调制技术基础

“数模转换是根据数字数据中的信息改变模拟信号的特性之一的过程。 正弦波由三个特征定义：幅度，频率和相位。 当我们更改这些特征中的任何一个时，我们都会创建该波浪的不同版本。 因此，通过更改简单电信号的一个特性，我们可以使用它来表示数字数据。 ----- FMUSER"


可以使用三种机制将数字数据调制为模拟信号：幅移键控（ASK），频移键控（FSK）和相移键控（PSK）。 此外，还有第四个（更好的）机制结合了改变幅度和相位，称为 正交幅度调制 (QAM).

带宽
数字数据模拟传输所需的带宽与除FSK之外的信号速率成正比，在FSK中，需要增加载波信号之间的差异。

另见： >> 8-QAM，16-QAM，32-QAM，64-QAM 128-QAM，256-QAM的比较 

载波信号
在模拟传输中，发送设备会产生高频信号，该高频信号充当信息信号的基础。 该基本信号称为载波信号或载波频率。 接收设备被调谐到它期望来自发送者的载波信号的频率。 然后，数字信息通过修改其一个或多个特性（幅度，频率或相位）来更改载波信号。 这种修改称为 调制 （Shift键）。

1.幅移键控：
在幅度移位键控中，改变载波信号的幅度以创建信号元素。 幅度变化时，频率和相位都保持恒定。

二进制ASK（BASK）
ASK通常仅使用两个级别来实现。 这称为二进制幅度移位键控或开关键控（OOK）。 一个信号电平的峰值幅度为0； 另一个与载波频率的幅度相同。 下图给出了二进制ASKS的概念图。

 

另见： >> AM和FM有什么区别？ 

实施：
如果将数字数据表示为具有1V高压和0V低压的单极性NRZ数字信号，则可以通过将NRZ数字信号与来自振荡器的载波信号相乘来实现该实现，如下图所示。 当NRZ信号的幅度为1时，保持载波频率的幅度； 当NRZ信号的幅度为0时，载波频率的幅度为零。




ASK的带宽：
载波信号只是一个简单的正弦波，但是调制过程会产生非周期性的复合信号。 该信号具有一组连续的频率。 如我们所料，带宽与信号速率（波特率）成正比。

但是，通常涉及另一个因素，称为d，它取决于调制和滤波过程。 d的值介于0和 

●这意味着带宽可以如图所示表示，其中S是信号速率，B是带宽。

该公式表明所需带宽的最小值为S，最大值为2S。 这里最重要的一点是带宽的位置。 带宽的中点是载波频率所在的位置。 这意味着，如果我们有一个带通通道，我们可以选择fc，以便调制信号占用该带宽。 实际上，这是数模转换的最重要优势。

另见： >>什么是QAM：正交幅度调制 

2. 频移键控

在频移键控中，改变载波信号的频率以表示数据。 在一个信号元素的持续时间内，调制信号的频率是恒定的，但是如果数据元素发生变化，则调制信号的频率在下一个信号元素中会发生变化。 所有信号元素的峰值幅度和相位都保持恒定。

二进制FSK（BFSK）
考虑二进制FSK（或BFSK）的一种方法是考虑两个载波频率。 在下图中，我们选择了两个载波频率f1和f2。 如果数据元素为0，则使用第一个载波；否则，使用第一个载波。 如果数据元素为1，则使用第二个元素。




上图显示，一个带宽的中间为f1，另一带宽的中间为f2。 f1和f2与两个频段之间的中点相距Δf。 两个频率之差为2∆f。

另见： >> QAM调制器和解调器  

实施：
BFSK有两种实现：非相干和相干. 在非相干BFSK中，当一个信号元素结束而下一信号元素开始时，相位可能会不连续。 在相干BFSK中，相位持续通过两个信号元素的边界。 通过将BFSK视为两个ASK调制并使用两个载波频率，可以实现非相干BFSK。 可以通过使用一个压控振荡器（VCO）来实现相干BFSK，该振荡器会根据输入电压来改变其频率。

下图显示了第二个实现背后的简化思想。 振荡器的输入是单极性NRZ信号。 当NRZ的振幅为零时，振荡器保持其正常频率； 当幅度为正时，频率增加。

BFSK的带宽：

上图显示了FSK的带宽。 同样，载波信号只是简单的正弦波，但是调制会产生具有连续频率的非周期性复合信号。 我们可以将FSK视为两个ASK信号，每个信号都有自己的载波频率f1和f2。 如果两个频率之差为2∆f，则所需带宽为

3.相移键控：
在相移键控中，改变载波的相位以表示两个或更多个不同的信号元素。 随着相位变化，峰值幅度和频率都保持恒定。

二进制PSK（BPSK）：
最简单的PSK是二进制PSK，其中我们只有两个信号元素，一个信号的相位为0°，另一个信号的相位为180°。 下图给出了PSK的概念图。 二进制PSK与二进制ASK一样简单，但有一个很大的优势-它不易受到噪声的影响。 在ASK中，位检测的标准是信号的幅度。 但是在PSK中，这是阶段。 噪声改变幅度比改变相位容易。 换句话说，与ASK相比，PSK较不易受到噪声的影响。 PSK优于FSK，因为我们不需要两个载波信号。

分数宽度：
带宽与二进制ASK相同，但小于BFSK。 分离两个载波信号不会浪费带宽。

另见： >>512 QAM与1024 QAM与2048 QAM与4096 QAM调制类型

实施：
BPSK的实现与ASK一样简单。 原因是相位为180°的信号元素可以看作相位为0°的信号元素的补码。 这为我们提供了有关如何实现BPSK的线索。 如下图所示，我们使用极性NRZ信号代替单极性NRZ信号。 极性NRZ信号乘以载波频率。 1位（正电压）由从0°开始的相位表示，0位（负电压）由从180°开始的相位表示。

 

4.正交幅度调制（QAM）
PSK受设备区分微小相位差异的能力的限制。 该因素限制了其潜在的比特率。 到目前为止，我们一次只改变了一个正弦波的三个特性之一。 但是如果我们改变两个呢？ 为什么不结合使用ASK和PSK？ 在正交幅度调制（QAM）背后的概念是使用两个同相和另一个正交的载波，每个载波具有不同的幅度级别。

QAM的可能变化很多。 下图显示了其中一些方案。 在下图中，a部分显示了使用单极性NRZ信号调制每个载波的最简单的4-QAM方案（四种不同的信号元素类型）。 这与我们用于ASK（OOK）的机制相同。 b部分显示了另一个使用极性NRZ的4-QAM，但这与QPSK完全相同。 c部分显示了另一个QAM-4，其中我们使用具有两个正电平的信号来调制两个载波中的每个载波。 最后，d部分显示了一个信号的16-QAM星座图，具有八个电平，四个正和四个负。

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