在這篇文章中，我們討論了射頻調(diào)制的基礎(chǔ)知識以及它如何影響通信系統(tǒng)的性能。

調(diào)制不僅對通信系統(tǒng)（包括無線電廣播、衛(wèi)星鏈路和移動網(wǎng)絡(luò)）至關(guān)重要，而且對雷達、無線電導(dǎo)航和類似技術(shù)的有效運行也至關(guān)重要。然而，掌握其復(fù)雜性可能是一項艱巨的任務(wù)。當今存在大量的調(diào)制技術(shù)，每種技術(shù)都有其獨特的特性和復(fù)雜性。

射頻工程師至少應(yīng)該對調(diào)制理論的基本原理有扎實的理解。在這篇文章中，我們將開始探索這些原理，并了解調(diào)制在通信系統(tǒng)中的關(guān)鍵作用。我們將首先定義調(diào)制并檢查它如何適應(yīng)信號傳輸過程，然后討論調(diào)制方案的選擇如何影響系統(tǒng)性能。

什么是調(diào)制？

假設(shè)我們通過無線電系統(tǒng)傳輸語音或音樂等聽覺信息。音頻頻譜由20Hz至20kHz的頻率分量組成。然而，真實信號的頻譜在零頻率附近是對稱的，因此我們認為我們的信號以原點（f=0）為中心。

這就是我們所說的基帶信號，意思是以f=0為中心的帶限信號。調(diào)制是將基帶信號轉(zhuǎn)換為以非零載波頻率（fc）為中心的通帶信號的過程。圖1（a）顯示了一個示例基帶頻譜；圖1（b）顯示了調(diào)制如何將基帶頻譜偏移±fc。

圖1基帶信號（a）和調(diào)制波（b）的頻譜

您還可以將調(diào)制視為在傳輸之前將基帶信號的信息內(nèi)容傳輸?shù)絉F載波的過程。雖然技術(shù)上可以通過無線信道直接傳輸基帶信號，但首先將其轉(zhuǎn)換為通帶信號通常更有效。

調(diào)制信號的方法有很多種。也許最直接的技術(shù)是調(diào)幅，如圖2所示。

圖2 時域中的示例基帶信號（頂部）及其相應(yīng)的調(diào)幅信號（底部）

在這個例子中，相對緩慢變化的基帶信號（m（t））被改變?yōu)榭焖僮兓恼{(diào)制信號（s（t）。

我們現(xiàn)在對什么是調(diào)制有了一個基本的概念。然而，一個關(guān)鍵的問題仍然存在：如果可以傳輸未調(diào)制的信號，是什么讓調(diào)制成為必要？為了回答這個問題，讓我們從檢查信號如何通過典型的通信系統(tǒng)開始。這將有助于我們將調(diào)制的討論置于更大的背景下。

簡化的通信系統(tǒng)

考慮圖3中的外差發(fā)射機和接收機系統(tǒng)。

圖3外差發(fā)射機和接收機系統(tǒng)的簡化框圖

在這個圖中，輸入信號是我們決定傳輸?shù)幕鶐盘枴０l(fā)射機的總體功能是修改基帶信號以實現(xiàn)高效傳輸。接收器的作用是從它接收到的調(diào)制載波信號中提取基帶數(shù)據(jù)。

讓我們從輸入信號進入發(fā)射機開始，通過系統(tǒng)跟蹤輸入信號。

基帶信號被饋入調(diào)制器，調(diào)制器對中頻（IF）信號的幅度、頻率或相位進行調(diào)制。

上變頻器將調(diào)制器的輸出轉(zhuǎn)換為RF載波頻率。

射頻信號進入發(fā)射機的射頻級，該級包括濾波器、匹配網(wǎng)絡(luò)和功率放大器。射頻階段的目標是確保向天線提供最大功率。它還濾除了由于實際組件和電路的非線性而產(chǎn)生的任何帶外頻率分量。

信號離開發(fā)射機并進入信道，信道只是將信號從發(fā)射機傳輸?shù)浇邮諜C的物理介質(zhì)。在無線連接的背景下，信道就是空氣本身。

在信道的另一端，接收器內(nèi)的RF級采用天線來捕獲高頻信號。通常，它會使用低噪聲放大器來放大信號。

下變頻器將放大的信號轉(zhuǎn)換為中頻。

解調(diào)器從調(diào)制波中檢索原始基帶信號。在語音廣播中，這意味著提取原始語音信號。

請注意，解調(diào)本質(zhì)上與調(diào)制相反。調(diào)制涉及將信息嵌入載波中。解調(diào)從載波中提取信息。

通信障礙：衰減、噪聲和失真

您可能已經(jīng)注意到，上圖中有一個我們沒有提到的塊——連接到通道并標記為“失真和噪聲”的塊

由于它充當自然濾波器，信道在傳播過程中會衰減和失真信號。信號衰減隨著發(fā)射機和接收機之間的距離而增加。同時，信號由于以下現(xiàn)象而失真：

頻率相關(guān)增益

多路徑效應(yīng)

多普勒頻移

此外，信號在穿過信道時會遇到隨機噪聲源的干擾。這些噪聲源包括：

電氣接觸開關(guān)

汽車點火系統(tǒng)

手機輻射

微波爐

閃電和其他大氣擾動。

最后，噪聲不僅是在信號通過信道傳播時引入的。它也在發(fā)射器和接收器的電路內(nèi)產(chǎn)生，主要是由于導(dǎo)體中帶電粒子的隨機運動。

這些缺陷使信號傳輸具有挑戰(zhàn)性。幸運的是，調(diào)制理論可以提供幫助——對于給定的信號衰減和噪聲水平，調(diào)制技術(shù)的選擇是發(fā)射機-接收機系統(tǒng)性能的關(guān)鍵決定因素。讓我們在下一節(jié)中進一步探討這個問題。

調(diào)制方式影響數(shù)據(jù)速率

對于給定的帶寬（B）和信噪比（SNR），可以在通信信道上傳輸?shù)男畔⒘看嬖诶碚撓拗?。該極限稱為信道容量或香農(nóng)極限，由下式給出：

通過為我們提供無差錯通信的最大可能數(shù)據(jù)速率，香農(nóng)的信道容量方程成為調(diào)制技術(shù)效率的基準。香農(nóng)沒有展示如何達到這個理論極限，但他確實證明了這是可能的。因此，工程師們努力設(shè)計調(diào)制方法，使我們能夠接近香農(nóng)極限。

但是調(diào)制技術(shù)的選擇如何影響數(shù)據(jù)速率呢？為了更好地理解這一點，請考慮圖4中的假設(shè)調(diào)制波。在這種調(diào)制方法中，基于兩位輸入信號的狀態(tài)，載波的幅度具有四個不同的電平（A1、A2、A3和A4）。

圖4四電平幅度調(diào)制示例

增加載波幅度電平的數(shù)量使我們能夠通過相同的信道帶寬傳輸更多的信息。例如，利用八個不同的幅度級別，每個級別可以編碼三個比特。

這種技術(shù)的缺點是，更多的級別意味著它們之間的分離更少，使系統(tǒng)更容易受到噪聲干擾。因此，如果我們具有高信噪比，增加電平數(shù)量只是提高數(shù)據(jù)傳輸速率的有效方法。系統(tǒng)的噪聲水平必須足夠低，以防止接收器處的錯誤幅度檢測。

由于載波的振幅和相位代表兩個獨立的自由度，我們可以通過改變載波的相位和振幅來進一步提高信息吞吐量。這兩個自由度表示二維空間的正交基。因此，傳輸符號的星座可以用平面上的點來表示，如圖5所示。

圖5振幅和相位的組合，表示為平面直角坐標系上的點

由此可以明顯看出，數(shù)據(jù)速率取決于我們?nèi)绾握{(diào)制載波。

使用RF載波的其他好處

除了提高數(shù)據(jù)速率外，采用RF載波信號進行數(shù)據(jù)傳輸還可以精確控制輻射頻譜。它還使我們能夠更有效地利用射頻帶寬。通過使用不同的載波頻率，我們可以實現(xiàn)頻分復(fù)用系統(tǒng)，該系統(tǒng)允許同時傳輸來自多個消息源的信號。

此外，在低頻下傳輸信號需要大天線。因此，使用RF載波簡化了發(fā)射機和接收機結(jié)構(gòu)。

總結(jié)

當受到相同程度的信道衰減和接收器噪聲時，不同的調(diào)制方案會產(chǎn)生不同的性能水平。鑒于電磁頻譜的可用性有限，最好選擇一種有效利用頻譜的調(diào)制方案。對于給定的信息速率，高效的調(diào)制方案使用較窄的帶寬。

調(diào)制方案的選擇也會影響發(fā)射機設(shè)計中功率放大器的選擇。某些調(diào)制技術(shù)允許使用非線性功率放大器，這在功耗方面明顯更有效。在接收信號的可檢測性、使用可用頻譜的效率和功率放大器的效率之間存在權(quán)衡。