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CM · 数字调制

数字调制 ASK·FSK·PSK

正弦载波只有三个可变的旋钮:幅度、频率、相位。按比特切换其中一个,就分别得到 ASK、FSK、PSK。用三种方式看同一比特流,学习哪一种抗噪。

同样的比特,三个旋钮

依次点击 ASK、FSK、PSK。同样的比特流 1 0 1 1 0 会呈现为三种波形——把幅度开关、在两个频率间切换、或翻转相位。

当前切换的旋钮
ASK : A → {0, 1}
幅度 · 易受噪声

载波的三个旋钮

写出一条正弦波就是 s(t) = A cos(2π f t + φ)。能动手的量只有幅度 A、频率 f、相位 φ 三个。数字调制把比特 0 与 1 对应到这三者之一的两个取值,每当比特改变就拨动那个旋钮。选哪个旋钮,就定下方式的名字。

ASK、FSK、PSK

ASK 把幅度开关——1 就发载波,0 就关掉——最简单,但信息在幅度上,会被幅度噪声直接晃动。FSK 让幅度恒定、在两个频率间切换,较少受幅度噪声影响。PSK 固定幅度与频率,把相位在 0 与 π 间翻转。在相同信号功率下,0 与 π 是星座图上相距最远的两点,所以 PSK 在三者中最抗噪。

观察s(t) = A cos(2π f t + φ)
旋钮有三个——幅度 A、频率 f、相位 φ。
选择Δφ → ?
切换相位的是 PSK。

把比特打包成符号

把相位从两个增加到四个、八个,一个符号就能携带更多比特。用 M 个相位,每个符号承载 n = log₂ M 比特:4-PSK 每符号 2 比特,8-PSK 3 比特,以此类推。但同一圆上点越多,彼此越近,越易受噪声影响。想发得更快的贪心与抗噪的安全之间的这笔交易,引出下一单元的带宽与符号率。

填空n = log₂ ?
M 个相位每符号 log₂ M 比特。
自己来Rb = n · ?
比特率 = 每符号比特 × 符号率。

回到第一屏

ASK 中每个 1 让载波点亮、每个 0 让它熄灭;FSK 中幅度不变而只有频率一分为二;PSK 中每来一个 0 相位就翻转一次。三者都只是把同样的比特流放在同样的载波上,区别仅在于拨动了幅度、频率、相位中的哪个旋钮。而用相位的 PSK 在相同功率下最抗噪。数字调制要听懂的只有这一件事。

数字调制把比特放在载波的某一个旋钮上发送。ASK 切换幅度,FSK 切换频率,PSK 切换相位,按比特在两个取值间切换。PSK 因相位 0 与 π 相距最远,在相同功率下最抗噪。把相位增加到 M 个的 M 进方式每符号承载 n = log₂ M 比特,比特率为 Rb = n Rs。

下一单元

把符号发得更快,或每符号塞更多比特,都快,但两者都有极限。下一单元看在给定带宽里符号能发多快,符号率与带宽如何绑在一起。奈奎斯特信号率和每秒每赫兹的比特效率是起点。