芯耀
与非AI
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移动设备已从基础模拟手机，演进为可握于掌心的数字化智能手机。语音通信仍是业务的组成部分，但语音通话会先将模拟语音信号转为数字信号，再以数字方式传输。这意味着移动无线通信系统的核心目标是高效传输数字数据，通常重点追求高吞吐率。
要将数字信息加载到射频（RF）载波上，可以改变信号的幅度、相位或者频率。该信号可用数学表达式描述为：
式中，a(t)为载波幅度，fc为载波频率，θ(t)为载波相位。
图1展示了信号对载波进行调制的不同方式。数字数据以二进制0或1表示，在调幅波形中对应低电平或高电平。采用频移键控（FSK）调制时，载波频率会根据调制信号电平高低发生瞬时跳变。
与之类似，幅移键控（ASK）会改变载波的幅度。图1中的幅移采用两个非零幅度值，该调制方式也可以是简单的载波通断键控。也可使用相移键控（PSK），根据数字调制信号使相位发生瞬时跳变。最后，还可以同时进行相位与幅度的联合调制。
图1. 数字调制的基本类型。
一、正交调制
随着数字调制技术发展，采用正交形式来表征已调载波会更为方便。即射频载波方程（公式1）可重新分解为同相分量i(t)与正交分量q(t)。
同相分量控制同相载波的幅度，该载波采用余弦函数；正交分量控制正交载波的幅度，采用正弦函数，正弦载波天然与余弦载波存在90°相位差。注意，i(t)、a(t)和θ(t)均表示为时间的函数，因为这些变量会随施加的调制信号发生变化。
已调信号的幅度与相位可通过下述公式由I、Q分量求得：
二、矢量表示法
如图2所示，已调信号的这种正交表示方式，可以对信号进行矢量表征。矢量的幅度为模长a，相位为θ。改变q分量与i分量的幅值，就会得到不同的a和θ。
图2. 已调信号的矢量表示，包含同相（i）分量与正交（q）分量。
这些正交方程看似只是数学推导，但正交方法非常适合工程实现。图3为正交调制器的基本框图。调制输入信号i(t)和q(t)分别与载波相乘，其中q(t)对应的载波偏移90°相位。
图3. 正交调制器将两路相位相差90°的信号合并，生成一路已调输出信号。
可以理解为：i(t)控制同相（余弦）分量，q(t)控制正交（正弦）分量。两路信号相加，即可得到目标输出信号。该框图既可以采用模拟方案实现，也可以采用数字方案（或者数模混合方案）。两种方案都已有实际工程系统落地，但毫无疑问，行业明显趋向于采用数字电路与数字信号处理技术。通过I/Q数据流，能够对已调信号的幅度与相位实现完全控制。
I/Q数据的应用十分广泛，已经成为传输、存储调制信息的事实上的标准。你会听到工程师提及收发I/Q数据、将其保存为文件，并利用数字算法生成或处理这些数据。
三、调制类型
相移键控（PSK）最简单的两态形式称为二进制相移键控（BPSK）。图4展示了两个独立状态，对应两种相位。图中两个点代表矢量端点在二进制0或1状态下的位置。这种用来表示调制的常用图称为星座图。为简洁起见，图中一般不会画出矢量本身，但可以想象矢量指向0态或1态，并随着数字数据变化来回切换。注意两个状态的幅度相同，载波仅发生相位变化。仅使用两个相位时，通常选择相差180°，以获得最大的信号区分度。
图4. 二进制相移键控（BPSK）采用两种相位对调制信号进行编码。
正交相移键控（QPSK）使用信号的四种不同相位来代表四种不同逻辑状态（图5）。每个逻辑状态可承载2比特信息，从而提升数据吞吐率。同样，矢量的幅度保持恒定，仅相位发生变化。
图5. 正交相移键控（QPSK）依靠相位变化来表示不同的比特组合。
前文中，我们讲解了正交调制和信号生成的原理，还给出了生成正交信号的常用框图（图1）。对应的接收机框图可以提取信号的同相（I）分量和正交（Q）分量（图6）。信号经由模数转换器（ADC）转为数字信号，再通过数字方式处理。当然也可以不用这套方案，整个系统能用模拟电路实现，但绝大多数正交接收机都是数字架构。
图6. 正交接收机对数字化后的分量信号进行处理，分离还原出原始的同相、正交数据流。
I路信号是将输入信号与数字本振（LO）相乘得到。相乘后的信号经过低通滤波器滤除高频分量，得到数字形式的I信号。Q路原理一样，只是本振信号额外增加90°相移。最终输出两路数据流，也就是接收信号常说的I/Q数据。
四、误差矢量幅度
接收机的作用是提取信号中的矢量信息，该信息可以用幅度/相位或者I/Q分量来表示，见图7。实际信号会存在噪声以及各类非理想失真，影响接收机解调、恢复发送比特的能力。通信行业采用误差矢量幅度（EVM）来表征正交调制信号的误差，EVM有时也被称作相对星座误差（RCE）。
图7. 正交信号的矢量表示。
如图8所示，误差矢量代表实测信号与理想信号之间的矢量差值。EVM是在一段时长内（在有效符号时刻采样计算）误差矢量的均方根（RMS）值。EVM通常以理想信号的百分比形式给出，也可用dB表示。理想信号的基准可以取理想信号平均功率的平方根、平均符号功率，或是信号峰值电平。
图8. 误差矢量幅度（EVM）就是从理想信号点指向实测信号点的误差矢量的模值。
测量EVM需要一台高精度接收机，用来对比实测信号和对应的理想信号。面对如今复杂的调制格式，测量接收机必须识别当前所用的调制类型，并且只在有效符号时刻执行EVM测量。
五、星座图
图9是16-QAM信号的星座图。这16个矢量状态，每个都代表4比特信息。举个例子，16阶QAM（图 6）有16种逻辑状态，每种状态都对应独有的幅度和相位。这也是它叫星座图的原因，这些状态点排布起来就像天上的星星。这种调制方式每个状态可以编码4比特数据。图里为了简洁没有标注逻辑值，这些值会从0000、0001、0010一直排到1111。
理想情况下，不存在噪声和失真，这些状态在图上会是一个个极小的点。但通信信道不可能完全理想，实际信号在图上会呈现为弥散的点云。宽带噪声、相位噪声、非线性失真、频响误差以及干扰信号，都会造成EVM指标恶化。
工程上也会使用更高阶的QAM，比如64-QAM、256-QAM以及1024-QAM。增加幅度、相位的状态数量，单次就能编码更多比特，大幅提升调制系统的传输速率。但代价是抗噪声性能变差：可区分的状态越多，各状态之间的幅度和相位间隔就越小。系统里只要存在噪声，就更容易造成解调出错。
图9. 16-QAM调制采用16组幅度与相位的组合，用来表示4比特信息（共16种组合）。
图10是16-QAM信号的一次实测结果。左侧窗口展示每个矢量状态对应的采样点，每个点外围都画有圆形误差门限。矢量落在误差门限以内就判定为“合格”，超出则判定为“不合格”。图里这个信号质量很高，所有采样点都在误差门限内，EVM为0.37%。
图10. 是是德科技PathWave矢量信号分析软件测得的16-QAM信号星座图，其EVM为0.37%。
左侧窗口仅在矢量有效采样窗口内显示矢量状态；而右侧窗口还会展示有效符号之间的过渡时段，由此可以观察矢量的跳变过程。这些信息对评估系统性能、排查信号出错原因十分重要。
图11为质量劣化的16-QAM信号，EVM等于10.0%。在图的左侧窗口能看到，星座点变得更加杂乱、弥散。这正好对应EVM指标变差，接收信号的数字误码增多。
图11. 16-QAM信号的星座图，信号存在失真，对应的EVM为10.0%。
另外一项评估系统性能的常用指标是统计出错的比特数量，对应的标准指标就是误码率（BER）。它的定义是：在指定时间内，错误比特数除以传输的总比特数。EVM数值越大，误码率也就越高。
这里讲的16-QAM调制相对简单，便于观测。但为了获得更高的系统传输速率，工程上常采用更高阶的QAM，例如64-QAM、256-QAM、1024-QAM。早期5G方案就使用256-QAM，要求EVM达到3.5%。后续方案还会采用1024-QAM。
