在本文中，我們將討論 RF 調制的基礎知識以及它如何影響通信系統的性能。
調制不僅對于通信系統（包括無線電廣播、衛星鏈路和移動網絡）至關重要，而且對于雷達、無線電導航和類似技術的有效運行也至關重要。然而，掌握其復雜性可能是一項艱巨的任務。目前存在大量的調制技術，每種技術都有其獨特的屬性和復雜性。
RF 工程師至少應該對調制理論的基本原理有深入的了解。在本文中，我們將踏上解開這些原理的旅程，并建立對調制在通信系統中的關鍵作用的理解。我們將首先定義調制并研究它如何適應信號傳輸過程，然后繼續討論調制方案的選擇如何影響系統性能。
什么是調制？
假設我們正在通過無線電系統傳輸語音或音樂等聽覺信息。音頻頻譜由 20 Hz 至 20 kHz 的頻率分量組成。然而，實際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，即以 f = 0 為中心的帶限信號。調制是將基帶信號轉換為通帶信號的過程，通帶信號以非零載波頻率 （fc ).圖 1（a） 顯示了一個示例基帶頻譜;圖 1（b） 顯示了調制如何將基帶頻譜移動±fc
圖 1.基帶信號 （a） 和調制波 （b） 的頻譜。
您也可以將調制視為在傳輸之前將基帶信號的信息內容傳輸到 RF 載波的過程。雖然從技術上講可以通過無線電信道直接傳輸基帶信號，但先將其轉換為通帶信號通常要有效得多。調制信號的方法有很多種。也許最直接的技術是幅度調制，如圖 2 所示。
圖 2.時域中的基帶信號示例（上圖）及其相應的幅度調制信號（下圖）。
在這個例子中，一個變化相對緩慢的基帶信號 (m(t)) 被改變成一個快速變化的調制信號s(t)，其幅度根據 m(t) 的幅度而變化。現在，我們對什么是 modulation 有了基本的了解。然而，一個關鍵問題仍然存在：如果可以傳輸未調制的信號，那么什么使調制成為必要？為了回答這個問題，讓我們首先研究一下信號是如何通過典型的通信系統的。這將有助于我們將對調制的討論放在更大的上下文中。
簡化的通信系統
在此圖中，輸入信號是我們決定傳輸的基帶信號。發射器的整體功能是修改基帶信號以實現高效傳輸。接收器的作用是從它接收到的調制載波信號中提取基帶數據。
- 基帶信號被饋入調制器，調制器調制中頻 （IF） 信號的幅度、頻率或相位。
- RF 信號進入發射器的 RF 級，其中包括濾波器、匹配網絡和功率放大器。RF 級的目標是確保向天線提供最大功率。它還過濾掉了由于實際元件和電路的非線性而產生的任何帶外頻率分量。
- 信號離開發射器并進入頻道，頻道只是將信號從發射器傳送到接收器的物理介質。在無線連接的上下文中，信道是空氣本身。
- 在通道的另一端，接收器內的射頻級使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。
- 解調器從調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， demodulation 本質上是 modulation 的反面。調制涉及將信息嵌入到載波中。解調從載波中提取信息。
通信障礙：衰減、噪聲和失真
您可能已經注意到，上圖中有一個我們沒有提到的塊 — 連接到通道并標記為 “Distortion and Noise” 的塊。由于 Channel 充當自然濾波器，因此在信號傳播過程中可能會使信號衰減和失真。信號衰減隨著發射器和接收器之間的距離而增加。同時，由于以下現象，信號會發生失真：
此外，信號在穿過信道時會遇到來自隨機噪聲源的干擾。這些噪聲源包括：
最后，噪聲不僅會在信號通過通道傳播時引入。它也在發射器和接收器的電路內部產生，主要是由于帶電粒子在導體中的隨機運動。這些缺陷使信號傳輸具有挑戰性。幸運的是，調制理論可以提供幫助 — 對于給定的信號衰減和噪聲水平，調制技術的選擇是決定發射機-接收器系統性能的關鍵因素。讓我們在下一節中進一步探討這一點。
調制方法影響數據速率
在給定帶寬 （B） 和信噪比 （SNR） 下，可以通過通信信道傳輸的信息量存在理論限制。此限制稱為通道容量或 Shannon 限制，由下式給出：通過為我們提供無差錯通信的最大可能數據速率，Shannon 的信道容量方程成為調制技術效率的基準。Shannon 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，工程師們努力設計出使我們能夠接近香農極限的調制方法。但是調制技術的選擇如何影響數據速率呢？為了更好地理解這一點，請考慮圖 4 中假設的調制波。在這種調制方法中，載波的幅度有四個不同的電平 ( A1, A2, A3, and A4) 基于兩位輸入信號的狀態。增加載波幅度電平的數量使我們能夠通過相同的信道帶寬傳輸更多信息。例如，使用 8 個不同的 amplitude 級別允許每個級別編碼 3 位。這種技術的缺點是，更多的電平意味著它們之間的間隔越短，這使得系統更容易受到噪聲干擾。因此，如果我們具有高信噪比，那么增加級別的數量只是提高數據傳輸速率的有效方法。系統的噪聲水平必須足夠低，以防止在接收器處進行錯誤的幅度檢測。由于載波的幅度和相位代表兩個獨立的自由度，因此我們可以通過改變載波的相位和幅度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，傳輸符號的星座圖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，表示為平面上的點星座
由此可以明顯看出，數據速率取決于我們如何調制載波。
使用 RF 載波的其他好處
除了提高數據速率外，采用射頻載波信號進行數據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 RF 帶寬。通過使用不同的載波頻率，我們可以實現一個頻分復用系統，允許同時傳輸來自多個消息源的信號。此外，以低頻傳輸信號需要大型天線。因此，使用 RF 載波簡化了發射器和接收器的結構。
結束語
當受到相同程度的信道衰減和接收器噪聲時，不同的調制方案會產生不同的性能水平。鑒于電磁頻譜的可用性有限，最好選擇有效利用頻譜的調制方案。對于給定的信息速率，高效的調制方案使用較窄的帶寬。調制方案的選擇也會影響發射器設計中功率放大器的選擇。某些調制技術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以及功率放大器的效率之間存在權衡。EETOP編譯自：allaboutcircuits
https://www.allaboutcircuits.com/technical-articles/introduction-to-modulation-techniques-in-rf-systems
