到底什么是QAM？

Posted 2023-03-12 鲜枣课堂

█ 什么是调制呢？

调制就是把信号形式转换成适合在信道中传输的一个过程。可分为基带调制和载波调制。我们这里所说的调制都是载波调制。

█ 什么是载波调制呢？

就是把调制信号骑到载波上，方法就是用调制信号去控制载波的参数，使载波的一个参数或者几个参数按照调制信号的规律变化。

载波调制根据调制信号的类型，又可以分为模拟调制和数字调制。

如果调制信号是连续的模拟信号的话，这样的调制就是模拟调制。我们在文章《信号调制，这样是不是就懂了？》介绍的三种最基本的调制方式：AM，FM和PM都是模拟调制的一类。

通过这一个操作，就可以让信号搭上载波的快速列车，然后传输出去。经过调制的信号，称为已调信号。在接收端，可以通过解调的方式把信号恢复出来。

调幅和调频都比较容易理解，一个是幅度的变化，一个是频率的变化。那么，怎么又多出来一个QAM呢？

AM既然是调幅，前面的那个Q是什么呢？

Quadrature，正交的意思，QAM就是正交幅度调制。在通信这个学科里面，正交是指这两个信号有90°的相位差。也就是在QAM里面，既有相位调制，又有幅度调制。这一改还不得了，不仅有4QAM，8QAM，16QAM..... 甚至还有4096QAM。一下子就把调制的信息翻了好多倍，牛x的不得了了。

█ QAM的原理是什么呢？

我们从一个最简单的信号说起。

按照三角函数公式展开就是

这样就把信号s(t)展开成了两个相位相差90°的正交信号的和，这个两个正交信号分量就是 In-phase 信号和 Quadrature 信号，

这两个正交分量如下图所示，相位相差90°。

这两路正交信号呢，经过DA变换器之后，就来到了我们模拟通道，我们需要对这两个信号分别进行调制，让这两个信号都搭上射频载波的高速列车。模拟部分对QAM的处理并不复杂，I /Q 信号可以共用一个频率源LO，然后通过混频器直接上变频即可，只是在Q通道，本振信号需要90°的相移，以匹配Q（t）正交特性。

所以呢，对于QAM载波调制，从原理图上可以看出，我们仅需要分别对I(t)和Q(t)进行混频即可，然后合路成一路信号S(t)进入到射频通道的另一个环节。所以对于模拟信号的QAM调制，也就是这么个回事。

█ 数字信号QAM调制

既然说到数字调制，那我们就简单复习一下数字调制的三种基本方式：振幅键控ASK，频移键控FSK和相移键控PSK。

振幅键控ASK，类似于模拟调制中的AM，即用01 高低电平来调制载波信号的振幅。

频移键控FSK，类似于模拟调制中的FM，即用01电平去调制载波信号的频率；

相移键控PSK，也就是用01电平去调制载波信号的相位。

下图给出了数字调制的三种基本调制的已调信号波形。

QAM正交幅度调制来到数字调制这里就活跃起来了，既然主信号分成了 I 、Q 两路信号，每个信号分量都有其各自的幅度和相位。那变化的花样可就多了。什么16QAM，64QAM，256QAM，Wi-Fi 7 现在玩到了4kQAM，即4096-QAM，牛叉的不要不要的。

█ 为什么m-QAM这个m越大越牛叉呢？

在数字信号中，我们引入了一个比特 bit 的概念。

数字信号的bit，就是二进制数字中0和1的位，信息量的度量单位，为信息量的最小单位。

二进制数的一位所包含的信息就是一比特，如二进制数0100就是4比特。一个比特位里面可以含2个信息（0或者1），4比特就可以包含2^4 个信息。

所以，比特位越多，所能传输的信息量就越大。从理论上来说，m-QAM中的m越大，所能传输的信息量就越大，传输速率也就越快。所以呢，最新的Wi-Fi 7标准，直接干到了4k-QAM，一个信号包含12个bit位。

█ QAM是怎么实现的呢？

我们回到上文QAM的原理部分，继续刷数学公式。

上式中的I(t)和Q(t)信号的幅度，提出来玩一下：

这两个正交分量的幅度AI 和AQ 又是一组正交的函数。我们可以取多个不同的A和Φ，来得到多组不同的I(t)和Q(t)信号，也就是可以完成主信号 S(t)的多种调制。

若A值取±A，Φ值取±90°，这就有四组不同的组合，也就是4-QAM调制，也就是QPSK。同理，通过A和Φ的不同组合，就可以得到16-QAM，甚至64-QAM，甚至更多。

为了更好的理解，我们引入了星座图的概念，下面这个动图，生动的展示了16-QAM调制的幅度和相位选值以及其对应的二进制码元：Amp 就是A的选值，Phase 就是上式中的相位Φ的选值。

每个点对应的波形图可以参考下图所示。

星座图比较直观地展示了m-QAM的信号矢量信息。更大的m，只需要更多的点来表示即可。下图给出了Wi-Fi 5 的256-QAM和Wi-Fi 6的1024-QAM 星座图。

█ QAM信号是怎么产生的呢？

常用的方法有两种：正交调幅法和复合相移法。

以16-QAM调制为例，正交调幅法就是用两路独立的正交4ASK信号叠加，形成16QAM信号。

而复合相移法就是用两路独立的QPSK信号叠加，形成16QAM信号。下图中红圈上的四个点表示第一个QPSK的信号矢量的位置，在这四个位置上，可以叠加第二个QPSK矢量，下图蓝色圈上的四个点。

到这，对于QAM调制的基本原理，相信大家都有了一个初印象。那是不是就可以直接搞更大的QAM，不仅上4k，还有8k，不是QAM的m越大，无线通信系统的数据速率和频谱效率会越高吗？但是事情往往有两面性，QAM调制的m越大，对噪声和干扰的要求也就越高。

Wi-Fi这种室内短距应用，噪声条件比较理想，更高阶的QAM还有发挥的空间，但是对于移动无线通信，室外噪声环境极其恶劣，更高阶的QAM，挑战极其大。所以现在的5G通信，256QAM是一个比较折中的调制方式。

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参考阅读：

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