数字通信的基础 ：通信速度的高速化

在“数字通信的基础”系列第2篇“数据如何远距离传输？一文了解数字调制基础知识”中，我们对数字调制进行了说明，它将1bit的数据（“0”或“1”）分配给调制波的两种状态：

• 在ASK中将其分配给振幅的大小

• 在FSK中将其分配给2个频率

• 在PSK中将其分配给2个相位

然后发送。这些可以说是数字调制的起源，也被称为2进制数字调制。

实际上，世界各地的通信设备中使用的数字调制大多是多进制数字调制，与2进制数字调制相比，多进制数字调制可以实现通信速度的高速化（＝数据传输的优效化）。

本文为你介绍多进制数字调制，同时也会介绍调制速度、载波等基本概念。（还有一种通过扩大频率带宽来实现通信速度高速化的方法，预定将在本系列后续文章中介绍。）

QPSK调制是多进制数字调制的基础。基于“数字调制―数字通信的基础”中的PSK思路，将具有0°和180°两个相位变化状态——BPSK的调制波与多进制化为具有45°/135°/225°/315°四个相位变化状态——QPSK的调制波进行比较，QPSK调制波一次可以发送2bit数据，即“00”、“01”、“10”和“11”（图1）。

图1 QPSK调制波的示意图

这里，BPSK是Binary Phase Shift Keying的缩写；QPSK是Quadrature Phase Shift Keying的缩写。在2进制数字调制ASK、PSK、FSK中，1个符号代表1bit，此时的符号长度通常称为位长。

假设BPSK和QPSK的符号长度彼此相同，可以看出，通过多进制化可以提高通信速度。

更具代表性的多进制数字调制是QAM。上一项中介绍的QPSK调制波只有相位发生变化，如果加上振幅的高低变化，形成8种状态的调制波，就可以一次发送“000”、“001”、“010”、“011”、“100”、“101”、“110”、“111”这3bit的数据（图2）。

图2 8QAM调制波的示意图

图3 从2进制基带信号生成4进制QPSK（4QAM）调制波的调制器构成示例

图3的4QAM用1个符号表示2bit（4进制）。而且，它是一种可以具有更多进制的调制方式，例如3bit（8进制）的8QAM和4bit（16进制）的16QAM。

多进制QAM已经投入实际使用:

• Wi-Fi 6/6E（IEEE 802.11ax）采用1024QAM

• Wi-Fi 7（IEEE802.11be）采用4096QAM（图4）。

图4 1个符号的数据长度与多进制QAM之间的关系

在“数字调制―数字通信的基础”中，我们已经说明了有一种数据速度叫做调制速度（有时也称为符号速率），其单位为baud（称为“波特”）。 在此对调制速度进行相关说明。

调制速度是图1和图2中所示的1秒钟时间里发送的符号数量，因此可用“1/符号长度”计算。调制速度可以说是在多进制数字调制中使用的数据速度。

（重复一遍，在多进制数字调制中，一个符号代表多个位，如图4所示——在QPSK中为2bit，在64QAM中为6bit，等等。）

顺便说一下，单位为baud的调制速度与单位为bps的信号速度之间有如下关系：

信号速度＝调制速度×调制可表达的状态数

例如，64QAM（调制可表达的状态数为6bit）的调制速度为1200baud时，信号速度如下：

信号速度＝1200baud×6bit＝7200bps

另外，更快的调制速度允许传输更多的数据，但也可能更容易受到来自外部环境的电磁噪声的影响（发送数据中的错误增加）。

在本文中对数字调制进行解说时，我们使用了术语“载波”。载波也称为载体，意思是它搬运数据。现在让我们以载波为中心看看调制的工作原理，了解载波在模拟调制（AM/FM）中的使用方法。

首先，载波的定义如下：在电气通信中，无论是无线还是有线，都是指起到将声音的模拟数据和文本、声音、图像的数字数据进行远距离传输的作用的连续波（正弦波）或脉冲波等。（此处将连续波视为载波。）

如果尝试在几公里远处发送数据，由于数据移动——基带信号本身的通信距离很短，无法到达目的地。因此要进行让发送器能将数据传输到目的地的操作——调制。这里所说的调制需要进行将基带信号加载到比数据的频率成分更高的单一频率连续波——载波的处理（正式的说法为通过基带信号对载波进行调制并生成调制波）。该调制波作为电波从天线发送出去，可以实现远程传输（图5）。

图5 通过基带信号对载波进行调制

以上是对数字调制中的载波示意图进行的说明，但同样适用于模拟调制。模拟调制的代表性示例是AM和FM。您可能听说过收音机的AM广播和FM广播这两个术语。

AM指的是振幅调制，是“Amplitude Modulation”的缩写。它是一种根据要发送的声音信号波的振幅来改变载波振幅的调制方式（图6a）。从图6a可以看出，AM调制波的载波振幅根据信号波的振幅而变化。

此外，除了时间轴特性之外，在频率轴上观察AM的频率成分（频谱）时（图6b），我们会发现它具有以下特征：如果载波频率为fc，信号波的单一频率为fs，则其特征是会出现频谱fc+fs和fc−fs。

由于这些特征，它容易受到环境噪声特别是电磁噪声的干扰，电波多重反射也容易引起振幅变化，虽然声音频带较窄有利于多路复用，但可以说它是一种通信质量降低的可能性较大的调制方式。

图6a 振幅调制波的生成示意图。

包络线：在信号的波形或频谱中显示其轮廓的线。在图6a中，振幅调制波的包络线波长与信号波的波长相同。

图6b 振幅调制波的频谱示意图

接下来，FM指的是频率调制，是“Frequency Modulation”的缩写。与AM一样，声音信号加载到载波上，但这是一种根据要发送的声音信号波的振幅来改变载波相位的调制方式（图7a）。在图7a中，在信号波的电压较高的地方，相位变化产生高频，在电压较低的地方，相位变化产生低频。FM调制波的波形与AM调制一样，振幅保持一定，不会发生变化，但可以看到频率的变化导致密度发生变化。这种密度变化代表信号的振幅。

此外，如果观察频率轴上的FM频谱（图7b），则可以看到以下特征：将信号波作为单一频率fs时，频谱以载波频率fc为中心扩展至fc±nfs（n为整数）。

图7a 频率调制波的生成示意图

图7b 频率调制波的频谱示意图

由于这些特征，与AM相反，它具有抗噪声和抗电波多重反射的能力，尽管它不适合多路复用，但可以说它是一种可以保持高通信质量的调制方式。