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最近在做一期電磁波是怎么傳遞信號的文章，發(fā)現(xiàn)越來越多的基礎(chǔ)知識需要去挖掘。在前面幾期的文章中，我們學(xué)習(xí)了電磁波的基礎(chǔ)知識（鏈接1），也復(fù)習(xí)了最基礎(chǔ)的三種調(diào)制方式（鏈接2）。但是這邊還有兩路I/Q信號，怎么解釋射頻收發(fā)系統(tǒng)中的這個I/Q信號呢？這就要繼續(xù)介紹今天的這種調(diào)試方案——QAM調(diào)制。
什么是調(diào)制呢？
調(diào)制就是把信號形式轉(zhuǎn)換成適合在信道中傳輸?shù)囊粋€過程?？煞譃?a class="article-link" target="_blank" href="/baike/1543055.html">基帶調(diào)制和載波調(diào)制。我們這里所說的調(diào)制都是載波調(diào)制。
什么是載波調(diào)制呢？
就是把調(diào)制信號騎到載波上，方法就是用調(diào)制信號去控制載波的參數(shù)，使載波的一個參數(shù)或者幾個參數(shù)按照調(diào)制信號的規(guī)律變化。
載波調(diào)制根據(jù)調(diào)制信號的類型，又可以分為模擬調(diào)制和數(shù)字調(diào)制。
如果調(diào)制信號是連續(xù)的模擬信號的話，這樣的調(diào)制就是模擬調(diào)制，我們在文章《信號調(diào)制，這樣是不是就懂了？》介紹的三種最基本的調(diào)制方式：AM，F(xiàn)M和PM都是模擬調(diào)制的一類。
通過這一個操作，就可以讓信號搭上載波的快速列車，然后傳輸出去。經(jīng)過調(diào)制的信號，稱為已調(diào)信號，在接收端可以通過解調(diào)的方式把信號恢復(fù)出來。
調(diào)幅和調(diào)頻都比較容易理解，一個是幅度的變化，一個是頻率的變化。那怎么又多出來一個QAM呢？
AM既然是調(diào)幅，前面的那個Q是什么呢？Quadrature，正交的意思，QAM就是正交幅度調(diào)制。在通信這個學(xué)科里面，正交是指這兩個信號有90°的相位差。也就是在QAM里面，既有相位調(diào)制，又有幅度調(diào)制。這一改還不得了，不僅有4QAM，8QAM，16QAM..... 甚至還有1024QAM。一下子就把調(diào)制的信息翻了好多倍，牛x的不得了了。
QAM的原理是什么呢？
我們從一個最簡單的信號說起。
按照三角函數(shù)公式展開就是
這樣就把信號s(t)展開成了兩個相位相差90°的正交信號的和，這個兩個正交信號分量就是 In-phase 信號和 Quadrature 信號，
這兩個正交分量如下圖所示，相位相差90°。
這兩路正交信號呢，經(jīng)過DA變換器之后，就來到了我們模擬通道，我們需要對這兩個信號分別進(jìn)行調(diào)制，讓這兩個信號都搭上射頻載波的高速列車。模擬部分對QAM的處理并不復(fù)雜，I /Q 信號可以共用一個頻率源LO，然后通過混頻器直接上變頻即可，只是在Q通道，本振信號需要90°的相移，以匹配Q（t）正交特性。
所以呢，對于QAM載波調(diào)制，從原理圖上可以看出，我們僅需要分別對I(t)和Q(t)進(jìn)行混頻即可，然后合路成一路信號S(t)進(jìn)入到射頻通道的另一個環(huán)節(jié)。所以對于模擬信號的QAM調(diào)制，也就是這么個回事。
數(shù)字信號QAM調(diào)制
既然說到數(shù)字調(diào)制，那我們就簡單復(fù)習(xí)一下數(shù)字調(diào)制的三種基本方式：振幅鍵控ASK，頻移鍵控FSK和相移鍵控PSK。
振幅鍵控ASK，類似于模擬調(diào)制中的AM，即用01 高低電平來調(diào)制載波信號的振幅。
頻移鍵控FSK，類似于模擬調(diào)制中的FM，即用01電平去調(diào)制載波信號的頻率；
相移鍵控PSK，也就是用01電平去調(diào)制載波信號的相位。
下圖給出了數(shù)字調(diào)制的三種基本調(diào)制的已調(diào)信號波形。
QAM正交幅度調(diào)制來到數(shù)字調(diào)制這里就活躍起來了，既然主信號分成了 I 、Q 兩路信號，每個信號分量都有其各自的幅度和相位。那變化的花樣可就多了。什么16QAM，64QAM，256QAM，wifi7 現(xiàn)在玩到了4kQAM，即4096-QAM，牛叉的不要不要的。
為什么m-QAM這個m越大越牛叉呢？
在數(shù)字信號中，我們引入了一個比特 bit 的概念，這個比特就是比特幣的比特，代號是B，好貴啊，1 比特幣現(xiàn)在值15萬元， OMG。
數(shù)字信號的BIT就是二進(jìn)制數(shù)字中0和1的位，信息量的度量單位，為信息量的最小單位。二進(jìn)制數(shù)的一位所包含的信息就是一比特，如二進(jìn)制數(shù)0100就是4比特。一個比特位里面可以含2個信息（0或者1），4比特就可以包含2^4 個信息。所以比特位越多，所能傳輸?shù)男畔⒘烤驮酱?。所以從理論上來說，m-QAM中的m越大，所能傳輸?shù)男畔⒘烤驮酱螅瑐鬏斔俾室簿驮娇?。所以呢最新的wifi7標(biāo)準(zhǔn)直接干到了4k-QAM，一個信號包含12個bit位。
QAM是怎么實(shí)現(xiàn)的呢？
我們回到上文QAM的原理部分，繼續(xù)刷數(shù)學(xué)公式。
上式中的I(t)和Q(t)信號的幅度提出來玩一下：
這兩個正交分量的幅度AI 和AQ 又是一組正交的函數(shù)。我們可以取多個不同的A和Φ，來得到多組不同的I(t)和Q(t)信號，也就是可以完成主信號 S(t)的多種調(diào)制。
若A值取±A，Φ值取±90°，這就有四組不同的組合，也就是4-QAM調(diào)制，也就是QPSK。同理，通過A和Φ的不同組合，就可以得到16-QAM，甚至64-QAM，甚至更多。
為了更好的理解，我們引入了星座圖的概念，下面這個動圖，生動的展示了16-QAM調(diào)制的幅度和相位選值以及其對應(yīng)的二進(jìn)制碼元：Amp 就是A的選值，Phase 就是上式中的相位Φ的選值。
每個點(diǎn)對應(yīng)的波形圖可以參考下圖所示。
星座圖比較直觀地展示了m-QAM的信號矢量信息。更大的m，只需要更多的點(diǎn)來表示即可。下圖給出了Wifi5 的256-QAM和wifi6的1024-QAM 星座圖。
QAM信號是怎么產(chǎn)生的呢？
常用的方法有兩種：正交調(diào)幅法和復(fù)合相移法
以16-QAM調(diào)制為例，正交調(diào)幅法就是用兩路獨(dú)立的正交4ASK信號疊加，形成16QAM信號。
而復(fù)合相移法就是用兩路獨(dú)立的QPSK信號疊加，形成16QAM信號。下圖中紅圈上的四個點(diǎn)表示第一個QPSK的信號矢量的位置，在這四個位置上，可以疊加第二個QPSK矢量，下圖藍(lán)色圈上的四個點(diǎn)。
到這，對于QAM調(diào)制的基本原理，相信大家都有了一個初印象。那是不是就可以直接搞更大的QAM，不僅上4k，還有8k，不是QAM的m越大，無線通信系統(tǒng)的數(shù)據(jù)速率和頻譜效率會越高嗎？但是事情往往有兩面性，QAM調(diào)制的m越大，對噪聲和干擾的要求也就越高。
Wifi這種室內(nèi)短距應(yīng)用，噪聲條件比較理想，更高階的QAM還有發(fā)揮的空間，但是對于移動無線通信，室外噪聲環(huán)境極其惡劣，更高階的QAM，挑戰(zhàn)極其大。所以現(xiàn)在的5G通信，256QAM是一個比較折中的調(diào)制方式。
