详细的聊聊调制方式

说到调制，我想很多同学马上会联想到这些关键词：BPSK、QPSK、调幅、调相、QAM、星座图……  众所周知，调制和解调是通信基本业务流程中的重要组成部分。没有它们，我们的移动通信根本无法实现。 那么，究竟什么是调制?为什么要调制?5G又是怎么调制的呢?接下来，我们逐一介绍。 调制是做什么用的呢? 让我们看一下生活中的一个例子：我们每天都在出行。出行的时候，我们会根据行程选择适合的交通工具。  乘坐不同的交通工具，出行的速度也会有快有慢。整个过程，大概就是这样一个模型：  实际上，通信系统和这个模型类似。上面的出行模型，是把人从出发点运输到目的地。而通信系统，是把数据信号从发送端传输到接收端。我们进行以下转换：  就可以类比出一个简单的通信模型：  看出来了吧？“调制”，就像为信号找一个交通工具，让它载着信息穿过信道到达目的地。 我们知道，在无线信道中，信号是以电磁波的形式传递的。那么，电磁波怎么来传递信息呢? 我们先来举一个“用水果传递信息”例子。 例如，我们要传递0和1，可以让苹果代表0，香蕉代表1。 我们发送给接收端，接收方收到后一看是苹果就知道是发送的是0，一收到香蕉，就知道发送的是1。  换一种方式，如果只能用苹果来传递信息呢? 我们约定让红苹果代表0，绿苹果代表1。 接收方一看是红苹果，就知道是发送的是0。收到绿苹果，就知道发送的是1。  再换一种方式。如果只有红苹果，怎么传递信息呢? 我们可以用大的红苹果来代表0，小的红苹果代表1。一看是大红苹果，就知道是发送的是0。收到小红苹果，就知道发送的是1。  在这个过程中，我们其实用的是水果的种类、颜色、大小这3个特征来传递信息的。  类似的，电磁波可以用正弦波来描述。一个正弦波也有3大特征，幅度，相位，频率。我们可以利用电磁波的这3大特征来传递信息。  下面的公式(1)，描述了一个正弦波信号：  所谓调幅、调频、调相，就是下图的样子：  看出来了没?0和1，被“调”进了不同的电磁波波形之中。 5G速度那么快，它是怎么调制的呢? 在3GPP协议(TS 38.201)中，定义了5G支持的调制方式如下：  按照使用的载波的特征的不同，5G采用的调制方式可以分为两大类： 载波的相位变化，幅度不变化：π/2-BPSK, QPSK。这就是前面说的PSK(Phase-Shift keying相移键控)。 载波的相位和幅度都变化：16QAM, 64QAM，256QAM。这一类专业名词叫做QAM(Quadrature Amplitude Modulation，正交振幅调制)。 星座图 各种调制方式之间的差异，还是不太容易理解。 想一想，为什么我们能很容易区分各种水果的不同?(什么是苹果，什么是香蕉，什么是红苹果，什么是大苹果。) 这是因为我们见过实物，看到过不同状态的水果。 那么，我们能不能把调制方式也用图表示起来呢? 可以。为了直观的表示各种调制方式，我们引入一种叫做星座图的工具。星座图中的点，可以指示调制信号的幅度和相位的可能状态。    BPSK定义了2种相位，分别表示0和1，因此BPSK可以在每个载波上调制1比特的信息。   π/2-BPSK是BPSK在序列的奇数位时调制信号相位偏移π/2，序列的偶数位时和BPSK调制信号的相位一样，也就是π/2-BPSK定义了4种相位来表示0和1。   QPSK全称是正交相移键控，它定义了4个不同的相位，分别表示00、01、10、11，因此QPSK可以在每个载波上调制2比特的信息。   16QAM：一个符号代表4bit。   64QAM：一个符号代表6bit。   256QAM：一个符号代表8bit。来个动图，帮助理解：  QAM示意图(来自cisco) 从星座图中可以看出PSK调制信号的幅度不变，相位有变化。QAM调制信号的幅度和相位在变化。 正是因为每个符号能代表的bit数不断提升，使得携带的信息量提升，最终让这个“交通工具”能显著提升速率。 可能大家觉得5G好像也不是很难的样子嘛。既然我们已经有了通信模型和星座图两大法宝，是不是可以自己打造一套下一代通信系统出来呢? Hoho，你以为256QAM就是那么简单就搞出来的吗?上图!  3GPP 38.211协议中定义的5G调制方式的映射关系 懵圈了!有木有? 通信搞到最后，都是数学! 调制和解调原理 我们再简单讲一下调制和解调的原理。 5G的各种调制方式，都可以使用IQ调制解调来实现。 我们从公式1出发，进行各种神奇的公式转换。  将公式2画成框图，这个就是IQ调制：  解调是把接收到的调制信号提取出来的过程，调制信号经过解调转换为原始的信号。 解调的过程可以通过下面的公式来解释。  通过公式3可以看到，接收信号在乘以对应相位的载波后，进行积分，可以得到原始的信号，将公式3画成框图，这个就是IQ解调。  将2个框图结合起来，我们下面给出IQ调制和解调的框图。  IQ调制可以用复数的形式进行理解。调制的公式描述：  解调的公式描述：  对应的我们给出复数形式的框图。  这个框图搭配上前面3GPP协议里面的5G调制映射关系，就是一个较为完整的5G的调制和解调过程。是不是彻底懵圈啦?调制解调，从入门到放弃!

为什么要有QAM？

QAM在用于Wi-Fi数字信号调制时，与普通幅度调制和相位调制相比能得到更高的速率。因为幅度调制和相位调制仅有2种符号（symbol）来区分0或1。

• 幅度调制：通过改变载波的振幅来区分0和1。
• 相位调制：通过改变载波的相位来区分0和1。例如我们常见的BPSK，就是使用0°和180°共2个相位表示0和1，即2种符号；QPSK则是使用0°、90°、180°和270°共4个相位，能够表示00、01、10和11共4种符号，传递2 bit的信息。其实QPSK就是一种特殊的QAM，即4-QAM。

而QAM则有更多的符号，每个符号都有相应的相位和幅度值。

以16-QAM为例，通过QAM调制可得到16个不同的波形，分别代表0000，0001....这也意味着一共有16种符号，一个符号可以传递4 bit信息。

16-QAM示意图

QAM是如何工作的？

QAM是将信号加载到2个正交的载波上（通常是正弦和余弦），通过对这两个载波幅度调整并叠加，最终得到相位和幅度都调制过的信号。这两个载波通常被称为I信号，另一个被称为Q信号，所以这种调制方式也被称为IQ调制。

IQ调制

由于QAM最终调制后的信号包含了相位和幅度的变换，因此QAM也被认为相位调制和幅度调制的组合。

QAM的星座图

在数字信号调制中，星座图通常用于表示QAM调制二维图形。星座图相对于IQ调制而言，将数据调制信息映射到极坐标中，这些信息包含了信号的幅度信息和相位信息。

星座图上的每一个点，都表示一个符号。该点I轴和Q轴的分量分别代表着正交的载波上的幅度调整。该点到原点的距离A就是调制后的幅度，夹角φ就是调制后的相位。

QAM的星座图

而星座图上点的数量，决定了每个符号传输的比特数。例如：

• 256-QAM，256是2的8次方，每个符号能传输8bit的数据。
• 1024-QAM，1024是2的10次方，每个符号能传输10bit的数据。

因此，作为比256-QAM更高阶的1024-QAM，数据传输的峰值速率进一步提高25%。

WiFi 6 1024-QAM

噪声与干扰对QAM的影响

尽管较高阶的调制速率能够为无线电通信系统提供更快的数据速率和更高水平的频谱效率，但这是有代价的。较高阶的调制方案对噪声和干扰的适应性要差得多。

因为发送一个符号所用的载波频宽是固定的，发送时长也是一定的，较高阶意味着两个符号之间差异就越小。这不仅对接收双方的器件要求很高，而且对环境的要求也很高。也就是说，如果环境过于恶劣，终端将无法使用高阶的QAM模式通信，只能使用较低阶次的调制模式。

QAM如何与Wi-Fi配合使用？

不同Wi-Fi标准使用的QAM

在Wi-Fi标准中，为了提升速率，各版本协议使用的QAM阶数也在逐步提升。

不同WiFi标准采用的QAM

QAM对Wi-Fi标准速率影响

在Wi-Fi标准中，定义了调制和编码方案MCS（Modulation and Coding Scheme）。MCS对应一组调制和编码方式。以Wi-Fi 6为例，MCS索引有12个。

Wi-Fi 6中MCS索引对应的调制方式以及编码率

如果MCS为1，则使用的是QPSK的调制方式；如果MCS为11，则使用的是1024的调制方式。

对于每个MCS的索引值，根据信道带宽、空间流数和保护间隔（Guard Interval，GI）可以计算出不同的速率。

计算公式如下：

Wi-Fi标准的速率计算公式

由此可见，提升调制方式，可以明显提升速率。

最后

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