[分享] 信号调制--基带调制和射频调制

Jacktang 2018-5-16 22:52 楼主

我们常说的信号调制（Modulation），其实在不同的语境(Context)下有着不同的意思。不过不只是初入行的员工，一些老鸟有时也常常会搞混淆。

传统上的调制，简单说就是把携带信息的信号，”调制“到载波信号上去。所谓的载波信号，通常是高频信号，因为高频信号有易于传播的特质。

而能够被调制的对象则是信号的幅度、频率，相位，或者这三者的混合行为。

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.

2. 对应于数字调制：ASK/FSK/PSK.

常常说的码域处理，其实严格来说不是调制，而是在发生在信号调制之前的信号编码处理--以提高信号的抗干扰能力。

如果把信号调制概念放到移动通讯中来看：

在移动通讯里常常有两个地方涉及到调制，但是意义完全不同。我们以发射机为例加以解释（接收机大体上是相反的过程，通常称为解调）。

第一个调制，俗称为基带调制—因为是发生在数字域上的。

在信号被调制之前，典型会经过如下变换：原始的语音或者packet data-> 数字化&信源编码 (只对语音而言，IP data则可以省却) -> 信道编码(比如L2/L3加保护，封包，交织等等)，这时候就ready for 基带调制。

信号调制的目的，是把需要传输的原始信息在时域、频域，或者码域上进行处理，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。

Note: GMSK/QPSK/8PSK/16QAM/64QAM分别表示了不同的调制方法，就是想方设法把原始的信息“简化编码”，以达到用最少的symbol来代表原来的2^N个bit的目的，接下来被传输的是Symbol而不是bit。

GMSK: 1 symbol=1bit => QPSK:1 symbol=2bit …=> 64QAM:1 symbol=6bit

对于CDMA，还会多一道“扩频”，得到的多个Chip （chip的个数=扩频码的长度）来代表1个Symbol。

完成了这些信号映射，从硬件电路实现上来说，基带调制最终输出IQ信号，可以简单的获得:

Ib=Ab(t)sin(ωb t); Qb=Ab(t)cos(ωb t)

Ab(t)=基带信号的幅度；ωb t=基带信号的相位。两者均是时间的函数。

第二个调制，是常说的“射频调制”。也有称为IQ调制的（这名字源于调制的方法）。常常有人把这里的IQ调制和前面的基带IQ信号以及后续要用到的本振IQ信号搞混。

从射频角度来说，这个也可以叫做频谱搬移，其目的是把基带调制的信号搬移到射频频率上，这样信号才能够以无线的方式发射出去。

这里基带信号通常为“零频信号”，即载波为DC，频宽为信号带宽的调制信号；

射频调制可以用纯粹的三角函数来演示： cosa*cosb-sina*sinb =cos(a+b)

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：

Qb*cos(ωc t)-Ib*sin(ωc t)=

Ab(t)cos(ωb t) cos(ωc t)+Ab(t)sin(ωb t) sin(-ωc t)=

Ab(t)cos(ωc+ ωb)t

从这个公式我们可以得到很多有意思的结论：

1）.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；

2）.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。

3）.相位同步：基带信号ωbt和本振信号ωc t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。

4）.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)基本为常数）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。