芯耀
704
一、什么是数字调制
移动设备已经从最初的基本模拟电话，发展成了现在能握在手里、具备数字功能的智能手机。虽然语音通信还是它的一部分功能，但现在的语音通话是把语音信号从模拟信号转换成数字信号，再以数字方式传输的。这就意味着移动无线系统主要专注于高效传输数字数据，而且通常很注重实现高数据吞吐量。
为了把数字信息加载到射频（RF）载波上，我们可以改变信号的幅度、相位或者频率。从数学角度来看，这类信号可以这样描述：
其中a(t)是载波幅度，fc是载波频率，θ(t)是载波相位。
下面的图展示了信号调制载波的不同方式。数字数据用二进制0或1表示，在调幅波形里，这会变成低电压或高电压。用频移键控（FSK）调制时，载波频率会根据调制信号是高电平还是低电平瞬间变化；幅移键控（ASK）则会让载波幅度发生变化，图1里用两个非零幅度表示幅度变化，但这种调制技术也能简单地对载波进行开/关键控。相移键控（PSK）会根据数字调制信号让相位瞬间改变。最后，还能同时用相位和幅度的变化来调制。
图1. 数字调制的基本类型。随着数字调制技术不断发展，用正交形式处理已调制载波越来越实用了。简单来说，射频载波的方程（公式1）可以重新构建，让它包含一个同相项i(t)和一个正交项q(t)。
同相项用来控制同相载波的幅度，同相载波用的是余弦函数；正交项则控制正交载波的幅度，正交载波用正弦函数，而正弦函数本质上和余弦载波的相位差了90°。需要注意的是，i(t)、a(t)和θ(t)都表示成了时间的函数，因为这些变量可能会随着所采用的调制方式不同而发生变化。
已调制信号的幅度和相位与同相分量i和正交分量q的关系可以用下面的公式来表示：
二、矢量表示
已调制信号的这种正交表示法使得该信号可以用矢量来表示，如图2所示。矢量的幅度就是长度a，相位就是θ(t)。改变正交分量q和同相分量i的幅度，将会得到不同的a和θ(t)值。
图2. 调制信号的矢量表示，包含同相（i）和正交（q）分量。?这些正交方程可能看起来只是一个数学运算，但正交方法能够很好地映射。到实际应用中。图3展示了正交调制器的基本框图。调制输入量i(t)和q(t)分别与载波频率相乘，其中q(t)所对应的载波移相了90°。
图3. 一个正交调制器将两个相位相差90°的信号合并为一个已调制的输出信号。
可以把i(t)当成控制同相（余弦）部分的量，q(t)则负责控制正交（正弦）部分，把这两部分加起来就能得到需要的输出信号。这种框图既能用模拟技术实现，也能用数字技术（或者两者结合）来做。实际系统里这两种方法都有人用过，但很明显，现在的趋势是用数字电路和数字信号处理技术。通过同相/正交（I/Q）数据流，能完全控制已调制信号的幅度和相位。
I/Q数据的应用特别广，基本成了传输和存储已调制信息的行业标准。你可能听过工程师说发送或接收I/Q数据、把数据存在文件里，或者用数字算法生成和处理这些数据。
相移键控（PSK）调制里有个简单的双状态应用，叫二进制相移键控（BPSK）。图4里有两个不同状态，对应两种相位，这两个点表示矢量端点在二进制0或1状态时的位置。这种展示调制的方法很常用，叫星座图。为了简化，实际画星座图时通常不画矢量，但可以想象矢量指向0或1状态，随着数字数据变化来回切换，这样可能更容易理解。要注意，这两种状态的幅度是一样的，载波只有相位在变化。因为只用到两种相位，为了让它们区分度最大，通常会选相差180°的相位。
图4. BPSK使用两种相位来对调制进行编码。
正交相移键控（QPSK）使用信号的四种不同相位来表示四种不同的逻辑状态（图5）。每个逻辑状态可以表示两位信息，从而提高了我们的数据传输速率。同样，矢量的幅度保持恒定，只有相位发生变化。
图5. QPSK利用相移来表示比特的组合。
正交幅度调制（QAM）同时利用幅度调制和相位调制来确定调制状态。例如，16进制正交幅度调制（16QAM）（图6）提供了16种不同的逻辑状态，每种状态都有独特的幅度和相位值。现在我们明白为什么会使用“星座图”这个术语了，因为这些逻辑状态开始看起来就像天空中星星的分布图案。这种方法对于每个逻辑状态可以编码4比特的数据。为简洁起见，这些逻辑值在图中并未显示，但它们会按顺序从0000、0001、0010一直到1111。
图6. 16-QAM使用幅度和相位的16种组合来表示四位（16种组合）。
更高阶的QAM系统也在被使用，包括64-QAM、256-QAM和1024-QAM。增加幅度/相位状态的数量会增加可编码的比特数，这极大地提高了调制系统的数据传输速率。其代价是噪声性能的下降：编码的独特状态越多，它们在幅度和相位上就越接近。系统中存在的任何噪声都更有可能导致解调错误。
我们简要提到过频移键控（FSK）是一种调制类型，它确实在无线系统中有所应用。然而，由于QAM具有更高的频谱效率，在移动无线应用中，QAM在很大程度上已经取代了FSK。
三、什么是调制和解调
1、调制过程
调制就是把基带信号移到更高频率范围的过程。调制解调器在发送端负责调制，在接收端负责解调。调制分为两种类型：模拟调制和数字调制。调制后的模拟信号能通过光纤电缆或者非导向性媒介传输。模拟调制处理的是模拟基带信号，生成调制后的模拟信号；数字调制处理的是数字基带信号，得到的也是调制后的模拟信号，下图是AM调制，改变的高频载波的幅度。
2、调制的优点
调制有这么几个重要作用：
- 高效传输：把低频基带信号变成适合无线传输的高频载波信号，而且能减少噪声和干扰的影响。
- 天线小型化：用高频信号传输就不用像低频那样配大型天线了。
- 带宽效率：像QPSK、QAM这类更先进的数字调制方式，能降低对带宽的需求，还能提高频谱利用效率。
- 提高数据速率：高级调制方案能把更多数据比特“打包”到单个信号元素里。比如QPSK每个符号能对应2比特数据，16-QAM每个符号能对应4比特数据，这样数据传输速度就提上来了。
3、解调过程
信号解调就是调制的反向操作，关键是从已调载波里准确还原出原来的基带信息。这个过程包括这么几步：首先得做载波同步，把频偏和相偏误差消除掉；然后进行非线性变换，通过包络检波、相干解调或者正交解混频的方式把载波剥离出来；接着用低通滤波滤掉高频镜像和噪声分量；要是有需要，最后再对模拟信号进行采样量化来完成数字化恢复。实际应用的时候，得根据具体的调制方式（像AM、FM、QAM这些）来匹配对应的解调算法，同时还要兼顾信噪比和解调的实时性。
4、解调优点
- 信号还原精度与动态范围突破：解调通过消除载波调制对信息符号的“掩盖效应”，实现原始信号的高保真复现。以音频传输为例，AM解调通过包络检波还原语音信号时，利用二极管非线性特性与低通滤波器配合，可在信噪比（SNR）仅10dB的条件下重建人声频谱（300Hz-3kHz），确保语音清晰度；而数字解调技术（如QAM解调）通过星座图判决与软判决译码，将误码率（BER）从硬判决的10??级优化至10??级，使4K视频流在10?? BER要求下仍能稳定传输。
- 频谱资源利用率与多址能力提升：解调技术通过频谱复用与多用户分离机制，显著提升频带利用率。在OFDM系统中，子载波正交解调通过FFT算法实现频域并行处理，使单载波频谱效率提升10倍以上，5G NR标准下可支持273组子载波并行传输，频谱利用率达30bps/Hz。而CDMA解调采用扩频码正交解扩，将用户信号分散至1.2288MHz带宽内，通过匹配滤波器组实现多用户信号分离，单小区可容纳百级用户并发通信。在卫星通信中，TDMA解调结合时隙同步技术，将单频点用户容量提升至千量级，显著降低频谱租赁成本。
- 抗干扰性能与鲁棒性强化：解调通过信号重构与噪声抑制技术，在复杂电磁环境中保障通信可靠性。针对窄带干扰，自适应解调器通过频谱感知与陷波滤波，可在100kHz带宽内消除50dB强度的单频干扰，保障雷达信号（如L波段1.2GHz-1.4GHz）在强电磁干扰下的正常解析。在多径衰落场景中，分集解调技术（如最大比合并MRC）对多路接收信号进行相位对齐与加权求和，使误码率在瑞利衰落信道中降低两个数量级。而跳频解调通过同步跟踪伪随机跳频图案，可在1000跳/秒的跳频速率下实现抗阻塞干扰，在电子战环境中保障战术通信链路的可用性。
- 系统兼容性与能效优化：解调技术通过协议适配与低功耗设计，推动跨代际通信设备互联。软件定义无线电（SDR）采用可重构架构，通过FPGA动态加载不同调制解调算法（如LTE/WiFi/LoRa），实现单硬件平台支持多标准通信，开发周期缩短60%。在物联网场景中，超低功耗解调芯片（如BLE 5.0解调器）通过事件驱动架构与亚阈值电路设计，将工作电流降至μA级，使纽扣电池供电设备续航延长至10年。而极化码（Polar Code）解调器通过串行抵消（SCL）算法，在5G URLLC场景中实现0.5ms超短时延与99.999%可靠性，满足工业自动化对毫秒级闭环控制的需求。
总结一下，调制通过数字编码与正交化处理（如I/Q调制）实现高频谱效率，BPSK/QPSK/QAM等方案以相位/幅度组合提升数据速率，同时正交化架构支持多载波复用（如OFDM）与多址接入（CDMA/TDMA）。解调作为逆过程，通过载波同步、滤波及数字译码（如星座图软判决）保障信号高保真还原，在抗干扰（自适应陷波/分集合并）、频谱复用（多用户分离）及能效优化（SDR/BLE超低功耗）方面发挥关键作用。二者协同推动移动通信向高数据速率、强抗扰性与多场景兼容性方向持续突破。
