什么是调制

假设我们要通过无线电系统传输语音或音乐等听觉信息。音频频谱的频率分量范围是20Hz至20kHz，并且真实信号的频谱在零频率附近是对称的，我们将这样以原点（f=0）为中心的带限信号称为基带信号。调制的本质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）展示了一个基带频谱的示例，图1（b）则说明了调制如何将基带频谱偏移±fc。

（图注：图1基带信号（a）和调制波（b）的频谱）

从另一个角度看，调制也可以被视为在传输之前将基带信号的信息内容转移到RF载波的过程。虽然理论上可以通过无线信道直接传输基带信号，但将其先转换为通带信号通常更为高效。调幅是一种较为直接的调制技术，如图2所示，相对缓慢变化的基带信号（m（t））被转换为快速变化的调制信号（s（t））。

（图注：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））

既然可以传输未调制的信号，那么调制为何是必要的呢？为了回答这个问题，我们需要了解信号在典型通信系统中的传输过程。

简化的通信系统

图3展示了一个外差发射机和接收机系统的简化框图。在这个系统中，输入信号是待传输的基带信号。发射机的主要功能是对基带信号进行处理，以实现高效传输；接收机则负责从接收到的调制载波信号中提取原始基带信号。

（图注：图3外差发射机和接收机系统的简化框图）

具体来说，基带信号首先被送入调制器，调制器会对中频（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，然后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，其目的是确保向天线提供最大功率，并滤除由于实际组件和电路的非线性而产生的带外频率分量。信号通过信道（在无线连接中为空气）传输到接收机，接收机内的RF级通过天线捕获高频信号，通常使用低噪声放大器进行放大。下变频器将放大后的信号转换为中频，解调器则从调制波中检索原始基带信号。需要注意的是，解调是调制的逆过程，调制是将信息嵌入载波，解调则是从载波中提取信息。

通信障碍：衰减、噪声和失真

在图3中，有一个连接到通道并标记为“失真和噪声”的块。由于信道在传播过程中会像自然滤波器一样对信号进行衰减和失真，信号衰减会随着发射机和接收机之间的距离增加而增大。同时，信号会因为频率相关增益、多路径效应、多普勒频移等现象而失真。此外，信号在通过信道时会受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等。而且，噪声不仅在信号通过信道传播时引入，在发射器和接收器的电路内也会产生，主要是由于导体中带电粒子的随机运动。

调制方式影响数据速率

对于给定的带宽（B）和信噪比（SNR），通信信道上可传输的信息量存在理论限制，即信道容量或香农极限，其计算公式如下：

（图注：香农极限计算公式）

香农的信道容量方程为调制技术的效率提供了基准，虽然他没有说明如何达到这个理论极限，但证明了其可能性。因此，工程师们致力于设计调制方法，以接近香农极限。调制技术的选择对数据速率有显著影响。例如，在一种假设的调制方法中，基于两位输入信号的状态，载波的幅度有四个不同的电平（A1、A2、A3和A4），增加载波幅度电平的数量可以在相同的信道带宽下传输更多信息。但这种方法也有缺点，更多的电平意味着它们之间的间隔更小，系统更容易受到噪声干扰。只有在高信噪比的情况下，增加电平数量才是提高数据传输速率的有效方法，因为系统的噪声水平必须足够低，以防止接收器错误检测幅度。

由于载波的振幅和相位代表两个独立的自由度，它们构成了二维空间的正交基。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。这表明数据速率取决于我们对载波的调制方式。

（图注：图5振幅和相位的组合，表示为平面直角坐标系上的点）

使用RF载波的其他好处

采用RF载波信号进行数据传输除了能提高数据速率外，还可以精确控制辐射频谱，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，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，使用RF载波可以简化发射机和接收机的结构。

总结

不同的调制方案在面对相同程度的信道衰减和接收器噪声时，会产生不同的性能水平。鉴于电磁频谱的可用性有限，选择一种能有效利用频谱的调制方案至关重要。对于给定的信息速率，高效的调制方案使用较窄的带宽。同时，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，在功耗方面更为有效。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需要进行权衡。总之，深入理解射频系统调制技术对于优化通信系统性能具有重要意义。