最近在写一篇关于电磁波如何传输信号的文章，发现越来越多的基础知识需要探索。 在之前的文章中，我们学习了电磁波的基础知识（链接1）并回顾了三种最基本的调制方法（链接2）。 但这里有两个 I/Q 信号。 在射频收发系统中如何解释这个I/Q信号？ 这就继续介绍今天的调试方案——QAM调制。

什么是调制？

调制是将信号形式转换为适合在信道中传输的形式的过程。 它可分为基带调制和载波调制。 我们这里所说的调制就是载波调制。

什么是载波调制？

是将调制信号骑在载波上。 该方法是利用调制信号控制载波的参数，使载波的一个或几个参数按照调制信号的规则变化。

载波调制根据调制信号的类型可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，则这种调制就是模拟调制。 在“信号调制，这有意义吗？”一文中 》介绍的三种最基本的调制方式：AM、FM、PM都是模拟调制的一种。

通过这样的操作，可以将信号捕获到运营商的快车上，然后进行传输。 调制后的信号称为调制信号，在接收端可以通过解调恢复出该信号。

幅度调制和频率调制都比较容易理解。 一是振幅的变化，二是频率的变化。 那么为什么要有一个额外的QAM呢？

既然AM是调幅，那它前面的Q是多少呢？ Quadrature的意思是正交，QAM是正交幅度调制。 在通信领域，正交是指两个信号有90°的相位差。 也就是说，在QAM中，既有相位调制，也有幅度调制。 这个变化是不可思议的，不仅是4QAM、8QAM、16QAM……甚至还有1024QAM。 调制的信息一下子就倍增了很多倍，这简直不可思议。

QAM的原理是什么？

让我们从最简单的信号开始。

根据三角函数公式展开为

这样，信号s(t)就被展开为两个相位差为90°的正交信号之和。 这两个正交信号分量是同相信号和正交信号。

这两个正交分量如下所示，并且异相 90°。

这两个正交信号经过DA转换器后，来到我们的模拟通道。 我们需要对这两个信号分别进行调制，使这两个信号都能搭乘射频载波的高速列车。 模拟部分的QAM处理并不复杂。 I/Q信号可以共享一个频率源LO，然后通过混频器直接上变频。 然而，在 Q 通道中，本振信号需要 90° 相移才能匹配 Q (t) 正交特性。

所以，对于QAM载波调制，从原理图可以看出，我们只需要将I(t)和Q(t)分别混合，然后组合成一个信号S(t)进入另一个射频信道关联。 对于模拟信号的 QAM 调制来说，就是这样。

数字信号QAM调制

既然说到数字调制，我们就简单回顾一下数字调制的三种基本方法：幅度键控ASK、频移键控FSK和相移键控PSK。

幅度键控ASK与模拟调制中的AM类似，即利用01高低电平来调制载波信号的幅度。

频移键控FSK与模拟调制中的FM类似，即采用01电平来调制载波信号的频率；

相移键控 PSK 使用 01 电平来调制载波信号的相位。

下图显示了数字调制的三种基本调制方式的调制信号波形。

当涉及到数字调制时，QAM 正交幅度调制就变得活跃起来。 由于主信号分为两个信号，I 和 Q，每个信号分量都有自己的幅度和相位。 有很多变化。 16QAM、64QAM、256QAM、wifi7 怎么样？ 现在我们有了4kQAM，即4096-QAM。 这很棒。

为什么m越大m-QAM就越牛逼？

在数字信号中，我们引入了比特的概念。 这个比特就是比特币的比特。 代码是B。好贵啊。 1个比特币现在值15万元，天哪。

数字信号的BIT是二进制数中的0和1位。 它是信息的计量单位，是信息的最小单位。 二进制数的一位所包含的信息是一位。 例如，二进制数0100​​是4位。 1 位可以包含 2 条信息（0 或 1），4 位可以包含 2^4 条信息。 所以比特越多，可以传输的信息量就越大。 所以理论上，m-QAM中的m越大，可以传输的信息量越大，传输速率也越快。 所以最新的WiFi7标准直接达到了4k-QAM，一个信号包含12位。

QAM是如何实现的？

我们回到上面QAM的原理部分，继续温习数学公式。

让我们研究一下上式中 I(t) 和 Q(t) 信号的幅度：

这两个正交分量的幅值AI和AQ是一组正交函数。 我们可以取多个不同的A和Φ得到多组不同的I(t)和Q(t)信号，即可以完成主信号S(t)的多次调制。

如果A值为±A，Φ值为±90°，则有四种不同的组合，即4-QAM调制，即QPSK。 同理，通过A和Φ的不同组合，可以得到16-QAM，甚至64-QAM，甚至更多。

为了更好地理解qam调制原理qam调制原理，我们引入了星座图的概念。 下面的动画形象地展示了16-QAM调制的幅度和相位选择值及其对应的二进制符号：Amp是A的选择值，Phase是上式中相位Φ的选择值。

各点对应的波形如下图所示。

星座图直观地展示了m-QAM的信号矢量信息。 m越大只需要更多的点来表示。 下图是Wifi5的256-QAM星座图和Wifi6的1024-QAM星座图。

QAM 信号是如何产生的？

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，正交幅度调制方法使用两个独立的正交4ASK信号叠加形成16QAM信号。

复合相移法利用两个独立的QPSK信号叠加形成16QAM信号。 下图中红圈内的四个点代表第一个QPSK信号向量的位置。 在这四个位置，可以叠加第二个QPSK向量，如下图蓝色圆圈内的四个点所示。

至此，相信大家已经对QAM调制的基本原理有了第一印象了。 那我们是不是可以直接建一个更大的QAM，不仅是4k，还可以是8k呢？ QAM的m越大，无线通信系统的数据速率和频谱效率不是越高吗？ 但事情往往有两个方面。 QAM调制的m越大，对噪声和干扰的要求越高。 对于Wifi等室内短距离应用，噪声条件相对理想，仍然有高阶QAM的空间。 然而，对于移动无线通信来说，室外噪声环境极其恶劣，高阶QAM极具挑战性。 因此，在当前的5G通信中，256QAM是一种相对妥协的调制方式。

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