什么是調制？
前言：一張寫滿求救信息的紙，需要讓馬路對面的人看到。我們可以讓紙飄過去，但這通常很難奏效；也可以折成紙飛機，讓它飛過去，但很難保證距離和落地點。當然，更好的辦法是將紙與合適的小石頭包裹在一起，瞄準對邊扔過去，這種方式應該是最有效的。
在通信系統中也一樣。原始信息通常是頻率很低的頻譜分量，一般來說不適合直播接在信道上進行傳輸。如果沒有經過處理，是很能有效的傳輸的并保證傳的足夠遠。那么我們如何解決這個問題呢？
人們發現，只需要將原始信號變換成適合信道傳道傳輸的頻率信號，通常是一個高頻信號。這個高頻就是信號的載體。調制是干啥呢，通俗來講就是進行頻譜搬移，使得一種波形的某些特性按另一種波形或信號而變化，比如說基帶信號（原始信息）控制載波信號中的某個參數或多個參數的變化的過程，這些參數隨著基帶信號的規律而交化。
比如說我們有一個簡單的二進制信號，它只包含兩種狀態：高電平和低電平。在光纖通信中，我們可以將高電平對應于光波的峰值，低電平對應于光波的谷值。這樣，我們就可以將這個二進制信號編碼到光波上，并通過光纖進行傳輸。
在無線通信領域，我們依賴于電磁波來實現信息的傳遞。通過調制的手段，我們可以對原始信號的頻譜進行搬移，也就是改變其頻率。經過調制后得到的信號被稱為已調信號，這個信號不僅攜帶著信息，而且更適合在通信信道中進行傳輸。無線通信中的調制多是模擬調制。
在光纖通信中，我們使用調制技術將數字信號的頻譜搬移到光纖的低損耗波長區域。在這個區域的窗口內，光信號的傳輸損耗較低，能夠實現長距離傳輸。光纖通信中的調制基本上是數字調制。
那么調制的載體是什么？相當于在文章開頭，紙張通過小石頭這個載體扔出去。在通信系統中，能用哪些參數的變化代表0和1的變化。我們使用光載波的電場公式來解釋：E = A * sin(2πft + φ)其中，E 表示電場強度，A 表示電場振幅，f 表示頻率，t 表示時間，φ 表示初相角。這個公式描述了光載波的電場強度隨時間的變化，其中頻率 f 和初相角 φ 可以用來描述光的周期性振蕩，而電場振幅 A 則反映了光的強度。
基于上以公式的不同參量，我們可以有不同的調制方式，主要可以分為：ASK, FSK, 和PSK等。這些調制最開始主要在無線通信系統中，后面應用到光纖通信系統中。
- ASK 幅移鍵控(Amplitude shift keying)， 2ASK也叫開關鍵控 OOK (On-off keying)，多級幅移鍵控M-ASK如PAM4,PAM8等；
- PSK 相移鍵控(Phase shift keying)：DPSK, DQPSK, BPSK, QPSK, PM-QPSK；
- FSK 頻移鍵控(Frequency shift keying)；
- POSK 偏振調制(Polarization shift keying)。
基于上以基礎調制，還衍生出很多復合調制，如PM-QPSK在偏振態、相位和波形多個維度進行調制以及正交幅度調制QAM（Quadrature Amplitude Modulation）等復合調制方式也已經在廣泛應用，并成為光纖通信調制方式中的主流，如16QAM，64QAM等在200G以及400G等速率的波分系統中廣泛使用。
在調制里面我們有兩個繞不開的概念：波特率，并與之相關的比特率。
- 波特率：每秒傳送的信號變化次數，即碼元速率B，代表單位時間內傳輸的碼元個數，單位為波特(baud，簡寫Bd)。一個數字脈沖為一個碼元，若碼元的寬度為T秒，則B=1/。
- 比特率：每秒傳送的比特數，即數據傳輸速率R，單位為比特/秒(b/s或bps)。
可以看出，比特率和波特率既有聯系，又有區別。下面是一個彩球信息傳遞的舉例。
- 波特率：你和朋友約定了一個方法來傳遞信息。你們使用不同顏色的球來代表不同的信息。每秒鐘，你可以扔一個球給你的朋友。所以，如果你每秒扔一個球，那么波特率就是1Bd。波特率實際上描述了你每秒扔球的速度。
- 比特率：雖然你每秒只扔一個球，但是球的顏色可以有很多種，每種顏色都有其特定的含義。例如，紅色可能代表“00”，藍色代表“01”，綠色代表“10”，黃色代表“11”。所以雖然你每秒只扔一個球（波特率為1Bd），但每個球實際上可以傳遞2比特的信息，比特率是2bps。簡單說，比特率描述的是你每秒傳遞的數據量。
當然，比特率和波特率是可以通過如下公式進行量化換算的：R=1/T*1og2M其中R為比特率，T為碼元周期，B為波特率，M表示進制。
舉兩個栗子說明，對于開關鍵控OOK，用幅度的有無來表示1和0，一個碼元所攜帶的離散數 M=2。給出調制器的電信號的波特率為10G速率等級，即B=10。調制后輸出的信號比特率是：R=B*log2M=10*10g22=10*1=10Gbps對于16階正交幅度調制QAM，如下圖所示，表示符號數M=16。同時給出調制器的電信號波特率為32G速率等級，那么B=32，調制后輸出的信號比特率是：R=B*1og2M=32*10log216=32*4=112Gbps
一般情況下比特率是高于波特率的，以讓信息傳遞盡可能的多。在高階調制中，如上面的16QAM，一個信號符號4比特或更多。此時每個信號符號編碼多于1比特的數據，比特率大于波特率。
另外與調制強相關的一個參數是頻譜效率（bit/s/Hz）。定義為單位帶寬傳輸頻道上每秒可傳輸的比特率。一般來說高階調制可以帶來更高的頻譜效率，但是頻譜效率/調制的提高，又會限制傳輸距離。
頻譜效率這個話題后面再細說。碼了一下午的字，若有不妥之處望見諒。
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