調制是所有無線通信的基礎，調制是一個將數據傳送到無線電載波上用于發射的過程。如今的大多數無線傳輸都是數字過程，并且可用的頻譜有限，因此調制方式變得前所未有地重要。

　　如今的調制的主要目的是將盡可能多的數據壓縮到最少的頻譜中。此目標被稱為頻譜效率，量度數據在分配的帶寬中傳輸的速度。此度量的單位是比特每秒每赫茲（b/s/Hz）。現在已現出現了多種用來實現和提高頻譜效率的技術。

　　幅移鍵控（ASK）和頻移鍵控（FSK）

　　調制正弦無線電載波有三種基本方法：更改振幅、頻率或相位。比較先進的方法則通過整合兩個或者更多這些方法的變體來提高頻譜效率。如今，這些基本的調制方式仍在數字信號領域中使用。

　　圖1顯示了二進制零的基本串行數字信號和用于發射的信號以及經過調制后的相應AM和FM信號。有兩種AM信號：開關調制（OOK）和幅移鍵控（ASK）。在圖1a中 ，載波振幅在兩個振幅級之間變化，從而產生ASK調制。在圖1b中，二進制信號關斷和導通載波，從而產生OOK調制。

　　圖1：三種基本的數字調制方式仍在低數據速率短距離無線應用中相當流行：幅移鍵控（a）、開關鍵控（b）和頻移鍵控（c）。在載波零交叉點發生二進制狀態變化時，這些波形是相干的

　　AM在與調制信號的最高頻率含量相等的載波頻率之上和之下產生邊帶。所需的帶寬是最高頻率含量的兩倍，包括二進制脈沖調制信號的諧波。

　　頻移鍵控（FSK）使載波在兩個不同的頻率（稱為標記頻率和空間頻率，即fm和fs）之間變換（圖1c）。FM會在載波頻率之上和之下產生多個邊帶頻率。產生的帶寬是最高調制頻率（包含諧波和調制指數）的函數，即：

　　m = Δf（T）

　　Δf是標記頻率與空間頻率之間的頻率偏移，或者：

　　Δf = fs –fm

　　T是數據的時間間隔或者數據速率的倒數（1/bit/s）。

　　M的值越小，產生的邊帶越少。流行的FSK版本是最小頻移鍵控（MSK），這種調制方式指定m = 0.5。還使用m = 0.3等更小的值。

　　接下來我們討論兩種進一步提高ASK和FSK的頻譜效率的方法。第一個方法是選擇數據速率、載波頻率和移頻，以便發生二進制狀態變化時，正弦載波不會出現不連續。這些不連續性會產生短時脈沖波干擾，這種干擾會增加諧波含量和帶寬。

　　這里的思路是使二進制數據的停止和開始時間與正弦載波在零交叉點出現振幅或頻率變化的時間同步。這稱為連續相或相干操作。與非相干信號相比，相干ASK/OOK和相干FSK的諧波較少，帶寬較窄。

　　第二種方法是在調制之前對數據進行濾波。這種方法可以對信號進行修整，從而延長上升時間和下降時間，減少諧波含量。特別的高斯濾波器和升余弦低通濾波器的用途就在于此。GSM蜂窩電話廣泛使用了一種流行的整合方案，即高斯濾波MSK（GMSK），這種方案可以在200kHz信道中實現270kbps的數據速率。

　　二進制相移鍵控（BPSK）和正交相移鍵控（QPSK）

　　二進制相移鍵控（BPSK）是一種非常流行的數字調制方式，該調制方式是在發生每一個二進制狀態變化時將正弦載波進行180°的相移（圖2）。BPSK在零交叉點出現相變時是相干的。BPSK的正確解調需要信號與相同相位的正弦載波進行對比。這涉及到載波恢復和其他的復雜電路。

　　圖2：在二進制相移鍵控中，請注意二進制0的相位是怎樣為0°，而二進制1的相位是怎樣為180°的。當二進制狀態發生變換時，相位發生變化，因此信號是相關的

　　差分BPSK或DPSK是比較簡單的調制方式，這兩種調制試試會將接收到的比特相位與以前的比特信號的相位進行對比。BPSK是頻譜效率極高的一種調制方式，你可以以與帶寬（即1bit/Hz）相等的數據速率傳送數據。

　　正交PSK（QPSK）是BPSK的一種比較流行的變體，在該方式中，調制器產生兩個相移為90°的正弦載波。二進制數據對每個相位進行調制，從而產生四個相移為45°的唯一的正弦信號。兩個相位疊加在一起，產生最終的信號。每一對唯一的比特都產生具有不同相位的載波（表1）。

　　表1

　　圖3a通過相量圖描述了QPSK，圖中的相量表示載波正弦振幅峰值，及其位置表示相位。圖3b中的星座圖顯示了同樣的信息。由于每一個載波相位都表示兩比特數據，因此QPSK是一種頻譜效率極極高的調制方式。其頻譜效率為2bit/Hz，這是同一帶寬中BPSK能夠實現的數據速率的兩倍。

　　圖3：可以不使用時域波形來表示調制方式。比如，QPSK可以用相量圖（a）或者星座圖（b）表示，這兩種圖都表示相位和振幅的大小

　　數據速率和波特率

　　理論上的最大數據速率或信道容量（C）（單位為bits/s）是信道帶寬（B）信道（單位為Hz）和信噪比（SNR）的函數：

　　C = B log2 （1 + SNR）

　　這就是所謂的香農-哈特雷定律。最大數據速率與帶寬成正比，與SNR成對數比。在誤碼率（BER）一定的情況下，噪聲會大幅降低數據速率。

　　另一個關鍵因素是波特率，即每秒傳送的調制符號數。調制符號這個術語是指正弦載波信號的一種具體狀態。它可以是振幅、頻率、相位或者這些參數的某種形式的組合?；镜亩M制傳輸模式采用每個符號一比特的機制。

　　在ASK調制方式中，二進制0表示一個振幅，二進制1表示另外一個振幅。在FSK調制方式中，二進制0表示一個載波頻率，二進制1表示另一個載波頻率。在BPSK調制方式中，二進制0表示0°相移，二進制1表示180°相移。以上的每一種調制方式都采用每個符號一比特的機制。

　　數據速率（單位為bits/s）按比特時間（tb）的倒數計：

　　bits/s = 1/ tb

　　采用每比特一個符號的機制時，波特率與比特率相同。不過，如果每個符號傳輸多個比特，波特率就會降至比特率的每個符號的比特數分之一。比如，如果按每個符號2比特傳輸，波特率即為比特率的二分之一。舉例來講，采用QPSK調制方式時，70Mb/s的數據流是以35個符號/秒的波特率傳輸的。

　　多相移鍵控（M-PSK）

　　在QPSK調制方式下，每個符號為2比特，其頻譜效率極高。由于有四種振幅相位組合，因此QPSK也稱為4-PSK。通過使用較小的相移，每個符號可以傳輸更多比特。8-PSK和16-PSK是比較常用的調制方式。

　　8-PSK采用八個符號，這些符號之間存在45°的等幅載波相移，從而可以實現每個符號傳輸三比特。16-PSK采用22.5°的等幅載波信號相移。該方案可以實現每個符號傳輸4比特。

　　雖然多相移鍵控（M-PSK）的頻譜效率較高，但是小相移數越大，在有噪聲的環境下解調信號就越難。M-PSK的優勢在于等幅載波可以使用效率更高的非線性功放。

　　正交調幅（QAM）

　　創建具有某種振幅和相位組合的符號可以進一步增加每個符號傳輸的比特數。這種方法稱為正交調幅（QAM）。比如，8QAM使用四種載波相位和兩個振幅級來實現每個符號傳輸3比特。其他流行的調制方式包括16QAM、64QAM和256QAM，這三種調制方式每個符號分別傳輸4、6和8比特。

　　圖4：16QAM同時使用振幅和相位來實現4bit/Hz的頻譜效率。在此示例中，有三個幅移和12個相移

　　雖然QAM的頻譜效率極高，但是在有噪聲的情況下解調信號的難度也更大，其振幅變化往往是隨機的。此外還需要線性功放。QAM在有線電視、Wi-Fi無線局域網（LAN）、衛星和蜂窩電話系統中使用相當廣泛，它可以在帶寬有限的情況下產生最高的數據速率。

　　幅相鍵控（APSK）

　　幅相鍵控（APSK）是一種從M-PSK和QAM演變而來的調制方式，這種調制方式是隨著更高級QAM的需求的出現應運而生的。更高級別的QAM（比如16QAM和更高）具有很多不同的振幅級和相移。這些振幅級更容易受噪聲影響。

　　此外，這些多個振幅級需要線性功放（PA），而線性功放的效率要比非線性功放（比如C類功放）低。振幅級數越少，或者振幅級差越小，在PA的非線性區工作的可能性就越大，從而提高功率水平。

　　APSK使用更少的振幅級。這種調制方式基本上將符號排列到兩個或更多恒定相位差為θ的同心環中。例如，16APSK采用雙環PSK格式（圖5）。此調制方式稱為4-12 16APSK，中心環有四個字符，外環有12個字符。

　　圖5：16APSK使用兩個振幅級A1和A2以及16個偏移為θ的不同相位位置。此調制技術已廣泛用于衛星領域。

　　采用兩個振幅級差較小的振幅級時，可使放大器在更加靠近非線性區的位置工作，從而提高效率和功率輸出。由于APSK非常適合使用普遍使用的行波管（TWT）功放，因此APSK主要用在衛星應用中。

　　正交頻分復用（OFDM）

　　正交頻分復用（OFDM）通過整合調制技術和復用技術來提高頻譜效率。傳輸信道被分成許多較小的子信道或子載波。選擇副載波頻率和間距時需使它們成正交關系。這樣，其光譜就不會互相干擾，因此就不需要防護頻帶（圖6）。

　　圖6：在IEEE 802.11n Wi-Fi標準的OFDM信號中，56個副載波在20MHz信道中的間隔為312.5kHz。使用64QAM調制方式時，可以實現300Mbps的數據速率

　　要傳輸的串行數字數據被分成數據速率較低的并行信道。然后這些數據速率較低的信號被用來調制每一個副載波。BPSK、QPSK和幾種級別的QAM是最常見的調制方式。802.11n標準對BPSK、QPSK、16QAM和64QAM進行了定義。64QAM可以實現高達300Mbps左右的數據速率。

　　只有數字信號處理（DSP）技術會產生復雜的調制過程。反向快速傅立葉變換（IFFT）產生用于傳輸的信號。FFT過程會恢復接收器端的信號。

　　OFDM的頻譜效率相當高。該效率取決于副載波數和調制方式，不過它可以高達30bit/s/Hz。由于高帶寬，這種調制方式通常會占用大量副載波，由于衰減、多路反射以及UHF和微波無線電信號傳播中常見的類似效應，這種調制方式還不容易出現丟失信號的情況。

　　當前，OFDM是使用最為廣泛的數字調制方式。這種調制方式的應用范圍包括Wi-Fi LAN、WiMAX寬帶無線網絡、長期演進（LTE） 4G蜂窩系統、數字用戶線路（DSL）系統和大多數電力線通信（PLC）應用。

　　頻譜效率的確定

　　頻譜效率是在分配的帶寬中數據的傳輸速率的量度，其單位為bit/s/Hz（b/s/Hz）。每一種調制方式都有其理論最高頻譜效率（表2）。

　　表2

　　SNR是影響頻譜效率的另一個重要因素。該因素還可以用載波噪聲功率比（CNR）來表示。此量度是針對給定CNR值的BER。BER是在給定的傳輸比特數中出錯的比例。由于與信號級相比，噪聲變得更大，因此會出現更多錯誤。

　　有些調制方式不易受噪聲影響。ASK/OOK和QAM等振幅調制方式極易受噪聲影響，因此對于給定的調制而言，這些調制方式的BER較高。相位和頻率調制（BPSK和FSK等）在有噪聲的環境中具有更好的表現，因此對于給定的噪聲級，這些調制方式需要的信號功率較少。

　　影響頻譜效率的其他因素

　　雖然調制方式在頻譜效率中起著非常關鍵的作用，但是無線設計中的其他因素也會影響頻譜效率。比如，使用正向糾錯（FEC）技術可以大幅改進BER。這種編碼方式可以增加額外的比特數，因此可以檢測和糾正錯誤。

　　這些額外的編碼比特會增加信號的開銷，從而降低數據的凈比特率，不過這往往是CNR的一位數dB改進的一個可以接受的折衷因素。如今幾乎所有的無線系統都有這種編碼增益。

　　數字壓縮是另一個有用的技術。要發送的數字數據易受用來大幅減少信息量的壓縮算法的影響。這樣就可以減少數字信號量，以便這些信號以更短更慢的數據流進行傳輸。

　　比如，數字手機和互聯網協議語言（VoIP）電話的語言信號就是經過壓縮的。MP3或AAC文件的音樂經過壓縮后可以獲得更快的傳輸速度，并且所需的存儲空間也更小。視頻經過壓縮后，高分辨率的圖像可以更快地傳輸或者在帶寬有限的系統中傳輸。

　　影響頻譜效率的另一個因素是多輸入多輸出（MIMO）的使用，該技術使用多個天線和收發器來傳送兩個或多個比特流。單個高速率流被分成兩個并行流，并同時以相同的帶寬進行傳輸。

　　通過對流及其獨特的通路特性進行編程，接收器可以對每個流進行識別和解調，并將其重編成原始的流。因此，MIMO可以提升數據速率、噪聲性能和頻譜效率。802.11n和802.11ac/ad等更新的無線LAN （WLAN）標準以及LTE和WiMAX等蜂窩標準都采用MIMO技術。

　　圖7：這是以BER和CNR表示多種流行的調制方式及其頻譜效率的比較圖。請注意，對于給定的BER，QAM級別越高，所需的CNR越大

　　調制和解調的實現

　　過去，實現調制和解調的電路往往是唯一的。如今，大多數現代無線電都是軟件定義無線電（SDR），在這類無線電中，調制和解調等功能都是通過軟件的方式實現的。DSP算法執行以前指定給調制器和解調器電路的工作。

　　調制過程是從要傳輸的數據被送至產生兩個數據輸出的DSP器件開始的，這兩個數字輸出用來定義接收器端恢復數據所需的振幅和相位信息。DSP產生兩個基帶流，這兩個基帶流被發送至數模轉換器（DAC），從而產生模擬當量。

　　這些調制信號向混頻器提供載波。載波信號與混頻器之間有90°的相移。從混頻器獲得的正交輸出信號合在一起產生要傳輸的信號。如果載波信號的頻率為最終的傳輸頻率，那么該復合信號將被放大，然后被發送至天線。這個過程稱為直接轉換。載波信號的頻率也有可能是較低的中頻（IF）。該中頻信號通過另一個混頻器被上變頻至最終的載波頻率，然后被施加到發射器功放。

　　在接收器端，來自天線的信號被放大，然后下變頻至中頻，或者直接下變頻至最初的基帶信號。來自天線的放大信號與載波信號一起被施加到混頻器。施加到混頻器的載波信號之間也有90°的相移。

　　混頻器產生最初的基帶模擬信號，然后該信號在一對模數轉換器（ADC）中轉換成數字信號，并被發送至DSP電路，該電路中的解調算法用來恢復最初的數字數據。

　　這里要考慮三個重點。首先，調制和解調過程采用兩個正交信號。如果相位和振幅將要在調制或解調過程中保存和捕獲時，DSP算法就需要兩個正交信號。

　　其次，DSP電路可能是傳統的可編程DSP芯片，也可能通過實現算法的固定數字邏輯來實現。固定邏輯電路尺寸更小速率更快，由于在調制或解調過程中具有低延遲而往往得到優先使用。

　　第三，如果調制方式為QPSK或QAM，發射器中的功放就需要是線性放大器，這樣才能真實地再現振幅和相位信息。如果采用ASK、FSK和BPSK調制方式，可以要使用效率更高的非線性放大器。

　　對更高頻譜效率的追求

　　頻譜是有限的資源，它總是供不應求。多年來，美國聯邦通信委員會（FCC）和其他政府機構已分配了大多數電磁頻譜，并且大多數頻譜都處在積極使用的狀態。

　　現在，蜂窩和陸地移動無線電領域存在頻譜供不應求的局面，從而限制了高數據速率等業務的拓展和新用戶的加入。解決這個問題的一個方案是通過將更多用戶壓縮到相同或更少的頻譜中并實現更高的數據速率來提高使用效率。改進的調制和訪問方案可能會有所幫助。

　　最密集的頻譜區之一是聯邦政府、州政府和消防局和警察局等當地公共安全機構使用的陸地移動無線電（LMR）和專用移動無線電（PMR）頻譜。目前，這些頻譜是由FCC認證分配的頻譜150至174MHz VHF頻譜和421至512MHz UHF頻譜。

　　大多數無線電系統和手持機都使用占用25kHz信道的FM模擬調制。最近FCC已經要求所有的這類無線電都切換到12.5kHz信道。這種轉換稱為窄帶轉換，它可以使可用信道數翻倍。

　　窄帶轉換有望提升無線電訪問信道的能力。此外，窄帶還意味著可以在系統中增加更多的無線電。這種轉換必須在2013年1月1日之前進行。否則機構或公司可能會失去認證或者被罰款。由于對新無線電系統和手持機的需求仍存在，因此這種轉換的成本將非常高。

　　未來，FCC有望授權從12.5kHz信道進一步轉換到6.25kHz信道，這樣就又在不增加分配的頻譜量的情況下將容量增加了一倍。這種轉換尚未提供時間表。

　　新設備可以使用模擬或數字調制方式。通過調整調制指標并使用其他窄帶轉換技術可以將標準模擬FM置于12.5kHz信道上。不過，6.25kHz信道中的模擬FM無法工作，因此必須使用數字技術。

　　數字技術可以將語音信號轉換成數字信號，并使用壓縮技術產生可以調制到窄帶的極低速率的串行數字信號。這種數字調制技術有望滿足窄帶轉換目標，并帶來一些額外的性能優勢。

　　目前已經開發了新的調制技術和協議（包括P25、TETRA、DMR、dPMR和NXDN）來滿足這一要求。所有這些新技術都必須滿足FCC法規第90部分和/或歐洲電信標準學會（ETSI）標準（如針對LMR的TS-102 490和TS-102-658）的要求。

　　最流行的數字LMR技術P25目前已在美國12.5kHz信道上得到廣泛使用。其頻分多址（FDMA）技術可將分配的頻譜分成6.25kHz或12.5kHz信道。

　　P25項目的第I階段使用四符號FSK （4FSK）調制技術。早期推出的標準FSK使用兩種頻率或“音調（tone）”來實現1bit/Hz的頻譜效率。不過，4FSK是使用四種頻率的FSK技術的一種變體，該技術可以實現2bit/Hz的效率。使用該方案時，該標準可以在12.5KHz的信道中實現9600bit/s的數據速率。使用4FSK技術時，載波頻率出現±1.8kHz或±600Hz的頻移，以實現四個符號。

　　在第2階段，使用一種兼容的QPSK調制技術在6.25kHz信道中實現類似的數據速率。發生±45°或±135°的相移，以實現四個符號?，F已開發出一款獨一無二的解調器，它可以檢測到4FSK或QPSK信號，以恢復數字語音。僅需要發射端的另一調制器即可實現從第1階段到第2階段的轉換。

　　美國以外的地區使用最廣泛的數字LMR技術是TETRA，即陸地中繼無線電。這種ETSI標準在歐洲以及非洲、亞洲和拉丁美洲應用相當廣泛。其時分多址（TDMA）技術可將四個數字語音或數據信號復用至25kHz信道。

　　單個信道可用來支持每個用戶的數字數據的四個時隙的數字流。這相當于相鄰的6.25kHz信道中的四個獨立信號。這種調制方式是π/4-DQPSK，數據速率是每時隙7.2kbps。

　　另一個ETSI標準數字移動無線電（DMR）在12.5kHz信道中使用4FSK調制技術。這種調制技術通過使用雙時隙TDMA方式在12.5kHz信道中實現等效的6.25kHz信道。語音通過數字方式進行編碼，帶糾錯功能，基本速率是3.6kbps。12.5kHz頻帶的數據速率是9600kbps。

　　類似的技術還有dPMR，這是一種數字專用移動無線電標準。此ETSI標準也使用4FSK調制技術，不過使用的多址技術是6.25kHz信道中的FDMA。帶糾錯功能時的語音編碼速率也是3.6kbps。

　　LMR廠商Icom和Kenwood已開發出另一個LMR標準NXDN。該標準旨在使用數字語音壓縮技術和四符號FSK系統在12.5或6.25kHz信道中工作?？梢赃x擇一個信道用來傳輸語音或數據。

　　基本數據速率為4800bit/s。多址技術是FDMA。NXDN和dPMR是兩個類似的標準，因為它們都在6.25kHz信道中使用4FSK和FDMA。不過由于數據協議和其他特性不相同，這兩種技術并不兼容。

　　由于所有這些數字技術都是類似的，并且在標準頻率范圍內工作，因此飛思卡爾（Freescale）公司開發出了一款整合RF收發器和ARM9處理器的單芯片數字無線電，該無線電經過編程后可以適用于任何數字標準。如果不使用多個協議的話，MC13260片上系統（SoC）可以成為手持機無線電的基礎。

　　NovelSat公司推出的一種稱為NS3調制的新技術就是提高給定信道的頻譜效率并增加數據吞吐能力的調制技術的另一個實例。衛星定位在距地球22，300英里的圍繞赤道的軌道上。這稱為地球靜止軌道，該軌道上的衛星以與地球同步的方式旋轉，因此它們的運動軌跡是固定的，這使其成為一個非常合適的從地球上的一個位置到另一位置的信號中繼平臺。

　　衛星上有多個轉發器，它們可以撿拾來自地球的弱上行線路信號，并將該信號以不同的頻率重新發送。這些轉發器是線性設備，具有固定帶寬，一般為36MHz。有些新型衛星具有72MHz的信道轉發器。帶寬固定時，數據速率也是固定的，并且由調制技術和多址技術決定。

　　問題是如何滿足由于對更高通信能力的日益增長的需求而引起的提高遠程衛星中的數據速率的要求。解決方法很簡單，就是創建和實現頻譜效率更高的調制技術。NovelSat公司正是按照這個思路做的。該公司的NS3調制技術可以將帶寬容量提高多達78%。

　　這種提高來自以前推出的APSK調制技術的修訂版。常用的衛星傳輸標準DVB-S2是一個可以使用QPSK、8PSK、16APSK和32APSK調制方式和不同的正向糾錯（FEC）方案的單個載波（一般是L波段950至1750MHz）。最常見的應用是視頻傳輸。

　　NS3技術通過多個振幅和相位符號提供64APSK調制方式，提高了頻譜效率，在DVB-S2技術的基礎上有所提升。此外還包含了低密度奇偶校驗（LDPC）碼。這種整合可以在72MHz的轉發器中實現358Mbps的最高數據速率。由于調制方式是APSK，因此TWT PA不必進行回退，以保留完美的線性度。因此與DVB-S2相比，它們能以更高的功率工作，并實現更高的數據速率和更低的CNR。NovelSat公司的NS1000調制器和NS2000解調器可用來將衛星系統升級至NS3。在大多數應用中，針對給定的CNR，NS3都可以在DVB-S2基礎上實現數據速率的提升。