关于信号调制的基本概念（基带调制vs射频调制）(转载)_基带频率和本振频率

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https://zhuanlan.zhihu.com/p/37535928 以下搬运自本人之前在52RD上的一篇博客，貌似已经被不少人引用，或者有些就是整篇照抄。最近在知乎上也回答了几个类似的问题，好多同学还是对于这些基本概念有误解。 特此把这篇文重新编辑，整理提炼一下。 保留个人版权，转载请告知。 什么是信号调制： 我们常说的信号调制（Modulation），因为历史沿革，目前其实在不同的语境下有着完全不同的意思。不只是初入行的员工，一些老鸟有时也常常会搞混淆。 传统意义上的调制，先摘抄一段wiki的定义： modulationis the process of varying one or more properties of a periodic waveform, called the carrier signal, with a modulating signal that typically contains information to be transmitted. 用中文大白话来说，就是把需要传输的信号（原始信息），“调制”到载波信号上去。这个过程里面，载波是被调制信号调整的。 几个名词先定义一下（仅仅限于本文的上下文，网络上不同的书/文章上面可能会用不同的名字，不要纠结，理解了本质你自然明白各自在说什么）： - 调制信号=原始信息，就是需要传输的信号，模拟调制时代典型是一段语音，数字调制时代通常是一串编码后的比特流。 - 载波信号，通常是高频信号（理论上是一个单音信号，要求非常纯净），因为高频信号有易于传播，衰减较小的特质。 - 调制的“对象”是载波信号的幅度、频率，相位，或者这三者的混合。 - 基带信号，就是载波频率为0的时候的已调制信号。 - 射频信号，就是载波频率为对应的高频信号的时候的已调制信号。 为什么调制这个概念在不同的书/课本/文章上有时候会有不同意思？ 我想大概是这么个原因： 最早的调制概念，是模拟调制，就是我们广播还能见到的AM/FM，这个调制是把信息（声音信号，频率典型在44KHz以下）通过一系列手段，搬移到射频频率上去。 而现代数字通讯的出现，以及相应数字域/模拟域处理的分开（因为半导体器件的原因，数字和模拟）导致数字信号的调制被分成两块：一个是数字调制（就是基带信号的形成），一个是模拟调制（虽然还叫调制，其实已经退化成频谱搬移，只改变载波。但是它一点不简单，要是简单，RF IC早就变成白菜价了）。 到了后来，大家写文章的时候，基带处理的说我这是调制，射频处理的也说我这是调制，其实基带加上射频才是最原始的调制的概念。 因此大家在读文章的时候，要搞清楚里面所说的调制到底指的什么。 怎么理解模拟调制和数字调制？ 如果把经典的调制概念在学术意义上加以分类，可以这么说： 1. 对应于模拟调制：AM/FM/PM. 模拟信号调制/解调实现都简单得多，举个例子，AM信号就是用语音信号去调节载波信号的幅度，信号很简单，解调也很简单。我还记得大学老师说当年插队的时候放羊，在无线电铁塔下面拿个金属棍子往地下一插，就能听见调幅广播了 2. 相应于数字调制：ASK/FSK/PSK. 概念也很简单，比如ASK，就是遇到0，传输一个幅度信号，遇到1，传输另一个幅度信号，等等。 不过这些都只存在于教科书里面了，实际应用没啥意思。但是本质还是要搞清楚。不展开。 而现实远远没这么简单，我们看到那么多五花八门的调制技术： GMSK/xPSK/xQAM/OFDM 以及这样那样的变种，都是啥意思呢？ 首先明确一下，这些都是基带调制技术，其本质是研究“如何在一个载波周期内携带更多的信息流”的技术。 基带调制的目的，是把需要传输的信息进行处理，以达到用尽量小的带宽传输尽量多的信息。 很眼熟是吧：没错，这就是香浓定律专注的地方，也是无数算法工程师，DSP工程师忙碌的地方。 GMSK/QPSK/8PSK/16QAM/64QAM分别表示了不同的数字调制方法，就是想方设法把原始的信息“做编码映射”，以达到用更少的symbol来代表原来的2^Nbit的目的，经过调制以后，在一个载波周期(1Hz)内传输的是symbol而不再是bit。 GMSK: 1 symbol=1bit，单位带宽传输效率1bit/Hz QPSK: 1 symbol=2bit，单位带宽传输效率，2bit/Hz 8PSK：1 symbol=3bit ，单位带宽传输效率，3bit/Hz 16QAM：1 symbol=4bit ，单位带宽传输效率，4bit/Hz 64QAM：1 symbol=6bit， 单位带宽传输效率，6bit/Hz OFDM 有所不同，它走的不是一个路子，不是把信息在一个载波上传输，而是使用了多个子载波（串行码流并行化分配到各个子载波上去）， 但是每个子载波上面处理仍然类似，可以使用xPSK/xQAM调制。OFDM的子载波之间相互正交--正交的意思，可以理解成在关键的时间点“互不干扰”，可以这样想象一下，当在第N个载波上采样信号时，刚好第N+1/N-1的相邻载波都处于0电平，那么此时大家就是互不干扰。 Wiki上数字调制的总入口： https://en.wikipedia.org/wiki/Modulation#Digital_modulation_methods 能解释一下星座图的意思： 1. 星座图是个手段，或者工具，在电脑仿真或者仪表测量的时候，可以用来观察调制信号质量，或者说它是对于调制信号的图像化表达； 2. 星座图上可以看到一个载波周期内，调制信号的symbol的状态（幅度和相位信息，加上轨迹还能显示symbol之间的信号过度）--注意星座图里面看不到任何载波的信息（载波的不理想性能够通过信号的幅度/相位特性反映出来）。 3. 星座图是时域上的概念，不反映信号频域信息。 Wiki link: https://en.wikipedia.org/wiki/Constellation_diagram 星座图是射频工程师和物理层工程师的好帮手。 Chip/Symbol 是什么意思？和调制有什么关系？ 下面一段看不太明白可跳过--这部分涉及一点通讯协议，不了解也并不妨碍对于调制/解调的理解： 从CDMA/WCDMA时代引入的码域处理（Chip process），其实不是调制，而是在发生在信号调制之前的信号编码处理—目的是提高信号的抗干扰能力 （通过扩频，扩频本身这里不展开，大家自行Wiki）。其实2G时代的GMSK，4G时代的OFDM，也都有不同的信号编码来提高信号的抗干扰能力。但是请注意这里叫做信道编码（最近炒得火热的华为的polar码事件，就是干这个的）或者扩频，注意这些不是调制！不是调制！不是调制！ 在信号被调制之前，简单说原始信息会经过如下变换： 原始的语音数字化，或者packet data -> 信源编码 (只对语音而言) -> 信道编码(比如L2/L3加保护，封包，交织等等) -> 传输信道化 –> 物理传输信号成型（CDMA/WCDMA要做扩频，LTE要做串并转换产生子载波码流） -> 递交给物理层最底层做基带调制。 射频调制的实现： 好，到此为止我们简单讲完完成了基带信号调制。接下来是射频调制。 如前文所说，射频调制，目的就是实现射频信号搬移。但是这个搬移要尽量做到信号无损伤（高信噪比），产生纯净的载波信号（本振的低相位噪声），不引入其它的额外的信号（各种非线性干扰）。。。可谓任务艰巨。 射频调制（射频搬移）有很多种办法。但目前民用领域最广泛的调制实现方法，还是IQ调制（也有叫矢量调制，正交调制）。 IQ调制从硬件电路实现上来说，就是把基带调制输出IQ信号（I/Q可以认为是两个正交的基带调制信号）搬移到载波上去的过程： 从安捷伦一篇AN上面拿个图标注一下，如有侵权请通知：（顺便说一句：Agilent（现在叫Keysight）有非常多的高质量文档。懒汉可以用如下关键词去百度一下“矢量调制分析基础 agilent”）

假设前面的基带调制输出了两路信号：

 ；  ； 其中Ab(t)=基带信号的幅度；ωb t=基带信号的相位。 基带信号通常为“零频信号”，即载波为DC，频宽为信号带宽的调制信号； 射频调制数学模型可以用纯粹的三角函数来演示： 如果a=ωc t(载波频率，carrier信号，或者称为为LO，本振信号)，b=ωbt代表前述的“基带信号频率”。则我们得到： 从这个公式我们可以得到很多有意思的结论： 直观的结果：提供cos(ωc t)给Qb（相乘，即混频）, 提供sin(-ωc t) 给Ib (相乘，即混频)，再把产物相加，最后得到的就是射频调制信号，（ωc+ωb）实现频谱搬移； 狡猾的实现: sin(-ωc t)在硬件实现上很简单因为sin(-ωc t)=-cos(ωc t+90)，就是说对原始的LO信号提供90度（1/4周期）的相移，再取反就可以得到—这是硬件上很容易实现的。 相位同步：基带信号ωbt和本振信号ωct要零相位差。或者说，基带调制信号送至射频发射机调制之间的硬件delay需要被补偿至2π。 幅度变化：注意最后产物上叠加的A(t),为基带信号的幅度信息。从这里可以看出恒包络信号如GMSK, A(t)为常数和非恒包络信号，如QPSK-nQAM（A(t) 可能在最大和0之间变化）对于最终射频信号的影响—这个影响（用PAR来衡量）对于射频放大器的限制是众所周知的。 这里数学模型是考虑理想状况，没有考虑各种非理想状况例如载波泄露，相位不平衡，幅度不平衡等等。但是这些都可以代入公式做量化分析。 有兴趣的同学可以自行搜索相关文章。 关于解调，理论上是如上调制的逆过程，当然具体实现上可能是非常不同，是另外一个很大的话题。。暂时打住。。