第二节 无线通信基础
1.2 无线物理层
专注于无线电的物理层，我们可以在图1.8中给出正交调幅(QAM)发射器和接收器架构的基本概述模型。
发射机架构的主要部分是：基带调制、脉冲整形、插值、载波调制。接收机架构的主要部分是：载波解调、抽取、匹配滤波、基带解调、同步。
1.3 基带调制(位到符号)
为了在物理无线信道上发送数字数据，在载波调制之前，必须首先使用基带调制方案将其从位转换为符号。这个过程被称为基带调制。调制方案定义了符号映射，即符号的数量，它们的幅度水平或相位，以及如何将比特组转换为这些符号。
1.3.1 正交调制和符号空间维度
本文中考虑的大多数SDR架构同时将数据调制到正弦和余弦载波上(正交调制)，而不是单个余弦载波。动机是增加带宽效率，如果使用正弦/余弦正交载波，在相同的带宽内可以携带两倍的信息。对于正交方案，符号空间在二维中定义，如图1.9所示。x轴表示实分量，而y轴表示虚分量。由此产生的二维空间通常被称为I-Q平面(即In相位/正交平面)。如果没有正交相位，则信号空间是一维的，所有符号都由x轴上的一个位置传递。
1.3.2 幅度移位键控(ASK)
幅度移位键控(ASK)通过将基带信号的幅度映射到定义集合中的离散电平，在单相(即存在单个余弦载波的地方)上传输数据。
在最简单的情况下，有两个这样的电平(+1V和-1V)，可以表示为2-ASK。如果使用4个电平，则称为4-ASK，适用的电平为+1V、+1/3V、-1/3V、-1V等。以2-ASK为例，每个比特被映射到两个符号中的一个，对应于+1和-1的幅度，如图1.10所示。使用2-ASK调制方案，一个比特对应一个符号，因此位和符号速率是相同的。
在4-ASK中有四个可能的幅度电平，因此需要两个比特来表示每个符号，如图1.11所示。对于给定的波特率(符号率)，支持的比特率是2-ASK的两倍。如果我们考虑2-ASK的两个平行通道，并设想一个通道对应于符号映射图的x轴，另一个通道对应于y轴，则可以发展正交调幅(QAM)的概念。
1.3.3 正交调幅（QAM)
在QAM中，使用两个基带信号。一个被表示为相位或实信道，并调制到余弦载波上；而另一个被表示为正交相位或虚信道，被调制到正弦载波上。这种正交性确保了在两个通道上发送的数据保持分离，并且可以完全恢复，即一个通道不会干扰另一个通道。
图1.12显示了QAM的两个基带信号的示例。在这种情况下，两个通道(或相位)中的每一个都传输相当于2-ASK调制方案的数据。总的来说，在最终的符号映射中有四个可能的符号，这意味着每个符号传输两个比特。因此，这种调制方案被称为4-QAM。
与ASK类似，QAM的两个正交阶段中每一个阶段的振幅级别数量都可以增加，从而产生更大的符号集。通常，每个相位使用均匀间隔的2次幂的振幅电平。下一个最大的QAM符号映射是16-QAM，其中每个相位上有四个振幅级别，并且该方案每个符号传递4位。图1.13提供了16-QAM的示意图。
图1.14提供了QAM调制方案的摘要，扩展到包括更大的符号映射，并限制为方形模式。
较大的QAM方案的缺点是它们的性能更容易受到噪声的影响。因此，较小的QAM方案，如4-QAM和16-QAM在噪声环境中更受欢迎。
1.3.4 相移键控(PSK)
数字调制的另一种方法涉及调制信号的相位。对于m-PSK，数据位是由符号编码的，这些符号被放置在360度范围内的一组均匀间隔的相位上。图1.15说明了两种最低阶PSK方案，4-PSK和8-PSK。图1.16提供了PSK调制方案，二进制PSK (BPSK)是一种特殊的变型，它没有正交分量，只有两个分量。
与上一节的QAM方案类似，我们注意到高阶PSK方案每个符号传递更多的比特数。缺点是符号之间的间隔变得更小(这里是相位)，因此在存在噪声的情况下它们变得更难以区分。较大的QAM方案通常比较大的PSK方案更可取，因为它们在噪声条件下表现更好——这是因为对于任何给定水平的AWGN，符号之间的距离更远，遇到的错误更少。
1.3.5 其他调制方案
除了前面介绍的QAM和PSK调制方案外，还有几种其他类型的数字调制方案。这些包括:
1. 开关键控（OOK）
一种非常简单的方案，其中载波信号与“0”或“1”相乘，取决于位值，每个符号传输一位。OOK的一个缺点是功率包络的急剧变化，这可能会给发射器和接收器的模拟部分带来挑战，例如功率放大和主动增益控制
2. 频移键控（FSK）
符号从定义的集合映射到离散频率。例如，4-FSK包含四个符号，对应于一组四个不同的频率，并且每个符号传输两个比特。由于功率包络线是恒定的，这避免了OOK的问题，但是符号之间可能存在急剧的相变，与调制方案定义的频率集相比，这可能会大大扩大占用的带宽。
3. 最小移位键控（MSK）
MSK是FSK的一种形式，它解决了FSK中相位不连续的问题，通过确保符号之间的转换发生在零交叉点。MSK的变体包括高斯MSK (Gaussian MSK，GMSK)。
文章来源：威视锐科技
