QAM调制技术为何产生？-晟辉智能制造

频谱效率的瓶颈与早期探索 (1930s - 1950s)

QAM技术的产生，根本驱动力是对通信频谱效率的极致追求。

（图片来源网络，侵删）

问题的提出：
- 在早期无线电通信中，最常用的调制方式是幅度调制和频率调制。
- AM（调幅）：通过改变载波信号的幅度来传输信息，它的优点是技术简单，但频谱效率低,且抗干扰能力差。
- FM（调频）：通过改变载波信号的频率来传输信息，它的抗噪声性能比AM好，音质更佳，但同样频谱效率不高,而且占用带宽更大。
- 随着通信需求的增长，人们发现这些传统方式占用的频谱太“宽裕”了，宝贵的频谱资源被大量浪费，如何在有限的带宽内容纳更多的数据,成为一个核心挑战。
早期理论基础：
- 早在1934年，法国电信工程师Alexandre Karayan和Félix Escallier就提出了利用载波的两个正交分量（幅度和相位）同时传输信息的想法,这可以看作是QAM概念的雏形。
- 当时，这种想法主要停留在理论和专利层面，受限于当时电子器件（如振荡器、滤波器、解调器）的性能和成本,难以实现。

这一时期,为QAM的实用化铺平了道路。

矢量图的引入：
（图片来源网络，侵删）
- 工程师们开始使用矢量图或星座图来直观地表示数字调制信号，在星座图中，每个点代表一个特定的比特组合,其位置由载波的幅度和相位决定。
- 这种可视化工具极大地帮助了工程师理解和设计复杂的调制方案，比如QAM，他们可以清晰地看到不同符号之间的距离,从而评估系统的抗噪声能力。
正交载波技术的成熟：
- QAM的核心是利用正交载波，两个频率相同、相位相差90度（π/2）的正弦波，它们是“正交”的。
- 数学上，正交意味着一个信号在另一个信号上的投影为零，我们可以将两个独立的信号（比如一路代表“同相”I，一路代表“正交”Q）分别调制到这两个正交的载波上，然后在接收端通过相应的解调器将它们完美地分离出来,而不会互相干扰。
- 这就像在一个十字路口，一个车流沿着东西方向行驶，另一个沿着南北方向行驶，它们可以互不干扰地同时通行，这种技术被称为正交幅度调制。

在理论和技术基础都具备后,QAM开始从实验室走向实际应用。

第一个商用QAM调制解调器：
- 1960年，美国贝尔实验室的C. R. Chandler发明了第一个商用的QAM调制解调器，这个设备可以在标准的电话线（带宽约3kHz）上实现高达9600 bps的数据传输速率。
- 这在当时是一个巨大的突破，相比之下，传统的V.22bis调制解调器只能达到2400 bps，QAM通过在一个符号中传输多个比特（16-QAM的一个符号可以代表4个比特）,极大地提升了数据速率。
- 这标志着QAM技术首次在商业上取得成功,主要用于早期的计算机数据通信。
彩色电视信号的传输：
（图片来源网络，侵删）
- QAM在另一个影响深远的领域——广播电视——中找到了重要应用，为了在黑白电视的带宽内传输彩色信息，工程师们开发了NTSC（美国）、PAL（欧洲）和SECAM（法国）等彩色电视标准。
- 这些标准都采用了正交调幅来传输色度信息，NTSC标准中，用一个载波（称为“色副载波”）同时传输色度（由Q信号调制）和色饱和度（由I信号调制），这与QAM的原理完全一致，是QAM技术一个大规模、高影响力的应用范例。

随着数字通信时代的到来，QAM技术迎来了爆发式的发展,并成为现代通信系统的核心技术之一。

与数字通信的结合：
- QAM天然适合数字调制，通过将二进制数据流映射到星座图的不同点上，每个点代表一个特定的符号,每个符号可以携带多个比特。
- - 4-QAM (QPSK)：每个符号代表2个比特。
  - 16-QAM：每个符号代表4个比特。
  - 64-QAM：每个符号代表6个比特。
  - 256-QAM：每个符号代表8个比特。
- 星座图上的点数越多（阶数越高），频谱效率就越高，但同时对噪声和失真也越敏感,需要更好的信道质量和更先进的信号处理技术。
在关键通信标准中的统治地位：
- 有线电视：DOCSIS（Data Over Cable Service Interface Specification）标准，也就是我们常说的有线电视宽带，广泛使用 64-QAM 和 256-QAM 来提供高速互联网接入，最新的标准甚至支持 1024-QAM 和 4096-QAM。
- 数字视频广播：DVB-C（有线电视）、DVB-T（地面数字电视）等标准都采用QAM调制来传输高清电视信号。
- 无线通信：
  - Wi-Fi (IEEE 802.11)：从802.11g开始，QAM就成为了Wi-Fi的核心调制技术，802.11n/ac/ax（Wi-Fi 5/6/6E）等标准广泛使用 64-QAM 和 256-QAM，而最新的Wi-Fi 7（802.11be）更是引入了 4K-QAM（4096-QAM）,进一步提升了速率。
  - 蜂窝网络：4G LTE和5G NR都采用高阶QAM（如64-QAM, 256-QAM）作为下行链路的主要调制方式,以实现高速数据传输。

QAM调制技术的产生可以总结为一条清晰的演进路径：

驱动力：对频谱效率的无限追求,希望用有限的带宽传输更多的数据。
理论基础：早期工程师对正交分量同时传输的构想，以及矢量图/星座图的发明,为复杂调制提供了设计工具。
技术实现：正交载波技术的成熟，使得I、Q两路信号可以独立调制和解调,互不干扰。
早期应用：在调制解调器和彩色电视中率先实现商业化,证明了其技术可行性和巨大价值。
爆发发展：与数字通信完美结合，通过提高星座图的阶数（从16-QAM到4096-QAM），成为现代有线（有线电视）和无线（Wi-Fi, 4G/5G）通信系统的基石。

QAM并非由某一个人在某一天突然发明的，而是随着通信理论的深入、电子技术的进步和市场需求的变化，逐步演进、成熟并最终成为我们今天所依赖的关键技术，它的历史，就是一部人类不断挑战通信极限、追求更高效率的奋斗史。