802.11 訊號調變（modulation）

7 min readFeb 19, 2025

本文將介紹以下主題

BPSK(Binary Phase Shift Keying)
QPSK(Quadrature Phase Shift Keying)
QAM(Quadrature Amplitude Modulation)
OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)

BPSK

BPSK是 Wi-Fi 和其他無線通訊系統中用於傳輸資料的數位調變方案(digital modulation scheme)，是一種振幅調變(amplitude modulation)形式，其中載波訊號的相位被移動以呈現二進位符號和BPSK。每個二進位符號被映射到載波訊號的特定相移。BPSK的每個二進位符號會對應到載波訊號的特定相移(如上圖所示)。

例如，零度的相移可以呈現成二進位的0，而 180 度的相移可以呈現二進位1。這個調變方案允許每個符號傳遞一個位元的訊息，一個符號代表上圖的一個特定位置點，每個符號對應一個獨特的振幅和相位組合，攜帶一定量的資訊。

BPSK的星座圖(constellation diagram — 上圖左方)通常由兩個點組成，通常用加號和減號符號表示，加號可能表示二進制的“一”，而減號表示二進制的“零”位元。現在，這些點根據其各自的相位和振幅在圖中定位。星座圖中的值通常用於直觀地表示調變方案(modulation scheme)。它顯示了不同相移和相應的二進位符號之間的關係。

對 BPSK來說，星座圖通常顯示兩個點，一個點代表零相移，另一個點代表 180 度相移。BPSK的關鍵優勢在於簡單，由於它只使用兩個相移，因此實現和解碼相對簡單，並且還能抵禦雜訊干擾，適合用於訊號雜訊比適中的通訊環境。

QPSK

QPSK 是一種調變，其中載波訊號被分成四個相移，分別為不同的零度、90度、180度和 270度。每個相移對應兩個位元的唯一組合。

例如，零度的相移可能呈現是二進位符號的零，而 90 度的相移可能表示01(如上圖)等等。這使得QPSK能夠透過每個符號傳輸兩位元訊息。與 BPSK等簡單調變方案相比，QPSK 的優勢在於能夠透過每個符號傳輸多個位元來實現更高的資料速率。

QPSK 增加了系統的整體吞吐量，使其適用於需要高速資料傳輸的AP。但與BPSK相比，QPSK更容易受到噪音(noise)和干擾。 QPSK的複雜度增加需要更精確的相位偵測和解碼機制(phase detection and decoding mechanisms)。這會讓接收器對接收訊號相位的變化更加敏感。為了緩解這些挑戰，通常採用"前向錯誤修正(forward error correction)"等先進的糾錯技術和基於QPSK 的系統。

QAM

QAM是Wi-Fi和其他無線通訊系統中廣泛使用的數位調變方案。它結合振幅和相位調變(amplitude and phase modulation)，以每個符號傳輸多位資訊，從而實現更高的資料速率和更高的頻譜效率。它提供強大的糾錯功能，有助於減輕噪音和干擾。

QAM的優勢在於它能夠同時傳輸多個位元，最大化特定頻寬內的資料吞吐量，並且透過調變振幅和相位(amplitude and phase)，與BPSK 或QPSK 等簡單調變方案相比，QAM 可以實現更高的數據速率。

所謂的Quad和Quadature是指調變方案中使用的正交分量(Quadrature component)。在QAM中，星座圖被分為四個象限(如上圖)，代表振幅和相位的不同組合，訊號由同相和正交分量( in-phase and Quadrature components)組成，它們組合起來呈現所需的符號。所謂的同相(in-phase)是與參考訊號一致的訊號分量。同相分量(phase component)的背景脈絡呈現載波訊號的振幅調變。

我們來用一個類比來理解同相(in-phase)，想像一群舞者在集體表演時，所有舞者都完全同步，同時移動和執行他們的舞步，那麼他們就被認為彼此同步(in-Phase)。他們的動作與所需的舞蹈編排一致，而 QAM透過增加星座圖中的點數實現了更高的數據速率。

例如，對於QAM來說，有四個點允許每個符號傳輸一個位元符號(bit per symbol)。Higher order QAM方案具有更多的點，從而能夠每個符號傳輸更多的位元。

16 QAM

上圖星座圖代表 16 個不同的點，每個點對應一個獨特的振幅和相位組合。並且這些點在圖中均勻分佈，形成網格狀圖案並傳輸資料。16 QAM 每次調變 4 bit成一組，每一組代表星座圖中的特定點，並且載波訊號的振幅和相位經過調整以匹配星座圖中選定的點，從而對相應的4 bit進行編碼。

與BPSK或QPSK等更簡單的調變方案進行比較。 16 QAM允許更高的資料速率，因為它每個符號傳輸更多的位元數，但由於星座圖中的點數增加，需要強大的糾錯技術來維持可靠的通信，因此更容易受到雜訊和干擾。

64 QAM

64 QAM 是一種進階的調變方案(higher order modulation)，可實現更高的資料速率並提高效率。 64 QAM星座圖由 64 個獨特點組成，每個點代表振幅和相位的特定組合。在 64 QAM 中，6 bits會被分成一組被映射到上圖星座圖中的 64 個點。載波訊號的振幅和相位被調整以匹配選定的點，從而實現每個符號傳輸6 bits。

與 16 QAM或 4 QAM等低階(lower order) QAM方案相比，這種高階調變方案允許更大的資料吞吐量。當我們說6 bits per symbol時，這意味著星座圖上特定點所代表的每個符號都攜帶相當於6位元資料的資訊。而星座圖中的64個點，正如我們剛才所理解的，代表著幅度和相位的不同組合。每個點對應一個獨特的6位元模式。

但正如我們之前不斷看到的，星座圖中點的數量增加使得 64 QAM更容易受到噪音和干擾。點之間的間距越近，就需要更精確的接收器來準確解碼傳輸的資料。而通常採用前向糾錯編碼(forward error correction coding)等糾錯技術來減輕通道損傷(channel impairments)的影響並確保可靠的通訊。

OFDM

OFDM我們已經在 RF 技術模組中說明。因此，這更像是對該調變方案的概述，但由於它是一種調變方案，因此我們將其涵蓋在本文中。OFDM將可用的頻譜劃分為多個正交的(orthogonal)、間距很近的子載波，這樣就可以利用多個子載波同時傳輸多個資料流。

OFDM的效益如下:

它有助於抵抗多路徑干擾的不利影響，這種影響發生在訊號從物體反射並以不同的延遲到達接收器時。子載波的正交性使得接收器即使在存在多路徑衰落(multipath fading)的情況下也能夠接收和恢復傳輸的資料。
OFDM 對窄帶干擾(narrowband interference)具有強烈的韌性。如果窄帶干擾僅影響少數子載波，則剩餘子載波仍可承載數據，從而維持整體系統效能。

此外，OFDM 還可以透過獨立調整每個子載波的調變編碼方案(modulation encoding schemes)來實現靈活的資料速率自適應(flexible data rate adaptation)。不同的子載波可以根據通道條件以不同的速率傳輸資料。

現在這種適應性提高了系統的整體效率和可靠性，而 OFDM 是各種無線標準的基本組成部分，包括 Wi-Fi 4-11n、Wi-Fi 5-11ac 和 Wi-Fi6-11ax 。