訊號調變

訊號調變的核心原理

引言

調變是將低頻資訊訊號(例如語音和資料)載入到高頻載波訊號上的過程。其物理本質是改變載波的振幅、頻率或相位,使其與資訊訊號的變化一致。 


為什麼需要調變?


1. 天線尺寸限制:

天線長度必須與波長成正比(通常為波長的 1/4)。低頻訊號(例如 1kHz)的波長極長,需要數十公里高的天線;調製到更高頻率(例如 1GHz)後,天線可以縮短到厘米級。


2. 頻譜分配:

允許多個發射機同時在不同頻率上發射訊號(頻分複用),而不會相互幹擾。


3. 傳輸距離與抗噪音能力:

高頻訊號在空間中具有更好的傳播特性,並且特定的調製方法(例如數位調變)可以有效地抵抗雜訊幹擾。

常用調變技術


調變主要分為兩大類:類比調變和數位調變:


模擬調變

用於傳輸連續類比訊號(例如傳統廣播)。

  • 調幅 (AM): 改變載波的振幅。電路簡單,但易受雜訊幹擾。

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:
$$ y(t) = A\cos(2\pi f_c t) + \frac{A_m}{2} \cos\big(2\pi (f_c+f_m)t\big) + \frac{A_m}{2} \cos\big(2\pi (f_c-f_m)t\big) $$


  • 調頻(FM): 改變載波頻率。音質更好,抗干擾能力更強。

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(相位調變): 改變載波的相位。

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 的訊號和調變方式。

數位調變

用於傳輸離散二進位資料(0 和 1),是現代通訊(Wi-Fi、5G、Zigbee)的基礎。

  • ASK(幅度鍵控): 利用載波的有無或不同的振幅來表示 0 和 1。
  • FSK(頻移鍵控): 利用不同的頻率來表示 0 和 1。
  • PSK(相移鍵控): 利用相位偏移來表示資料。例如,BPSK(2 相)或 QPSK(4 相)。
  • QAM(正交幅度調變): 同時改變振幅和相位,顯著提高頻譜效率,廣泛應用於高速網路。



Study
RLC電路中的諧振
透過能量傳輸進行通信