射频调制的多种类型

射频通信基于一个简单概念：通过不断改变正弦波的特性，我们可以利用它来传输信息。

到目前为止，我们已经介绍了一系列重要的概念，这些概念为现实世界中射频电路和系统的成功设计与分析奠定了基础。现在，我们准备探索射频工程的一个基本方面：调制。

调制是什么？

动词“调制”的一般含义是“修改、调整、变化”，这即使在无线通信的专业背景下也捕捉到了调制的本质。调制信号实际上就是故意地修改它，但当然，这种修改是以一种非常特定的方式进行的，因为调制的目的是数据传输。

我们希望传输信息——如果我们处理的是数字数据，那就是一和零；如果我们处理的是模拟信号，那就是一系列连续变化的值。但是，无线通信所施加的限制不允许我们以典型的方式表达这些信息；相反，我们必须设计一种新的“语言”，或者你可以将其视为一种代码，它允许我们传达相同的信息，但必须在基于电磁辐射的系统的限制之内。更具体地说，我们需要一种与高频正弦信号兼容的语言，因为这种信号构成了在典型射频系统中“携带”信息的唯一实际手段。

这个用于携带信息的高频正弦波，恰如其分地被称为载波。这个名字很有帮助，因为它提醒我们射频系统的目的不是生成和传输高频正弦波。相反，其目的是为了传输（低频）信息，而载波只是我们必须使用的一种手段，来将这些信息从射频发射机传递到射频接收机。

调制方案

在口头交流中，人体产生声波并对其进行修改——或调制——以产生各种各样的元音和辅音。这些元音和辅音的巧妙运用实现了信息从讲话者到听众的传递。根据这种声波调制方式所形成的系统被称为语言。

在射频通信中，情况非常相似。一个设备会根据一种预定义的系统（称为调制方案或调制技术）来调制电波。正如人类有多种语言一样，载波也有多种调制方式。

先进的调制方案帮助现代射频系统实现了更远的通信范围和更强的抗干扰能力。

某些人类语言可能在传达特定类型的信息时特别有效；举古代世界的例子来说，可能希腊语更适合哲学探讨，而拉丁语更适合编纂法律。然而，毫无疑问的是，只要发言人和听众都掌握了一种语言，就可以进行可靠的交流。射频系统亦是如此。每种调制方案都有其优势和劣势，但只要满足一个基本要求——即接收器必须能够理解发射器所传达的信息——它们就都能提供出色的无线通信。

振幅、频率、相位

基本的正弦波是一个简单的事物。如果我们忽略直流偏移，它只需要两个参数就能完全描述：振幅和频率。我们还有相位，它在考虑正弦波的初始状态或当波形行为的变化允许我们将正弦波的一部分与先前部分进行对比时发挥作用。在比较两个正弦波时，相位也是相关的；正弦波相位的这一方面在射频系统中广泛使用的正交（或“IQ”）信号中变得非常重要。我们将在本书的后续部分探讨IQ概念。

如上所述，调制是修改，而我们只能修改已经存在的东西。正弦波具有振幅、频率和相位，因此，调制方案被归类为振幅调制、频率调制或相位调制是理所当然的。（实际上，通过将振幅调制与频率或相位调制结合，可以跨越这些类别。）在每个类别中，我们都有两个子类：模拟调制和数字调制。

振幅调制（AM）

模拟振幅调制（AM）涉及将一个连续变化的正弦载波与一个连续变化的信息（也称为基带）信号的偏移版本相乘。这里的“偏移版本”指的是基带信号的振幅始终大于或等于零。

假设我们有一个10 MHz的载波和一个1 MHz的基带波形：

如果我们将这两个信号相乘，我们得到的波形将是（不正确的）如下：

你可以清楚地看到基带信号（红色）与载波振幅（蓝色）之间的关系。

但这里有个问题：如果你只看载波的振幅，你如何确定基带值是正还是负？你不能确定——因此，振幅解调无法从已调制的载波中提取基带信号。

解决方法是将基带信号偏移，使其从0变化到2，而不是从-1变化到1：

如果我们用偏移后的基带信号乘以载波，我们会得到以下结果：

现在，载波的振幅可以直接映射到基带信号的行为上。

数字AM最直接的形式是将相同的数学关系应用于振幅为0或1的基带信号。这种结果被称为“通断键控”（OOK）：当信息信号为逻辑零时，载波的振幅为零（=“关”）；当信息信号为逻辑一时，载波处于全振幅状态（=“开”）。

频率调制（FM）和相位调制（PM）

FM和PM是密切相关的，因为频率和相位是密切相关的。如果你将频率视为每秒的完整周期数，那么频率与正弦波在其周期中某一给定时刻的位置有什么关系可能就不那么明显了。但如果你考虑瞬时频率，即信号在某一给定时刻的频率，就会更有意义。（将频率描述为瞬时的无疑是矛盾的——但在实际信号处理的背景下，我们可以安全地忽略与此概念相关的复杂理论细节。）

在基本正弦波中，瞬时频率的值与“正常”频率相同。当我们处理具有时变频率的信号时，即频率不是恒定值而是时间的函数，写作ω(t)，瞬时频率的分析值就会出现。无论如何，关于频率和相位之间密切关系的重要点如下：瞬时角频率是相位相对于时间的导数。因此，如果你有一个表达式φ(t)来描述信号相位的时变行为，φ(t)相对于时间的变化率就给出了瞬时角频率的表达式：

我们将在本章稍后更详细地探讨频率调制和相位调制。现在，让我们以以下图表作为结论，该图表将频率调制的数学关系应用于上面使用的基带信号和载波信号：

总结

调制是指精心修改现有信号以便其能够传输信息的过程。

在射频（RF）的背景下，现有的信号被称为载波，而信息则包含在基带信号中。

有多种不同的调制方案，意味着将基带信息融入正弦载波的方式有多种。

调制涉及对载波的振幅、频率或相位的修改，并且它可以用于传输模拟信号或数字数据。