?信號為什么需要調(diào)制？常用調(diào)制有哪些？

調(diào)制是什么意思?

如今，大多數(shù)無線服務(wù)都在使用復(fù)雜的載波調(diào)制方案。調(diào)制技術(shù)和元器件的持續(xù)改進(jìn)以及糾錯碼的進(jìn)步，促使信道容量更加接近香農(nóng)定理設(shè)定的基礎(chǔ)極限。那么，調(diào)制是什么意思？調(diào)制的分類？

調(diào)制是一種將需要傳送的信號搬移到高頻載波，實現(xiàn)頻譜搬移的過程。把輸入信號變換為通過信道傳輸波形的變換過程稱為調(diào)制。通常把原始信號稱為調(diào)制信號，也稱基帶信號；被調(diào)制的高頻用于運載原始信號，因此稱載波。

調(diào)制實現(xiàn)了信源的頻譜與信道的頻帶匹配。

需要傳送的信號是基帶信號

需要傳送的信號是基帶信號。最開始是語音信號，現(xiàn)在是數(shù)字化的各種數(shù)據(jù)，包括程序，圖片，語音，視頻。

調(diào)制的目的是什么?

通過對載波參數(shù)的改變, 將需要傳輸?shù)?a target="_blank">信息（話音、數(shù)據(jù)等） 通過一定的媒介進(jìn)行傳輸

信號為什么需要調(diào)制？

對于數(shù)字通信來說，調(diào)制使您能夠使用窄頻率帶寬傳輸更多數(shù)據(jù)。

1.低頻信號不適合在空中傳播，天線尺寸與信號波長成正比，調(diào)制實現(xiàn)頻譜搬移。

2.無線頻譜資源有限，需要在指定的頻率上進(jìn)行發(fā)射接收，調(diào)制實現(xiàn)頻率復(fù)用

3.增加信號在信道中傳輸時的抗干擾性能，提高頻率效率

無線通信的調(diào)制技術(shù)

如今，大多數(shù)無線服務(wù)都在使用復(fù)雜的載波調(diào)制方案。調(diào)制技術(shù)和元器件的持續(xù)改進(jìn)以及糾錯碼的進(jìn)步，促使信道容量更加接近香農(nóng)定理設(shè)定的基礎(chǔ)極限。那么，常用的調(diào)制方式有哪些？

常用的調(diào)制方式有哪些？

調(diào)制方式基本可以分為數(shù)字調(diào)制和模擬調(diào)制

什么是模擬調(diào)制？

調(diào)制的三種類型：調(diào)幅（AM）、調(diào)頻（FM）、相位調(diào)制（PM）

模擬調(diào)制是用連續(xù)變化的信號去調(diào)制一個高頻正弦波。模擬調(diào)制的三種方式：調(diào)幅（AM）、調(diào)頻（FM）、相位調(diào)制（PM）。

調(diào)幅（Amplitude Modulation - AM）

調(diào)幅（AM） 可維持頻率和相位常數(shù)并縮放振幅（與音頻信號成正比）。在最簡單的情況下，音頻信號是正弦波，頻域圖看起來像三個音調(diào) － 載波加上兩個旁波帶，以調(diào)制速率區(qū)隔。低頻調(diào)制顯示旁波帶很靠近載波，而高頻調(diào)制則顯示旁波帶離載波更遠(yuǎn)。它的調(diào)制方式改變的是信號的幅度或者強度。幅度調(diào)制是用于廣播聲音的調(diào)制類型。

時域中的調(diào)幅（AM）范例

頻域中的調(diào)幅（AM）范例

調(diào)頻（Frequency modulation - FM）

調(diào)頻可讓振幅維持恒定，并隨時間改變波形頻率（與音頻信號成正比）。如果音頻信號是正弦波，則在頻域中，調(diào)頻看起來像是信號載波加上與調(diào)制相符的旁波帶。您可以使用貝索（Bessel）函數(shù)來確認(rèn)。記住，在頻域中看起來可能與 AM 完全一樣。

頻率調(diào)制的優(yōu)點是可以限制信號上的幅度噪聲，因為只有頻率變化才能攜帶所需的信息。這可以通過使信號通過一個進(jìn)入限制的階段來實現(xiàn)，從而消除可能是噪聲和一般信號變化的結(jié)果的幅度變化。如果有足夠的信號使某個階段進(jìn)入限制狀態(tài)，則任何信號強度變化都不會改變解調(diào)音頻的電平，假設(shè)正在傳輸音頻。因此，調(diào)制形式已被用于許多應(yīng)用，包括高質(zhì)量的模擬聲音廣播。

時域中的調(diào)頻（FM）范例

頻域中的 調(diào)頻（FM） 范例

相位調(diào)制（Phase modulation - PM）

相位調(diào)制PM 同樣也可讓振幅維持恒定，但依照相位改變波形。在時域中，它看起來與 FM 完全一樣。有時 FM 和 PM 又稱為角度調(diào)制，因為在時域中它們看來非常相似。在頻域中，PM 看起來像是信號載波加上與調(diào)制相符的旁波帶。與調(diào)頻一樣，您可以使用貝索函數(shù)來確認(rèn)這些旁波帶。

相位調(diào)制和頻率調(diào)制有許多相似之處并且是相互聯(lián)系的——一個是另一個的差分。然而，相位調(diào)制適用于數(shù)據(jù)傳輸，因此近年來它的使用迅速增長。

數(shù)字調(diào)制

什么是數(shù)字調(diào)制？

數(shù)字調(diào)制是無線、衛(wèi)星和地面通信行業(yè)中使用的一個術(shù)語，指數(shù)字狀態(tài)由載波相對相位和/ 或幅度表示的一種調(diào)制。雖然我們討論的是數(shù)字調(diào)制，但是應(yīng)記住這種調(diào)制并不是數(shù)字的，而真正是模擬的。調(diào)制是按照調(diào)制( 基帶) 信號的幅度變化成比例地改變載波的幅度、頻率或相位。參見圖。在數(shù)字調(diào)制中，基帶調(diào)制信號是數(shù)字式的，而調(diào)制過程不是數(shù)字的。

在數(shù)字調(diào)制中，信息包含在載波的相對相位、頻率或幅度中

基帶信號是數(shù)字信號的調(diào)制方式

數(shù)字信號，就是只有有限種信息狀態(tài)的信號。例如現(xiàn)在最基本的010101的信號，只有0和1兩種狀態(tài)的組合。

數(shù)字調(diào)制方式的進(jìn)化，就是提升數(shù)據(jù)傳輸速率的方法！

讓每一個周期發(fā)送的符號，包含更多信息，換言之要求離散的可選狀態(tài)點增多

調(diào)制信號的描述方式

如前所述，模擬調(diào)制信號和數(shù)字調(diào)制信號的唯一區(qū)別是載波狀態(tài)的改變是連續(xù)（無窮多）還是離散（有限個）。從傳統(tǒng)時域和頻域的表示上看，兩種調(diào)制是非常相似的。

在模擬調(diào)制中應(yīng)用的調(diào)幅 (AM)、調(diào)頻 (FM)和調(diào)相 (PM)，在數(shù)字調(diào)制中分別稱為幅移鍵控 (ASK)、頻移鍵控 (FSK)和相移鍵控 (PSK)。而數(shù)字調(diào)制中常用的正交幅度調(diào)制 (QAM)是典型的矢量調(diào)制，同時改變載波的幅度和相位。任何調(diào)制方案都有它的優(yōu)點和不足，帶寬和成本是主要問題。模擬調(diào)制和數(shù)字調(diào)制到底有什麼區(qū)別呢？

例如，當(dāng)我們選擇復(fù)雜的調(diào)制制式以得到最好的噪聲抗擾度時，它將占用更多的信道空間，從而限制了信道上的用戶數(shù)。選擇窄帶寬能兼顧信號信息和抗擾度。在一些案例中，為補償噪聲或信道噪聲，我們可能需要發(fā)送更高的功率。如果設(shè)計不好，過大的功率會使放大器進(jìn)入非線性區(qū)，造成輸出信號的失真?；蛘吒郊拥墓β试斐蓪ζ渌诺赖母蓴_。調(diào)制方案越復(fù)雜，就越難實現(xiàn)，工程要求會更多，從而也增加了成本。

基本調(diào)制方案包括幅度、頻率和相位調(diào)制。調(diào)制信號可以使用幅度和相位（矢量）的極坐標(biāo)來表示。I/Q調(diào)制由于頻譜效率較高，因而在數(shù)字通信中得到廣泛采用。

模擬調(diào)制和數(shù)字調(diào)制的區(qū)別

模擬調(diào)制信號和數(shù)字調(diào)制信號的唯一區(qū)別是載波狀態(tài)的改變是連續(xù)（無窮多）還是離散（有限個）

模擬調(diào)制和數(shù)字調(diào)制在本質(zhì)上是一樣的，都是將需要傳遞的信息通過變換過程即改變載波的特征參數(shù)而攜帶在載波上。載波有三個特征參數(shù)可以改變，即幅度、相位和頻率。分別針對這三個特征參數(shù)進(jìn)行改變就稱為調(diào)幅、調(diào)相和調(diào)頻。數(shù)字調(diào)制稱為矢量調(diào)制，因為同時改變兩個以上的參數(shù)，如幅度和相位。

在信息論中，稱信道無差錯傳輸信息的最大信息速率為信道容量，記為C。從信息論的觀點來看，各種信道可概括為兩大類：離散信道和連續(xù)信道。所謂離散信道就是輸入與輸出信號都是取值離散的時間函數(shù)；而連續(xù)信道是指輸入和輸出信號都是取值連續(xù)的。這里主要討論后者即調(diào)制信道，僅從說明概念的角度考慮，我們只討論連續(xù)信道的信道容量。

1948年，香農(nóng)(Shannon)提出了信息論，導(dǎo)出了香農(nóng)公式。其結(jié)論為：

在給定B、S/N 的情況下，信道的極限傳輸能力為 C，而且此時能夠做到無差錯傳輸（即差錯率為零）。這就是說，如果信道的實際傳輸速率大于 C 值，則無差錯傳輸在理論上就已不可能。因此，實際傳輸速率一般不能大于信道容量?，除非允許存在一定的差錯率。2. 提高信噪比 S/N（通過減小 N 或增大 S ），可提高信道容量 C。特別是，若 N→0，則 C →∞，這意味著無干擾信道容量為無窮大；3. 增加信道帶寬?，也可增加信道容量?，但做不到無限制地增加。

通常，把實現(xiàn)了極限信息速率傳送（即達(dá)到信道容量值）且能做到任意小差錯率的通信系統(tǒng)，稱為理想通信系統(tǒng)。香農(nóng)只證明了理想通信系統(tǒng)的“存在性”，卻沒有指出具體的實現(xiàn)方法。先進(jìn)的數(shù)字調(diào)制技術(shù)是實現(xiàn)更高系統(tǒng)容量的重要手段。一方面寬帶調(diào)制使B增大，不僅有效增加系統(tǒng)容量，而且提高抗干擾能力；另一方面數(shù)字調(diào)制和編碼結(jié)合提供更大的處理增益，使每個用戶需要的S/N下降，使通信容量增大。通信系統(tǒng)從模擬系統(tǒng)轉(zhuǎn)向數(shù)字系統(tǒng)，其中一個根本原因在于系統(tǒng)抗噪聲性能的好壞。

模擬調(diào)制和數(shù)字調(diào)制的區(qū)別

模擬調(diào)制信號要反映的對象是連續(xù)變化的波形。

數(shù)字系統(tǒng)以誤碼率或誤幀率來衡量接收質(zhì)量。由于數(shù)字系統(tǒng)接收機(jī)中使用最佳接收機(jī)技術(shù)（匹配或相關(guān)接收），采用最大似然判決來得到較好的信噪比。數(shù)字調(diào)制信號要反應(yīng)的對象是離散的電平狀態(tài)，即使在調(diào)制或傳輸過程中對信號波形造成變化，對傳輸?shù)碾x散狀態(tài)可能不會造成損害。模擬調(diào)制信號的載波特征參數(shù)變化有無窮多的狀態(tài)，任何連續(xù)狀態(tài)變化過程中的誤差都會造成信息的損失，通信質(zhì)量完全取決于S/N。數(shù)字調(diào)制信號的載波變化狀態(tài)是有限的，離散的，非有效狀態(tài)的誤差不會造成信息的損失，因此數(shù)字調(diào)制信號可以承受更大的噪聲。

通信系統(tǒng)從模擬系統(tǒng)轉(zhuǎn)向數(shù)字系統(tǒng)，其中一個根本原因在于系統(tǒng)抗噪聲性能的好壞

? 模擬調(diào)制信號基于對連續(xù)波形信號的傳輸，需完成對信號連續(xù)變化過程的精確描述和檢測，其載波特征參數(shù)變化有無窮多的狀態(tài)，任何連續(xù)狀態(tài)變化過程中的誤差都會造成信息的損失，通信質(zhì)量完全取決于S/N。

? 數(shù)字調(diào)制信號基于對離散狀態(tài)的傳輸，只需完成對離散時間點信號狀態(tài)的控制和判決，其載波變化狀態(tài)是有限的和離散的，非有效狀態(tài)的誤差不會造成信息的損失。因此數(shù)字調(diào)制信號可以承受更大的噪聲。

為什么全部商用通信系統(tǒng)從模擬轉(zhuǎn)向數(shù)字調(diào)制?

隨著無線通信系統(tǒng)的發(fā)展，全部商用通信系統(tǒng)從模擬轉(zhuǎn)向數(shù)字，是德科技總結(jié)了以下幾點原因:

更大的系統(tǒng)容量 長距離通信也能保證通信質(zhì)量 數(shù)據(jù)傳輸能力

但是數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計與模擬系統(tǒng)一樣，也需要考慮多種因素的折衷。這些折衷因素主要是系統(tǒng)信息帶寬與可得到射頻帶寬限制的折衷?？乖肼曅阅芎脡囊约半姵?a target="_blank">供電時間長短；選用不同調(diào)制格式以使系統(tǒng)性能達(dá)到某種意義上的最優(yōu)化。

大多數(shù)通信系統(tǒng)的優(yōu)化著眼于下列三類要素：帶寬效率、功率效率或價格效率。

帶寬效率描述一個調(diào)制體制在有限的帶寬內(nèi)可容納數(shù)據(jù)的能力。功率效率描述這個系統(tǒng)在最低功率電平下可靠的傳送信息的能力。在多數(shù)系統(tǒng)中，帶寬效率具有高的優(yōu)先級。價格在系統(tǒng)優(yōu)先選擇中處于支配地位，通常要求低價格的無線電設(shè)備。過去用犧牲功率和帶寬效率的辦法來獲得低價格的無線電設(shè)備是可行的，而現(xiàn)在已不可能，因為無線電頻譜變得越來越昂貴。所以在射頻通信設(shè)計中必須考慮這些參數(shù)的折衷。

調(diào)制格式

簡單調(diào)制格式

開/關(guān)鍵控(OOK）是最基礎(chǔ)的調(diào)制格式，通過調(diào)節(jié)幅度來實現(xiàn)調(diào)制信號， 在OOK中：當(dāng)激光源開啟時，表示“1”；當(dāng)激光源關(guān)閉時，表示“0”。換句話說，當(dāng)光幅度超過某個水平時，表示“1”；當(dāng)光幅度低于這個水平時，表示“0”。

OOK的星座圖。在OOK中，相位是隨機(jī)的。

復(fù)合調(diào)制格式

通過復(fù)合調(diào)制可以在一個信號狀態(tài)內(nèi)（表示為‘符號’）對多個比特進(jìn)行編碼，復(fù)合傳輸不是發(fā)送二進(jìn)制數(shù)據(jù)流，而是將多個比特編碼變成一個新符號，然后發(fā)送這些符號的數(shù)據(jù)流，比如正交相移鍵控(QPSK）使用4個符號對每2個比特進(jìn)行編碼。如圖1所示，2個比特編碼成1個新符號，通過這種方式，相同的帶寬可以傳輸兩倍的數(shù)據(jù)量。采用更高級的調(diào)制格式，使用單個符號定義更多比特，可以繼續(xù)提高數(shù)據(jù)傳輸速率。

圖1. ?編碼概念：使用符號表示比特串，這里用一個字母符號表示2個比特

為什么采用復(fù)合調(diào)制？

使用OOK 時，信道干擾或衰減會在100 Gbps 及以上速率造成嚴(yán)重的干擾，這是因為隨著頻譜擴(kuò)大的信道開始與臨近信道重疊，OOK信號所占用的帶寬巨大，信號經(jīng)過波長濾波器整形， 結(jié)果會產(chǎn)生串?dāng)_和調(diào)制信息質(zhì)量下降。復(fù)合調(diào)制方案使用光波的所有參數(shù)（幅度和頻率或相位）進(jìn)行信息編碼， 可以有效改善頻譜效率，采用復(fù)合調(diào)制方案，比如正交相移鍵控（QPSK）可以解決這些問題。

圖 2. ITU 網(wǎng)格中的信號頻譜

調(diào)制方式（PDM、強度、IQ、WDM）

圖3為電磁波（電場）的數(shù)學(xué)描述，電磁波中包含兩個偏振分量Ex和Ey。這些正交分量在偏振多路復(fù)用(PDM)中用作兩個不同的信道來發(fā)送獨立信號。在波分復(fù)用（WDM）中，不同的頻率ω用作不同信道，在這些頻率/波長上進(jìn)行獨立的數(shù)據(jù)傳送。對于復(fù)合調(diào)制方案來說，除了幅度E之外，光波的相位Ф也可以經(jīng)過調(diào)制用于定義上述符號。調(diào)制光波的電場也可以用I/Q圖中的復(fù)數(shù)平面來描述。這里，I是同相或?qū)嵅浚琎是正交或虛部，如圖4所示（在去除了波的時間和空間依賴性之后，僅用于一個偏振面）。符號對應(yīng)于圖（也稱為“星座圖”）上的一個點（也稱為“星座點”），由極坐標(biāo)中的I和Q值通過幅度E和相位φ定義。星座點對應(yīng)的是符號時鐘時間，也稱為“檢測決策點”。

圖3. 電磁波的數(shù)學(xué)描述

圖4.符號的I/Q表示

圖5顯示了QPSK中的4個符號的星座點。QPSK是一種復(fù)合調(diào)制類型，使用4個符號對每2個比特進(jìn)行編碼。星座點位于半徑為E的圓上。這意味著符號只是相位不同（相鄰兩點的相位差大約為π/2），幅度是相同的。在時域中，4個符號可使用幅度相同、相位不同的兩個波形的組合來表示。

圖5.QPSK的4個符號/星座點，一個符號編碼2比特

圖6.QPSK和OOK星座圖比較

相移鍵控（PSK）

什么是相移鍵控（PSK）？
? 相移鍵控是一種數(shù)字調(diào)制方法。這種方法用于通過調(diào)制否則會改變被稱為參考信號的載波信號的相位來傳輸數(shù)據(jù)。通過使用有限數(shù)量的單獨信號，可以用任何一種數(shù)字調(diào)制方法來表示數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。這種調(diào)制方法使用有限數(shù)量的相位，其中每個相位都可以分配二進(jìn)制數(shù)字。通常，每個階段都編碼相等數(shù)量的位。每個位模式形成由確切相位表示的符號。

二進(jìn)制相移鍵控(2PSK)

二進(jìn)制相移鍵控(2PSK)的原理

相移鍵控是利用載波的相位變化來傳遞數(shù)字信息，而振幅和頻率保持不變。在二進(jìn)制相移鍵控(2PSK)中，通常用初始相位0和π分別表示二進(jìn)制相位“0”和“1”。
? 二進(jìn)制相移鍵控（BPSK），是最簡單的相移鍵控形式，它具有兩個相隔180°的相位值，例如：0和π。幅度是恒定的。與OOK相比，這兩個符號的間距很大，可免受失真和噪聲的干擾。因此，BPSK適合超長距離應(yīng)用，例如數(shù)據(jù)速率為40 Gbps的海底光纖網(wǎng)絡(luò)。BPSK的不足之處是每個符號僅表示1比特，與OOK相同，因此不適合用于100 Gbps及數(shù)據(jù)速率更高的應(yīng)用。BPSK相對于OOK的劣勢是它很難確定信號的絕對相位。需要采用更復(fù)雜、更昂貴的方法比如相干檢測。對于OOK，光電二極管可以檢測出承載信息的幅度，稱為“直接檢測”。

圖7.OOK和BPSK星座圖對比
? 什么是差分相移鍵控(DPSK)？

差分相移鍵控常稱為二相相對調(diào)相，記作2DPSK。它不是利用載波相位的絕對數(shù)值傳送數(shù)字信息，而是用前后碼元的相對載波相位值傳送數(shù)字信息。所謂相對載波相位是指本碼元初相與前一碼元初相之差。
? 差分相移鍵控(DPSK)，為了避免進(jìn)行相干檢測，需要對BPSK進(jìn)行修改。對于DPSK信號，π的相位變化表示0，而不是絕對相位π。如果從一個比特到下一個比特的相位沒有發(fā)生改變，可以稱之1。在接收機(jī)一側(cè)，數(shù)據(jù)流被分成兩個相同的流，兩個流之間有一個比特周期的時延（差分）。將兩個數(shù)據(jù)流混合在一起，就能生成一個信號，光電探測器可以直接檢測到該信號，這種混合信號的強度更高。與OOK類似，DPSK每個符號中僅有1比特，因而不適合數(shù)據(jù)速率極高的應(yīng)用。

圖8.DPSK信號直接檢測
? 正交相移鍵控(QPSK)
? QPSK的1個符號表示2個比特。4個星座點的相位相差π/2，而幅度是恒定值。相對于OOK和BPSK，QPSK可在帶寬不變的情況下讓數(shù)據(jù)速率翻倍，這意味著，它也能夠在一半帶寬上提供原有的數(shù)據(jù)速率。QPSK通常用于100 Gbps的數(shù)據(jù)速率。信號相位檢測要求使用相干技術(shù)。
正交相移鍵控編碼規(guī)則
QPSK的每個碼元含有2b的信息，用ab代表兩個比特。發(fā)送碼元序列在編碼時需要先將每兩個比特分成一個雙比特組ab。ab有4中排列方式，即00,01,10,11,代表了4種相位。各種排列的相位之間的關(guān)系按照格雷碼安排。采用格雷碼的好處，在于相鄰相位所代表的兩個比特只有一位不同，降低了因相位誤差造成錯判的概率，從而使總誤比特率降低。
差分正交相移鍵控(DQPSK)。
? 為避免接收機(jī)端上的QPSK出現(xiàn)由光纖引起的相移所造成的相位模糊現(xiàn)象，可采用DQPSK，通過差分已傳輸符號間的相移來表示信息。4個可能的相移值通常為：0、-π/2、π/2或π。DQPSK的誤碼率（BER）低于QPSK，但對離差 (dispersion)的容限程度不高。與OOK類似，DQPSK信號可被直接檢測。
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正交幅度調(diào)制

什么是正交幅度調(diào)制？

正交幅度調(diào)制（Quadrature Amplitude Modulation - QAM）是一種在兩個正交載波上進(jìn)行幅度調(diào)制的調(diào)制方式。這兩個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。這種調(diào)制方式因此而得名。在QAM中，數(shù)據(jù)信號由相互正交的兩個載波的幅度變化表示。

使用QAM調(diào)制方案可以讓數(shù)據(jù)速率達(dá)到400 Gbps或更高。QAM信號的調(diào)制和解調(diào)更加復(fù)雜，要比其他制式的成本要高。換句話說，高階QAM的星座點比純粹PSK更加分散。它們不容易受到噪聲和失真的影響，BER也會降低。當(dāng)進(jìn)制數(shù)較低時，一般為8進(jìn)制以下，則選用PSK傳輸技術(shù)更為經(jīng)濟(jì)。在2n-QAM方案中，2n星座點表示每個符號有一組n比特，通常分布在正方形點陣（參見圖9）。2-QAM（最低階QAM）每符號僅有1比特。在對應(yīng)1和0的兩個星座點之間，幅度保持不變，但存在π的相位差。因此，2-QAM實際上與BPSK是同一個方案。同樣，4-QAM與QPSK不同，但兩者的星座圖是一樣的，只有1個幅度值，4個星座點之間的相位差為π/2。8-QAM有2個幅度值和4個相差π/2的相位值，每個點表示3個比特。在其他的2n-QAM方案（n是奇數(shù)）中，很難使星座點呈現(xiàn)正方形點陣分布，會對BER性能帶來負(fù)面影響；實際上，8-QAM方案并不實用。相反，16-QAM的頻譜 效率是8-QAM的兩倍，且BER的增幅很小，因而更受歡迎。

圖9.QAM方案的星座點以正方形點陣分布
? 幅移鍵控和相移鍵控（APSK）。在APSK中,幅度和相位均被調(diào)制。與QAM不同的是,它的星座點分布在I/Q平面中的同心圓上。這個概念被引入到衛(wèi)星系統(tǒng)（射頻功率放大器具有非線性特性）。因此需要一個能夠容忍非線性放大的調(diào)制方案（包含較少的幅度）。圖10對比了16-QAM和16-APSK的星座圖，其中QAM和APSK幅度不同。在光纖中，APSK可應(yīng)用到非線性噪聲場景中，用于改善對非線性光纖特征的容忍度。當(dāng)數(shù)據(jù)速率高達(dá)400 Gbps及以上時,16-QAM的星座點間距較大，更易實施且光信噪比性能更佳，因而是首選的方案。
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圖 10. APSK方案的星座圖和對應(yīng)的 QAM 制式

圖11.不同調(diào)制方式時域和頻域特性 ? 復(fù)合調(diào)制結(jié)合其他傳輸方法
? 復(fù)合調(diào)制方案還能與其他傳輸方法結(jié)合使用。例如，在PDM中，第二個光波信號與第一個光波信號正交偏振，可承載獨立的信息，并通過同一條光纖進(jìn)行傳輸。使用正交相移鍵控(QPSK)的話，傳輸速率可以增加一倍，通過PDM還可以使傳輸速率再增加一倍，如圖12。

圖12. 使用復(fù)合調(diào)制、偏振復(fù)用和頻譜整形提高100 Gbps數(shù)據(jù)信號的頻譜效率

信號速度 ? 我們現(xiàn)在實際上使用兩種不同的速度。第一種是以每秒比特數(shù)為單位的比特率ftx，也稱為“傳輸速率”。第二種是符號率S，表示每秒傳輸?shù)姆枖?shù)，單位為波特。它也因此通常被稱為“波特率 ”。Nsymbols是按字母順序的符號數(shù)量，符號率的計算公式如下：

如果信號也被偏振復(fù)用，那么這個結(jié)果要除以2。以一個100-Gbps QPSK信號為例，符號率S = (100 Gbps) / log2(4比特/符號)/(2偏振) = 25 Gbaud。最低光占用帶寬是25 GHz。
? 因此，復(fù)合調(diào)制信號所需的帶寬并不取決于數(shù)據(jù)速率，同時與符號數(shù)量有關(guān)。這也意味著，以給定數(shù)據(jù)速率編入單個符號中的比特數(shù)目越多（Nsymobls越高），光占用帶寬就會越小。換句話說，當(dāng)符號速率不變時，可以通過增加每個符號的比特數(shù)，同時保持占用的光學(xué)帶寬來提高數(shù)據(jù)速率，用于提高頻譜效率。
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香農(nóng)極限

香農(nóng)極限是什么意思？
? 上個世紀(jì) 40 年代，美國數(shù)學(xué)家和電子工程師克勞德?香農(nóng)（信息理論之父）發(fā)現(xiàn)，在任何通信信道內(nèi)，能夠準(zhǔn)確無誤地傳輸數(shù)據(jù)的最大速度與噪聲和帶寬有關(guān)。他將這個最大比特率稱為“信道容量”，也就是目前眾所周知的“香農(nóng)極限”。 香農(nóng)極限（或稱香農(nóng)容量）指的是在信道上進(jìn)行無差錯傳輸?shù)睦碚撟畲髠鬏斔俾?，是香農(nóng)定理在有限帶寬的信道上的理論。

香農(nóng)－哈特利定理

信道容量 ：

其中 B 表示測得的帶寬 (Hz)，S 表示接收的信號平均功率 (W)，N 表示平均噪聲功率 (W)。
? S/N是信噪比，那么信道容量和信號傳輸使用的帶寬有關(guān)，而與載波所在的頻率無關(guān)。
? 香農(nóng)極限定理是在 Hartley's law 和 Nyquist rate 基礎(chǔ)之上發(fā)展的。
? 信道容量可以通過增加帶寬或優(yōu)化信噪比 (SNR = S/N) 來增加。
? 實際上，該定理給出了理論上的最大值，但沒有說明哪種信號概念可以讓我們最接近這一極限。
? 實際上，SNR 是基本的限制因數(shù)。無論在現(xiàn)在還是未來，它都需要不斷優(yōu)化，因為當(dāng)數(shù)據(jù)速率超過 100 Gbps 時，遠(yuǎn)距離通信需要更好的信噪比性能才能在給定帶寬內(nèi)達(dá)到香農(nóng)極限。
? 香農(nóng)極限（或稱香農(nóng)容量）指的是在信道上進(jìn)行無差錯傳輸?shù)睦碚撟畲髠鬏斔俾?，是香農(nóng)定理在有限帶寬的信道上的理論。
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利用電光效應(yīng)控制光信號相位（MZ相位調(diào)制器）

在傳輸OOK信號時，只需要由電信號直接調(diào)制激光源（DML），得到的光信號具有二進(jìn)制強度。但如果需要對相位進(jìn)行調(diào)制，這類簡潔的低成本方法則很難實現(xiàn)。 構(gòu)建相位調(diào)制器時，我們可以借助特定晶體（例如鈮酸鋰）的折射率n受局域電場強度影響的“電光效應(yīng)”：n=n0+aE+bE2+…，n0為E=0時折射率，一次項為線性電光效應(yīng)，稱為pokels，二次為kerr效應(yīng)。因此電壓越高，折射率越大。n與場強有關(guān)系，那么光在晶體內(nèi)的傳播速度（折射率）和波長也與場強有關(guān)系。再由v=C/n，v=fλ，v為傳播速度，C為光速，n為介質(zhì)折射率。折射率越高，速度越慢，波長越短。因此，如果向晶體應(yīng)用電壓，那么穿過晶體的光波長減小，并且可以通過選擇適當(dāng)?shù)碾妷簛砜刂瞥錾涔獾南辔唬▍⒁妶D13）。
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圖 13. 施加的電壓U越高，光在晶體內(nèi)的傳播速度就越慢，可用于控制輸出光的相位
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什么是Mach-Zehnder調(diào)制器？

Mach-Zehnder調(diào)制器就是電光效應(yīng)的一個應(yīng)用實例。將一個光束一分為二，其中一束或兩束經(jīng)過類似上述的相移鈮酸鋰元件完成相位調(diào)制。兩個信號之間存在相位差ΔΦ， 該值取決于兩個信號路徑之間的電壓差ΔU。因此，兩個調(diào)制信號重新組合時，ΔU也可以確定信號是相長干涉或者相消干涉。圖14的方框圖顯示了發(fā)射光功率與ΔU之間的周期關(guān)系。半波電壓（Vπ）是功率傳輸相變π需要的電壓，表示調(diào)制器0功率和100%輸入功率傳輸之間的電壓差。
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圖14.調(diào)制器發(fā)射功率與電壓的周期關(guān)系，其中Vπ是0與100%功率傳輸之間的電壓差
? Mach-Zehnder調(diào)制器的相移效應(yīng)也可以使用IQ圖來描述。圖15是一個正弦波示例，具有恒定的幅度，相對相位Φ = 0。在信號分離之后，每個分支上只有一半的功率。
? ① 在紫色示例中，調(diào)制器支路沒有施加任何電壓，因此兩個支路（假設(shè)長度相等）的信號相相位保持不變Φ = 0。這樣的重新組合得到的正弦波具有與之前一樣的幅度。 ② 在紅色示例中，信號在下分支上經(jīng)歷了π?2的相移，而在上分支上的經(jīng)歷了3π?2的相移。深灰色示例則與之相反。兩個示例的共同點是：兩個支路信號合成時，光信號相位相差π，產(chǎn)生相消干涉，兩個矢量相加為零。因此，輸出端沒有信號。 ③ 在淺灰色示例中，調(diào)制器的電壓進(jìn)行了調(diào)整，使得信號在兩個分支上的相位都偏移π。如果疊加這兩個信號，會產(chǎn)生相長干涉。所生成的正弦波信號的原始振幅偏移Φ = π。
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圖 15. Mach-Zehnder調(diào)制器的相移、時域及IQ圖示例
? QPSK信號傳輸?shù)腗Z調(diào)制器
? QPSK調(diào)制在1個符號中編碼2個比特，因此傳輸速率比OOK快一倍。4個符號在IQ圖中表現(xiàn)為處于同一個圓的4個星座點，這意味著我們僅在一個振幅上處理信號。這些點之間的間隔為π?2。在發(fā)射機(jī)中，電比特流到解多路復(fù)用器分為信號的I和Q部分。這兩個部分都可以直接 通過MZ調(diào)制器對支路激光信號的相位單獨進(jìn)行調(diào)制。使用MZ調(diào)制器調(diào)制下方支路（Q支路）信號，實現(xiàn)π?2的相移。兩個支路信號重新組合之后，得到圖16下方所示的QPSK信號。
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圖16.用于調(diào)制QPSK信號的發(fā)射機(jī)設(shè)置
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審核編輯：黃飛