▊AM和FM

射頻信號(hào)被用來(lái)傳遞信息，信息有可能是音頻，數(shù)據(jù)或者其他格式，該信息被調(diào)制(modulate)到載波信號(hào)上，并通過(guò)射頻傳送到接收器，在接收器端，信息從載波上分離出來(lái)，這個(gè)被稱為解調(diào)（demodulation）。而載波本身并不帶有任何信息。

調(diào)制方法多種多樣，簡(jiǎn)單的一般有幅度調(diào)制，頻率調(diào)制和相位調(diào)制，盡管調(diào)頻和調(diào)相本質(zhì)上是相同的。每種調(diào)制方法都有其有缺點(diǎn)。了解每種調(diào)制方法的基礎(chǔ)是很重要的，盡管大家更為關(guān)注的是移動(dòng)通信系統(tǒng)的調(diào)制方法。復(fù)習(xí)這些簡(jiǎn)單技術(shù)可以讓大家對(duì)它們的優(yōu)缺點(diǎn)有更好的認(rèn)識(shí)。

載波

無(wú)線通信的基礎(chǔ)是載波，基本的載波如下圖所示，這個(gè)信號(hào)在發(fā)射器部分產(chǎn)生，并不帶有任何信息，在接收器部分也作為不變的信號(hào)出現(xiàn)。

調(diào)幅

調(diào)制最顯而易見(jiàn)的的方式就是調(diào)幅了，通過(guò)調(diào)整信號(hào)幅度大小傳遞信息。

最簡(jiǎn)單的調(diào)制是OOK（on–off keying，開(kāi)關(guān)鍵控），載波以開(kāi)關(guān)的形式傳遞信息。這個(gè)是數(shù)字調(diào)制的基礎(chǔ)，并用在傳遞莫斯（Morse）電碼上面，莫斯在早期的“無(wú)線”應(yīng)用上廣為采用，通過(guò)開(kāi)或關(guān)的長(zhǎng)度傳遞碼元。

在音頻或其他領(lǐng)域應(yīng)用更為常見(jiàn)的是，整個(gè)信號(hào)的幅度通過(guò)載波體現(xiàn)，如下圖，這個(gè)被稱為幅度調(diào)制（AM）。

AM解調(diào)音頻信號(hào)的過(guò)程十分簡(jiǎn)單，只需要一個(gè)簡(jiǎn)單的二極管包絡(luò)檢波電路就可以實(shí)現(xiàn)，如圖3-3，在這個(gè)電路中二極管只允許無(wú)線信號(hào)的半波通過(guò)，一個(gè)電容被作為低通濾波器來(lái)去除信號(hào)的高頻部分，只留下音頻信號(hào)。這個(gè)信號(hào)直接通過(guò)放大后輸出至揚(yáng)聲器。該解調(diào)電路十分簡(jiǎn)單和易于實(shí)現(xiàn)，在目前的AM收音機(jī)接收上面還在廣泛采用

AM解調(diào)過(guò)程同樣可以用更為有效的同步檢波電路實(shí)現(xiàn)。如圖3-4，射頻信號(hào)被本地載波振蕩信號(hào)混頻。該電路的優(yōu)點(diǎn)是比二極管檢波器有更好的線性度，而且對(duì)失真和干擾的抵抗比較好。產(chǎn)生本振信號(hào)的方法很多，其中最簡(jiǎn)單的就是把接收到的無(wú)線信號(hào)通過(guò)高通濾波器，從而濾掉調(diào)制信號(hào)保留精確頻率和相位的載波，再與無(wú)線信號(hào)混頻濾波就能得到原始音頻信號(hào)。

AM具備實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的優(yōu)勢(shì)，不過(guò)并不是最有效的方式，在頻譜利用率和功耗方面均是如此。因此該方式在通信領(lǐng)域極少采用，一般只在VHF頻段空中通信中采用。然而，AM在長(zhǎng)、中、短波廣播領(lǐng)域采用較多，因?yàn)槠涞统杀竞秃?jiǎn)單性。

為了表明其低效率，我們需要看看AM操作的原理，當(dāng)一個(gè)射頻信號(hào)被一個(gè)音頻信號(hào)調(diào)制時(shí)，波形會(huì)改變，在全調(diào)制過(guò)程中，調(diào)制后信號(hào)幅度會(huì)從零升到最高，而幅度升高到峰值時(shí)會(huì)達(dá)到載波信號(hào)幅度的兩倍，這樣很容易造成失真因?yàn)榘j(luò)信號(hào)不能低于0。因?yàn)檫@種方法調(diào)制深度最大，所以叫做100%全調(diào)制。

即使在全調(diào)制模式下，功耗利用率也很低。當(dāng)載波被調(diào)制，頻譜中兩邊都會(huì)產(chǎn)生邊帶，邊帶包含了音頻信號(hào)的信息。我們可以舉例闡述功耗消耗的情況，比如1kHz的語(yǔ)音信號(hào)在載波上進(jìn)行調(diào)制，這樣頻譜上會(huì)在載波兩邊出現(xiàn)兩個(gè)頻帶，如圖3-6，當(dāng)載波被全調(diào)制，接收的調(diào)制信號(hào)的幅度等于載波信號(hào)幅度的一半，既是功耗也等于載波信號(hào)的一半。換句話來(lái)說(shuō)，邊帶信號(hào)的能量等于載波信號(hào)能量的一半，而每個(gè)邊帶只有載波能量的1/4。這樣對(duì)于一個(gè)100W的發(fā)射機(jī)來(lái)說(shuō)，載波能量為50W，每個(gè)邊帶為25W，調(diào)制過(guò)程中載波信號(hào)的功耗是恒定的，而在解調(diào)過(guò)程中需要一個(gè)載波信號(hào)。我們只需要一個(gè)邊帶作為有用的信號(hào)，所以總的效率等于50/150，只有三分之一的能耗得到了有效利用。

AM不僅浪費(fèi)能耗，而且頻譜利用率不高。如果例子中的1kHz信號(hào)被普通的音頻信號(hào)取代，中頻兩邊的頻譜都會(huì)被該音頻信號(hào)的頻帶占據(jù)，如圖3-7。因此需要的頻段是傳輸信號(hào)頻段的兩倍。在短波信號(hào)非常擁擠的今天，這樣使非常浪費(fèi)的，因此目前在該頻段內(nèi)的一些無(wú)線傳輸都采用其他更有效率的調(diào)制方法。

比如說(shuō)，可以采用單邊帶（SSB）調(diào)制。通過(guò)去掉一個(gè)邊帶，可以使帶寬減半，更加有效率，載波也可以由接收器獲得用來(lái)解調(diào)。

不過(guò)不管AM還是SSB都無(wú)法在移動(dòng)電話里采用，盡管一些場(chǎng)合用到了AM加相位調(diào)制。

調(diào)制指數(shù)

調(diào)制指數(shù)也被稱為調(diào)制深度的定義十分重要，用百分比來(lái)表示，如下式：

調(diào)制深度不會(huì)超過(guò)1，否則包絡(luò)就會(huì)出現(xiàn)失真，信號(hào)會(huì)出現(xiàn)額外的頻譜，造成干擾信號(hào)。

FM調(diào)頻

AM是非常簡(jiǎn)單的調(diào)制方式，而通過(guò)改變頻率的FM調(diào)制也一樣。如下圖，載波信號(hào)被調(diào)制后，頻率會(huì)隨著信號(hào)源電壓變化。

調(diào)制信號(hào)頻率變化的范圍很重要，這個(gè)被稱為偏離（deviation），而且由KHz度量。比如一個(gè)信號(hào)的偏離可能是±3 kHz，那么這個(gè)信號(hào)就在±3 kHz上下波動(dòng)。

采用FM的原因很多，一個(gè)重要的優(yōu)勢(shì)是不會(huì)受到源信號(hào)的電平變化的干擾，而且抗干擾的能力也強(qiáng)。因?yàn)槭歉淖冃盘?hào)頻率，所以調(diào)制信號(hào)的電平不會(huì)變化，這樣不會(huì)干擾到音頻輸出，因此在移動(dòng)電話或其他便攜式應(yīng)用中就可以采用FM。FM的另一個(gè)好處是當(dāng)偏離比最高調(diào)制頻率高很多時(shí)對(duì)噪聲和干擾的抵抗能力很好。因此在高品質(zhì)音頻廣播中通常采用75kHz的偏離。由于有以上的優(yōu)點(diǎn)，F(xiàn)M在第一代模擬無(wú)線通信系統(tǒng)中采用。

解調(diào)一個(gè)FM信號(hào)，需要將頻率變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷鹤兓?，這個(gè)就比AM解調(diào)要復(fù)雜了，不過(guò)實(shí)現(xiàn)起來(lái)也比較容易。需要一個(gè)調(diào)諧電路來(lái)對(duì)頻率的不斷變化輸出變化的電平，而不是采用一個(gè)檢波二極管就能辦到的。有很多方法可以實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能，一個(gè)廣泛應(yīng)用的方案是采用積分檢測(cè)器，這個(gè)在集成電路中應(yīng)用廣泛，而且提供了很好的線性度。這個(gè)方案在需要調(diào)諧電路時(shí)具備優(yōu)勢(shì)，并且容易在集成電路實(shí)現(xiàn)。

基本的積分檢測(cè)電路如下圖示，信號(hào)被分成了兩部分，一部分提供了一個(gè)90°的相移，原始信號(hào)和相移信號(hào)立即被送入了混頻器，混頻器的輸出取決于兩個(gè)信號(hào)的相差，電路作用類(lèi)似一個(gè)相位檢測(cè)器并根據(jù)相位的差產(chǎn)生電壓輸出。

調(diào)制指數(shù)和偏離比

很多情況下調(diào)制指數(shù)只是一個(gè)值并一般用于別的運(yùn)算，F(xiàn)M調(diào)制指數(shù)指的是頻率偏離相對(duì)調(diào)制頻率的比例，因此會(huì)隨著在載波上變化的調(diào)制偏離而改變。

然而，設(shè)計(jì)一個(gè)系統(tǒng)需要知道最大的調(diào)制指數(shù)，這個(gè)通過(guò)在公式中帶入最大的值可以得到。

邊帶

被調(diào)制的信號(hào)都會(huì)產(chǎn)生邊帶，在AM調(diào)制中很容易計(jì)算得到，但在FM調(diào)制中就不是那么明朗，因?yàn)檫@不僅于偏離相關(guān)，而且與偏離的度有關(guān)，比如說(shuō)，如果調(diào)制指數(shù)為M，總的頻譜通過(guò)一個(gè)復(fù)雜的公式可以得出，得到的是一個(gè)無(wú)限的離散頻譜。

公式中，Jn（M）是第一類(lèi)貝塞爾函數(shù)，ωc是載波的頻率并等于2nf，ωm是調(diào)制信號(hào)的頻率，Vc是載波的電平。

可以看出整個(gè)頻譜包括載波的頻率加上載波兩邊的無(wú)限的邊帶頻譜。相關(guān)的邊帶可以從貝塞爾函數(shù)的表格中讀出，或者用計(jì)算公式得出，圖3-10顯示出不同的調(diào)制指數(shù)下邊帶的變化情況

可以總結(jié)在低級(jí)別的偏離下（既窄帶FM），調(diào)制信號(hào)在載波中頻的兩邊都有邊帶頻譜，頻譜看起來(lái)跟AM信號(hào)查不多，最大的區(qū)別是較低邊帶超過(guò)了180°的相位。

當(dāng)調(diào)制指數(shù)增加，二倍中頻的邊帶頻譜就出現(xiàn)了（圖3-11），指數(shù)繼續(xù)增加，更高的邊帶也會(huì)出現(xiàn)。同時(shí)可以看到隨著調(diào)制指數(shù)的升高帶來(lái)邊帶的改變，一些頻段能量升高而一些降低。

FM調(diào)制信號(hào)的頻譜隨著調(diào)制指數(shù)變化的情況，可以看出當(dāng)指數(shù)較小時(shí)（比如M=0.5），信號(hào)頻譜表現(xiàn)出一個(gè)載波頻率和兩個(gè)邊帶，當(dāng)調(diào)制指數(shù)上升時(shí)，邊帶數(shù)量增多而載波頻率的能量會(huì)下降。

帶寬

很明顯我們不能接受一個(gè)無(wú)限帶寬的信號(hào)，所以對(duì)于低級(jí)別的調(diào)制指數(shù)只會(huì)計(jì)算頭兩個(gè)邊帶信號(hào)頻譜。然而，因?yàn)檎{(diào)制指數(shù)的增加，更高級(jí)別邊帶會(huì)產(chǎn)生，經(jīng)常需要濾波器對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，而且這不能帶來(lái)不適當(dāng)?shù)氖д?。為了達(dá)到要求通常需要將帶寬設(shè)置為最大調(diào)制頻率加上兩倍偏離頻率。換句話來(lái)說(shuō)，在VHF FM廣播中，如果采用±75 kHz的偏離，而最大調(diào)制頻率為15 kHz，帶寬就需要(2 × 75) + 15 kHz=165 kHz，一般采用200kHz，使發(fā)射系統(tǒng)具備一個(gè)保護(hù)頻帶，且中頻可以以100kHz為基礎(chǔ)。

提高信噪比

已經(jīng)提到FM比AM信號(hào)在寬帶環(huán)境下可以提供更好的信噪比，實(shí)際上，偏離越大，信噪比越好。FM相比AM來(lái)說(shuō)，提高的信噪比等于3D2其中，D是最大偏離率，在D值高的情況下非常明顯。

如果對(duì)音頻信號(hào)進(jìn)行預(yù)增強(qiáng)就可以更好的增加FM信號(hào)的信噪比，通常的做法是，低電平的高頻音頻信號(hào)會(huì)進(jìn)行相比低頻信號(hào)更大幅度的放大，然后再進(jìn)行調(diào)制。在接收器，采用相反的處理來(lái)得到原始的音頻。

為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)預(yù)增強(qiáng)，信號(hào)需要首先通過(guò)一個(gè)電容電阻（CR）網(wǎng)絡(luò)，在截止頻率點(diǎn)之上的頻率，信號(hào)每增加8度音階，電平就增加6dB，類(lèi)似的，在接收端也進(jìn)行相應(yīng)的處理。

頻移鍵控

許多信號(hào)系統(tǒng)采用頻移鍵控（FSK）來(lái)無(wú)線傳輸數(shù)字信號(hào)（如下圖）。圖中信號(hào)頻率有兩種，一個(gè)代表1（mark），一個(gè)代表0（space），通過(guò)改變載波頻率來(lái)傳輸數(shù)字信號(hào)。

有兩種方法可以用來(lái)實(shí)現(xiàn)用兩個(gè)頻率的信號(hào)傳遞信息。一個(gè)很明顯的方法是改變載波頻率，另一個(gè)是所謂的音頻頻移鍵控（AFSK），AFSK更好因?yàn)閷?duì)精度有較高要求。

▊相位調(diào)制

調(diào)相

相位調(diào)制是另一種廣泛采用的調(diào)制技術(shù)，特別是在數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽?yīng)用中。因?yàn)橄辔缓皖l率

是相輔相成的（頻變是相變的一種形式），兩種調(diào)制方法可以用角度調(diào)制（angle modulation）來(lái)概括。

為了解釋調(diào)相如何工作，我們首先要對(duì)相位做出解釋。一個(gè)無(wú)線信號(hào)包涵了一個(gè)正弦信號(hào)的載波，幅度從正到負(fù)程波浪形變化，一個(gè)周期后回到零點(diǎn)，這個(gè)同樣可以由一個(gè)圍繞一個(gè)零點(diǎn)旋轉(zhuǎn)的一個(gè)點(diǎn)來(lái)表示，如下圖所示，相位就是終點(diǎn)到起點(diǎn)的角度。

調(diào)相改變了信號(hào)的相位，換句話來(lái)說(shuō)，圖中繞著原點(diǎn)旋轉(zhuǎn)的點(diǎn)的位置會(huì)改變，要實(shí)現(xiàn)這個(gè)效果既是要在短時(shí)間內(nèi)改變信號(hào)的頻率。所以，當(dāng)進(jìn)行相位調(diào)制的時(shí)候會(huì)產(chǎn)生頻率的改變，反之亦然。相位和頻率是密不可分的，因?yàn)橄辔痪褪穷l率的積分，頻率調(diào)制可以通過(guò)簡(jiǎn)單的CR 網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)變成相位調(diào)制。因此，相位調(diào)制與頻率調(diào)制信號(hào)的邊帶、帶寬具有異曲同工的效果，我們必須留意這個(gè)關(guān)系。

相移鍵控

相位調(diào)制可以用來(lái)傳輸數(shù)據(jù)，而相移鍵控是很常用的。PSK 在帶寬利用率上有很多優(yōu)勢(shì)，在許多移動(dòng)電話無(wú)線通信的應(yīng)用中廣為采用。

最基本的PSK 方法被稱作雙相相移鍵控（BPSK），有時(shí)也稱作反向相位鍵控(PRK)。一個(gè)數(shù)字信號(hào)在1 和0 之間改變（或表述為1 和-1），這樣形成了相位反轉(zhuǎn)，就是180°的相移，如下圖。

PSK 的一個(gè)問(wèn)題是接收機(jī)不能精確的識(shí)別傳輸?shù)男盘?hào)，來(lái)判定是mark（1）還是space（0），即使發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的時(shí)鐘同步也很難實(shí)現(xiàn)，因?yàn)閭鬏斅窂綍?huì)決定接受信號(hào)的精確相位。為了克服這個(gè)問(wèn)題，PSK 系統(tǒng)采用差分模式對(duì)載波上的數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼。比如說(shuō)，信號(hào)為1 的時(shí)候改變相位，信號(hào)為0 時(shí)不改變相位，在這個(gè)基礎(chǔ)架構(gòu)上可以做更多的改進(jìn)，一些其它的PSK 方法也被開(kāi)發(fā)了出來(lái)。一個(gè)方法是信號(hào)為1 時(shí)做90°的相移，在信號(hào)為0 時(shí)做-90°相移，這樣保留了0 和1 之間180 度的相差。在簡(jiǎn)單的系統(tǒng)中如果不采用該方式進(jìn)行傳輸，在傳一個(gè)長(zhǎng)序列的0 的時(shí)候有可能會(huì)失去同步，這是因?yàn)楫a(chǎn)生突發(fā)模式時(shí)相位沒(méi)有改變。

基于基本的PSK 會(huì)有很多改變，各個(gè)方案都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，讓設(shè)計(jì)人員針對(duì)具體的應(yīng)用采用不同的解決方法。比如說(shuō)四相相移鍵控（QPSK)，采用了四個(gè)相位，每個(gè)相差90°,8-PSK，采用8 個(gè)相位等等。

為了方便表述一個(gè)PSK 信號(hào)，我們采用相位矢量或者星座圖，如圖3-15。采用這個(gè)圖可以很好的體現(xiàn)相位信息和幅度信息。在這個(gè)圖里面，信號(hào)的相位用角度表示，幅度用具離圓心的距離表示。這樣這個(gè)信號(hào)中的同相分量用sine 信號(hào)表示，而正交分量用cosine信號(hào)表示。大部分PSK 系統(tǒng)采用不變的幅度，因此圓心周?chē)狞c(diǎn)與圓心距離相等并只改變相對(duì)圓心的角度。對(duì)于BPSK 調(diào)相，星座圖上只有兩個(gè)點(diǎn)，其它PSK 調(diào)制可能有更多的點(diǎn)在圓周上。

當(dāng)采用測(cè)試儀器進(jìn)行測(cè)試時(shí)，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)在理想的星座圖上的頻點(diǎn)會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤。錯(cuò)誤的原因是調(diào)制器、傳輸過(guò)程或者接收器會(huì)出現(xiàn)誤差，或者系統(tǒng)中引入了噪聲?？梢韵胂螽?dāng)真實(shí)的測(cè)試比理想狀態(tài)差的太多時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)誤碼，因?yàn)榻庹{(diào)器不能正確的判斷圓周上頻點(diǎn)的位置。

使用星座圖可以很快的找出錯(cuò)誤所在，如果錯(cuò)誤是與相位相關(guān)，星座圖可以在圓環(huán)圓周再進(jìn)行查找，如果錯(cuò)誤與幅度相關(guān)，星座圖可以擴(kuò)大或者縮小圓環(huán)半徑進(jìn)行查找。采用該方法比采用其它方案查找錯(cuò)誤有效的多。

在IS-95 CDMA 無(wú)線通信系統(tǒng)中，從基站到手機(jī)的前向鏈路采用了QPSK 調(diào)制，并采用絕對(duì)相位來(lái)表述模型。QPSK 有四個(gè)相位點(diǎn)，當(dāng)從一種狀態(tài)跳向另一種時(shí)，可能會(huì)產(chǎn)生過(guò)零點(diǎn)的相位跳變。

在從手機(jī)到基站的反向鏈路中，偏移四相相移鍵控（offset-QPSK，O-QPSK）被采用，這樣可以避免QPSK 造成的180°相位跳變?？紤]到星座圖上X、Y 分量上的相反的向量，一般來(lái)說(shuō)，兩種分量是同時(shí)產(chǎn)生的，這樣就會(huì)造成過(guò)零點(diǎn)相位跳變。在O-QPSK 中一個(gè)分量被延時(shí)了，所以就避免了向量直接過(guò)零點(diǎn)，從而簡(jiǎn)化了無(wú)線設(shè)計(jì)。

最小相移鍵控

因?yàn)殡p相相移鍵控會(huì)在“1”和“0”之間出現(xiàn)激烈的跳變，這樣在頻譜上會(huì)造成非常長(zhǎng)的邊帶滾降，這在許多應(yīng)用是很不理想的。我們可以采用濾波器濾除部分頻帶，濾的越多帶寬雖然變窄了，但1 和0 的分界會(huì)變得模糊。為了克服這個(gè)問(wèn)題，另一種調(diào)制手段——稱作高斯最小頻移鍵控(GMSK)被廣泛采用了，最為大家所知的就是用在了GSM 無(wú)線通信標(biāo)準(zhǔn)中。GMSK 起源于另一個(gè)調(diào)制方法最小相移鍵控（MSK），該方法也具有連續(xù)的頻譜，因?yàn)槭窃谳d波的過(guò)零點(diǎn)處產(chǎn)生頻變，所以相位改變是非離散的。

下圖表述了MSK 的調(diào)制，可以看到并沒(méi)有相位的突變，這個(gè)MSK 表示出的“1”和“0”的區(qū)別主要是體現(xiàn)在載波頻率被“0”調(diào)制時(shí)是“1”的兩倍，從調(diào)制指數(shù)來(lái)說(shuō)的話就是M=0.5。

這個(gè)主意看起來(lái)很好，而實(shí)際上在MSK 調(diào)制系統(tǒng)中信號(hào)出來(lái)后帶寬很大，最大帶寬已經(jīng)達(dá)到了數(shù)據(jù)率的帶寬。

MSK 的信號(hào)頻譜顯示其邊帶很長(zhǎng)，甚至超過(guò)了傳輸?shù)臄?shù)據(jù)率（下圖）。如果通過(guò)一個(gè)低通濾波器對(duì)調(diào)制信號(hào)進(jìn)行濾波，可以使其適應(yīng)載波。對(duì)濾波器的要求是必須具備陡峭的頻率截止和窄的通帶，其沖擊響應(yīng)（IR）不應(yīng)overshoot，一個(gè)理想的濾波器就是高斯濾波器，對(duì)沖擊響應(yīng)呈現(xiàn)出高斯函數(shù)。

有兩種方式實(shí)現(xiàn)GMSK，最明顯的一種方法是讓信號(hào)通過(guò)高斯濾波器然后再在一個(gè)調(diào)制指數(shù)為0.5 的調(diào)頻電路進(jìn)行調(diào)制，如圖3-18。同時(shí)該方案的缺點(diǎn)是調(diào)制指數(shù)必須是精確的0.5，實(shí)際情況是，由于元器件的公差和漂移這個(gè)方案并不合適。

第二個(gè)方式被廣泛的應(yīng)用，就是所謂的正交調(diào)制。“正交”的意思是一個(gè)信號(hào)的相位相對(duì)另一個(gè)是正交(相差90°)的，即一個(gè)同相信號(hào)一個(gè)是正交信號(hào)，也就是通常說(shuō)的I-Q調(diào)制（下圖）。當(dāng)采用該方法進(jìn)行調(diào)制時(shí)，調(diào)制指數(shù)可以非常精確的達(dá)到0.5 而無(wú)需額外的設(shè)置和調(diào)整，所以實(shí)現(xiàn)起來(lái)就比較容易。在接收器解調(diào)部分，可反向執(zhí)行該電路。

GMSK 的另一個(gè)好處是可以采用非線性放大器而不會(huì)產(chǎn)生失真，因?yàn)檎{(diào)制后信號(hào)幅度的變化不會(huì)帶有任何有用的信息，因此該方案相對(duì)別的一些調(diào)制方式也更加能抗噪聲。

正交幅度調(diào)制

另一個(gè)廣泛應(yīng)用的數(shù)據(jù)傳輸方法是所謂的正交幅度調(diào)制（QAM）。該信號(hào)中兩個(gè)載波相位相差90°，被調(diào)制后輸出信號(hào)在幅度和相位都有改變。因此不管幅度還是相位都會(huì)進(jìn)行變化，所以被看成是混合幅度和相位的調(diào)制。

3bit 的數(shù)據(jù)可以分為一組并用表格中的幅度和相位組合來(lái)表示。

相位調(diào)制可以看作QAM 的一種特例，這時(shí)幅度保持不變而相位有改變，而傳遞的信息就減半了。

盡管QAM 通過(guò)對(duì)幅度和頻率的調(diào)制增加了傳輸效率，但也有一些缺點(diǎn)。首先是比較容易受到噪聲的影響，因?yàn)闋顟B(tài)點(diǎn)距離很近，所以一個(gè)比較小的噪聲就有可能將一個(gè)星座點(diǎn)移到錯(cuò)誤的位置。采用相位或者頻率解調(diào)的接收機(jī)可以采用限幅放大器來(lái)濾除噪聲信號(hào)從來(lái)提升系統(tǒng)抗噪聲性能，QAM 卻不行。第二個(gè)弱點(diǎn)也和幅度分量相關(guān)，相位調(diào)制和頻率調(diào)制無(wú)需使用線性放大器，而因?yàn)镼AM 具有幅度分量，所以必須用線性放大。不幸的是，線性放大器一般功耗較高且效率不高，所以在便攜式移動(dòng)通信應(yīng)用里面QAM 的吸引力會(huì)打折扣。

▊擴(kuò)頻和OFDM

擴(kuò)頻通信技術(shù)

在許多場(chǎng)合中需要使無(wú)線信號(hào)的頻帶盡量的窄來(lái)滿足節(jié)省帶寬的需求，然而，在一些場(chǎng)合中更需要采用所謂的擴(kuò)頻通信方式，這時(shí)傳輸頻譜被擴(kuò)的很寬。有幾種方式可以實(shí)現(xiàn)擴(kuò)頻通信：一是采用跳頻擴(kuò)頻(FHSS)，該方式以背景噪聲的形式占用了比較廣的頻帶。另兩種實(shí)現(xiàn)的方法也被廣泛應(yīng)用，就是DSSS 和OFDM。

跳頻

在一些場(chǎng)合，特別是軍事應(yīng)用方面，需要阻止有人監(jiān)聽(tīng)和干擾信號(hào)。跳頻可以有效的減少干擾，雖然干擾信號(hào)會(huì)影響一個(gè)頻道，但跳頻信號(hào)只會(huì)在那個(gè)頻道停留短暫的時(shí)間，所以影響不大。跳頻已經(jīng)制定了很好的規(guī)范，在該系統(tǒng)中，信號(hào)在一秒內(nèi)通過(guò)多次改變的偽隨機(jī)序列跳到指定的頻段上。不同應(yīng)用要求的跳動(dòng)的快慢不同，一般的應(yīng)用一秒鐘都會(huì)有數(shù)百次跳動(dòng)，盡管在HF 頻段可能少一些。

接收機(jī)一樣會(huì)在一個(gè)給定的頻率上停留一段時(shí)間，從一個(gè)頻率跳到另一個(gè)頻率過(guò)程中會(huì)有一個(gè)死區(qū)，在該時(shí)段內(nèi)發(fā)射機(jī)輸出被禁止。這樣可以執(zhí)行頻率合成，且阻止信號(hào)頻道間干擾的產(chǎn)生。

要接收并解調(diào)信號(hào)，接收器必須與發(fā)射機(jī)的跳頻序列同步，要達(dá)到這個(gè)要求，發(fā)射機(jī)和接收器必須獲得相同的跳頻序列，并且時(shí)域上必須同步。

跳頻發(fā)射機(jī)通常采用數(shù)字發(fā)射機(jī)，傳送語(yǔ)音信號(hào)時(shí)，必須先進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，而空中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量必須比輸出要大的多，才能滿足跳頻時(shí)預(yù)留死區(qū)時(shí)間的需求。

直接序列擴(kuò)頻

直接序列擴(kuò)頻（DSSS）是另一種擴(kuò)頻調(diào)制方式，在一些系統(tǒng)上已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，盡管在發(fā)射機(jī)和接收機(jī)方面會(huì)帶來(lái)更多的成本上升。DSSS 在軍方的應(yīng)用較多，因?yàn)榘踩员容^高，在一些新的無(wú)線通信領(lǐng)域也有采用，因?yàn)榭梢蕴峁└叩娜萘俊２捎肈SSS的應(yīng)用包括碼分多址CDMA，CDMA 有多個(gè)不同的用戶通過(guò)不同的“碼”接入，而另一些老的系統(tǒng)采用頻分多址（FDMA），或時(shí)分多址（TDMA）。

DSSS 的處理比之前表述的一些方法要復(fù)雜，當(dāng)選擇一個(gè)需要的信號(hào)時(shí)，該信號(hào)具備獨(dú)有的特點(diǎn)。對(duì)于AM 和FM 調(diào)制的信號(hào)，會(huì)使用不同的頻率做為載波，而接收機(jī)會(huì)設(shè)定為指定的頻率來(lái)選擇需要的信號(hào)，這可以看成頻分系統(tǒng)；而其他的一些系統(tǒng)采用時(shí)分的方式，比如脈沖編碼調(diào)制（PCM）可以看作是這樣的系統(tǒng)，信號(hào)的不同幅度用時(shí)間離散的脈沖來(lái)采樣，通過(guò)發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的時(shí)間同步來(lái)還原信號(hào)。而CDMA 采用不同的碼來(lái)區(qū)別不同的信號(hào)，為了表述這個(gè)處理的過(guò)程，我們假設(shè)一間房間里站滿了說(shuō)不同語(yǔ)言的人，盡管說(shuō)話的噪聲非常大，我們還是能非常容易的找出說(shuō)英語(yǔ)的人——盡管也有別的人在大聲說(shuō)別的語(yǔ)言（也許聲音還大的多）——但我們也聽(tīng)不懂。

該系統(tǒng)定義不同的碼組在同一載波上從移動(dòng)電話基站發(fā)出，也允許在容量較大時(shí)增加新的碼組達(dá)成終端和基站的通信。為了達(dá)到這個(gè)要求，信號(hào)被擴(kuò)頻到指定的帶寬，這個(gè)是由擴(kuò)頻碼來(lái)實(shí)現(xiàn)，該碼率比原信息的碼率要大的多，實(shí)現(xiàn)方法是信息的每個(gè)符號(hào)與擴(kuò)頻碼的一組固定的碼組相乘即可。碼組之間可以是隨機(jī)的，也可以是正交的，碼組之間正交是為了在同一時(shí)候所有信號(hào)相加和為0，舉例如下：

使用正交編碼，在一個(gè)頻帶中可以傳輸更大量的數(shù)據(jù)。實(shí)現(xiàn)方法是，數(shù)據(jù)與碼片（chip）相乘（如下圖），碼片是不斷送出的指定的編碼信號(hào)，每個(gè)數(shù)據(jù)位都要與碼片的每個(gè)位相乘。因此可以看出擴(kuò)頻比就是一個(gè)碼片中的比特位數(shù)。

為了產(chǎn)生這個(gè)能攜帶多個(gè)信息的單載波信號(hào)，每個(gè)擴(kuò)頻后的信號(hào)會(huì)進(jìn)行相加得到一個(gè)輸出信號(hào)（下圖），然后再調(diào)制和上變頻后在天線端傳輸出去。

在接收端采用相反的步驟，信號(hào)被下變頻至基帶信號(hào)。這里該信號(hào)會(huì)與相關(guān)的碼片相乘，得到的結(jié)果會(huì)根據(jù)碼片數(shù)進(jìn)行相加，即所謂的相干解擴(kuò)。通過(guò)與不同的碼片相乘，不同的原始信息就會(huì)被萃取出來(lái)。

為了表示系統(tǒng)是如何工作的，我們用下圖來(lái)表示。我們假設(shè)擴(kuò)頻比為4，在3-22 中，可以看到a 和b 是擴(kuò)頻碼（實(shí)線部分為一個(gè)碼片），擴(kuò)頻碼a 與信息c 相乘得到擴(kuò)頻后的數(shù)據(jù)d，而擴(kuò)頻碼b 與信息e 相乘得到擴(kuò)頻后的數(shù)據(jù)f。而擴(kuò)頻后的d 和f 進(jìn)行相加運(yùn)算得到基帶信號(hào)g，然后再在載波上進(jìn)行調(diào)制和無(wú)線傳輸。

接收機(jī)在這種情況下，碼片a（既是h 的波形）再與基帶信號(hào)g 相乘就可以得到i，因?yàn)閿U(kuò)頻比為4，每組4 個(gè)比特相加，就可以生成與c 相同的j 信號(hào)完成解擴(kuò)。

當(dāng)一個(gè)偽隨機(jī)序列擴(kuò)頻碼被使用后，需要執(zhí)行相關(guān)的處理。偽隨機(jī)擴(kuò)頻編碼得到使用，而不是正交碼，這時(shí)發(fā)射機(jī)和接收機(jī)需要產(chǎn)生同樣的偽隨機(jī)碼，通過(guò)讓接收機(jī)和發(fā)射機(jī)采用相同的算法產(chǎn)生序列可以方便的實(shí)現(xiàn)。采用偽隨機(jī)碼的缺點(diǎn)是編碼不會(huì)正交，因此重新產(chǎn)生正交信號(hào)時(shí)會(huì)出現(xiàn)一些誤碼。

正交頻分復(fù)用

另一種廣泛應(yīng)用的調(diào)制方法是正交頻分復(fù)用（OFDM），編碼正交頻分復(fù)用（COFDM）是其中的一種形式，COFDM 多用在Wi-Fi 應(yīng)用里面，比如IEEE 802.11，包括DAB 也采用該方法，另外4G 無(wú)線通信標(biāo)準(zhǔn)中也將采用該調(diào)制方法來(lái)提高數(shù)據(jù)率。

一個(gè)COFDM 信號(hào)一般包含了一系列間隙很窄的調(diào)制載波。通常對(duì)語(yǔ)音、數(shù)據(jù)或其他信號(hào)進(jìn)行調(diào)制時(shí)，邊帶會(huì)在兩邊擴(kuò)展，接收機(jī)必須接收到整個(gè)頻段的信號(hào)來(lái)執(zhí)行解調(diào)，因此，當(dāng)信號(hào)傳輸?shù)浇邮諜C(jī)時(shí)，各個(gè)頻道之間必須有間隔，這樣接收機(jī)才能用濾波器將它們分開(kāi)。而COFDM 不需要這樣的條件，盡管各個(gè)載波的邊帶會(huì)有混疊現(xiàn)象，但也可以無(wú)干擾的接收到，因?yàn)楦鱾€(gè)載波之間是相互正交的，這個(gè)可以通過(guò)將載波的間隔與符號(hào)周期的倒數(shù)相等來(lái)實(shí)現(xiàn)。

下圖1表示了傳統(tǒng)的無(wú)線接收機(jī)接收到的頻譜狀況，而下圖2表示了一個(gè)COFDM 信號(hào)頻譜。

為了解釋這是如何工作的，我們必須看一看接收機(jī)，接收機(jī)可以看成一個(gè)解調(diào)器的集合，一個(gè)解調(diào)器把對(duì)應(yīng)載波的信號(hào)轉(zhuǎn)換成DC 信號(hào)，相應(yīng)的符號(hào)周期上集成的信號(hào)從載波上重建，其他解調(diào)器再解調(diào)其他的載波。因?yàn)檩d波間隙與符號(hào)周期的倒數(shù)相同，因此整個(gè)符號(hào)周期內(nèi)組成了一個(gè)圓，它們的和加起來(lái)為0，換句話來(lái)說(shuō)，就不會(huì)有干擾了。

發(fā)射和接收系統(tǒng)的一個(gè)要求是必須是線性的，因?yàn)榉蔷€性會(huì)在載波之間造成互調(diào)干擾，會(huì)并帶來(lái)意想不到的信號(hào)干擾和削弱正交信號(hào)。

COFDM 多載波的高功率峰均比（peak-to-average）需要發(fā)射機(jī)的末端RF 放大器在平均功率很低的情況下處理高的峰值功率，這樣會(huì)使系統(tǒng)效率變低。在一些系統(tǒng)中，峰值受到了限制，盡管會(huì)帶來(lái)高的誤碼率對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生失真，但可以引入糾錯(cuò)（EC）算法來(lái)克服。

待傳輸?shù)臄?shù)據(jù)會(huì)先根據(jù)載波進(jìn)行擴(kuò)展，每個(gè)載波會(huì)攜帶一部分?jǐn)?shù)據(jù)，這樣就降低了每個(gè)載波攜帶的數(shù)據(jù)率。低數(shù)據(jù)率的好處是受到的干擾會(huì)大大降低。通過(guò)增加一個(gè)保護(hù)時(shí)間（或保護(hù)間隔），如下圖，可以在信號(hào)穩(wěn)定后再進(jìn)行處理，在這個(gè)時(shí)間內(nèi)不會(huì)有新的信號(hào)傳進(jìn)來(lái)改變時(shí)序和相位。

在多個(gè)載波上分配數(shù)據(jù)還有一些好處。多徑效應(yīng)的干擾只會(huì)在少部分載波上產(chǎn)生，而大部分會(huì)被正確的接收。使用糾錯(cuò)編碼技術(shù)，意味著增加了信號(hào)攜帶的數(shù)據(jù)，但可以讓接收機(jī)正確重建幾乎所有的數(shù)據(jù)。這樣能實(shí)現(xiàn)是因?yàn)榧m錯(cuò)編碼是在信號(hào)的不同部分傳輸，這個(gè)糾錯(cuò)編碼可以說(shuō)是編碼正交頻分復(fù)用的“編碼”。

帶寬和容量

通信系統(tǒng)的一個(gè)重要的考量是系統(tǒng)的數(shù)據(jù)吞吐量。因?yàn)橛脩魧?duì)數(shù)據(jù)量和速度的要求是無(wú)止境的，我們必須合理利用每一個(gè)頻段?？梢钥吹接卸喾N調(diào)制手段可以用到，它們中的一些在某些場(chǎng)合比其他的更為高效。然而，有一些定律左右著能傳輸?shù)男畔⒘俊?br>
信道的帶寬是決定信號(hào)攜帶數(shù)據(jù)量的主要因素。帶寬從字面上來(lái)說(shuō)是指該信道用Hz 單位度量的頻道的寬度，可以用高的頻率減去低的頻率輕松的得到。

奈奎斯特采樣定律定義要恢復(fù)頻率帶寬為W 的信號(hào)，必須采用超過(guò)2W 帶寬的載波進(jìn)行采樣。該轉(zhuǎn)換也可以看成：有一個(gè)帶寬為W 的信號(hào)，假設(shè)該信號(hào)不經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換變成二進(jìn)制編碼時(shí)最高的頻率為2W，但如果要進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，采樣的數(shù)據(jù)率（bps）要是原始模擬信號(hào)帶寬的兩倍。傳輸多級(jí)信號(hào)必須大大增加帶寬容量。

傳輸多級(jí)信號(hào)的問(wèn)題是必須把每個(gè)信號(hào)從外部干擾—特別是噪聲--中分辨出來(lái)。香農(nóng)定律就描述了這種情況的發(fā)生，該定律是由Claude Shannon 定義，是現(xiàn)代計(jì)算科學(xué)形成的基礎(chǔ)，而且是信息學(xué)中關(guān)于一個(gè)數(shù)據(jù)信道中能獲得的最大數(shù)據(jù)率傳輸?shù)谋硎?。香農(nóng)定律定義了在一個(gè)信道中能傳輸?shù)淖畲鬅o(wú)損失數(shù)據(jù)率是與帶寬和信噪比相關(guān)的，該公式表述如下：

C 表示了信道容量，W 是帶寬（單位Hz），S/N 是信號(hào)噪聲的比例。

理論上來(lái)說(shuō)，可以獲得2bps/Hz 的性能，不過(guò)事實(shí)上1bps/Hz 到4bps/Hz 是合理的數(shù)據(jù)。為了簡(jiǎn)單化表述容量的大小，我們會(huì)替代“bps”而稱作“帶寬”，然而要清楚帶寬和數(shù)據(jù)比特率是兩個(gè)不同的數(shù)據(jù)，帶寬是模擬信號(hào)頻率范圍的度量，而比特率是數(shù)字信號(hào)傳輸?shù)臄?shù)率。

糾錯(cuò)編碼相比沒(méi)有編碼的數(shù)據(jù)可以增加傳輸?shù)馁|(zhì)量，但也沒(méi)有糾錯(cuò)編碼可以非常接近香農(nóng)定律的理論值

總結(jié)

有三種方法對(duì)信號(hào)進(jìn)行調(diào)制：幅度、相位和頻率，而相位和頻率本質(zhì)上是相同的。然而，有多種方式來(lái)實(shí)現(xiàn)這些調(diào)制，每種方式都有其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，因此，設(shè)計(jì)一個(gè)新的系統(tǒng)考慮這些因素是非常重要的。