数字调制技术ASK、FSK和PSK的区别是什么？轻松掌握多种数字调制技术

为了保证通信效果，克服远距离信号传输中的问题，必须要通过调制将信号频谱搬移到高频信道中进行传输。这种将要发送的信号加载到高频信号的过程就叫调制，实际应用中，无论模拟信号还是数字信号，通常有三种最基本的调制方法：调幅、调频和调相。

将数字数据调制成模拟信号有三种机制：幅移键控 (ASK)、频移键控 (FSK) 和相移键控 (PSK)。

ASK、FSK和PSK数字通信中常用的三种调制技术，它们各自有不同的工作原理、应用领域以及优缺点。此外，还有第四种更好的机制结合了幅度和相位的变化，称为正交幅度调制 (QAM)。

什么是幅移键控 ASK - Amplitude Shift Keying？

幅移键控ASK工作原理‌

ASK是通过改变载波的幅度来传输数字信号。当数字信号为“1”时，载波接通，信道上有载波出现；当数字信号为“0”时，载波被关断，信道上无载波出现。

幅移键控调制方式及其频谱

‌‌幅移键控ASK应用领域‌

幅移键控ASK通常用于低速率的无线通信系统，如电视遥控器、无线门铃和无线传感器网络等。这是因为ASK实现简单且成本效益高，但在噪声环境下的性能相对较差。

‌‌‌幅移键控ASK优缺点‌

优点是实现简单，成本低；缺点是由于它的抗干扰噪声能力差，不适用于高速数据传输,故在实际数字通信中很少采用了。

‌幅移键控ASK应用实例‌

在遥控器通信中，当按下按钮时，遥控器会发送一个ASK调制后的信号给电视或设备。这个信号通过改变载波的幅度来表示不同的按键信息。

频移键控‌FSK工作原理‌

频移键控‌FSK是通过改变载波的频率来传输数字信号。通常使用两个不同的频率分别代表数字信号“1”和“0”。

频移键控调制方式及其频谱

‌频移键控‌FSK应用领域‌

FSK广泛应用于调制解调器，用于将数字数据转换为模拟信号以在电话线上传输数据。此外，传真机也使用FSK来传输图像数据。

‌频移键控‌FSK优缺点‌

优点是抗干扰性能好，实现容易；缺点是占用带宽较大，频带利用率低。

频移键控‌FSK应用实例‌

FSK广泛应用于需要高可靠性传输但带宽要求较低的场景，如寻呼通信系统、来电显示和公用事业计量等。例如在传真机中，FSK用于传输图像数据。传真机会将图像数据转换为数字信号，并使用FSK调制技术将这些数字信号转换为模拟信号以在电话线上传输。

相移键控PSK工作原理‌

PSK是通过改变载波的相位来传输数字信号。数字信号的不同值会对应载波的不同相位。

相移键控调制方式及其频谱

‌相移键控PSK应用领域‌

PSK在高速率的数字通信系统中得到广泛应用，如无线局域网（Wi-Fi）、蓝牙和卫星通信等。PSK的抗干扰性能较好，可以在嘈杂的信道中工作。

‌相移键控PSK优缺点‌

优点是数据传输速率高，抗干扰性能好；缺点是相对于FSK，PSK的实现可能更复杂一些。

PSK具有较强的抗干扰能力，因为相位变化不易受到信道噪声的影响。它的频谱利用率高，能够在有限的频带宽度内传输更多的信息。但是，PSK对相位同步要求高，接收端需要精确的相位同步以正确解调信号。对频率偏移也比较敏感，载波频率的微小变化可能引起较大影响。

相移键控PSK应用实例‌

由于相移键控方式在抗噪声性能及信道频带利用率等方面比振幅键控和频移键控优越，因而被广泛地应用于数字通信中，目前包括移动通信和卫星通信在内的微波通信，大多以这种方式传输信号。在Wi-Fi通信中，PSK用于在无线局域网中传输数据。Wi-Fi设备会使用PSK调制技术将数字数据转换为无线信号，并在接收端通过检测信号的相位变化来恢复原始数据。

振幅相移键控(APSK) 是通过调制载波的振幅和相位来传输数据数字调制方案。换句话说，它结合了振幅键控(ASK) 和相移键控(PSK)。与单独使用 ASK或 PSK 相比，这可以在给定调制阶数和信噪比的情况下实现更低的误码率，但会增加复杂性。

APSK振幅相移键控与QAM正交幅度调制不同的是，它的星座点分布在 I/Q平面中的同心圆上。这个概念被引入到卫星系统（射频功率放大器具有非线性特性）。因此需要一个能够容忍非线性放大的调制方案（包含较少的幅度），以便更轻松地平衡这种非线性。

下图对比了16QAM星座图和 16-APSK星座图，其中 16QAM星座图有3 个幅度，而16APSK星座图只有 2 个。32QAM星座图有 5 个幅度，而32-APSK星座图有 3 个。注意：QAM振铃的间距是不均匀的，有的振铃间距很窄，从而加剧了非线性补偿的难度。

在光纤中，APSK 可应用到非线性噪声场景中，用于改善对非线性光纤特征的容忍度。当数据速率高达400 Gbps 及以上时，16QAM星座点间距较大，更易实施且光信噪比性能更佳，因而是首选的方案。

图 . APSK星座图和对应的 QAM制式

正交幅度调制(QAM) 可以被视为 APSK的一个子集，因为所有 QAM 方案都会同时调制载波的幅度和相位。

传统上，QAM星座图呈矩形，而 APSK星座图呈圆形，但情况并非总是如此。两者的区别在于它们的产生方式；QAM 由两个正交信号产生。APSK 相对于传统QAM 的优势在于其可能的幅度级数较少，因此峰均功率比(PAPR) 较低。APSK 的低 PAPR 使其能够有效抵御放大器和信道非线性，这使其对卫星通信（包括 DVB-S2）尤其具有吸引力。

多种数字调制技术

在通信中，除了ASK、FSK和PSK之外，还有多种数字调制技术，例如BPSK, QPSK和QAM等。

什么是BPSK二进制相移键控？

BPSK(Binary Phase Shift Keying)二进制相移键控是把模拟信号转换成数据值的转换方式之一，利用偏离相位的复数波浪组合来表现信息键控移相方式。

二进制相移键控(BPSK) 是最简单的一种相移键控制式。它具有两个相隔180o 的相位值，例如：0 和π（参见图 13）。幅度是恒定的。与启闭键控 (OOK) 相比，这两个符号的间距很大，可免受失真和噪声的干扰。因此，BPSK非常适合超长距离应用，例如数据速率为 40 Gbps 的海底光纤网络。

BPSK二进制相移键控

BPSK 时域波形

BPSK 二进制相移键控时域波形

BPSK 的不足之处是每个符号仅表示1 比特，这一点与 OOK 相同，因此不适合用于 100 Gbps 及数据速率更高的应用。BPSK 相对于OOK 的劣势是它很难确定信号的绝对相位。需要采用更复杂、更昂贵的方法；相干检测是关键。对于OOK，光电二极管可以检测出承载信息的幅度。这也称为“直接检测”。

2dpsk是用前后码元的相对载波相位值传送数字信息。所谓相对载波相位是指本码与前一码元初相之差。具体的，码元为“1”时，2DPSK信号的相位变化180°。而码元为“0”时，2DPSK信号的相位不变，可将它简称为“1变0不变”。2PSK也称为BPSK

什么是四相相移键控(QPSK)？

QPSK四相相移键控的 1 个符号表示 2 个比特。4 个星座点的相位相差π/2，而幅度是恒定值（参见图 8）。相对于 OOK 和BPSK，QPSK 可在带宽不变的情况下让数据速率翻倍，这意味着，它也能够在一半带宽上提供原有的数据速率。QPSK 通常用于 100 Gbps 的数据速率。信号相位检测要求使用相干技术。

我们现在实际上使用两种不同的速度。

第一种是以每秒比特数为单位的比特率ftx，也称为“传输速率”。

第二种是符号率 S，表示每秒传输的符号数，单位为波特。它也因此通常被称为“波特率”。

Nsymbols 是按字母顺序的符号数量，符号率的计算公式如下：

下图是 QPSK公式。

如果信号也被偏振复用，那么这个结果要除以2。以一个 100-Gbps QPSK信号为例，符号率 S = (100 Gbps) / (2 比特/符号 ) / ( 2偏振 ) = 25 Gbaud。最低光占用带宽是 25 GHz。

图 . QPSK符号率与数据速率

QPSK调制与OOK星座图比较

QPSK复合调制使用4 个符号对每2 个比特进行编码。星座点位于半径为E 的圆上。这意味着符号只是相位不同（相邻两点的相位差大约为π/2），幅度是相同的。在时域中，4 个符号可使用幅度相同、相位不同的两个波形的组合来表示。

传统的OOK 也可用星座图表示。由于信息只能通过幅度来编码，所以比特值1 可能在半径（= 幅度）为E 的圆上的任意点（见下图）。

图. QPSK调制与 OOK星座图比较；在 OOK 中，相位是随机的。

什么是差分相移键控(DPSK)？

DPSK是差分相移键控Differential Phase Shift Keying的缩写。为了避免进行相干检测，需要对BPSK差分相移键控进行修改。

DPSK的调制解调方式涉及两个独立的过程：编码过程和检测过程。

什么是差分编码？

差分编码(differential encoding)是指对数据以差分的形式进行编码的过程，也就是说，出现0还是1由当前码元与前一码元的相同或不同来决定。

对于DPSK信号，π的相位变化表示 0，而不是绝对相位π。如果从一个比特到下一个比特的相位没有发生改变，可以称之为 1。在接收机一侧，数据流被分成两个相同的流，两个流之间有一个比特周期的时延。将两个数据流混合在一起（参见下图），就能生成一个信号，光电探测器可以直接检测到该信号。这种混合信号的强度更高。

图. DPSK 信号可直接进行检测

与 OOK 类似，DPSK 每个符号中仅有 1 比特，因而不适合数据速率极高的应用。但对于数据速率为40Gbps 的长距离和超长距离应用，DPSK不失为一种良好选择。

为避免接收机端上的QPSK 出现由光纤引起的相移所造成的相位模糊现象，正如BPSK 一样，可采用另一种QPSK制式：DQPSK。使用已传输符号间的相移来表示信息。4 个可能的相移值通常为：0、-π/2、π/2或π。与 OOK 和 BPSK 相比，在保持带宽不变的同时，数据速率可以翻倍。或者说，它能以一半的带宽保持相同的数据速率。

DQPSK 的 BER 低于 QPSK，但对离差 (dispersion) 的容限程度不高。

与 OOK 和 DPSK 类似， DQPSK信号可被直接检测。

在QPSK信号中，载波的相位在四个不同相位状态之一之间变化。这些状态通常以pi / 2弧度分隔。可以通过具有包含四个离散电平的调制波形的相位调制来生成QPSK信号。（QPSK信号的输出频谱类似于BPSK信号的输出频谱。）

什么是正交幅度调制（QAM）？

QAM是正交振幅调制结合振幅和相位调制，通过改变载波的振幅和相位来传输数据，具有高频谱效率，广泛应用于无线通信和光纤通信。

正交幅度调制（Quadrature Amplitude Modulation, QAM)是把两个幅度相同但相位相差90°的模拟信号合成为一个载波信号，经过信道编码后把数据组合映射到星座图上，如下图所示。

QAM调制实际上是幅度调制和相位调制的组合，同时利用了载波的幅度和相位来传递数据信息。与单纯的PSK调制相比，在最小距离相同的条件下，QAM星座图中可以容纳更多的载波码点，可以实现更高的频带利用率。16-QAM是用一个码元表示4比特二进制数据，它的数据速率是码元速率的4倍。目前最高可以达到1024-QAM，即用一个码元表示10比特数据。

QAM系统组成框图

QAM正交振幅调制结合了正交载波调制技术与多电平振幅键控，属于高阶数字调制，一个符号携带多个bit信息，有16/32/64/128/256/512/1024 QAM等，在移动通信中较为常用。前面介绍的PSK调制并不会改变载波的振幅，只是改变其相位，而QAM调制相当于调幅和调相结合的调制方式，不仅会改变载波振幅，还会改变其相位。比如在一个16 QAM信号中，当我们对信号进行采样时，我们可能处于16种可能的状态。为了获得16种可能的状态，我们使用4位来创建1个符号。（这样创建的符号率是使用大约1/4频谱的比特率的1/4。

使用 QAM调制方案可以让数据速率达到 400 Gbps 或更高。QAM信号的调制和解调更加复杂，要比其他制式的成本要高。换句话说，高阶 QAM 的星座点比纯粹 PSK（例如BPSK 或 8-PSK）更加分散。它们不容易受到噪声和失真的影响，BER 也会降低。

在 2n -QAM方案中，2n 星座点表示每个符号有一组 n 比特，通常分布在正方形点阵（参见下图）。2-QAM（最低阶 QAM）每符号仅有 1 比特。在对应 1 和 0 的两个星座点之间，幅度保持不变，但存在π的相位差。因此，2-QAM实际上与 BPSK 是同一个方案。同样地， 4-QAM 从概念上讲不同于QPSK，但两者的星座图是一样的。同样，这里只有1个幅度值， 4 个星座点之间的相位差为π/2。8-QAM 可能有 2 个幅度值和 4 个相差π/2 的相位值，它们定义了星座点，每个点表示 3 个比特。

图 QAM星座点以正方形点阵分布

在其他的 2n -QAM 方案（n 是奇数）中，很难使星座点呈现正方形点阵分布（对比）。这会对 BER 性能带来负面影响；实际上，8-QAM 方案并不实用。相反，16-QAM频谱效率是8-QAM的两倍，且 BER增幅很小，因而更受欢迎。

8-QAM星座图与16-QAM星座图对比

16-QAM星座图

每个符号表示 4 比特。16 个星座点呈现正方形点阵分布。它们通常是格雷码，相邻两个星座点之间的变化只有 1 比特。由于噪声的影响，某个已测点被错误地分配给邻近点，比特误码率保持在最低：1 个错误比特。

这些数字调制技术各有优缺点，适用于不同的通信场景和需求。选择合适的调制技术通常需要在频谱效率、功率效率、误码率等指标之间进行权衡

矢量调制特性

什么是 4K-QAM调制？

4K-QAM（4096-QAM）是一种 QAM调制，使用 4096（=212）个星座点排列成正方形，每个符号承载 12 位。4K-QAM 能够承载更多数据，与 WiFi 6（802.11ax）的 1024-QAM 相比，WiFi 7（802.11be）的数据速率提高了 20%。

Wi-Fi 7 将调制阶数从Wi-Fi 6/6E 的 1024-QAM提升至 4096-QAM（也称为 4K-QAM）。QAM（正交幅度调制）是衡量可编码到无线电信号中数据量的标准。采用 4K-QAM 调制，每个符号携带 12 位而非 10 位，从而将传输速率提高20%，并提升了整体吞吐量。结合更宽的320 MHz 带宽，这些改进使吞吐量速度高达46 Gbps。

4K-QAM（4096-QAM）该图展示了4K-QAM（4096-QAM）相对于 Wi-Fi 7 标准中的 1024-QAM 的速度提升。4K-QAM使用 4096 个星座点，使其每个符号可承载 12 位数据。这与Wi-Fi 6 中使用的1024-QAM（1024 个星座点和每个符号 10 位数据）相比有所提升。4K-QAM 的数据密度更高，与1024-QAM 相比，数据速率提高了20%，速度提高了 1.2倍。

为什么4K-QAM对 WiFi 7 如此重要？

4K-QAM 带来更高的数据传输速率和频谱效率。这对于持续服务大量客户端至关重要，并确保在高密度部署场景中实现快速可靠的WiFi 覆盖。现在，您可以以无可挑剔的保真度观看4K/8K 视频，或在家庭工作室畅玩和在线游戏。有了4K-QAM，流媒体体验将更加出色。

OFDM正交频分复用调制

正交频分复用调制简称为OFDM，Orthogonal Frequency Division Multiplexing 采用正交频分复用技术，是多载波调制的一种。其主要思想是：将信道分成若干正交子信道，将高速数据信号转换成并行的低速子数据流，调制到在每个子信道上进行传输。正交信号可以通过在接收端采用相关技术来分开，这样可以减少子信道之间的相互干扰ICI。每个子信道上的信号带宽小于信道的相关带宽，因此每个子信道上的可以看成平坦性衰落，从而可以消除符号间干扰。而且由于每个子信道的带宽仅仅是原信道带宽的一小部分，信道均衡变得相对容易。

正交频分复用(OFDM)把数据分割到所有载波上，并通过10s、100s、1,000s 近载波来传输信息。由此，符码时间将会缩减同等比例。载波间隔是符码率的倒数，因而各个载波之间不会彼此干扰 (例如，载波呈现正交)。OFDM 信号中的其它分量可用于缓和信号信道估测和接收机同步，同时添加循环冗余以消除先前符码引起的干扰。

凭借上述优势，OFDM成为大多数现代无线和有线通信系统的理想调制技术，例如地面广播、WiFi、UWB、LTE、WiMAXTM 等。然而，OFDM 信号存在一些缺点。信号处理需要更高的复杂性和精度(相对于相位噪声)以及高峰均功率比 (PAPR)，这些因素会使信号对发射机的非线性度非常敏感。

OFDM原理

频域和时域中的OFDM

在OFDM 中，频率子频谱是sinc 形状。为了提高频谱效率，子频谱会重叠，但由于它们存在正交性（以π/2 的倍数位移），因此它们彼此间不会形成干扰。在时域中，符号是在固定的时间窗口中具有等距载频fn 的正弦曲线的总和。在本例中，单个信道的4 个频率上有4 个子载波。在进行反向快速傅立叶变换(IFFT)之后，橘色迹线相移了π。

比特率是什么意思? 比特率和符号率的区别是什么？

我们在数字调制中所提到的两个指标，比特率和符号率.

比特率 (Bit Rate)是数据流的传输速率；符号率(Symbol Rate) 是指一秒钟传输了多少数据单元。两者的关系是符号率=比特率/单位符号传输的比特数。例如8PSK，它每符号传送3个比特，所以它的符号率是三分之一的比特率。然后我们要注意信号的带宽取决于符号率，因为符号率其实是脉宽的倒数。符号率越低，传输所需的带宽就越小。越高阶的调制方式，每个符号代表的bit数越多，相同带宽下传送的信息量越多。

（所以2的N次方的QAM的符号率就是1/N比特率。如16QAM（2的4次方），即1个符号代表4比特，符号率是1/4比特率）

码元速率和载波速率的关系

对于二进制符号而言，一个码元可以包括只有一位的二进制数“1”、“0”，也可以包括两位的二进制数“00”、“01”、“10”、“11”，当然也可以包括三位甚至以上的二进制数。这个码元的持续时间长度就叫做码元周期T，而1秒中传输多少个码元也就是（1/T）个码元的个数就叫做码元速率也叫做波特率。而对于在传输系统中，要表示一个码元需要多少个周期的载波信号，则其由（载波频率除于码元速率）决定。

码元速率和数据速率的关系

对于比特率，也叫信息速率，也就是平常所说的数据速率（b/s），其是码元速率（波特率Baud）乘上log2(M)的结果，这是信息理论的知识，你看一个码元中装的二进制位数越多就可以表示的东西越多，所以携带的信息量越大。即：

DPSK,对应两种码元[log2(2)]，码元速率和数据速率相同

QPSK，对应4种码元[log2(4)]，数据速率是码元速率的两倍

数字调制基本术语

比特 Bit：是通信系统传输信息的单位，一般指通信系统中传输的有用信息。

比特率 Bit Rate：是比特的传输速率，也就是通信系统时间内的信息传输速率，单位是比特／秒(bit/s)。

符号 Symbol：是信息调制载波的离散状态，也就是矢量，是与载波和调制方式紧密联系在一起的概念。模拟调制也可以说有符号，只是符号数量无穷多，无法直接分析和观察。因此只在数字调制中讨论符号，其符号数目是有限个。符号并不是信息，但信息是通过数字调制映射为载波状态即符号来传输的。

码元速率或符号率 Symbol Rate：载波调制符号的转换速率，实际上是载波状态的变化速率。符号率越高，相应信息传输速率也越高，但信号中包含的频谱成分也越高，占用频带越宽。单位是波特(Baud)。

星座图 Constellation：调制信号在IQ平面上的所有符号点的组合。星座图定义调制技术的信号分布与调制数字比特之间的映射关系。一种调制技术的特性可由信号分布和映射完全定义，即可由星座图来完全定义。

矢量图 Vector Diagram：调制信号在符号点间变化的过程描述。矢量图不仅显示星座点，而且显示星座点之间的转换过程。

眼图 Eye Diagram：检查数字信号传输畸变的一种形象直观方法。它是解调后在低通滤波器输出未经再生的基带信号，在示波器上用位定时作为外同步时重复扫描显示的波形。

PCM 脉冲编码调制：PCM是Pulse Code Modulation的缩写。脉冲编码调制是数字通信的编码方式之一。主要过程是将话音、图像等模拟信号每隔一定时间进行取样，使其离散化，同时将抽样值按分层单位四舍五入取整量化，同时将抽样值按一组二进制码来表示抽样脉冲的幅值。（原始音频数据，数据量很大，一般要经过压缩（aac）后再使用）,分为采样，量化，编码三步。

归零码(Return to Zero，RZ) - 码元中间信号回归到零电平，从正电平到零电平表示0，从负电平到零电平表示 1。这种中间信号都有电平变化的方式，使得编码可以自同步。

不归零码(Not Return to Zero，NRZ) - 码元中间信号不回归到0，遇到1时，电平翻转:遇到0时，电平不翻转。这种翻转的特性称为差分机制。在不归零反相编码(No Return Zero-Inverse，NRZ-I)中，编码后电平只有正负电平之分，没有零电平，属于不归零编码。NRZ-I遇到0时，电平翻转:遇到1时，电平不翻转。

双相码 - 双相码的每一位中有电平转换，如果中间缺少电平翻转，则认为是违例代码，既可以同步也可以用于检错。负电平到正电平代表0，正电平到负电平代表1。

曼彻斯特编码 - 曼彻斯特编码属于一种双相码，负电平到正电平代表 0，高电平到负电平代表 1;也可以是负电平到正电平代表1，正电平到负电平代表0，常用于 10M 以太网。传输一位信号需要有两次电平变化，因此编码效率为50%。

差分曼彻斯特编码 -差分曼彻斯特编码属于一种双相码，中间电平只起到定时的作用，不用于表示数据。信号开始时有电平变化则表示0，没有电平变化则表示1。

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