多旋翼无人机的组成解析“图传”篇(二)- 信号的调制
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多旋翼无人机的组成解析
“图传”篇（二）
信号的调制
前面一篇有关无人机图传的文章，我们给无人机图传下了定义，解释了其意义、组成和分类，以及分享图传相关的通信基础知识，如模拟与数字、信源、信道、信宿、通信系统模型、信源编码和信道编码，在此基础之上，我们将模拟图传和数字图传的优缺点进行了分析对比，以及比较两者传输记录的画面。
多旋翼无人机的组成解析“图传”篇（一）
我们得出一个结论，数字图传是当前无人机图传的发展趋势。
今天的第二篇无人机图传相关文章主题为“信号的调制”，我们试图讲述信号调制的相关基础知识，以便帮助我们后面能更多地了解无人机图传的调制体制。
文章结构如下：
1. 为什么信号需要调制
2. 基本调制技术
3. 正交振幅调制QAM
01
为什么信号需要调制
1857年，英国开始在大西洋铺设第一条海底电缆，用于替代英国和欧洲大陆以及欧美两地之间使用邮船的传统通信方式。
在此之前，最早于1851年，英法之间的多佛尔海峡已成功铺设了世界上第一条海底电缆，其全长为30公里。与之相比，大西洋海底电缆需要长达几千公里，因而有很多理论和技术问题需要解决。当时的设计者判断，经过电缆时信号强度会变弱，于是采用了加大发射功率并提高接收机灵敏度的办法来解决此问题，然而，当电缆完工后，接收机收到的信号波形与发射信号却完全不相关，并且导致电缆损坏。
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图01 大西洋第一条海底电缆路线图
当时主持这条大西洋海底电缆铺设工作的英国物理学家威廉·汤姆森经过研究，发现这实际上是一个频率特性的问题，即频率较低的成分可以通过信道，而频率较高的成分则被衰减掉了。他提出增大铜线截面面积来减小电阻、加厚绝缘层来减小分布电容、使用小电流信号衰减的解决方案。
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图02 威廉·汤姆森与其他工作人员在铺设海底电缆的船上 V.S. 当时用于铺设海底电缆的船“大东号”
至此，铺设长距离海底电缆的重大理论问题得到了解决，同时近十年间历经种种艰难险阻，终于在1866年，大西洋海底电缆第四次永久性铺设成功。这样欧洲和美洲之间的通信时间由十天减少到了几分钟。
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图03 1866年登录时的跨大西洋电缆《纽芬兰之心》，罗伯特·查尔斯·达德利，1866
题外话：前面说到的物理学家威廉·汤姆森，由于其铺设第一条大西洋海底电缆有功，英国政府封其为爵士并晋升为开尔文勋爵，我们熟知的热力学之父—开尔文即由此得名。
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图04 开尔文勋爵与夫人主持了英国国王爱德华七世的加冕典礼，1902
自此，人们开始认识到，并不是信号中所有的频率成分都能通过信道进行传输，信道具有一定的频率特性。为了能有效地在信道中传输信号而不出现频率失真，提出了调制—对原始信号进行处理，使其变换为适合信道传输的形式（一般是将原始信号变换成频带适合信道传输的高频信号）。
在调制过程中，调制信号搭载到载波的某个参数上，生成已调波，如下图所示。其中载波多为正弦波，也可以是脉冲序列。
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图05 信号的调制
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video: https://mp.weixin.qq.com/mp/readtemplate?t=pages/video_player_tmpl&action=mpvideo&auto=0&vid=wxv_3411308037086904325
02
基本调制技术
通信系统所采用的调制方式是多种多样的，包括模拟调制和数字调制两大类。
2.1 模拟调制
模拟调制是指模拟信号的调制。
模拟调制分为幅度调制和角度调制，即经调制后，高频载波的幅度或角度随调制信号变化。
常见的幅度调制有调幅（AM）、双边带（DSB）、单边带（SSB）和残留连带（VSB）等。
常见的角度调制有频率调制（FM）和相位调制（PM），其中频率调制较为广泛使用。
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图06 模拟调制
2.2 数字调制
数字调制是指数字信号的调制。
数字调制是现代通信的重要方法，与模拟调制相比，它具有更好的抗干扰性能，更强的抗信道损耗以及更好的安全性。
在模拟调制中应用的调幅 (AM)、调频 (FM)和调相 (PM)，在数字调制中分别称为幅移键控 (ASK)、频移键控 (FSK)和相移键控 (PSK)。
根据一个电磁波波形代表的比特数不同，数字调制分为二进制调制和多进制调制。
在二进制调制中，通常根据不同的幅度、频率和相位来区分波形，分别称为二进制幅移控调制（Amplitude Shift Keying，2ASK）、二进制频移键控调制（Frequency Shift Keying，2FSK）和二进制相移键控调制（Phase Shift Keying，2PSK通常也称为BPSK）。
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图07 二进制数字调制
在2ASK中，载波的幅度只有两种变化状态，分别对应二进制信息“0”或“1”，因此2ASK也称为通-断键控（On Off Keying，OOK）。OOK是一种最简单的二进制振幅键控方式，是最早被运用于无线电报的数字调制方式之一，常作为研究其他数字调制的基础，但其受噪声影响较大，现已较少应用。
2FSK信号的波形可以分解为如上图中的两个波形，因此，一个2FSK信号可以看成是两个不同载频的2ASK信号的叠加。2FSK在数字通信中应用较为广泛，国际电信联盟建议在数据率低于1200b/s时采用2FSK体制。
在2PSK中，通常用初始相位0和π分别表示二进制信息“0”或“1”，即以载波的不同相位直接表示相应的二进制数字信号，这种调制方式称为二进制绝对相移方式。
由于在2PSK信号的解调过程中，存在着180°的相位模糊，恢复的本地载波与所需的相干载波可能同相，也可能反相，恢复出的数字信号“1”和“0”倒置，这种“倒π”现象或“反相工作”使得2PSK在实际中很少采用。
为了克服2PSK的缺点，提出了二进制差分相移键控（2DPSK）方式。2DPSK利用前后相邻码元的载波相对相位变化传递数字信息，也称为二进制相对相移键控。
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图08 2DPSK调制
2DPSK方式解决了载波相位不确定性问题，另外，通过规定当前码元的相位相对于前一码元的相位改变±π/2，使得相邻码元之间必定有相位突跳，接收端检测此突跳以确定每个码元的起止时刻，解决了码元的定时问题。2DPSK是一种实用的数字调相系统，但其抗加性白噪声性能比2PSK的要差。
从上面可以看出，在二进制调制中，每个码元只传输1比特信息，频带利用率不高。为提高频带利用率，最有效的办法是使一个码元传输多个比特的信息，这就是多进制调制。
在多进制调制中，每个码元包含的比特数k和进制数M有关，其关系式为，也就是说，采用多进制信号可提高比特率倍。例如，当M=4时，每个码元含有2比特的信息。
与二进制调制类似，基本的多进制调制也有ASK、FSK、PSK和DPSK等，分别记为多进制振幅键控（MASK）、多进制频移键控（MFSK）、多进制相移键控（MPSK）和多进制差分相移键控（MDPSK）。
MASK又称为多电平振幅键控，它用载波的多种振幅来代表信息。下图为4ASK信号波形，四种振幅分别代表信息00、01、10和11。
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图09 4ASK调制
MFSK用载波的多种频率来代表信息。下图为4FSK信号波形，四种频率分别代表信息00、01、10和11。
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图10 4FSK调制
MPSK用载波的多种相位来代表信息。下图为4PSK信号波形，四种相位分别代表信息00、01、10和11。
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图11 4PSK调制
说明：上图中4PSK信号相位与信息00、01、10和11的对应关系不是唯一的，只要发送端和接收端以相同的方式解释相移，就可以使用不同的对应方案。例如，下表使用相位90°、0°、270°和180°分别代表信息00、01、11和10。
表 1 QPSK信号编码方案之一
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说明：00、01、11、10这种方式排布的码元也称为格雷码，格雷码的相邻码组只有1比特差别，采用格雷码的好处在于相邻相位所代表的2个比特只有一位不同，这样可以降低因相位误差造成错判至相邻相位上的概率。
在MDPSK中，当M=4时，4DPSK以前一码元的相位为参考，表中相位为相移值，即相对于前一相邻码元的相位变化值，其编码方式有A和B两种方案。
表 2 QDPSK信号编码两种方案
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在多进制键控体制中，相位键控的带宽和功率占用方面都具有优势，即带宽占用小和比特信噪比要求低，因此，MPSK和MDPSK调制获得了广泛应用。其中，4PSK（又称QPSK）和4DPSK（又称QDPSK），使用最为广泛。
03
正交振幅调制QAM
3.1 QAM体制
在MPSK和MDPSK调制中，随着M的增大，相邻相位的距离逐渐减小，使噪声容限随之减小，误码率难于保证。如下图所示，使用OOK调制时，随着信号速率的提高，信号的频谱也在变宽。当速率提至100 Gbps时，信号占用的带宽变得大于信道的带宽，相邻信道产生重叠，导致相邻干扰。
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图12 OOK调制的信道重叠导致相邻干扰
为了改善在M变大时的噪声容限，发展出了正交幅度调制（Quadrature Amplitude Modulation，QAM）体制。QAM是振幅和相位联合键控，即信号的振幅和相位作为两个独立的参量同时受到调制。
前面讲到的二进制和多进制键控调制都是单独使用振幅、频率或相位携带信息，与之相比，QAM体制在一个符号周期内可以传输更多的信息，从而实现更高的数据传输速率。
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图13 4QAM调制
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图14 8QAM调制
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图15 16QAM调制
QAM特别适合于频带资源有限的场合。在无线通信系统中，随着QAM的阶数越大，数据速率和频率效率也越高，同时，对噪声和干扰的要求也就越高。
3.2 信号的正交
在几何数学领域，正交（orthogonal）表示垂直。在线性代数领域，两个向量的正交表示其内积为零，两个函数的正交表示其相乘积分为零。
而在通信领域，信号的正交性是指在某种特定条件下，两个或多个信号在时域或频域上彼此垂直，即任意两个信号之间的内积为零。
在时域上，两个信号正交表示它们的波形之间不重叠，即当一个信号的取值达到正的或负的最大值时，另一个取值必为零。
在频域上，两个信号正交表示它的频谱不重叠，即两个信号的频率成分不重合。
由于正交信号相互独立的特点，两个正交的信号可以在通信系统中同时传输而不产生干扰，可以相互独立、互不干扰地承载各自的信息。这样在接收端，由于正交子载波的特性，可以只接收到必要的信号，而其他的信号则是零填充的。
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图16 两个正交信号的波形
3.3 IQ调制
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图17 IQ调制的实现
在IQ调制的硬件实现中，一般使用正弦和余弦函数与I、Q两路信号进行调制，然后再通过合路器合成一个复合信号。IQ调制简化了通信设备的硬件结构，提高了频谱资源的利用效率，是数字通信系统的标配之一，广泛应用于无线通信系统。
3.4 星座图
前面我们提供了4QAM、8QAM和16QAM的波形图，可以看出，随着m阶数的增大，mQAM的数字调制很难可视化。而在数字调制中，调制信号只需表示离散的调制状态，为了更加直观地表示调制中的信号组合，可以在平面直角坐标系中以信号的幅度为横轴，信号的幅度为纵轴，这样画出一个点，把调制中所有的信号组合都画在图中，则会得到一系列符号点，这个图叫做该调制方法的星座映射图，简称为星座图。
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图18 QPSK、8PSK、16QAM、32QAM和64QAM星座图
有了星座图，更高阶的QAM调制，在星座图中只需要更多的点来表示即可。星座图上点的数量，决定了每个符号传输的比特数。
下图给出了WiFi4、 WiFi5和WiFi6对应的QAM星座图。
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图19 64QAM、256QAM和1024QAM星座图
64QAM，64是2的6次方，每个符号能传输6bit的数据。
256QAM，256是2的8次方，每个符号能传输8bit的数据。
1024QAM，1024是2的10次方，每个符号能传输10bit的数据。
256QAM相比64QAM，数据传输的峰值速率提高33%；1024-QAM相比256QAM，数据传输的峰值速率进一步提高25%。
星座图上的每一个点都表示一个符号，可以包含4条信息。
(1) 点在I轴的投影代表同相分量的峰值振幅；
(2) 点在Q轴的投影代表正交分量的峰值振幅；
(3) 点到原点的距离代表调制后的幅度；
(4) 点与I轴的夹角φ代表调制后的相位。
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图20 星座图上单个点的含义
星座图对于判断调制方式的误码率等有很直观的效用。通过观察星座图，可以了解调制方式的复杂性以及系统对噪声和其他干扰的容忍程度。
例如，在QAM调制体制中，随着星座图中符号数量的增加，符号间的距离开始变小，因此就越容易受到噪声和失真的影响，出现错误。
像室内短距应用的WiFi，噪声条件比较理想，更高阶的QAM尚有发挥的空间，但是对于移动无线通信，室外噪声环境极其恶劣，更高阶的QAM挑战极大。例如，在3G移动通信中，16QAM是主流方式；4G移动通信中，64QAM最为常用；而在5G移动通信中，已提升到256QAM。
06
总结
以上就是无人机图传的第二篇介绍内容，总结如下：
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