【數位訊號調變】FSK_ASK_PSK_QAM 的IQ星座圖

■Signal 的頻段(Frequency Range)與帶寬(BW , Bandwidth)

說話 頻段:300Hz ~ 3100Hz 則其BW=3100-300=2.8K Hz

TV (Video+Audio) 其BW = 6M Hz

衛星通訊頻段: 3.7G Hz ~ 4.2G Hz 則其BW =4.2-3.7=0.5G Hz

■Channel的頻段與帶寬

●連通發射端與接收端的通道稱為信道(Channel),信道種類及其頻率如下表

●Channel容量

■信號調變的種類

●類比信號調變的種類

1. AM

2. FM

3. PM

●數位信號調變的種類

數位信號調變種類有下列幾種

■IQ Diagram (即Constellation Diagram,星座圖)

●IQ兩互相正交信號

信號的位置為大小(A)角度(ψ)，若用三角函數將ψ與A(Amplitutde)轉換

為⎾互相正交的I值與Q值˩, 即是I=A*Cos(ψ)，Q=A*Sin(ψ)。

則此信號可表示為 I+Q

●IQ星座圖

數位符號映射到向量坐標系的過程，稱為數位IQ調變(調製)

映射點一般稱為IQ星座圖，橫軸為實部，縱軸為虛部。

從向量角度講，實部與虛部是正交的關係，通常稱實部為In-phase分量，

虛部為Quadrature分量 。

對IQ星座圖而言，大小變化、相位變化、「大小及相位」變化、

甚至頻率變化都可表示。

以頻率變化而言，若載波頻率增加1 Hz，表示反時鐘繞一圈。

【TIPS】Symbol, Bit, Bit rate(bps)間之關係

【視頻】Basics of IQ Signals and IQ modulation & demodulation

■FSK 信號的IQ星座圖

FSK調變是將載波的頻率大小作調整

●2FSK 的IQ星座圖

二進制頻移鍵控 (FSK) 的簡單發送-接收框圖如下所示。

在兩態 FSK 中，一個Symbol指示一個位是為 '0'或'1'。

在四態 FSK 中有四個Symbol，每個Symbol含兩個bit的值。

■ASK的IQ星座圖

ASK調變是將載波的大小作調整。

Amplitude 位移 ,Phase 固定的條件下之IQ星座圖

●2 ASK的IQ星座圖

●4 ASK的IQ星座圖

■PSK 的IQ星座圖

PSK調變是將載波的Phase作調整。

Phase 位移 ,Amplitude 固定的條件下之IQ星座圖

●BPSK (Binary Phase Shift Keying) 的IQ星座圖

BPSK=2PSK

Binary是指兩個Level的調變。

●QPSK (Quadrature Phase Shift Keying) 的IQ星座圖

QPSK=4PSK

推導如下

因 I Signal為 cosωt = 1 而 -cosωt=0

Q Signal為 sinωt=1 而 - sinωt=0

故 QPSK Signal = I Signal +Q Signal

載波角度不同時, 4PSK (QPSK)的IQ星座圖

●2,4,8 PSK的IQ星座圖例

●16 PSK 的IQ星座圖例

I=5 的 16PSK IQ星座圖

●M-ary PSK ( High Order PSK)

指大小(Amplitude)只有一種，而角度(Phase)可有多種的PSK

其IQ星座圖為固定I半徑圓的圓周上M點

■APSK 的IQ星座圖

若PSK 的IQ星座圖的點距過近常產生誤差,因此可增加Ampliotude

的方式(增加同心圈數)來疏散相等數量的信號點, 以增加各信號點距離

●例如16PSK 可改設計成 16APSK

●16 APSK 及32 APSK的IQ星座圖

●64 APSK的IQ星座圖

64-APSK (4 + 12 + 20 + 28) 是ASK和PSK的組合調製系統，其中調製星座

由四個同心環組成，如圖

■QAM的IQ星座圖

QAM指IQ信號的Amplitude與Phase同時變化的調變。

I與Q的大小同時變化下的IQ星座圖種類下

●16 QAM 的IQ星座圖製成方法

上圖參照 https://pt.slideshare.net/fiberoptics4sale/what-is-16-qam-modulation

●各種 QAM 的IQ星座圖

●各種通信標準的QAM調變IQ星座圖

■ Simulink 建模比較 16 QAM, QPSK, BPSK

圖片來源 : http://ecelabs.njit.edu/ece489v2/lab5.php

■AWGN通道

■星座圖可用於判斷調製過程中的誤碼率(Pb)

●星座圖中，點到原點的距離

代表這個點對應信號的能量，離原點越遠，意味著此信號能量越大。
●相鄰兩個點的距離(dm)

表示調製所具有的抗雜訊性能，距離越大，抗雜訊性能越好。

●SNR: Signal-to-Noise Ratio

BER : Bit Error Rate

SER : Symbol Error Rate

●EVM

■IQ星座圖總結

【視頻】Module 4: Digital Modulation

【視頻】What is DP-QPSK? - FO4SALE.COM

【參考資料】

1. 臺灣元培大學資管系 陳哲儀老師 PPT講義

2. https://slidetodoc.com/wireless-communication-systems-cs-nctu-lecture-2-modulation/

3.孫利國教授 https://www.slideserve.com/anne/fundamentals-of-rf-engineering

4. https://slideplayer.com/slide/10799036/