射頻系統(tǒng)調(diào)制技術(shù)介紹

在這篇文章中，我們討論了射頻調(diào)制的基礎(chǔ)知識(shí)以及它如何影響通信系統(tǒng)的性能。

調(diào)制不僅對(duì)通信系統(tǒng)（包括無(wú)線電廣播、衛(wèi)星鏈路和移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)）至關(guān)重要，而且對(duì)雷達(dá)、無(wú)線電導(dǎo)航和類(lèi)似技術(shù)的有效運(yùn)行也至關(guān)重要。然而，掌握其復(fù)雜性可能是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)。當(dāng)今存在大量的調(diào)制技術(shù)，每種技術(shù)都有其獨(dú)特的特性和復(fù)雜性。

射頻工程師至少應(yīng)該對(duì)調(diào)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(diào)制在通信系統(tǒng)中的關(guān)鍵作用。我們將首先定義調(diào)制并檢查它如何適應(yīng)信號(hào)傳輸過(guò)程，然后討論調(diào)制方案的選擇如何影響系統(tǒng)性能。

什么是調(diào)制？

假設(shè)我們通過(guò)無(wú)線電系統(tǒng)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(hào)的頻譜在零頻率附近是對(duì)稱(chēng)的，因此我們認(rèn)為我們的信號(hào)以原點(diǎn)（f=0）為中心。

這就是我們所說(shuō)的基帶信號(hào)，意思是以f=0為中心的帶限信號(hào)。調(diào)制是將基帶信號(hào)轉(zhuǎn)換為以非零載波頻率（fc）為中心的通帶信號(hào)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(diào)制如何將基帶頻譜偏移±fc。

圖1基帶信號(hào)（a）和調(diào)制波（b）的頻譜

您還可以將調(diào)制視為在傳輸之前將基帶信號(hào)的信息內(nèi)容傳輸?shù)絉F載波的過(guò)程。雖然技術(shù)上可以通過(guò)無(wú)線信道直接傳輸基帶信號(hào)，但首先將其轉(zhuǎn)換為通帶信號(hào)通常更有效。

調(diào)制信號(hào)的方法有很多種。也許最直接的技術(shù)是調(diào)幅，如圖2所示。

圖2 時(shí)域中的示例基帶信號(hào)（頂部）及其相應(yīng)的調(diào)幅信號(hào)（底部）

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

我們現(xiàn)在對(duì)什么是調(diào)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(diào)制的信號(hào)，是什么讓調(diào)制成為必要？為了回答這個(gè)問(wèn)題，讓我們從檢查信號(hào)如何通過(guò)典型的通信系統(tǒng)開(kāi)始。這將有助于我們將調(diào)制的討論置于更大的背景下。

簡(jiǎn)化的通信系統(tǒng)

考慮圖3中的外差發(fā)射機(jī)和接收機(jī)系統(tǒng)。

圖3外差發(fā)射機(jī)和接收機(jī)系統(tǒng)的簡(jiǎn)化框圖

在這個(gè)圖中，輸入信號(hào)是我們決定傳輸?shù)幕鶐盘?hào)。發(fā)射機(jī)的總體功能是修改基帶信號(hào)以實(shí)現(xiàn)高效傳輸。接收器的作用是從它接收到的調(diào)制載波信號(hào)中提取基帶數(shù)據(jù)。

讓我們從輸入信號(hào)進(jìn)入發(fā)射機(jī)開(kāi)始，通過(guò)系統(tǒng)跟蹤輸入信號(hào)。

基帶信號(hào)被饋入調(diào)制器，調(diào)制器對(duì)中頻（IF）信號(hào)的幅度、頻率或相位進(jìn)行調(diào)制。

上變頻器將調(diào)制器的輸出轉(zhuǎn)換為RF載波頻率。

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

信號(hào)離開(kāi)發(fā)射機(jī)并進(jìn)入信道，信道只是將信號(hào)從發(fā)射機(jī)傳輸?shù)浇邮諜C(jī)的物理介質(zhì)。在無(wú)線連接的背景下，信道就是空氣本身。

在信道的另一端，接收器內(nèi)的RF級(jí)采用天線來(lái)捕獲高頻信號(hào)。通常，它會(huì)使用低噪聲放大器來(lái)放大信號(hào)。

下變頻器將放大的信號(hào)轉(zhuǎn)換為中頻。

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

請(qǐng)注意，解調(diào)本質(zhì)上與調(diào)制相反。調(diào)制涉及將信息嵌入載波中。解調(diào)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(biāo)記為“失真和噪聲”的塊

由于它充當(dāng)自然濾波器，信道在傳播過(guò)程中會(huì)衰減和失真信號(hào)。信號(hào)衰減隨著發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間的距離而增加。同時(shí)，信號(hào)由于以下現(xiàn)象而失真：

頻率相關(guān)增益

多路徑效應(yīng)

多普勒頻移

此外，信號(hào)在穿過(guò)信道時(shí)會(huì)遇到隨機(jī)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(tǒng)

手機(jī)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(hào)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(nèi)產(chǎn)生，主要是由于導(dǎo)體中帶電粒子的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)。

這些缺陷使信號(hào)傳輸具有挑戰(zhàn)性。幸運(yùn)的是，調(diào)制理論可以提供幫助——對(duì)于給定的信號(hào)衰減和噪聲水平，調(diào)制技術(shù)的選擇是發(fā)射機(jī)-接收機(jī)系統(tǒng)性能的關(guān)鍵決定因素。讓我們?cè)谙乱还?jié)中進(jìn)一步探討這個(gè)問(wèn)題。

調(diào)制方式影響數(shù)據(jù)速率

對(duì)于給定的帶寬（B）和信噪比（SNR），可以在通信信道上傳輸?shù)男畔⒘看嬖诶碚撓拗?。該極限稱(chēng)為信道容量或香農(nóng)極限，由下式給出：

通過(guò)為我們提供無(wú)差錯(cuò)通信的最大可能數(shù)據(jù)速率，香農(nóng)的信道容量方程成為調(diào)制技術(shù)效率的基準(zhǔn)。香農(nóng)沒(méi)有展示如何達(dá)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(shè)計(jì)調(diào)制方法，使我們能夠接近香農(nóng)極限。

但是調(diào)制技術(shù)的選擇如何影響數(shù)據(jù)速率呢？為了更好地理解這一點(diǎn)，請(qǐng)考慮圖4中的假設(shè)調(diào)制波。在這種調(diào)制方法中，基于兩位輸入信號(hào)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(diào)制示例

增加載波幅度電平的數(shù)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(jí)別，每個(gè)級(jí)別可以編碼三個(gè)比特。

這種技術(shù)的缺點(diǎn)是，更多的級(jí)別意味著它們之間的分離更少，使系統(tǒng)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(shù)量只是提高數(shù)據(jù)傳輸速率的有效方法。系統(tǒng)的噪聲水平必須足夠低，以防止接收器處的錯(cuò)誤幅度檢測(cè)。

由于載波的振幅和相位代表兩個(gè)獨(dú)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(hào)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(biāo)系上的點(diǎn)

由此可以明顯看出，數(shù)據(jù)速率取決于我們?nèi)绾握{(diào)制載波。

使用RF載波的其他好處

除了提高數(shù)據(jù)速率外，采用RF載波信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)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(xiàn)頻分復(fù)用系統(tǒng)，該系統(tǒng)允許同時(shí)傳輸來(lái)自多個(gè)消息源的信號(hào)。

此外，在低頻下傳輸信號(hào)需要大天線。因此，使用RF載波簡(jiǎn)化了發(fā)射機(jī)和接收機(jī)結(jié)構(gòu)。

總結(jié)

當(dāng)受到相同程度的信道衰減和接收器噪聲時(shí)，不同的調(diào)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(diào)制方案。對(duì)于給定的信息速率，高效的調(diào)制方案使用較窄的帶寬。

調(diào)制方案的選擇也會(huì)影響發(fā)射機(jī)設(shè)計(jì)中功率放大器的選擇。某些調(diào)制技術(shù)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(hào)的可檢測(cè)性、使用可用頻譜的效率和功率放大器的效率之間存在權(quán)衡。