就简单复习一下数字调制的三种基本方式:振幅键控ASK,频移键控FSK和相移键控PSK。NTrednc

振幅键控ASK,类似于模拟调制中的AM,即用01 高低电平来调制载波信号的振幅。NTrednc

频移键控FSK,类似于模拟调制中的FM,即用01电平去调制载波信号的频率;NTrednc

相移键控PSK,也就是用01电平去调制载波信号的相位。NTrednc

下图给出了数字调制的三种基本调制的已调信号波形。NTrednc

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QAM正交幅度调制来到数字调制这里就活跃起来了,既然主信号分成了 I 、Q 两路信号,每个信号分量都有其各自的幅度和相位。那变化的花样可就多了。什么16QAM,64QAM,256QAM,wifi7 现在玩到了4kQAM,即4096-QAM,牛叉的不要不要的。NTrednc

为什么m-QAM这个m越大越牛叉呢?NTrednc

在数字信号中,我们引入了一个比特 bit 的概念,这个比特就是比特币的比特,代号是B,好贵啊,1 比特币现在值15万元, OMG。NTrednc

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数字信号的BIT就是二进制数字中0和1的位,信息量的度量单位,为信息量的最小单位。二进制数的一位所包含的信息就是一比特,如二进制数0100就是4比特。一个比特位里面可以含2个信息(0或者1),4比特就可以包含2^4 个信息。所以比特位越多,所能传输的信息量就越大。所以从理论上来说,m-QAM中的m越大,所能传输的信息量就越大,传输速率也就越快。所以呢最新的wifi7标准直接干到了4k-QAM,一个信号包含12个bit位。NTrednc

QAM是怎么实现的呢?
我们回到上文QAM的原理部分,继续刷数学公式。
上式中的I(t)和Q(t)信号的幅度提出来玩一下:
这两个正交分量的幅度AI 和AQ 又是一组正交的函数。我们可以取多个不同的A和Φ,来得到多组不同的I(t)和Q(t)信号,也就是可以完成主信号 S(t)的多种调制。
若A值取±A,Φ值取±90°,这就有四组不同的组合,也就是4-QAM调制,也就是QPSK。同理,通过A和Φ的不同组合,就可以得到16-QAM,甚至64-QAM,甚至更多。
为了更好的理解,我们引入了星座图的概念,下面这个动图,生动的展示了16-QAM调制的幅度和相位选值以及其对应的二进制码元:Amp 就是A的选值,Phase 就是上式中的相位Φ的选值。
每个点对应的波形图可以参考下图所示。
星座图比较直观地展示了m-QAM的信号矢量信息。更大的m,只需要更多的点来表示即可。下图给出了Wifi5 的256-QAM和wifi6的1024-QAM 星座图。
QAM信号是怎么产生的呢?
常用的方法有两种:正交调幅法和复合相移法
以16-QAM调制为例,正交调幅法就是用两路独立的正交4ASK信号叠加,形成16QAM信号。
而复合相移法就是用两路独立的QPSK信号叠加,形成16QAM信号。下图中红圈上的四个点表示第一个QPSK的信号矢量的位置,在这四个位置上,可以叠加第二个QPSK矢量,下图蓝色圈上的四个点。
到这,对于QAM调制的基本原理,相信大家都有了一个初印象。那是不是就可以直接搞更大的QAM,不仅上4k,还有8k,不是QAM的m越大,无线通信系统的数据速率和频谱效率会越高吗?但是事情往往有两面性,QAM调制的m越大,对噪声和干扰的要求也就越高。
Wifi这种室内短距应用,噪声条件比较理想,更高阶的QAM还有发挥的空间,但是对于移动无线通信,室外噪声环境极其恶劣,更高阶的QAM,挑战极其大。所以现在的5G通信,256QAM是一个比较折中的调制方式。
责编:Ricardo
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