射频进阶—如何选择合适的中频

一、调制究竟是什么？ 在射频领域，调制是一个至关重要的信号处理过程，简单来说，它就像是给货物装上运输工具，将携带信息的信号（如语音、视频、数据等）搭载到一个高频载波信号上，以便于信号在各种通信信道（如无线电波、光纤或电缆等）中高效传输或存储。为什么要进行调制呢？这主要有两方面原因。一方面，从技术角度看，许多原始信息信号，像我们日常说话产生的音频信号，频率通常较低，若直接传输，根据电磁波理论，需要尺寸极大的天线，这在实际中根本无法实现。通过调制，将低频信号频谱搬移到高频范围，就能大幅减小所需天线的尺寸，提高发射效率。例如，常见的手机通信，要是没有调制，手机天线得有几十公里长，这显然是天方夜谭。 另一方面，从频谱管理角度来说，随着无线通信的蓬勃发展，空中的频谱资源愈发珍贵，如同城市里的土地资源一样，需要合理规划利用。调制可以让不同的信号分别依托于不同频率的载波上，使得众多信号能在同一信道中 “和谐共处”，互不干扰，也便于管理部门统一管理分配频谱。调制过程的核心操作是改变载波信号的某些特性，常见的有改变幅度、频率或相位。这就好比给载波信号这趟 “列车” 贴上不同的 “标签”，让它所承载的信息能够被准确识别和解调出来。正是这些特性的巧妙变化，赋予了调制技术丰富多彩的应用形式，满足了各种复杂通信场景的需求。二、模拟调制方式 （一）调幅（AM） 幅度调制 （AM） 是一种广泛使用的技术，用于调制载波以通过无线电频率传输信息。该方法根据信息信号改变载波信号的幅度，信息信号可以表示音频、视频或数据。 这种调制技术在广播中很有效，并已成为无线电通信的基本方法。波形特性AM 过程涉及将载波信号与信息信号相结合。生成的波形是一个复杂的结构，其中载波的幅度根据信息信号的幅度而变化。这种关系是理解 AM 如何有效传输信息的关键。进一步的分析表明，AM 信号可以用其频率分量来表示。傅里叶变换表示表明，AM 信号的频谱包含载波频率的分量fc和边带fc±Fm哪里fm是消息信号的频率。这强调了 AM 通过调制载波频率来传递信息的能力。频域表示在频域中，对 AM 信号的分析揭示了如何从其频谱分量来理解调制信号。傅里叶变换表示调制信号包含对应于载波和调制信号的频率。这种频率表示对于了解与 AM 信号相关的带宽要求和潜在干扰模式至关重要。AM 有几个优点和缺点： 优势：简单性：AM 的接收器电路相对简单且具有成本效益。低带宽：AM 占据的频谱较小部分，使其适用于长距离传输。弊：干扰：AM 信号更容易受到噪声和干扰的影响，这会降低音质。信号失真：AM 容易失真和降级，尤其是在存在干扰的情况下，从而降低了其在关键应用中的可靠性。（二）调频（FM） 调频 （FM） 是一种技术，其中载波信号的频率根据调制信号（消息）的瞬时幅度而变化。与幅度调制 （AM） 不同，载波的幅度保持不变，而其频率会根据输入信号动态变化。 FM 波在数学上可以定义为：载波的频率偏差与调制信号的幅度成正比，使 FM 信号对幅度噪声具有很强的抵抗力。FM 调制电路 FM 的实际实施通常使用压控振荡器 （VCO）。VCO 产生一个载波信号，其频率随输入信号的幅度 x 而变化m（t） 的FM 信号的频谱 FM 的显着优势之一是其带宽效率和噪声弹性，尽管它占用的频谱比 AM 大。频谱特性：载波频率：频谱的中心频率。边带：由于贝塞尔函数，FM 会产生无限数量的边带，大量能量集中在有限的带宽内。（三）调相（PM） 相位调制 （PM） 是通信系统的基础技术之一，在各种介质之间有效传输信息方面发挥着关键作用。通过根据调制信号的幅度改变载波的相位，PM 为信号传输提供了一种稳健且抗噪声的方法。在这次详细的探索中，我们将揭示 PM 的原理、数学基础和实际应用。这个公式突出了 PM 的本质：相项 Kpm（t） 引入了与调制信号 m（t） 成比例的可变相移，而载波的幅度和频率保持不变。 PM 信号的特性相移：载波信号的相位偏差与调制信号的幅度成正比。如果调制信号增加，载波的相位会相应地移动。恒定频率和幅度：PM 保持恒定的载波频率和幅度，确保对基于幅度的噪声具有很高的抵抗力。带宽效率：虽然 PM 通常需要比 AM 更多的带宽，但在某些情况下，它比 FM 更节省带宽。例如，考虑一个正弦调制信号 m（t）=Am正弦 （ωm相应的 PM 信号可以表示为：这种调制会产生一个复波，其中相位根据 m（t） 的正弦波不断移动。PM 和 FM 的比较 相位调制经常被比作频率调制，因为它们都属于角度调制的范畴。主要区别在于调制信号如何影响载波信号。在 PM 中，载波的相位与调制信号的瞬时幅度成正比，而在 FM 中，频率偏差与调制信号的幅度成正比。FM 的数学关系为：主要区别：·在 FM 中，瞬时频率由消息信号的积分决定。在 PM 中，瞬时相位与消息信号成正比。·PM 信号可以通过区分 FM 波形或使用压控振荡器 （VCO） 来生成。 三、数字调制方式 （一）振幅键控（ASK） 在 ASK 中，连续载波的幅度会随着传输的数字数据而变化。最简单的 ASK 形式通过在两个不同的级别之间切换载波的幅度来表示二进制数据（'0' 和 '1'）。ASK 信号的一般等价为：这种通过打开或关闭载波来调制数据的方法也称为开关键控 （OOK），它是 ASK 的一个子集。ASK 的特点：1.实现简单：ASK 调制和解调很容易用基本硬件实现。 2.噪声敏感度：ASK 对噪声的容忍度很高，因为信息仅以幅度编码，使其在低信噪比 （SNR） 条件下容易受到攻击。3.带宽：ASK 所需的带宽取决于数据速率，通常等于比特率的两倍。 ASK 解调的应用RFID 系统：ASK 调制和解调通常用于 RFID 标签和阅读器，以实现高效的数据通信。红外通信：遥控器等消费类电子产品使用 ASK 解调通过红外信号传输命令。遥测系统： ASK 用于遥测系统，以在低功耗和带宽受限的应用中发送传感器数据。光通信：ASK 解调因其简单性和成本效益而用于光纤通信系统。 （二）频移键控（FSK） 频移键控 （FSK） 是一种数字调制方案，其中载波信号的频率根据数字数据（二进制比特流）而变化。这是一种强大而简单的技术，通常用于通信系统，尤其是在遥测、RF 远程控制和无线数据传输等低成本应用中。在二进制 FSK 中，两个不同的频率表示二进制 '1' 和 '0'。这些频率称为 f1 （标记频率） 和 f2 （空间频率）。对于高阶系统，FSK 可以涉及两个以上的频率，但在本解释中，我们重点介绍二进制 FSK。FSK 信号的数学表示可以表示为：载波频率在 f1 和 f2 之间移动，具体取决于二进制输入序列。 FSK 调制FSK 调制器根据 input 二进制比特流生成 FSK 信号。（三）相移键控（PSK） 相移键控 （PSK） 是一种用于数字通信的调制技术，其中参考载波信号的相位被改变以表示数字数据。与幅度调制 （AM） 或频率调制 （FM） 不同，PSK 具有很强的抗噪声和抗干扰能力，因为相位在嘈杂环境中不易失真。关键概念： PSK 中的载波信号在数学上可以表示为：在 PSK 中，数字数据（通常是二进制）是通过移动载波的相位来编码的。每个不同的相位对应于一个特定的符号或位序列。例如：二进制 0 可以表示为 180 的相位∘（或 π）。二进制 1 可能对应于相位 0∘.这种简单的相移机制为更高级形式的 PSK 奠定了基础。（四）正交幅度调制（QAM） QAM调制是一种通过调整调制信号的振幅和相位来携带数字信息的调制方式。它结合了调幅（AM）和调频（FM）的特点，能够同时改变信号的幅度和相位，从而在有限的带宽内传输更多的数据。QAM调制基于两个正交的调制信号，即同相（In-phase）分量和正交（Quadrature）分量，通常分别表示为I和Q。这两个分量相位相差90°，可以独立地进行调制，然后相加合成最终的QAM信号。 QAM调制的原理可以分为两个主要步骤：符号映射和载波调制。符号映射：将输入的数字比特流分成多个比特组，每个比特组映射到一个特定的信号点。这些信号点位于一个复平面上，由正弦和余弦信号的不同相位和幅度来表示。载波调制：使用两个正交载波信号（I和Q）对映射后的信号点进行调制。I分量调制一个载波信号的幅度，Q分量调制另一个正交载波信号的幅度。然后，将这两个调制后的信号相加，形成最终的QAM信号。 四、多载波调制方式 —— 正交频分复用（OFDM） 在发射端，OFDM将数据流进行串并转换，并通过逆快速傅里叶变换（IFFT）将频域信号转换为时域信号，然后加入循环前缀作为保护间隔，以消除多径效应引起的符号间干扰（ISI）。在接收端，通过FFT将时域信号转换回频域，并对每个子载波进行解调，恢复出原始的数据流。主要特点频谱利用率高：由于子载波间的频谱重叠且正交，OFDM能够充分利用信道带宽，提高频谱利用率。 抗多径干扰能力强：通过加入循环前缀作为保护间隔，OFDM能够有效消除多径效应引起的符号间干扰。灵活性好：OFDM技术可以灵活地调整子载波的数量和调制方式，以适应不同的传输环境和业务需求。易于实现多用户接入：OFDM可以很容易地与传统的多址技术结合实现多用户接入服务，如OFDM-TDMA、OFDMA等。 来源：射频通信链