调幅、调频、调相 与 I/Q 调制有什么区别？

shuszhao

无线通信是现在应用最为广泛的通信技术之一，其核心是把要传输的数据调制在载波上发射出去，载波状态的变化承载了不同的信息。
如下图所示，载波信号的状态变化可以分为幅度变化、频率变化以及相位变化，因此对应的就有AM（Amplitude Modulation）或ASK（Amplitude Shift Keying）调制、FM（Frequency Modulation）或FSK（Frequency Shift Keying）调制、PM（Phase Modulation）或PSK（Phase Shift Keying）调制，更复杂的调制中可能同时会改变1个以上的状态量，比如同时改变幅度和相位。早期的无线通信技术中是把模拟量（如语音信息）直接调制在载波上，传输过程中信噪比的恶化会造成传输信息的严重失真。

                               
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现代的无线通信都普遍采用数字调制技术，即把数字化后的信息调制到载波上。这样只要信噪比的恶化控制在一定程度以内，就可以大大减小接收端的误判。再加上数字信号可以采用大量的信号编码和纠错技术，使得数字调制成为了现代无线通信的绝对主流技术。
在数字移动通信、无线网络、卫星通信等应用中，为了提高频谱利用效率，普遍采用I/Q调制技术来实现数字调制。
I/Q调制技术是把要传输的数字信息分为I（In-phase component）支路和Q（Quadrature component）支路，通过I/Q调制器（I/Q Modulator）分别改变载波信号及正交信号（相对于载波信号有90度相位差）的幅度，然后再合成在一起。I/Q调制技术通过控制加载在I路和Q路信号载波上的不同幅度，就可以控制合成后载波信号的幅度以及相位的变化，从而可以承载更多信息。这种调制方式具有实现简单、调制方式灵活、频谱利用效率高等特点，因此在现代移动通信技术中广泛使用。下图是Linear公司的一款I/Q调制器产品（参考资料：www.linear.com）。

                               
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I/Q调制可以控制合成后载波信号的幅度以及相位状态，并用不同的状态代表不同的数据含义。每次信号变化可以表示的状态越多，调制越复杂，但同时每个状态可以表示更多的数据bit，从而在有限的状态跳变速度下可以承载更多的信息内容。为了更好地对载波在某个时刻的幅度和相位信息进行描述，通常用如下图所示的极坐标的方式，其相位的变化可以表示为在极坐标上的旋转，其幅度的变化可以表示为其离原点的距离。
对于数字调制来说，采用的是离散的数字量来控制载波相位和幅度的变化，因此其在极坐标上的状态表示为一个个离散的点，这些点根据不同的调制方式而组成不同的图案，这些图案有时又称为星座图（Constellation）。

                               
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比如，对于BPSK（Binary Phase Shift Keying：二进制相移键控）的调制方式来说，采用相差180度的两个相位状态进行数据的传输，在星座图上就表示为两个相位差180度的点；对于QPSK（Quadrature Phase Shift Keying：四相移键控）的调制方式来说，采用相差90度的四个相位状态进行数据的传输，在星座图上就表示为四个相位差90度的点；而对于16QAM（16-state Quadrature Amplitude Modulation：16状态幅相调制）的调制方式来说，则除了改变载波相位，还会改变载波的幅度，共使用了16个不同的状态进行数据的传输，其在星座图上就表示为16个不同幅度和相位的点。
一般情况下，我们把信号在星座图上每个状态承载的数据内容叫做1个符号（Symbol），每个符号对应星座图上的一个状态，不同状态间的变化速率就叫做符号速率（Symbol Rate），有时又称为波特率（Baud Rate）。
在采用I/Q调制的发射机里，要提高信号的传输速率，主要有两种方式：提高波特率或采用更复杂的调制方式。波特率越高，其在无线传输时的占用的频谱带宽越宽。而通常情况下在民用无线通信中，频谱资源是非常宝贵的，因此很多时候不可能使用非常高的波特率，除非开发新的频谱资源（比如在未来的5G移动通信中会考虑6GHz以及毫米波频段的频谱资源）或者频谱资源是独占的（比如在有些军用或者卫星通信中）。
如果波特率或者频谱带宽已经不能再提高了，要提高信号传输速率，就需要采用更复杂的调制方式。比如在前面的例子里，BPSK调制只有两个状态，每个状态可以传输1bit信息；QPSK调制有四个状态，每个状态可以传输2bit信息；而16QAM调制有16个状态，每个状态可以传输4bit信息。调制方式越复杂，则每个状态就可以传输更多的数据bit，单位带宽下的数据传输速率越高。但要注意的是，调制方式也不是能无限复杂的，调制方式越复杂，对于信噪比的要求也越高，如果信噪比不能提高而单方面采用更复杂的调制方式，则误码率可能会大到不可接受的程度。