芯耀
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在本篇文章中，我們首先將探討什么是調制以及一些常見的調制類型。接著，我們將深入研究相位調制和幅度調制及其背后的數(shù)學原理，以此為基礎引入實數(shù)調制和復數(shù)調制的概念。最后，我們將討論復數(shù)調制的應用，并以一個實例結束，將各個概念串聯(lián)起來。
首先，我們來討論基本的調制概念。調制是指以一種受控的方式改變載波信號的屬性（如幅度、相位或頻率），以便通過信道傳輸數(shù)據(jù)或獲得所需的信號屬性。這里以一個數(shù)字通信系統(tǒng)為例來展示這個過程。
我們有一串比特序列來控制調制器。調制器對每個比特或比特序列做出響應，以特定的方式調制信號，以表示這些比特。信號通過信道傳輸，這個信道可以是同軸電纜、無線信道或光纖。傳輸后，對調制信號進行解調，以確定傳輸?shù)谋忍亍?/p>
調制技術種類繁多，每種調制技術都在頻譜效率、復雜度、功率效率、抗噪聲能力等方面實現(xiàn)了不同的權衡。這里列出了一些最常用的調制類型。脈沖幅度調制（PAM）僅調制載波幅度。
PAM也可以包含負幅度，這可以看作是180度的相位偏移。例如，2級PAM通常被稱為二進制相移鍵控（BPSK），常用于串行接口，如千兆以太網(wǎng)。當然，最著名的模擬幅度調制是AM無線電傳輸中使用的那種。
相移鍵控（PSK）僅調制載波相位，從而得到一個恒定的載波包絡，實現(xiàn)良好的功率效率。PSK具有良好的抗噪聲能力，當信道信噪比低時，為了在LTE網(wǎng)絡中實現(xiàn)足夠的誤碼率，就會使用PSK。正交幅度調制（QAM）同時調制載波相位和幅度，允許使用大量符號，從而以犧牲功率效率和增加噪聲要求為代價大大提高頻譜效率。它是當今最常用的調制類型之一。256符號QAM用于DOCSIS 3.0電纜系統(tǒng)，以在低噪聲信道上實現(xiàn)高數(shù)據(jù)速率。
頻率調制（FM）調制載波頻率。在數(shù)字通信中，選擇離散頻率作為符號，每個符號代表一串比特。其他例子當然包括FM無線電和線性頻率調制（LFM）。
LFM是載波頻率的連續(xù)線性掃描。LFM通常不用于數(shù)據(jù)傳輸。然而，它被用于雷達系統(tǒng)以實現(xiàn)脈沖壓縮，從而提高空間分辨率，以便識別近距離目標。
現(xiàn)在，讓我們來了解一下基本相位和幅度調制的數(shù)學原理。這是一個很好的例子，因為它在正交幅度調制（QAM）等領域得到了廣泛應用。同樣的基本分析可以用于上圖中給出的所有調制類型。這還可以讓我們展示實數(shù)和復數(shù)調制。
首先，一個相位和幅度調制的載波可以表示如下，其中余弦項作為載波，其幅度由a(t)調制，相位由θ(t)調制。載波頻率由f_c表示。利用和角三角恒等式，我們可以將x(t)分解為單獨的正弦和余弦載波，每個載波的幅度由a(t)調制，相位由相位調制函數(shù)θ(t)的正弦和余弦分別調制。
然后，我們可以重新定義每個載波函數(shù)的幅度和相位調制，稱為x_i(t)和x_q(t)。這些調制函數(shù)通常簡稱為I和Q。i是同相調制函數(shù)，q是正交相位調制函數(shù)?！罢弧币辉~來源于正弦和余弦之間相位相差90度。
現(xiàn)在我們有了x(t)的這種形式，它代表了我們現(xiàn)實世界中的傳輸信號。I和Q調制函數(shù)都是實值函數(shù)，意味著它們不包含虛部。因此，x(t)也是一個實值函數(shù)，這是現(xiàn)實世界傳輸所要求的。然而，這個函數(shù)實際上既可以表示實數(shù)調制，也可以表示復數(shù)調制。
順便提一下，這個傳輸信號通常被稱為帶通信號，因為它在載波頻率上占據(jù)了一定的帶寬。換句話說，I和Q函數(shù)調制了一個載波信號。
帶通信號可以分解為一個低通調制函數(shù)，乘以一個復指數(shù)載波。這里的“低通”指的是信號以直流（DC）為中心，也稱為基帶。
現(xiàn)在，讓我們來了解一下基本相位調制和幅度調制背后的數(shù)學原理。這是一個很好的例子，因為它被廣泛應用，比如在正交幅度調制（QAM）中。同樣的基本分析可以用于之前幻燈片中給出的所有調制類型。它還可以幫助我們展示實調制和復調制。
這個新的基帶調制函數(shù)X_bb(t)是由I和Q這兩個實值調制函數(shù)形成的，其中Q代表復分量。很容易看出，如果Q(t)等于0，那么X_bb(t)就是一個實值函數(shù)。當X_bb(t)是實值時，結果就是實調制?；蛘撸绻鸔(t)不為零，那么它就是一個復信號，導致復調制。
現(xiàn)在，我們可以將這個新的復基帶調制函數(shù)與實值帶通傳輸信號聯(lián)系起來，如圖所示。x(t)是通過將X_bb(t)乘以一個復指數(shù)（其頻率等于載波頻率）并取這個乘積的實部得到的。我們把這種傳輸信號的形式稱為解析等價形式，因為它的主要目的是分析調制。
利用歐拉公式和X_bb(t)的定義，很容易看出x(t)的這個定義與之前的定義是等價的。試著自己證明這種等價性?；旧?，X_bb(t)只是一個由I和Q調制函數(shù)控制的時變復數(shù)。記住，I和Q都是實值函數(shù)，只有當Q函數(shù)不為零時，X_bb(t)才是復數(shù)。接下來，我們將展示復調制相對于實調制的優(yōu)勢。
以下是一個實調制的例子，它將一個余弦波轉換為更高頻率的信號。我們通常把這個過程稱為混頻，但也可以看作是用一個正弦波調制另一個正弦波。在這個例子中，基帶調制函數(shù)是一個對于所有時間值都是實值的余弦波。換句話說，q分量為零?；鶐в嘞也ǖ念l率是f_IF，其中IF代表中頻。
利用歐拉公式中的余弦關系，我們可以將余弦波描述為兩個復指數(shù)的和。將這個公式代入x(t)的解析定義中，合并指數(shù)冪，然后再次使用歐拉公式，我們可以看到，得到的調制信號是載波頻率加上和減去IF頻率的兩個實余弦波的和。然而，通常只需要這兩個信號中的一個，而不需要的信號（稱為鏡像信號）必須被濾除。解決這個問題的一種方法是使用復調制。
現(xiàn)在考慮同樣的場景，但使用復調制。在這里，基帶調制函數(shù)是一個復指數(shù)，而不僅僅是實值的余弦波。再次利用歐拉公式，我們可以看到復指數(shù)只是余弦波和正弦波的和，其中正弦波乘以虛數(shù)單位j。因此，同相調制函數(shù)I是一個余弦波，而正交相位調制函數(shù)q是一個正弦波。
將這個復基帶函數(shù)代入x(t)的解析定義中，合并指數(shù)冪，并應用歐拉公式，得到最終的調制信號。虛部的正弦分量被實部函數(shù)去除。這個新的調制信號只包含所需的信號，而鏡像信號被衰減或抑制。
在實混頻的情況下，首先要認識到的是，實信號（如余弦波）具有鏡像的正負頻率譜。負頻率在真實世界中不存在，但在解析世界中存在。對于實調制信號也是如此，其形狀證明了這一點。注意，正負頻率譜看起來是相同的。
當這個信號混頻到更高頻率時，正負頻率譜都會混頻到載波頻率附近。我們稱載波頻率的兩側為下邊帶和上邊帶。在這種情況下，下邊帶和上邊帶包含相同的信息，這不是很有效率。這種場景被稱為雙邊帶（DSB）傳輸，是實調制的結果。
如果我們現(xiàn)在看復混頻的情況，其中我們使用復指數(shù)作為基帶信號，我們可以看到復正弦波只存在于正頻率空間中，而負鏡像消失了。我也可以將復指數(shù)定義為負頻率，這意味著它存在于負頻率空間中，而不是正頻率空間。這表明我的正頻率空間與負頻率空間是獨立的。
我的復調制信號，如這個形狀所示，可以在兩個邊帶中包含不同的信息。一旦我與復正弦波混頻并取實部，載波信號的下邊帶和上邊帶現(xiàn)在就是獨立的。這被稱為單邊帶（SSB）傳輸，因為每個邊帶都可以傳輸獨特的信息。關鍵的好處是，這允許我在相同的帶寬內傳輸比實傳輸多兩倍的信息。
既然我們已經介紹了復調制背后的基本數(shù)學原理，現(xiàn)在讓我們來討論它的兩個主要用途。
首先，復調制的概念被用于鏡像抑制混頻器中。在實混頻中，會產生所需的信號和不需要的鏡像信號，后者必須被濾除。而使用復調制可以固有地抑制鏡像信號，正如我在復混頻示例中所展示的。
鏡像信號的抑制降低了混頻器之后模擬濾波器的要求。由于存在不完善之處，模擬混頻器無法實現(xiàn)完美的抑制。然而，即使鏡像信號功率降低20分貝，也會導致濾波器要求的顯著放寬。
其次，復調制在數(shù)字通信中得到了廣泛應用，以便在給定信號帶寬下將數(shù)據(jù)傳輸速率加倍。這提高了頻譜效率，這在帶寬受限的情況下（如無線通信）尤為重要。數(shù)據(jù)傳輸速率能夠加倍是因為正弦和余弦是正交函數(shù)，允許分離I和Q分量。由于I和Q可以分離，它們可以包含獨立的信息。讓我們更深入地了解這一應用場景。
數(shù)字通信使用離散的I和Q值來形成符號。一種常見的可視化復符號的方法是使用星座圖，例如這個16-QAM（正交幅度調制）的示例圖。該圖將符號映射到復平面上。x軸表示實部I分量的大小，而y軸表示虛部Q分量的大小。每個符號都映射到一個比特序列，以便傳輸信息。
在示例圖中，比特序列1011映射到右下角的符號，該符號由最正的I值和最負的Q值表示。從原點到符號的距離表示調制載波的幅度，可以使用勾股定理來計算。調制載波的相位是從正I軸到符號的角度，可以使用q除以i的反正切值來計算。
現(xiàn)在，讓我們嘗試將星座圖中所顯示的內容與之前給出的傳輸信號定義聯(lián)系起來。
首先，考慮之前展示的16-QAM星座圖。假設我們希望在載波頻率f_c上通過信道傳輸，并且想要發(fā)送比特0011。查看圖表，我們可以看到比特0011被分配到復平面右下象限左下角的符號。該符號對應的I和Q值分別為1和-3。因此，我們的基帶調制函數(shù)簡單地表示為1-j3。
現(xiàn)在，我們可以使用之前幻燈片中的方程來計算載波幅度和相位。我們發(fā)現(xiàn)幅度為根號10，相位為-1.25弧度。
現(xiàn)在，我們可以通過兩種方式生成調制信號。我們可以使用計算出的幅度和相位來設置余弦波的幅度和相位，如上方方程所示。或者，我們可以直接使用星座圖中的I和Q值來設置獨立余弦項和正弦項的相對幅度，如下方方程所示。所得信號是相同的。然而，第二種方法通常更常用，因為它在數(shù)字處理器或現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）中更容易實現(xiàn)。
以下是各種調制方案的星座圖。第一個是正交相移鍵控（QPSK），它有四個符號，分別位于復平面的每個象限中。第二個是八進制相移鍵控（8PSK），它有八個符號，每個符號之間相隔45度。
第三個是32-QAM（正交幅度調制），由于32的平方根不是整數(shù)，因此它不是一個完美的正方形。相反，正方形的四個角被去掉，這略微提高了功率效率，并允許每個符號映射五個比特。最后一個是1024-QAM，它是一個緊密排列的星座圖，每個符號映射10個比特，從而顯著提高了數(shù)據(jù)傳輸速率。
由于符號排列緊密，為了達到相同的比特誤碼率，更密集的星座圖需要更好的噪聲和失真性能。然而，符號間間距較大的星座圖每個符號發(fā)送的比特數(shù)較少，因此數(shù)據(jù)傳輸速率較低。許多系統(tǒng)允許根據(jù)信道條件的改善或惡化實時更改星座圖，以便在達到所需比特誤碼率的同時實現(xiàn)最大數(shù)據(jù)傳輸速率。
