射頻系統調制技術(shù)介紹

在這篇文章中，我們討論了射頻調制的基礎知識以及它如何影響通信系統的性能。

調制不僅對通信系統（包括無(wú)線(xiàn)電廣播、衛星鏈路和移動(dòng)網(wǎng)絡(luò )）至關(guān)重要，而且對雷達、無(wú)線(xiàn)電導航和類(lèi)似技術(shù)的有效運行也至關(guān)重要。然而，掌握其復雜性可能是一項艱巨的任務(wù)。當今存在大量的調制技術(shù)，每種技術(shù)都有其獨特的特性和復雜性。

射頻工程師至少應該對調制理論的基本原理有扎實(shí)的理解。在這篇文章中，我們將開(kāi)始探索這些原理，并了解調制在通信系統中的關(guān)鍵作用。我們將首先定義調制并檢查它如何適應信號傳輸過(guò)程，然后討論調制方案的選擇如何影響系統性能。

什么是調制？

假設我們通過(guò)無(wú)線(xiàn)電系統傳輸語(yǔ)音或音樂(lè )等聽(tīng)覺(jué)信息。音頻頻譜由20Hz至20kHz的頻率分量組成。然而，真實(shí)信號的頻譜在零頻率附近是對稱(chēng)的，因此我們認為我們的信號以原點(diǎn)（f=0）為中心。

這就是我們所說(shuō)的基帶信號，意思是以f=0為中心的帶限信號。調制是將基帶信號轉換為以非零載波頻率（fc）為中心的通帶信號的過(guò)程。圖1（a）顯示了一個(gè)示例基帶頻譜；圖1（b）顯示了調制如何將基帶頻譜偏移±fc。

圖1基帶信號（a）和調制波（b）的頻譜

您還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(guò)程。雖然技術(shù)上可以通過(guò)無(wú)線(xiàn)信道直接傳輸基帶信號，但首先將其轉換為通帶信號通常更有效。

調制信號的方法有很多種。也許最直接的技術(shù)是調幅，如圖2所示。

圖2 時(shí)域中的示例基帶信號（頂部）及其相應的調幅信號（底部）

在這個(gè)例子中，相對緩慢變化的基帶信號（m（t））被改變?yōu)榭焖僮兓恼{制信號（s（t）。

我們現在對什么是調制有了一個(gè)基本的概念。然而，一個(gè)關(guān)鍵的問(wèn)題仍然存在：如果可以傳輸未調制的信號，是什么讓調制成為必要？為了回答這個(gè)問(wèn)題，讓我們從檢查信號如何通過(guò)典型的通信系統開(kāi)始。這將有助于我們將調制的討論置于更大的背景下。

簡(jiǎn)化的通信系統

考慮圖3中的外差發(fā)射機和接收機系統。

圖3外差發(fā)射機和接收機系統的簡(jiǎn)化框圖

在這個(gè)圖中，輸入信號是我們決定傳輸的基帶信號。發(fā)射機的總體功能是修改基帶信號以實(shí)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。

讓我們從輸入信號進(jìn)入發(fā)射機開(kāi)始，通過(guò)系統跟蹤輸入信號。

基帶信號被饋入調制器，調制器對中頻（IF）信號的幅度、頻率或相位進(jìn)行調制。

上變頻器將調制器的輸出轉換為RF載波頻率。

射頻信號進(jìn)入發(fā)射機的射頻級，該級包括濾波器、匹配網(wǎng)絡(luò )和功率放大器。射頻階段的目標是確保向天線(xiàn)提供最大功率。它還濾除了由于實(shí)際組件和電路的非線(xiàn)性而產(chǎn)生的任何帶外頻率分量。

信號離開(kāi)發(fā)射機并進(jìn)入信道，信道只是將信號從發(fā)射機傳輸到接收機的物理介質(zhì)。在無(wú)線(xiàn)連接的背景下，信道就是空氣本身。

在信道的另一端，接收器內的RF級采用天線(xiàn)來(lái)捕獲高頻信號。通常，它會(huì )使用低噪聲放大器來(lái)放大信號。

下變頻器將放大的信號轉換為中頻。

解調器從調制波中檢索原始基帶信號。在語(yǔ)音廣播中，這意味著(zhù)提取原始語(yǔ)音信號。

請注意，解調本質(zhì)上與調制相反。調制涉及將信息嵌入載波中。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(jīng)注意到，上圖中有一個(gè)我們沒(méi)有提到的塊——連接到通道并標記為“失真和噪聲”的塊

由于它充當自然濾波器，信道在傳播過(guò)程中會(huì )衰減和失真信號。信號衰減隨著(zhù)發(fā)射機和接收機之間的距離而增加。同時(shí)，信號由于以下現象而失真：

頻率相關(guān)增益

多路徑效應

多普勒頻移

此外，信號在穿過(guò)信道時(shí)會(huì )遇到隨機噪聲源的干擾。這些噪聲源包括：

電氣接觸開(kāi)關(guān)

汽車(chē)點(diǎn)火系統

手機輻射

微波爐

閃電和其他大氣擾動(dòng)。

最后，噪聲不僅是在信號通過(guò)信道傳播時(shí)引入的。它也在發(fā)射器和接收器的電路內產(chǎn)生，主要是由于導體中帶電粒子的隨機運動(dòng)。

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(shù)的選擇是發(fā)射機-接收機系統性能的關(guān)鍵決定因素。讓我們在下一節中進(jìn)一步探討這個(gè)問(wèn)題。

調制方式影響數據速率

對于給定的帶寬（B）和信噪比（SNR），可以在通信信道上傳輸的信息量存在理論限制。該極限稱(chēng)為信道容量或香農極限，由下式給出：

通過(guò)為我們提供無(wú)差錯通信的最大可能數據速率，香農的信道容量方程成為調制技術(shù)效率的基準。香農沒(méi)有展示如何達到這個(gè)理論極限，但他確實(shí)證明了這是可能的。因此，工程師們努力設計調制方法，使我們能夠接近香農極限。

但是調制技術(shù)的選擇如何影響數據速率呢？為了更好地理解這一點(diǎn)，請考慮圖4中的假設調制波。在這種調制方法中，基于兩位輸入信號的狀態(tài)，載波的幅度具有四個(gè)不同的電平（A1、A2、A3和A4）。

圖4四電平幅度調制示例

增加載波幅度電平的數量使我們能夠通過(guò)相同的信道帶寬傳輸更多的信息。例如，利用八個(gè)不同的幅度級別，每個(gè)級別可以編碼三個(gè)比特。

這種技術(shù)的缺點(diǎn)是，更多的級別意味著(zhù)它們之間的分離更少，使系統更容易受到噪聲干擾。因此，如果我們具有高信噪比，增加電平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，以防止接收器處的錯誤幅度檢測。

由于載波的振幅和相位代表兩個(gè)獨立的自由度，我們可以通過(guò)改變載波的相位和振幅來(lái)進(jìn)一步提高信息吞吐量。這兩個(gè)自由度表示二維空間的正交基。因此，傳輸符號的星座可以用平面上的點(diǎn)來(lái)表示，如圖5所示。

圖5振幅和相位的組合，表示為平面直角坐標系上的點(diǎn)

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RF載波信號進(jìn)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射頻帶寬。通過(guò)使用不同的載波頻率，我們可以實(shí)現頻分復用系統，該系統允許同時(shí)傳輸來(lái)自多個(gè)消息源的信號。

此外，在低頻下傳輸信號需要大天線(xiàn)。因此，使用RF載波簡(jiǎn)化了發(fā)射機和接收機結構。

總結

當受到相同程度的信道衰減和接收器噪聲時(shí)，不同的調制方案會(huì )產(chǎn)生不同的性能水平。鑒于電磁頻譜的可用性有限，最好選擇一種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(huì )影響發(fā)射機設計中功率放大器的選擇。某些調制技術(shù)允許使用非線(xiàn)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和功率放大器的效率之間存在權衡。