通信原理与考研第八章新型数字调制(1)

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2010年之后，本章所讲的几种调制方式已经不能算新型了，在很多通信系统中早已普遍使用了。QAM调制方式在数字电视领域中使用的非常广泛，无论是DVB-T还是DVB-C中。关于多种通信系统的知识在《现代无线通信》课程中讲解的非常清楚，同学们可以查阅本公众号的历史消息，或者到大学课程目录下寻找。船舶自动识别系统（AIS）采用的就是GMSK调制方式，当然这种调制方式的早期大规模应用是在2G系统中。本人在研究早期的军用集群通信系统过程中也接触了这种调制方式。

本章还会扩充讲解OQPSK，卫星通信中经常使用OQPSK做为调制方式。本人在卫星领域耕耘多年，自然会讲的丰富一些。美军就在某军事通信系统中用了这种调制方式。大家看到这里，是不是会很期待本章的讲解啊？

2024年12月，再次更新本章内容，此时可以依托公众号里面的仿真系列文章进行讲解了！有了仿真，才能让调制方式的知识变的直观可触摸！但对于初学者而言，这方面的知识难度确实较大，需要持续学习才能慢慢进步！

写作已经成为我生活的一部分，不为出名，但希望能有更多的人看到我的文章。

三大部分内容！

先讲QAM 调制！

星座图是表征一种调制方式的最直接方法。

星座图基础概念

星座图是一种在数字通信中用于表示调制信号状态的图形工具。在QAM调制中，星座图上的每个点代表一种可能的信号状态。它是在一个二维平面上展示信号的幅度和相位信息，横坐标通常表示同相（I）分量，纵坐标表示正交（Q）分量。例如，对于一个简单的BPSK（二进制相移键控），它是QAM的一种特殊情况，星座图上只有两个点，分别位于实轴的正半轴和负半轴，代表了两种相位状态（0和π）。

QAM星座图的特点与调制特点的关联

- 信号状态数量与星座点数量QAM调制的阶数决定了星座图中的点数。例如，16QAM的星座图中有16个点。这些点的分布方式反映了信号可以携带的不同信息组合。16QAM意味着每个符号可以携带4位二进制信息（因为2^4 = 16）。星座点越多，在相同的带宽下可以传输的数据速率越高，因为每个符号能够表示更多的比特信息。

与低阶QAM（如4QAM，其实就是QPSK）相比，高阶QAM（如64QAM、256QAM）星座图中的点更密集。这使得信号在传输过程中更容易受到噪声和干扰的影响。因为噪声可能会导致接收端误判星座点的位置，从而出现误码。

- 幅度和相位信息星座图中的点位置表示了信号的幅度和相位。在QAM调制中，通过改变信号的幅度和相位来表示不同的数据符号。例如，在16QAM星座图中，不同的点有不同的幅度和相位组合。这种对幅度和相位的联合调制使得QAM能够更有效地利用信号空间，提高频谱利用率。

以矩形星座图（16QAM通常采用矩形星座图）为例，星座点在幅度和相位上有规则的分布。相邻星座点之间的幅度和相位差异决定了信号的抗干扰性能。如果相邻点之间的距离较小，那么在有干扰的情况下，就更容易出现错误判决。

- 星座图形状与信号性能除了矩形星座图，QAM还有其他形状的星座图，比如圆形星座图。不同形状的星座图具有不同的特点。矩形星座图的优点是在实现上相对简单，因为其幅度和相位的量化比较规则。而圆形星座图在抗相位噪声方面可能有更好的性能。例如在衰落信道环境下，圆形星座图由于其对相位变化的相对稳健性，可能会表现出更好的性能。但是，圆形星座图的信号点分布在圆周上，其幅度变化范围可能比矩形星座图大，这在某些对幅度敏感的系统中可能会带来问题。在实际产品中，对幅度的控制要求会很高，这就要求 AGC 的性能能够满足系统要求。

从星座图看QAM调制的误码性能

星座图中点与点之间的距离是衡量QAM调制误码性能的一个关键因素。在接收端，当噪声等干扰因素导致接收信号的星座点位置偏离其原始位置时，如果偏离程度使得该点被错误地判定为相邻的星座点，就会产生误码。例如对于4QAM，星座图上点之间的距离相对较大，相比于高阶QAM（如256QAM），它的误码率较低。在实际通信系统设计中，需要根据信道条件和对数据传输速率的要求来平衡QAM的阶数。如果信道质量较差，使用低阶QAM可以降低误码率；如果信道质量较好，为了提高数据传输速率，可以使用高阶QAM。

再看数学原理！

同学们要了解调制方式对应的数学公式，了解了公式就能准确的画出组成框图。本人就是这样的学习思路。

对于解调，先了解基本知识，等讲完同步知识后，才能详细的讲解解调。

这部分知识难度相当大！教材里面提及的非常少，本人在这里先简单提及。这个框图对应的就是相干解调！

相干解调

需要本地载波同步信号，与接收信号精确匹配，从而进行相干检测。

步骤：

使用锁相环（PLL）实现载波同步。
按基带解调流程提取I/Q分量。
对每个符号点使用判决规则映射到最近的星座点。

优点：误码率低，适合信道条件较好或具有良好同步系统的场景。
缺点：同步算法复杂，对载波偏差较敏感。

非相干解调

不需要载波同步，使用幅度和相位关系解调信号。

常用方法：
差分解调：
通过相邻符号的差分信息进行解调。
优点：同步电路简单，抗载波频偏能力较强。
缺点：误码率较高，一般不适用于高阶QAM。

符号判决算法

硬判决：对接收的信号直接进行星座点映射。
软判决：基于接收到的信号距离各个星座点的概率进行解码（例如在软解码FEC中使用）。
优点：软判决与纠错码联合解调时性能优于硬判决。

目前已有十二篇文章，可见QAM知识的难度！下面是QAM信号相干解调的知识总结！

难度很大，但做为通信算法工程师，应该能看懂！至于是否要精通，那取决你所在行业的需求。本人工作之后的六年时间一直在搞卫星通信，故没有在这方面深入研究，直到开搞移动通信，才开始研究QAM的解调算法。学了以后才知道水液挺深，好在有积累，学起来也挺快！

仿真举例！

大家可以根据上面文章链接中的代码进行相关改动，看是否能得到正确结果！后续文章会公布代码！

中场休息

小学三年级的时候，和邻居兼小学同学追逐打闹，把右手给摔断了，第一次感受到了什么是疼痛，回家还不敢说原因，怕被爸妈打，这是我小时候受到的教育风格。我现在继承了一些强制教育的风格，用在了女儿身上。不过自从女儿上了小学以后，她的独立性和意识在逐渐加强。因此，只要不是违反大原则的事情，我就不采用教训的方式了。

可是她的吃饭习惯一直不是很好，学校的中饭不好好吃，基本就是不吃，这对身体很不好啊，也许饿上几天才会改变这个不好的习惯。

我时常对她讲贫困地区小孩读书的故事，没有体验根本感觉不到，这也是我在教育过程中感到苦恼的地方。大学生也是缺少体验，所以有时候也不珍惜现在的学习时光，看的我非常着急。