信号调制

信号调制的核心原理

引言

调制是将低频信息信号(例如语音和数据)加载到高频载波信号上的过程。其物理本质是改变载波的幅度、频率或相位,使其与信息信号同步变化。 


为什么需要调制?


1. 天线尺寸限制:

天线长度必须与波长成正比(通常为波长的 1/4)。低频信号(例如 1kHz)的波长极长,需要数十公里高的天线;调制到更高频率(例如 1GHz)后,天线可以缩短到厘米级。


2. 频谱分配:

允许多个发射机在不同频率上同时发射(频分复用),而不会相互干扰。


3. 传输距离和抗噪声能力:

高频信号在空间中具有更好的传播特性,并且特定的调制方法(例如数字调制)可以有效地抵抗噪声干扰。

常用调制技术


调制主要分为两大类:模拟调制和数字调制:


模拟调制

用于传输连续模拟信号(例如传统广播)。

  • 调幅 (AM): 改变载波的幅度。电路简单,但易受噪声干扰。

The general AM equation:
$$ y(t) = \big[A + m(t)\big] \cdot \cos(2\pi f_c t) $$

If the modulating signal is a sine wave:
$ m(t) = A_m \cos(2\pi f_m t) $
Then:
$$ y(t) = \big[A + A_m \cos(2\pi f_m t)\big] \cdot \cos(2\pi f_c t) $$
Where:

Where:
  • $ A $ = carrier amplitude
  • $ A_m $ = modulating amplitude
  • $ f_c $ = carrier frequency (Hz)
  • $ f_m $ = modulating frequency (Hz)

Modulation index $ m = A_m / A $ (must be ≤ 1 for no overmodulation).
Expanded form:
$$ y(t) = A\cos(2\pi f_c t) + \frac{A_m}{2} \cos\big(2\pi (f_c+f_m)t\big) + \frac{A_m}{2} \cos\big(2\pi (f_c-f_m)t\big) $$


  • 调频(FM): 改变载波频率。音质更好,抗干扰能力更强。

For FM, the instantaneous frequency varies sinusoidally:
$$ y(t) = A \cos\left(2\pi f_c t + \frac{\Delta f}{f_m} \sin(2\pi f_m t)\right) $$ Where:

  • $ \Delta f $ = peak frequency deviation
  • Modulation index $ \beta = \Delta f / f_m $

So: $$ y(t) = A \cos\big(2\pi f_c t + \beta \sin(2\pi f_m t)\big) $$


  • PM(相位调制): 改变载波的相位。

For a sine wave carrier modulated by a sine wave message:
$$ y(t) = A_c \cos\big[2\pi f_c t + \phi(t)\big] $$ Where $\phi(t)$ is the phase deviation proportional to the message signal.

With sine wave message:
$$ m(t) = A_m \cos(2\pi f_m t) $$

The phase deviation is: $$ \phi(t) = k_p \cdot m(t) = k_p A_m \cos(2\pi f_m t) = \Delta \phi \cdot \cos(2\pi f_m t) $$ Where:

  • $ k_p $ = phase sensitivity (rad/volt)
  • $ \Delta \phi $ = peak phase deviation (radians) = $ k_p A_m $

Final PM signal: $$ y(t) = A_c \cos\big[2\pi f_c t + \Delta \phi \cos(2\pi f_m t)\big] $$



AM、FM 和 PM 的信号和调制方式。

数字调制

用于传输离散二进制数据(0 和 1),是现代通信(Wi-Fi、5G、Zigbee)的基础。

  • ASK(幅度键控): 利用载波的有无或不同的幅度来表示 0 和 1。
  • FSK(频移键控): 利用不同的频率来表示 0 和 1。
  • PSK(相移键控): 利用相位偏移来表示数据。例如,BPSK(2 相)或 QPSK(4 相)。
  • QAM(正交幅度调制): 同时改变幅度和相位,显著提高频谱效率,广泛应用于高速网络。



Study
RLC电路中的谐振
通过能量传递进行通信