射频系统调制技术介绍

在这篇文章中，我们讨论了射频调制的基础知识以及它如何影响通信系统的性能。

本文引用地址：

调制不仅对通信系统（包括无线电广播、卫星链路和移动网络）至关重要，而且对雷达、无线电导航和类似技术的有效运行也至关重要。然而，掌握其复杂性可能是一项艰巨的任务。当今存在大量的调制技术，每种技术都有其独特的特性和复杂性。

射频工程师至少应该对调制理论的基本原理有扎实的理解。在这篇文章中，我们将开始探索这些原理，并了解调制在通信系统中的关键作用。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语音或音乐等听觉信息。音频频谱由20Hz至20kHz的频率分量组成。然而，真实信号的频谱在零频率附近是对称的，因此我们认为我们的信号以原点（f=0）为中心。

这就是我们所说的基带信号，意思是以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）显示了一个示例基带频谱；图1（b）显示了调制如何将基带频谱偏移±fc。

图1基带信号（a）和调制波（b）的频谱

您还可以将调制视为在传输之前将基带信号的信息内容传输到RF载波的过程。虽然技术上可以通过无线信道直接传输基带信号，但首先将其转换为通带信号通常更有效。

调制信号的方法有很多种。也许最直接的技术是调幅，如图2所示。

图2 时域中的示例基带信号（顶部）及其相应的调幅信号（底部）

在这个例子中，相对缓慢变化的基带信号（m（t））被改变为快速变化的调制信号（s（t）。

我们现在对什么是调制有了一个基本的概念。然而，一个关键的问题仍然存在：如果可以传输未调制的信号，是什么让调制成为必要？为了回答这个问题，让我们从检查信号如何通过典型的通信系统开始。这将有助于我们将调制的讨论置于更大的背景下。

简化的通信系统

考虑图3中的外差发射机和接收机系统。

图3外差发射机和接收机系统的简化框图

在这个图中，输入信号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。接收器的作用是从它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，通过系统跟踪输入信号。

基带信号被馈入调制器，调制器对中频（IF）信号的幅度、频率或相位进行调制。

上变频器将调制器的输出转换为RF载波频率。

射频信号进入发射机的射频级，该级包括滤波器、匹配网络和功率放大器。射频阶段的目标是确保向天线提供最大功率。它还滤除了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，信道只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，接收器内的RF级采用天线来捕获高频信号。通常，它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。在语音广播中，这意味着提取原始语音信号。

请注意，解调本质上与调制相反。调制涉及将信息嵌入载波中。解调从载波中提取信息。

通信障碍：衰减、噪声和失真

您可能已经注意到，上图中有一个我们没有提到的块——连接到通道并标记为“失真和噪声”的块

由于它充当自然滤波器，信道在传播过程中会衰减和失真信号。信号衰减随着发射机和接收机之间的距离而增加。同时，信号由于以下现象而失真：

频率相关增益

多路径效应

多普勒频移

此外，信号在穿过信道时会遇到随机噪声源的干扰。这些噪声源包括：

电气接触开关

汽车点火系统

手机辐射

微波炉

闪电和其他大气扰动。

最后，噪声不仅是在信号通过信道传播时引入的。它也在发射器和接收器的电路内产生，主要是由于导体中带电粒子的随机运动。

这些缺陷使信号传输具有挑战性。幸运的是，调制理论可以提供帮助——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。让我们在下一节中进一步探讨这个问题。

调制方式影响数据速率

对于给定的带宽（B）和信噪比（SNR），可以在通信信道上传输的信息量存在理论限制。该极限称为信道容量或香农极限，由下式给出：

通过为我们提供无差错通信的最大可能数据速率，香农的信道容量方程成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，基于两位输入信号的状态，载波的幅度具有四个不同的电平（A1、A2、A3和A4）。

图4四电平幅度调制示例

增加载波幅度电平的数量使我们能够通过相同的信道带宽传输更多的信息。例如，利用八个不同的幅度级别，每个级别可以编码三个比特。

这种技术的缺点是，更多的级别意味着它们之间的分离更少，使系统更容易受到噪声干扰。因此，如果我们具有高信噪比，增加电平数量只是提高数据传输速率的有效方法。系统的噪声水平必须足够低，以防止接收器处的错误幅度检测。

由于载波的振幅和相位代表两个独立的自由度，我们可以通过改变载波的相位和振幅来进一步提高信息吞吐量。这两个自由度表示二维空间的正交基。因此，传输符号的星座可以用平面上的点来表示，如图5所示。

图5振幅和相位的组合，表示为平面直角坐标系上的点

由此可以明显看出，数据速率取决于我们如何调制载波。

使用RF载波的其他好处

除了提高数据速率外，采用RF载波信号进行数据传输还可以精确控制辐射频谱。它还使我们能够更有效地利用射频带宽。通过使用不同的载波频率，我们可以实现频分复用系统，该系统允许同时传输来自多个消息源的信号。

此外，在低频下传输信号需要大天线。因此，使用RF载波简化了发射机和接收机结构。

总结

当受到相同程度的信道衰减和接收器噪声时，不同的调制方案会产生不同的性能水平。鉴于电磁频谱的可用性有限，最好选择一种有效利用频谱的调制方案。对于给定的信息速率，高效的调制方案使用较窄的带宽。

调制方案的选择也会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，这在功耗方面明显更有效。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。