前言

目前的通信系统中，QAM调制应用广泛，因为其利用幅度和相位同时传递i信息，提高了频带利用率。目前，最高阶数的QAM已达到1024-QAM即星座图有1024个点。虽然QAM应用广泛，但是由于其产生的信号是复数信号，无法直接应用在基于强度调制/直接检测（IM/DD）系统中，所以一种改进的QAM调制格式对于可见光通信领域就显得尤其重要，它就是CAP调制技术。

一、QAM调制？

正交幅度调制（QAM）是一种将两种调幅信号聚合在一起的调制方法。正交调幅信号由两个频率相同，相位相差90°的载波，分别称为I支路信号（同相支路）和Q支路信号（正交支路），两种被调制的载波在发送端被混合，在整体上显示为对载波的幅度和相位同时进行调制。

图1描述了QAM调制的系统框图，QAM调制器的原理是发送数据首先被分为两路，速率变为原来的1/2，在经过比特编码器转换为多电平信号，然后分别与一对正交的调制载波相乘，求和后输出。采用QAM技术，要求信道带宽要大于等于码元速率，同时由于定时的需要，还需要增加额外的带宽来发送定时序列。与其他的调制技术相比，QAM能够更加充分地利用带宽，并且有较好的抗噪声性能。但是，在可见光通信的应用场景下，由于其传输的数据是复数信号，并且由于LED等光电器件的非线性效应，并不能像QAM一样容易恢复出同频同相的载波，所以需要一种有效的调制方式能够应用在可见光通信系统中。

二、无载波幅度和相位调制（CAP)

CAP调制（Carrierless Amplitude and Phase,无载波幅度和相位）调制方式是一种多维多阶的调制技术，它在20世纪70年代首先由贝尔实验室提出。采用这种调制技术，可以在有限带宽的条件下实现高频谱效率的高速传输。CAP调制在调制过程没有与载波相乘的部分，而是直接利用相互正交的成型滤波器来形成带通脉冲信号，通过改变同相和正交支路的波形反应所传递的数据流，因此这种技术被称为“无载波”。下图所示为可见光通信系统中CAP调制解调系统框图：

在发射端，原始的比特流进行QAM映射，然后进行与滤波器相同程度的上采样，然后将符号的实虚部分离并分别通过相互正交的整形滤波器，而这两个相互正交的整形滤波器就是通过对原始的脉冲整形滤波器分别乘以cos函数和sin函数而得到的，具体的可参考下图：

其中g(t)是脉冲整形滤波器，一般采用的是平方根升余弦脉冲（SRRC）。

三、CAP调制与QAM调制之间的联系（异同点）

CAP调制可以看作是QAM调制的一种在数字域实现的调制方式。通过对CAP调制和QAM调制在数学表达式上的分析和比较，可以发现两者几乎完全相同。从相同点的角度来看，两种调制方式都是对信号进行两路数据的分离，都有4、8、16、64阶等高阶调制格式。从不同点的角度看，QAM信号是在电域或者光域（模拟域）实现的，而且其传输的是复数信号，而CAP调制利用两个正交的数字滤波器在数字域实现调制，其传输的是实数信号。

四、CAP调制相比于QAM调制的优缺点

4.1、优点

在可见光通信场景中，CAP调制不再需要电或者光的复数信号到实数信号的转换，这种转换通常需要一个混频器、射频源或者一个光IQ调制器来实现。与此同时，相比于OFDM调制，CAP调制也不再需要采用离散傅里叶变换（DFT），从而极大地减少了计算复杂度和系统的结构。

4.2、缺点

由于CAP调制“无载波”的特性，在接收端没有同频同相的载波来去除不同支路的分量，其眼图的眼睛睁开程度相比于QAM会小很多。所以同步性在CAP调制中是非常重要的，采样时间的偏移不仅会引起ISI，更会引起很高的ICI，采样严格控制在眼睛的睁开点才能恢复出所需数据。

五、无载波幅度和相位调制matlab程序

具体可以参考以下CSDN资源下载链接：

无载波幅度和相位调制（CAP Modulation)matlab代码，绝对可靠

该程序是博主自己科研学术中查阅资料和文献写出来的CAP Modulation MATLAB程序。

五、Reference

[1] 田行健. 基于室内可见光通信系统的无载波幅度相位调制技术（CAP）的研究[D].北京邮电大学,2017.
[2] K. O. Akande, P. A. Haigh and W. O. Popoola, “On the Implementation of Carrierless Amplitude and Phase Modulation in Visible Light Communication,” in IEEE Access, vol. 6, pp. 60532-60546, 2018, doi: 10.1109/ACCESS.2018.2876001.

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