通信中的调制技术，为了把信息'扔'的更远

✍调制是通信技术中最常用的技术术语之一。

相比调制鸡尾酒，通信中的「调制」是用来调整一种信号的。

图1 调酒师在调制鸡尾酒

一个身边的例子是你的调频FM收音机，FM代表频率调制，调整频率。

图2 调频收音机

在这篇文章中，我们将学习调制技术的基础知识，并了解它们如何应用于现代蜂窝和通信技术。

我们都知道，电磁波的频率和波长是成反比的。

✎ƒ = C / λ

✎ƒ ∝ 1 / λ

人类有能力听到20到20千赫KHz的声音，但是如果一个信号塔发射这样频率的电磁波，所需天线的尺寸就会很大。

因为天线的大小与波长成正比。

为什么需要调制？

如果我们以声波的频率(20-20 kHz)来发射电磁波，所需天线的尺寸将在公里数量级(图3)。

图3 天线尺寸L与电磁波长λ的关系

很明显，为了传输我们的声音信号，需要公里级别的天线，这意味着你的手机的尺寸要达到公里级别，这是不现实的。

✎C= ƒ × λ

✎如果 ƒ = 10kHz

✎3× 10^8 = 10 ×10^3 × λ

✎λ= 33km

✎L= λ/2 = 15km

✎这里, L 是天线的尺寸

这就是为什么我们需要调制。

在电磁波被传送之前，它们应该被调制成一个高频信号，高频信号的波长相对较短，所需的天线尺寸也会变小。

✈做一个简单的类比：

我们可以用一个简单的类比来理解我们调制信号的方式。

试着扔一张纸，如图4A所示，它不会走多远。

现在，把它绑在石头上，再扔一次，如图4B所示。

第二种方法显然比第一种方法更有效。

我们就是这样调制的。

调制代替石头，使用高频信号的称为载波信号。

众所周知，任何信号都有三个基本性质：振幅、频率和相位。在调制过程中，载波信号的这些特性会根据消息信号而变化。

图4A 直接扔一张纸

将这张纸绑上石头，再发射......

图4B 绑在石头上

调制方式主要有两种：

1.模拟调制

2.数字调制

模拟调制

在模拟调制中，载波信号的三个特性随信号的瞬时值而变化。

图5 载波的幅值被消息信号调制了

调幅技术(AM)是最古老的技术，被用于广播电台节目。

我们用消息信号的幅度值去改变载波信号的幅度(图5)。

AM是广播节目中最古老的技术。

✈频率调制FM

如果载波信号的频率根据消息信号的幅度而变化，则这种技术称为频率调制(图6)。

图6 AM与FM的对比

这种频率调制形成的新信号能够进行长距离传输。

请注意，载波信号的频率总是很高，这意味着调制信号的频率和能量也很高，因此很容易在长距离传播。

同样的，我们也可以很容易地从调制信号的频率中提取原始信号的值。

到目前为止，我们已经讨论过的调制技术都是模拟的。

然而，它们已经过时了。

模拟调制容易受到噪音的影响，这降低了信号的质量，而且，在今天的电子仪器中，所有操作都是以数字形式进行的，数字信号要么是1，要么是0。

那么，让我们来讨论目前使用的数字调制技术，

更具体地说，让我们看看数字比特流是如何转换成电磁波的。

数字调制

数字调制中载波信号的特性随信号离散值的变化而变化。

✈振幅移位键控(ASK)

第一种数字技术是振幅移位键控。

在数字脉冲的基础上，调整载波信号的幅度。

高振幅与1相关，低振幅与0相关。

图7所示的是ASK调制信号和消息信号。

图7 ASK信号调制

✈频移键控(FSK)

下一种技术称为频移键控。

这里，根据数字脉冲的值，调整载波信号的频率。

在这种情况下，高频相关数字比特1，低频相关数字比特0。

图8是FSK调制信号与消息信号的关系图。

图8 FSK信号

✈相移键控(PSK)

第三种技术是相移键控。

在这里，当数字脉冲从1移动到0或0到1。

载波信号的相位被改变180度(图9)。

图9 载波的相位随着1和0变化

✈正交调幅(QAM)

通信技术是为了提高数据传输的速度和效率，但如果使用前面所述的任何数字调制技术，则无法获得较高的数据传输速度。

有一种技术被称为正交调幅。

✈模拟QAM

用一种简单的方式理解QAM。

让我们用两个模拟信号。

QAM的优点在于，您可以将这两个不同的信号调制为单个信号，然后发送它(图：10A)，然后在接收端您将能够分离出原始信号(图：10B)，从而节省带宽。

图10A 两个模拟信号调制成一个信号

图10B 接收端分开两个心啊后

让我们看看这种调制是如何实现的。

在QAM中，第一信号是使用载波调制的(图11)，图11中使用的是振幅调制。

第二信号也用相同频率和振幅的载波调制，但在给载波信号90度相移之后(90 Phase Shifter)。图11中使用的是振幅调制。

现在，这两个调制信号混合在一起，形成一个单一的信号。

我们称之为多路信号。

有趣的是，在接收端，我们可以很容易地从多路复用信号中分离出原始信号。

图11 QAM信号的产生

数字QAM

在数字QAM的情况下，使用了类似的方法。

这里不是模拟信号，而是将不同的比特组合在一起以产生多路复用信号。

让我们看看16-QAM是如何工作的。

✈16-QAM

如果您熟悉数字技术，那么您知道任何形式的数据都只是1和0的集合。如图12所示。

图12 任何图像文字表示成二进制

在16-QAM中，我们可以将4位封装在一起，并将其作为一个单一的电磁波发送。

根据这4位的值，该输出将具有不同的相位角和幅值。

这意味着，多路复用信号的相位角和幅值可以完全表示4位数据。

在16-QAM中，这样的16位值可以通过调整复用信号的相位和幅度来表示，然后这个单路复用信号被用于传输。

您可以看到不同的幅度和相位电磁信号如何表示各种4位数据，如图13A和图13B所示。

图13A 不同的4个比特组合，用不同的相位和幅度来表示

我们知道4个比特可以有16种组合，所以需要16组相位和幅度，保证相互之间可以区分。

图13B 不同的比特组合，用不同的相位和幅度来表示

使用类似于模拟调制的技术，这里的幅度调制信号也被混合在一起，最后产生一个单一的输出。

正如我们在这种调制中所看到的那样，我们使用了两个相位相差90度的载波信号。

因此，'正交'一词被用来指这项技术，如图14B所示。

图14A 16QAM的16种相位幅度组合，成为星座图

我们把这16种不同的相位-幅度组合，画到坐标系里面，就得到了星座图。

图14B 输入的4个比特

如果我们用一种普通的调制技术来发送数据，而不是QAM，我们就会使用4种电磁信号。因此，16-QAM将数据传输速度提高4倍(图15)。

图15 QAM传输信号

现在4G,5G中已经使用了64 QAM。

64QAM一次使用6位数据，从而使数据传输速度比常规调制技术快6倍。

调制技术不仅限于蜂窝通信和调频广播，而且在电视广播、无线网络、光纤等领域也有应用。