正交幅度调制

概念定义

正交幅度调制（Quadrature Amplitude Modulation，QAM）是一种利用两路相互正交的载波传输信息的调制方式。两路载波通常采用相位相差90度（π/2）的正弦波，可分别称为同相分量与正交分量。发送端分别改变两路载波的幅度，再将它们叠加为一个信号；从合成信号观察，其幅度和相位都可能随码元变化。

数字QAM通常以星座图表示信号集合。星座图的横轴和纵轴对应两路正交分量，每个星座点代表一种可发送的符号。若信号集合包含M个星座点，便称为M-QAM。数字数据多以二进制表示，因此星座点数量一般为2的幂，常见形式包括16-QAM、64-QAM和256-QAM，分别可在一个符号中表示4、6和8比特。

工作原理

M-QAM信号可表示为两路正交载波的叠加：一路以余弦载波传送幅度系数，另一路以正弦载波传送另一幅度系数，并由码元脉冲控制持续时间。由于两路载波彼此正交，接收端可分别恢复两个分量，再依据恢复结果判断最接近的星座点，完成符号与比特解码。

矩形QAM的星座点通常按水平和垂直方向等间距排列，可分解为两个正交载波上的脉冲幅度调制（PAM），因而调制与解调相对简单。非矩形QAM可采用环状或不规则排列，部分排列能够改善特定条件下的平均能量或点间距离，但实现与错误率分析更复杂。实际比特映射可采用格雷码，使相邻符号通常只相差一个比特，以降低相邻星座点误判对比特错误率的影响。

技术构成与效能

QAM系统的核心构成包括二进制数据至星座符号的映射、两路正交载波、码元脉冲、信号合成，以及接收端的幅度和相位检测。QAM星座点的幅度并不完全相同，因此接收端必须同时正确辨识幅度与相位；相比只需检测相位的PSK，这会增加解调复杂度。用于ADSL时，接收器还可通过自适应均衡器补偿线路传输造成的信号失真。

星座点越多，每个符号可承载的信息量越大。在平均能量保持不变时，增加星座点会缩小相邻点之间的距离，使信号更容易受到噪声或失真的影响，并可能提高误码率。因此，高阶QAM在信息承载量与可靠性之间形成取舍。数字通信常以误符号率、误比特率及其与信噪比的关系衡量QAM效能，具体结果也受星座排列和比特映射方式影响。

应用场景

QAM用于需要在有限信道中传输较多数据的数字通信系统，应用包括ADSL、数字电视、Wi-Fi及卫星通信。模拟QAM也有实际用途，NTSC和PAL电视制式利用正交载波传输不同的颜色分量。采用QAM时，信道带宽至少需要等于码元速率；为支持定时恢复，通常还需要额外带宽。