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。如今存在大量的调制技术，每种技术都有其独特的特性和复杂性。
至少，射频工程师应该对调制理论的基本原理有深入的了解。在本文中，我们将踏上揭开这些原理的旅程，并加深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检查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 到 20 kHz 范围内的频率分量组成。然而，真实信号的频谱在零频率附近是对称的，因此我们认为信号以原点为中心（f = 0）。
这就是我们所说的基带信号，意味着以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 ( f c）。图 1(a) 显示了基带频谱示例；图 1(b) 显示了调制如何使基带频谱偏移 ± f c。
基带信号 (a) 和调制波 (b) 的频谱。
图 1.基带信号 (a) 和调制波 (b) 的频谱。
您还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射频载波的过程。虽然在技术上可以通过无线电信道直接传输基带信号，但首先将其转换为通带信号通常更有效。
调制信号有许多不同的方法。也许直接的技术是幅度调制，如图 2 所示。
时域中的基带信号及其相应的调幅信号示例。
图 2.时域基带信号示例（上）及其相应的调幅信号（下）。
在该示例中，相对缓慢变化的基带信号( m ( t ))被改变为快速变化的调制信号( s ( t ))，其幅度根据m ( t )的幅度而变化。
我们现在对什么是调制有了基本的了解。然而，一个关键问题仍然存在：如果可以传输未调制的信号，那么什么使得调制是必要的？为了回答这个问题，我们首先检查信号如何通过典型的通信系统。这将帮助我们将调制的讨论放在更大的背景下。
简化的通信系统
考虑图 3 中的外差发射器和接收器系统。
外差式发射机和接收机系统的简化框图。
图 3.外差式发射机和接收机系统的简化框图。
在此图中，输入信号是我们决定传输的基带信号。发射机的总体功能是修改基带信号以实现高效传输。接收器的作用是从其接收到的调制载波信号中提取基带数据。
让我们从输入信号进入发射机开始跟踪系统中的输入信号。
基带信号被馈送到调制器，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射频载波频率。
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传输功率。它还可以滤除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信道，信道是将信号从发射器传送到接收器的物理介质。在无线连接的情况下，信道就是空气本身。
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，解调本质上是调制的逆过程。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，上图中有一个块我们没有提到——连接到通道并标记为“失真和噪声”的块。
由于它充当天然滤波器，因此通道会在信号传播过程中衰减和扭曲信号。信号衰减随着发射器和接收器之间距离的增加而增加。同时，由于以下现象，信号会发生失真：
与频率相关的增益。
多径效应。
多普勒频移。
此外，信号在穿过信道时会遇到随机噪声源的干扰。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。
闪电和其他大气扰动。
，噪声不仅是在信号通过通道传播时引入的。它也在发射器和接收器的电路内部产生，主要是由于导体中带电粒子的随机运动。
这些缺陷使得信号传输充满挑战。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，调制技术的选择是发射机-接收机系统性能的关键决定因素。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 )的情况下，通过通信信道传输的信息量存在理论上的限制。该限制称为信道容量或香农限制，由下式给出：
$$C ~=~ B ~\times~ \log_2 (SNR~+~1)$$
通过为我们提供无差错通信的可能数据速率，香农的信道容量方程成为调制技术效率的基准。香农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，工程师们努力设计调制方法，使我们能够接近香农极限。
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 中的假设调制波。在这种调制方法中，载波的幅度根据两个信号的状态采用四个不同的级别（ A 1、A 2、A 3和A 4 ）。位输入信号。
四级幅度调制产生的波形。
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的信息。例如，利用八个不同的幅度级别允许每个级别编码三个比特。
这种技术的缺点是，级别数量越多，级别之间的间隔就越小，从而使系统更容易受到噪声干扰。因此，如果我们具有高信噪比，增加级数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，以防止接收器出现错误的幅度检测。
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。这两个自由度代表二维空间的正交基。因此，传输符号的星座可以用平面上的点表示，如图 5 所示。
幅度和相位的组合表示为平面上的点群。
图 5.幅度和相位的组合表示为平面上的点群。
由此可见，数据速率取决于我们如何调制载波。
使用射频载波的其他好处
除了提高数据速率之外，采用射频载波信号进行数据传输还可以控制辐射频谱。它还使我们能够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，以低频传输信号需要大型天线。因此，使用射频载波可以简化发射机和接收机的结构。
