调制不仅对通信系统至关重要——包括无线电广播、卫星链路和移动网络——而且对于雷达、无线电导航等类似技术的有效运行也是必不可少的。然而，掌握其复杂性可能是一个艰巨的任务。如今存在大量的调制技术，每种技术都有其独特的属性和复杂性。
至少，射频工程师应该对调制理论的基本原理有一个扎实的理解。在这篇文章中，我们将开始一段旅程，揭开这些原理，并建立对调制在通信系统中关键作用的理解。我们将首先定义调制，并检查它如何适应信号传输过程，然后讨论调制方案的选择如何影响系统性能。
什么是调制？
假设我们通过无线电系统传输声音信息，如语音或音乐。音频频谱由20 Hz到20 kHz的频率分量组成。然而，实际信号的频谱是围绕零频率对称的，所以我们认为我们的信号以原点为中心（f = 0）。
这就是我们所说的基带信号，意味着一个以f = 0为中心的带限信号。调制是将基带信号转换为以非零载波频率（fc）为中心的通带信号的过程。图1(a)显示了一个基带频谱的例子；图1(b)展示了调制如何将基带频谱通过±fc进行移动。
图1. 基带信号的频谱（a）和调制波的频谱（b）。
你也可以将调制视为在传输前将基带信号的信息内容转移到射频载波上的过程。虽然从技术上讲，直接通过无线电信道传输基带信号是可能的，但首先将其转换为通带信号通常要有效得多。
调制信号有多种不同的方法。也许最直接的技术是幅度调制，如图2所示。
图2. 时域中的一个基带信号示例（上）及其对应的幅度调制信号（下）。
在这个例子中，一个变化相对较慢的基带信号（m(t)）被转换成一个变化迅速的调制信号（s(t)），其幅度随着m(t)的幅度变化而变化。
现在我们对调制有了基本的了解。然而，一个关键问题仍然存在：如果可以直接传输未调制的信号，那么调制的必要性是什么？为了回答这个问题，让我们首先检查信号是如何通过典型的通信系统的。这将帮助我们把对调制的讨论放在更大的背景中。
简化的通信系统
考虑图3中的外差式发射机和接收机系统。
图3. 外差式发射机和接收系统的简化框图。
在这个图中，输入信号就是我们决定传输的基带信号。发射机的总体功能是修改基带信号以实现高效传输。接收机的作用是从接收到的调制载波信号中提取基带数据。
让我们从输入信号进入发射机开始，跟随它穿过整个系统。
基带信号被送入调制器，调制器调制中频（IF）信号的幅度、频率或相位。
上变频器将调制器的输出转换为射频（RF）载波频率。
射频信号进入发射机的射频阶段，包括滤波器、匹配网络和功率放大器。射频阶段的目标是确保最大功率传输到天线。它还滤除由于实际组件和电路的非线性而产生的任何带外频率分量。
信号离开发射机并进入信道，信道简单地说是将信号从发射机传输到接收机的物理介质。在无线连接的背景下，信道就是空气本身。
在信道的另一端，接收机的射频阶段使用天线捕获高频信号。通常，然后会使用低噪声放大器来放大信号。
下变频器将放大的信号转换为中频。
解调器从调制波中检索原始基带信号。在语音无线电中，这意味着提取原始的语音信号。
请注意，解调本质上是调制的逆过程。调制涉及将信息嵌入到载波波中。解调从载波中提取信息。
通信障碍：衰减、噪声和失真
正如你可能已经注意到的，上面图中有一个我们还没有提到的块——与信道相连并标记为“失真和噪声”的块。
由于信道充当自然滤波器，因此在信号传播过程中可能会衰减和失真信号。信号衰减随着发射机和接收机之间的距离增加而增加。同时，由于以下现象，信号会发生失真：
- 频率赖性增益。
- 多径效应。
- 多普勒频移。
此外，信号在穿越信道时会遇到来自随机噪声源的干扰。这些噪声源包括：
- 电气接触开关。
- 汽车点火系统。
- 手机发射。
- 微波炉。
- 雷电和其他大气干扰。
最后，噪声不仅在信号通过信道传播时引入。它也是在发射机和接收机的电路内部产生的，主要是由于导体中带电粒子的随机运动。
这些不完美使得信号传输具有挑战性。幸运的是，调制理论可以帮助——对于给定的信号衰减和噪声水平，调制技术的选择是发射机-接收机系统性能的关键决定因素。让我们在下一节进一步探讨这一点。
调制方法影响数据速率
对于给定带宽（B）和信噪比（SNR），通过通信信道可以传输的信息量有一个理论极限。这个极限被称为信道容量或香农极限，由以下公式给出：
香农信道容量方程为我们提供了无误差通信的最大可能数据速率，它作为调制技术效率的基准。香农没有展示如何达到这个理论极限，但他确实证明了这是可能的。因此，工程师们努力设计调制方法，使我们能够接近香农极限。
但是，调制技术的选择如何影响数据速率呢？为了更好地理解这一点，请考虑图4中的假设调制波。在这种调制方法中，载波的幅度根据两比特输入信号的状态，取四个不同的水平（A1、A2、A3和A4）。
增加载波幅度水平的数量允许我们通过相同的信道带宽传输更多的信息。例如，使用八个不同的幅度水平可以让每个水平编码三个比特。
这种技术的不利之处在于，更多的水平意味着它们之间的分隔更小，这使得系统更容易受到噪声干扰的影响。因此，只有在我们有高信噪比的情况下，增加水平数量才是提高数据传输速率的有效方式。系统的噪声水平必须足够低，以防止接收器错误地检测幅度。
由于载波波的幅度和相位代表了两个独立的自由度，我们可以通过改变载波的相位和幅度来进一步提高信息吞吐量。这两个自由度代表了二维空间的正交基。因此，传输符号的星座图可以由平面上的点来表示，如图5所示。
图5. 幅度和相位的组合在平面上表示为点的星座图。
从这里可以看出，数据速率取决于我们如何调制载波波。
使用射频载波波的其他好处
除了提高数据速率外，使用射频载波信号进行数据传输还可以精确控制辐射的频率谱。它还允许我们更有效地利用射频带宽。通过使用不同的载波频率，我们可以实施频分复用系统，允许多个消息源同时传输信号。
此外，传输低频信号需要大型天线。因此，使用射频载波简化了发射机和接收机的结构。
总结
不同的调制方案在受到相同程度的信道衰减和接收器噪声影响时，会有不同的性能水平。鉴于电磁频谱的有限可用性，选择一个高效利用频谱的调制方案是可取的。一个高效的调制方案对于给定的信息速率使用更窄的带宽。
调制方案的选择还影响发射机设计中功率放大器的选择。某些调制技术允许使用非线性功率放大器，这些放大器在功率消耗方面明显更高效。在接收信号的可检测性、使用可用频谱的效率和功率放大器的效率之间存在权衡。
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