你還記得頭上頂著長(zhǎng)長(zhǎng)的天線的大哥大嗎？
有沒(méi)有想過(guò)為什么現(xiàn)在的手機(jī)在外觀上已經(jīng)看不到天線了呢？
下面我們一起看一下與天線長(zhǎng)度有關(guān)的因素有哪些？
頻率與波長(zhǎng)的換算公式：
波長(zhǎng)（λ）=30 萬(wàn)公里（c）/頻率（f）
天線長(zhǎng)度 h 與頻率 f 成反比，與波長(zhǎng) λ 成正比，頻率越高，波長(zhǎng)越短。
從上面的天線長(zhǎng)度公式中可以計(jì)算出無(wú)線通信時(shí)，手機(jī)天線長(zhǎng)度 h 在使用未經(jīng)過(guò)調(diào)制的低發(fā)射頻率（3 kHz）時(shí)需要 10000 米，通過(guò)調(diào)制把低頻信號(hào)搬到高頻上去（例如 900 MHz），手機(jī)天線可以縮小到幾厘米。
通過(guò)調(diào)制技術(shù)可以提高發(fā)射信號(hào)的頻率，從而減少手機(jī)終端中接收天線的長(zhǎng)度，目前手機(jī)中的天線都可以內(nèi)置到手機(jī)中，外觀更美觀，攜帶更方便。所以我們的手機(jī)終端不用再背著長(zhǎng)長(zhǎng)的接收天線，這件事調(diào)制技術(shù)是功不可沒(méi)的。
其實(shí)，調(diào)制技術(shù)在日常生活中早有廣泛的應(yīng)用，例如：聽(tīng)廣播、看電視、打電話、發(fā)微信等通訊場(chǎng)合都需要調(diào)制技術(shù)。
那到底什么是調(diào)制技術(shù)呢？
調(diào)制技術(shù)如同給電波插上了翅膀，下面通過(guò)一個(gè)乘坐飛機(jī)出門(mén)遠(yuǎn)行的例子來(lái)了解調(diào)制技術(shù)（調(diào)制和解調(diào)制）的過(guò)程。
這里我們把乘客比喻為消息信號(hào)，飛機(jī)比喻為載波。
乘客上飛機(jī)并選擇坐在某個(gè)座位上，即對(duì)應(yīng)把消息信號(hào)承載在載波的某個(gè)參量上（例如幅度、相位），這個(gè)過(guò)程就是調(diào)制。載有消息信號(hào)的載波稱為已調(diào)信號(hào)。
經(jīng)過(guò)傳輸?shù)竭_(dá)目的地（接收端），乘客下飛機(jī)，即對(duì)應(yīng)接收端把消息信號(hào)從已調(diào)信號(hào)中卸載下來(lái)，即解調(diào)過(guò)程。解調(diào)是調(diào)制的逆過(guò)程，從已調(diào)信號(hào)中恢復(fù)消息信號(hào)。
通過(guò)上面類比的例子，我們是不是能更輕松的了解調(diào)制技術(shù)的定義呢？
定義：調(diào)制技術(shù)就是對(duì)信號(hào)源的信息進(jìn)行處理，使其適合傳輸形式的過(guò)程。其目的是使所傳送的信息能更好地適應(yīng)信道特性，以達(dá)到最有效和最可靠地傳輸。即有效地利用頻帶資源，提高通信系統(tǒng)性能。
調(diào)制技術(shù)的應(yīng)用有很多，例如：
匹配信道特性，減小天線尺寸，提高輻射效率
頻譜搬移，實(shí)現(xiàn)信道的多路復(fù)用，提高信道利用率
擴(kuò)展信號(hào)帶寬，提高系統(tǒng)抗干擾能力
實(shí)現(xiàn)帶寬與信噪比的互換（有效性與可靠性）
...... 還有很多，不一一列舉
應(yīng)用如此廣泛的調(diào)制技術(shù)按調(diào)制信號(hào)的類型分：模擬調(diào)制（例如電話網(wǎng)、有線電視網(wǎng)）、數(shù)字調(diào)制。數(shù)字調(diào)制相比模擬調(diào)制有更好的抗干擾性能、更強(qiáng)的抗信道損耗、更好的安全性、數(shù)字傳輸系統(tǒng)中可以使用差錯(cuò)控制技術(shù)，支持負(fù)載信號(hào)條件和處理技術(shù)。
模擬調(diào)制是用模擬信號(hào)調(diào)制載波；數(shù)字調(diào)制是用數(shù)字信號(hào)調(diào)制載波。
模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)的不同之處在于它們所傳輸?shù)男畔⒌男问健?/p>
模擬信號(hào)是一個(gè)連續(xù)的信號(hào)，可以在無(wú)限小的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行測(cè)量。
數(shù)字信號(hào)則是以離散的形式進(jìn)行傳輸，它的數(shù)值只能是離散的、有限的值。
模擬信號(hào)會(huì)更容易受到噪聲和失真的影響，這些影響可能會(huì)改變信號(hào)的特性，因此模擬調(diào)制一般用于通訊質(zhì)量要求不高的場(chǎng)合。
數(shù)字信號(hào)可以通過(guò)各種算法進(jìn)行處理和糾正，以確保傳輸?shù)木_性和可靠性。因此數(shù)字信號(hào)更容易被保護(hù)和復(fù)制，可以在有限的信道條件下，盡量提高頻譜資源利用率。
數(shù)字調(diào)制相比模擬調(diào)制有很多優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用更為廣泛，下面我們主要看看數(shù)字調(diào)制吧。
數(shù)字調(diào)制：把數(shù)字調(diào)制為模擬信號(hào)。通過(guò)調(diào)制模擬載波信號(hào)的 3 個(gè)參數(shù)（幅度、頻移、相移）來(lái)標(biāo)識(shí)數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。
數(shù)字調(diào)制為什么要數(shù)字調(diào)制為模擬信號(hào)呢？
因?yàn)橛械臅r(shí)候我們需要長(zhǎng)距離傳輸，在進(jìn)行長(zhǎng)距離遠(yuǎn)距離傳輸?shù)臅r(shí)候使用模擬信號(hào)傳輸成本比較低，那么當(dāng)我們需要長(zhǎng)距離傳輸使用模擬信號(hào)的時(shí)候，數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)在傳輸?shù)臅r(shí)候就要調(diào)制為模擬信號(hào)。
模擬信號(hào)的相位調(diào)制和數(shù)字信號(hào)的 PSK 可以被認(rèn)為是幅度不變、僅有相位變化的特殊的正交幅度調(diào)制。由此，模擬信號(hào)相位調(diào)制和數(shù)字信號(hào)的 PSK 也可以被認(rèn)為是 QAM 的特例。
下面我們一起了解一下在 3G / 4G / 5G 通訊中應(yīng)用最為廣泛的數(shù)字調(diào)制技術(shù) QAM。
QAM（Quadrature Amplitude Modulation，正交幅度調(diào)制）是一種在兩個(gè)正交載波上進(jìn)行幅度相位調(diào)制的調(diào)制方式。這兩個(gè)載波通常是相位差為 90 度（π/2）的正弦波，因此被稱作正交載波。QAM 是通過(guò)載波某些參數(shù)的變化傳輸信息。
QAM 發(fā)射的信號(hào)集可以用星座圖方便地表示（這里的星座圖可不是天上十二星座的星座圖喔，文檔君先賣(mài)個(gè)關(guān)子，后面詳細(xì)介紹喔~），星座圖上每一個(gè)星座點(diǎn)對(duì)應(yīng)發(fā)射信號(hào)集中的一個(gè)信號(hào)。星座點(diǎn)經(jīng)常采用水平和垂直方向等間距的正方網(wǎng)格配置，當(dāng)然也有其他的配置方式。
數(shù)字通信中數(shù)據(jù)常采用二進(jìn)制數(shù)表示，這種情況下星座點(diǎn)的個(gè)數(shù)是 2 的冪。常見(jiàn)的 QAM 形式有 16QAM、64QAM、256QAM 以及 1024QAM 等。一個(gè)調(diào)制符號(hào)分別可以傳送 4、6、8、10 比特的信息。
星座點(diǎn)數(shù)越多，每個(gè)符號(hào)能傳輸?shù)男畔⒘烤驮酱?。但是，如果在星座圖的平均能量保持不變的情況下增加星座點(diǎn)，會(huì)使星座點(diǎn)之間的距離變小，進(jìn)而導(dǎo)致誤碼率上升。因此高階星座圖的可靠性比低階要差。
2QAM 和 4QAM 實(shí)際上是二進(jìn)制相移鍵控（BPSK）和正交相移鍵控（QPSK），而 8QAM 則有將單數(shù)位的位分到兩個(gè)載波上的問(wèn)題，8PSK 要容易得多，因此 8QAM 很少被使用。
各種調(diào)制單個(gè)波形可以傳輸?shù)男畔⒘坎煌?，比?BPSK 單次調(diào)制可以傳輸 21=2 個(gè)二進(jìn)制符號(hào)，8PSK 可以傳輸 23=8 個(gè)二進(jìn)制符號(hào)，這里的 8 叫做調(diào)制的階數(shù)。4 階以上調(diào)制，稱為高階調(diào)制。高階調(diào)制是相對(duì)于低階調(diào)制而言的。
QAM 在用于數(shù)字信號(hào)調(diào)制時(shí)，與普通幅度調(diào)制和相位調(diào)制相比能得到更高的速率。因?yàn)榉日{(diào)制和相位調(diào)制僅有 2 種符號(hào)（symbol）來(lái)區(qū)分 0 或 1。
幅度調(diào)制：通過(guò)改變載波的振幅來(lái)區(qū)分 0 和 1。
相位調(diào)制：通過(guò)改變載波的相位來(lái)區(qū)分 0 和 1。例如我們常見(jiàn)的 BPSK，就是使用 0° 和 180° 共 2 個(gè)相位表示 0 和 1，即 2 種符號(hào)；QPSK 則是使用 0°、90°、180° 和 270° 共 4 個(gè)相位，能夠表示 00、01、10 和 11 共 4 種符號(hào)，傳遞 2 bit 的信息。其實(shí) QPSK 就是一種特殊的 QAM，即 4QAM。
而 QAM 則有更多的符號(hào)，每個(gè)符號(hào)都有相應(yīng)的相位和幅度值。
以 16QAM 為例，通過(guò) QAM 調(diào)制可得到 16 個(gè)不同的波形，分別代表 0000，0001..... 這也意味著一共有 16 種符號(hào)，一個(gè)符號(hào)可以傳遞 4 bit 信息。
16QAM 示意圖如下圖所示。
QAM 是如何工作的呢？
QAM 是將信號(hào)加載到 2 個(gè)正交的載波上（通常是正弦和余弦），通過(guò)對(duì)這兩個(gè)載波幅度調(diào)整并疊加，最終得到相位和幅度都調(diào)制過(guò)的信號(hào)。這兩個(gè)載波通常被稱為 I 信號(hào)，另一個(gè)被稱為 Q 信號(hào)，所以這種調(diào)制方式也被稱為 IQ 調(diào)制。
在數(shù)字信號(hào)調(diào)制中，星座圖通常用于表示 QAM 調(diào)制二維圖形。星座圖相對(duì)于 IQ 調(diào)制而言，將數(shù)據(jù)調(diào)制信息映射到極坐標(biāo)中，這些信息包含了信號(hào)的幅度信息和相位信息。
星座圖上的每一個(gè)點(diǎn)，都表示一個(gè)符號(hào)。該點(diǎn) I 軸和 Q 軸的分量分別代表著正交的載波上的幅度調(diào)整。該點(diǎn)到原點(diǎn)的距離 A 就是調(diào)制后的幅度，夾角 φ 就是調(diào)制后的相位。
而星座圖上點(diǎn)的數(shù)量，決定了每個(gè)符號(hào)傳輸?shù)谋忍財(cái)?shù)。例如：
256QAM，256 是 2 的 8 次方，每個(gè)符號(hào)能傳輸 8bit 的數(shù)據(jù)。
1024QAM，1024 是 2 的 10 次方，每個(gè)符號(hào)能傳輸 10bit 的數(shù)據(jù)。
因此，作為比 256QAM 更高階的 1024QAM，數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆逯邓俾蔬M(jìn)一步提高 25%。
噪聲與干擾對(duì) QAM 的影響
盡管較高階的調(diào)制方式速率能夠?yàn)闊o(wú)線電通信系統(tǒng)提供更快的數(shù)據(jù)速率和更高水平的頻譜效率，但這是有代價(jià)的。較高階的調(diào)制方案對(duì)噪聲和干擾的適應(yīng)性要差得多。
因?yàn)榘l(fā)送一個(gè)符號(hào)所用的載波頻寬是固定的，發(fā)送時(shí)長(zhǎng)也是一定的，較高階意味著兩個(gè)符號(hào)之間差異就越小。這不僅對(duì)接收雙方的器件要求很高，而且對(duì)環(huán)境的要求也很高。也就是說(shuō)，如果環(huán)境過(guò)于惡劣，終端將無(wú)法使用高階的 QAM 模式通信，只能使用較低階次的調(diào)制模式。
通過(guò)今天的講解，大家對(duì)調(diào)制技術(shù)應(yīng)該有了大致的了解了吧。如果對(duì) QAM 還希望能有進(jìn)一步的深入，記得在評(píng)論區(qū)告訴文檔君哦。
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