淺談無(wú)線通信中高階調(diào)制vs低階調(diào)制

高階調(diào)制（High Order Modulation）——實(shí)現(xiàn)在有限的頻譜帶寬內(nèi)，傳輸更多信息的數(shù)字調(diào)制技術(shù)。

Q 什么是高階調(diào)制？

A

高階調(diào)制（High Order Modulation），是一種通過(guò)讓一個(gè)碼元攜帶更多的比特信息，來(lái)實(shí)現(xiàn)在有限的頻譜帶寬內(nèi)，傳輸更多信息的數(shù)字調(diào)制技術(shù)。

Tips ? ?

碼元的傳輸速率，即每秒鐘發(fā)送的碼元數(shù)量，稱為波特率，單位為波特（Baud)。? ?

波特率可以理解為數(shù)據(jù)信號(hào)對(duì)載波的調(diào)制速率，與器件的處理速率強(qiáng)相關(guān)。

對(duì)于調(diào)制階數(shù)為N的高階調(diào)制來(lái)說(shuō)，每個(gè)碼元符號(hào)可攜帶N比特信息，具有2^N種碼元狀態(tài)。當(dāng)其碼元傳輸速率為M時(shí)，其所傳輸?shù)男畔⑺俾始礊镸*N bps（bit per second，比特/秒）。

Example

通過(guò)例子，說(shuō)明高階調(diào)制是如何實(shí)現(xiàn)信息傳輸速率成倍提高的

假設(shè)A和B分別在兩地，A要用帶顏色的牌子，來(lái)向遠(yuǎn)端的B傳輸“00 01 10 11”這8位數(shù)字，我們假設(shè)A每秒只能更換一次牌子。

當(dāng)牌子只有黑白兩種顏色時(shí)，A和B可以約定，黑色代表0，白色代表1。那么A傳輸完這8個(gè)數(shù)字，需要舉8次牌子，共計(jì)8秒鐘，傳輸?shù)乃俾始礊?bps。

如果牌子有4種顏色呢？假設(shè)是黑白紅綠，那么A和B就可以約定，黑色代表00，白色代表01，紅色代表10，綠色代表11。這次，A只需要舉4次牌子，共計(jì)4秒鐘就可以完成8位數(shù)字的傳輸，速率就提高到2bps。

同樣地，如果牌子有16種顏色，那就一定有一種顏色能代表0001，另一種顏色能代表1011，那么A只要舉兩次牌子，2秒鐘就可以完成，相應(yīng)速率就提升為4bps。

對(duì)比一下，我們可以看出，高階調(diào)制，就相當(dāng)于增加牌子的顏色：

每個(gè)牌子所代表的數(shù)字位數(shù)，就是調(diào)制階數(shù)N

牌子的顏色有2^N種

波特率，是A舉牌子的頻率?

在A舉牌子的頻率（波特率）不變的情況下，增加牌子的顏色（通過(guò)提高調(diào)制階數(shù)N來(lái)實(shí)現(xiàn)），就可以提高信息的傳輸速率。

在光通信領(lǐng)域里，一般采用高階調(diào)制+偏振復(fù)用（PM）技術(shù)來(lái)進(jìn)一步提高信息傳輸速率。

偏振復(fù)用，是指利用光的兩個(gè)正交偏振態(tài)來(lái)同時(shí)傳輸兩路信號(hào)的技術(shù)，可以使總的信號(hào)傳輸速率提升一倍。加上了偏振復(fù)用之后，總的信息傳輸速率就變?yōu)镸*N*2 bps。

例如：PM-QPSK調(diào)制格式，其每個(gè)碼元攜帶2比特信息，有2^2=4種碼元狀態(tài)（00，01，10，11），其在64GBd時(shí)，對(duì)應(yīng)的最大信息傳輸速率為64x2x2=256Gbps。

而PM-8QAM調(diào)制格式，其每個(gè)碼元攜帶3比特信息，有2^3=8種碼元狀態(tài)（000，001，010，100，011，101，110，111），其在64GBd時(shí)，對(duì)應(yīng)的最大信息傳輸速率為64x3x2=384Gbps。

各種調(diào)制格式在不同器件波特率下，能夠?qū)崿F(xiàn)的最大信息傳輸速率如下表所示。

Q 為什么需要高階調(diào)制？ A

在光通信領(lǐng)域，高階調(diào)制主要用于線路側(cè)傳輸速率的提升。

從上面的公式可知，要想提高總的信息傳輸量，需要從兩個(gè)方面入手：

提高信號(hào)的碼元速率，即波特率M。

采用高階調(diào)制技術(shù)，即提高調(diào)制階數(shù)N。

比如，早期的器件波特率僅為34GBd左右，而當(dāng)時(shí)又有100Gbps的傳輸速率需求，顯然一直等待器件波特率的提高是不現(xiàn)實(shí)的。

通過(guò)引入高階調(diào)制技術(shù)，就可以在當(dāng)前器件波特率不變的基礎(chǔ)上，成倍地提升信息傳輸速率。

同樣是34GBd的器件，采用PM-QPSK時(shí)，就可以支持100Gbps的傳輸速率，而采用PM-16QAM的方式，則可以支持到200Gbps。

Q 高階調(diào)制 ?vs ?低階調(diào)制？

A

和低階調(diào)制相比，高階調(diào)制可以在相同的器件波特率下實(shí)現(xiàn)更高的傳輸速率。

Tips ? ?

低階調(diào)制：即每個(gè)符號(hào)只有“0”或“1”兩種狀態(tài)的調(diào)制方式，如二進(jìn)制幅移鍵控2ASK，二進(jìn)制頻移鍵控2PSK等。

但調(diào)制階數(shù)也并不是越高越好。

調(diào)制階數(shù)越高，碼元符號(hào)的種類就越多，也就越難把它們“分辨出來(lái)”，傳輸能力也就越差，因此高階調(diào)制往往需要更復(fù)雜的補(bǔ)償技術(shù)。

在器件波特率不變的情況下，采用相對(duì)低階的調(diào)制方式可以獲得更好的傳輸性能，但信息的傳輸速率會(huì)低一些。

Q 高階調(diào)制技術(shù)業(yè)界應(yīng)用進(jìn)展？ A

高階調(diào)制本身是一種比較“老”的技術(shù)，在無(wú)線通信等領(lǐng)域早有應(yīng)用。

在光通信領(lǐng)域，高階調(diào)制是用來(lái)實(shí)現(xiàn)100G/超100G的一種關(guān)鍵技術(shù)，由于要兼顧高速率與長(zhǎng)距離兩個(gè)需求，在光通信領(lǐng)域中，調(diào)制階數(shù)一般都不會(huì)很高。

不同的調(diào)制方式，分別適用于不同的場(chǎng)景，主要取決于傳輸性能以及容量需求，不可一概而論。

一般來(lái)說(shuō)，常見(jiàn)高階調(diào)制的應(yīng)用場(chǎng)景如下：

長(zhǎng)距/超長(zhǎng)距場(chǎng)景（>1500km）：QPSK

準(zhǔn)長(zhǎng)距場(chǎng)景（600~1500km）：QPSK/8QAM

城域場(chǎng)景（600km）：16QAM

DCI場(chǎng)景（100km）：64QAM等

? 審核編輯：黃飛