关于信号调制的基本概念

duck

这篇文章主要目的还是想通俗讲一下信号调制的概念，算是信号处理部分关于调制的入门或者导引。但是前提还是需要打一点信号与系统的基础才行，特别是需要对于什么是時域和频域，什么是信号的幅度，相位，频率以及它们相互之间的关系有扎实了解。基础不牢地动山摇。
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以下是我曾经挠了两天脑袋才搞明白的事情，希望能帮到信号小白少走点弯路。

! n) D! k* k( Q2 R# _0 k关于信号的幅度，相位，频率。千万千万不要把它们当做割裂分开的概念。它们之间是互相关联，互相转化的。

2 l' Q2 L, C! T. Z/ g# o, R用大白话说，调幅调频调相只是指的第一手的手段调节什么，但调幅并不意味着频率相位不会变，调频调相亦然。这个基本概念要牢记心头。
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& r4 d" `- n! _当然，存在特殊的手段，可以在调A的时候，保持B/C不变（比如GMSK，连续使用相同符号调制，就可以达到这个效果）但这是精心设计才达到的，属特例。

. y0 X* t( L, G4 |5 u/ {关于信号相位和频率的问题特别重要，有个思想实验很有帮助：

想象一个具有360分格，一根绕中心旋转的指针的钟表表盘。

- 指针转动一圈就是一个信号周期内的相位爸变化，

-指针转动快慢（每秒钟转多少圈）就是信号频率
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-指针转动相位随时间匀速增加，就是一个固定频率

-指针转动相位非匀速变化（忽快忽慢），就是一个频率谱。

-假如这个表盘上增加一根指针B，和原来的指针A转动速率相同，但相互垂直（pi/2相差) ，这就是一个sin和cos的区别。两根针互相正交，相互内积为0。
5 s' {9 E' h: o5 f7 a1 F0 }/ ?
0 e/ g% H" e9 P  s$ h( C等等等等，可以有很多有趣的联想帮助你了解信号的本质。
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8 B! w' L+ ]3 }8 q0 U% C& w比如，假如指针A正转，指针B反转，怎么理解两者的不同呢？

还有奈奎斯特定律本质是什么，也可以在这个小表盘上面得到体现。
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# L' r' H' H* k, [8 B( \各位有兴趣的话，开一下脑洞想想吧。
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, v' p& q# M- p, @1 Z. X. m
$ [7 A8 M* p# _0 @( r, P' `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。
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9 f' D* z6 o$ b5 Q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。
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& X( h+ @$ U* b8 ~. g0 t! s( H7 r什么是信号调制：
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0 L7 |" b) ^# A, F5 d2 p% e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。
; I6 a8 P+ H3 A& C传统意义上的调制，先摘抄一段wiki的定义：
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modulation is 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.

载波因为纯净（单频，带宽为0）所以没办法携带大量信息，但是频率高方便无线传输。而信息本身有带宽（声音信号带宽22KHz左右），但是无法被无线传输。
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所以两者勾搭到一起，产生了调制的概念。

1 }5 J/ A- A% D/ a# @用中文大白话来说，调制就是把需要传输的信号（原始信息），想办法搬移到载波信号上去。这个过程里面，我们用有用信号（信息）去调戏（调制）纯净信号（载波）。
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# `' L5 l5 I, m5 l$ b: o8 x根据被调戏的（调制）对象不同就可以分类：可以是载波的频率（FM）、幅度（AM）、相位（PM），抑或兼而有之（QAM）。
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接下来几个专有名词先定义一下（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。

7 \' Q* A! O/ T- {9 E  z- 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。
, c, l7 W9 B) e6 ]7 b  w4 d: A( N1 W( {
8 z) C- J/ _" H6 `" j" i' z: a/ a2 {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：

; }9 Z! Q4 r  e" o7 Y1 a* V4 z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。
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/ [  q2 I/ k5 d: N# K0 {# A+ N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）。
, N8 {) `( z% E" r# N( p. g6 i6 Y1 E
, M' `4 s# l" V6 s. T+ ~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，先要搞清楚里面所说的调制到底指的什么。
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怎么理解模拟调制和数字调制？
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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，调制很简单，解调也很简单（二极管就行）。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(其实就是个CR滤波器，滤除了载波信号，留下的就是模拟幅度信号）
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. }$ [% P5 n, ~; V2. 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。
2 I. M: x8 B& M& W. k; ?
" ~9 I" z' N$ t( w0 e3 u不过这些都只存在于教科书里面了，现今实际应用没啥意思。但是本质还是要搞清楚。不展开。
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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：

0 N8 a5 @, K4 a! _- c1 P$ T0 BGMSK/xPSK/xQAM/OFDM 以及这样那样的变种，都是啥意思呢？

3 N2 o# K: y5 Z9 w8 L6 N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。
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; v4 d6 K% B- \1 |1 k5 A3 B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。
' S3 J5 a4 H" U8 y4 g6 t. h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：为了提高单位带宽内的信息密度。

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”，以期达到用更少的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（即实际拿去做调制的）是symbol而不再是bit。

GMSK: 1 symbol=1bit，单位带宽传输效率1bit/Hz

- s- O: R4 {1 M3 C- E# u/ ~QPSK: 1 symbol=2bit，单位带宽传输效率，2bit/Hz
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$ `! Y; A0 x6 h) u8PSK：1 symbol=3bit ，单位带宽传输效率，3bit/Hz

: N: k9 x/ Z# B16QAM：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
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$ L% f+ `- ?3 R! T+ E1 H/ aOFDM 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。
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" O8 f5 y8 b: W+ u* W% DWiki上数字调制的总入口：en.wikipedia.org/wiki/M
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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）。
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3. 星座图是时域上的概念，不反映信号频域信息。

' i5 y. Q9 |- }9 `: zWiki link: en.wikipedia.org/wiki/C

星座图是射频工程师和物理层工程师的好帮手。

# E; E6 [' x) G2 s2 z4 eChip/Symbol 是什么意思？和调制有什么关系？

' D7 @2 ?, w0 ^! w# m0 I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！
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在信号被调制之前，简单说原始信息会经过如下变换：

; \4 o+ v  [/ _  R' v: X1 N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。
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解调就是反过来。
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( a8 B4 l- k$ C, [  _/ U5 n基带调制完成的信号，通常会输出两个正交模拟量，用来实现射频调制。
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射频调制的实现：
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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。
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/ b+ }$ E) ]  `: U. l8 q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）。

+ W* c* e; p- Z: t5 {2 L* s/ tIQ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：

2 Y$ Y( x0 p! a& \- r/ V从安捷伦一篇AN上找到个图标注一下，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”）
2 T! K2 y% B+ g) G1 x假设前面的基带调制输出了两路信号：
5 a& [6 [5 F+ z8 @
其中Ab(t)=基带信号的幅度；ωb t=基带信号的相位。
* f: ]. g  [# p* M+ H5 W
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；
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射频调制数学模型可以用纯粹的三角函数来演示：

$ [0 O, ~. }; i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：
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0 }2 ~  b& W+ O* g1 ]2 t/ E+ I. u从这个公式我们可以得到很多有意思的结论：

% b/ R, \# h( u! l2 r9 [" i' d/ M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
" q$ P4 v7 c. G. w# C; _- f+ J" L* jt+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。
! L! M% ]7 M( G9 t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。

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9 Z& }/ B- Z, U; j" _* c9 z

hope123

关于信号的幅度，相位，频率。千万千万不要把它们当做割裂分开的概念。它们之间是互相关联，互相转化的。

three

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

wu6886

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