RF 系统中的调制技术简介

在本文中，我们将讨论 RF 调制的基础知识以及它如何影响通信系统的性能。

调制不仅对于通信系统（包括无线电广播、卫星链路和移动网络）至关重要，而且对于雷达、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。目前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。

RF 工程师至少应该对调制理论的基本原理有深入的了解。在本文中，我们将踏上解开这些原理的旅程，并建立对调制在通信系统中的关键作用的理解。我们将首先定义调制并研究它如何适应信号传输过程，然后继续讨论调制方案的选择如何影响系统性能。

什么是调制？

假设我们正在通过无线电系统传输语音或音乐等听觉信息。音频频谱由 20 Hz 至 20 kHz 的频率分量组成。然而，实际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，即以 f = 0 为中心的带限信号。调制是将基带信号转换为通带信号的过程，通带信号以非零载波频率 （fc).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移动±fc

图 1.基带信号 （a） 和调制波 （b） 的频谱。

您也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。虽然从技术上讲可以通过无线电信道直接传输基带信号，但先将其转换为通带信号通常要有效得多。

调制信号的方法有很多种。也许最直接的技术是幅度调制，如图 2 所示。

图 2.时域中的基带信号示例（上图）及其相应的幅度调制信号（下图）。

在这个例子中，一个变化相对缓慢的基带信号 (m(t)) 被改变成一个快速变化的调制信号s(t)，其幅度根据m(t) 的幅度而变化。

现在，我们对什么是 modulation 有了基本的了解。然而，一个关键问题仍然存在：如果可以传输未调制的信号，那么什么使调制成为必要？为了回答这个问题，让我们首先研究一下信号是如何通过典型的通信系统的。这将有助于我们将对调制的讨论放在更大的上下文中。

简化的通信系统

考虑图 3 中的外差发射器和接收器系统。

图 3.外差发射器和接收器系统的简化框图

在此图中，输入信号是我们决定传输的基带信号。发射器的整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。

让我们通过系统跟踪输入信号，从它进入发射器开始。

基带信号被馈入调制器，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 RF 载波频率。

RF 信号进入发射器的 RF 级，其中包括滤波器、匹配网络和功率放大器。RF 级的目标是确保向天线提供最大功率。它还过滤掉了由于实际元件和电路的非线性而产生的任何带外频率分量。

信号离开发射器并进入频道，频道只是将信号从发射器传送到接收器的物理介质。在无线连接的上下文中，信道是空气本身。

在通道的另一端，接收器内的射频级使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 IF 频率。

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， demodulation 本质上是 modulation 的反面。调制涉及将信息嵌入到载波中。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 “Distortion and Noise” 的块。

由于 Channel 充当自然滤波器，因此在信号传播过程中可能会使信号衰减和失真。信号衰减随着发射器和接收器之间的距离而增加。同时，由于以下现象，信号会发生失真：

与频率相关的增益。

多路径效果。

多普勒频移。

此外，信号在穿过信道时会遇到来自随机噪声源的干扰。这些噪声源包括：

电接触开关。

汽车点火系统。

手机排放。

微波炉。

闪电和其他大气干扰。

最后，噪声不仅会在信号通过通道传播时引入。它也在发射器和接收器的电路内部产生，主要是由于带电粒子在导体中的随机运动。

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，调制技术的选择是决定发射机-接收器系统性能的关键因素。让我们在下一节中进一步探讨这一点。

调制方法影响数据速率

在给定带宽 （B） 和信噪比 （SNR） 下，可以通过通信信道传输的信息量存在理论限制。此限制称为通道容量或 Shannon 限制，由下式给出：

C=B×log2（SNR+1）

通过为我们提供无差错通信的最大可能数据速率，Shannon 的信道容量方程成为调制技术效率的基准。Shannon 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，工程师们努力设计出使我们能够接近香农极限的调制方法。

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 中假设的调制波。在这种调制方法中，载波的幅度有四个不同的电平  (A1,A2,A3, andA4) 基于两位输入信号的状态。

图 4.四级幅度调制示例

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信息。例如，使用 8 个不同的 amplitude 级别允许每个级别编码 3 位。

这种技术的缺点是，更多的电平意味着它们之间的间隔越短，这使得系统更容易受到噪声干扰。因此，如果我们具有高信噪比，那么增加级别的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，以防止在接收器处进行错误的幅度检测。

由于载波的幅度和相位代表两个独立的自由度，因此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。这两个自由度表示二维空间的正交基。因此，传输符号的星座图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，表示为平面上的点星座

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，采用射频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 RF 带宽。通过使用不同的载波频率，我们可以实现一个频分复用系统，允许同时传输来自多个消息源的信号。

此外，以低频传输信号需要大型天线。因此，使用 RF 载波简化了发射器和接收器的结构。

结束语

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器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以及功率放大器的效率之间存在权衡。

EETOP编译自：allaboutcircuits

倒计时 7天！