天华中威科技微波小课堂_不同射频调制方案在性能和应用上的比较

让我们来探讨一下不同调制方案在性能和应用方面的比较。

理解射频调制的三种主要类型的关键特性至关重要，但这些信息并非孤立存在。我们的目标是设计能够有效且高效地满足性能目标的实际系统。因此，我们需要对哪种调制方案适用于特定应用有一个大致的了解。

振幅调制（Amplitude Modulation, AM）

振幅调制在实现和分析上相对直接，同时AM波形也相对容易解调。因此，AM可以被视为一种简单且成本较低的调制方案。然而，正如常言所说，简单和低成本往往伴随着性能上的妥协——我们不应期望更简单、更便宜的解决方案就是最好的。

虽然不能说AM系统“罕见”，因为全球无数车辆都配备了AM接收器，但模拟振幅调制的应用目前相当有限。这主要是因为AM存在两个显著的缺点：

除了AM无线电广播外，模拟幅度调利还用于民用航空

振幅噪声

在无线通信系统中，噪声始终是一个难以回避的问题。从某种意义上说，射频设计的质量可以通过解调信号的信噪比来概括：接收信号中的噪声越少，意味着输出质量越高（对于模拟系统）或比特错误率越低（对于数字系统）。噪声总是存在，我们必须认识到它是影响系统整体性能的根本威胁。

噪声——包括随机电噪声、干扰、电气和机械瞬态等——会作用于信号的幅度上。换句话说，噪声可以产生振幅调制。这是一个问题，因为噪声引起的随机振幅调制与发射机有意进行的振幅调制难以区分。任何射频信号都会受到噪声的影响，但振幅调制（AM）系统尤其敏感。

放大器线性度

在设计射频功率放大器时，线性度是一个主要挑战。（更具体地说，同时实现高效率和高线性度是非常困难的。）线性放大器对输入信号应用一定的固定增益；从图形上看，线性放大器的传输函数就是一条直线，其斜率对应于增益。

一条直线代表完美线性放大器的响应：输出电压始终是输入电压乘以固定增益。

放大器非线性

实际中的放大器总是存在一定程度的非线性，这意味着应用于输入信号的增益会受到输入信号特性的影响。非线性放大的结果是失真，即在谐波频率上产生频谱能量。

我们也可以说，非线性放大是振幅调制的一种形式。如果放大器的增益随输入信号的频率变化，或者随外部因素（如温度或电源条件）变化，那么传输的信号就会经历非故意（且不受欢迎）的振幅调制。这在AM系统中是一个问题，因为杂散振幅调制会干扰有意进行的振幅调制。

任何包含振幅变化的调制方案都更容易受到非线性的影响。这既包括普通的模拟振幅调制，也包括统称为正交振幅调制（QAM）的广泛使用的数字调制方案。

角度调制

频率调制和相位调制在传输信号的时间特性中编码信息，因此它们对振幅噪声和放大器非线性具有鲁棒性。信号的频率不会因噪声或失真而改变。虽然可能会增加额外的频率成分，但原始频率仍然存在。当然，噪声对调频（FM）和调相（PM）系统也有负面影响，但噪声并没有直接破坏用于编码基带数据的信号特性。

如上所述，功率放大器设计需要在效率和线性度之间进行权衡。角度调制与低线性度放大器兼容，而这些低线性度放大器在功耗方面更高效。因此，角度调制是低功耗射频系统的良好选择。

带宽

与频率调制和相位调制相比，振幅调制在频域中的影响更为直接。这可以视为AM的一个优势：能够预测调制信号所占用的带宽是很重要的。

然而，预测FM和PM频谱特性的难度更多地与设计的理论部分相关。如果我们关注实际因素，角度调制（包括FM和PM）可以被视为具有优势，因为它可以将给定的基带带宽转换为相对较小的（与AM相比）传输带宽。

频率与相位

频率调制和相位调制密切相关，但在某些情况下，一种调制方式比另一种更适合。这两种调制方式之间的区别在数字调制中更为明显。

模拟频率调制和相位调制

正如我们在相位调制页面中所看到的，当基带信号是正弦波时，PM波形仅仅是相应FM波形的一个移位版本。因此，关于频谱特性或噪声敏感性的FM与PM之间并没有明显的优缺点。

然而，模拟FM比模拟PM更为常见，原因是FM调制和解调电路更为简单。例如，频率调制可以通过围绕电感和电压控制电容器（即，其电容随基带信号电压变化而变化的电容器）构建的振荡器来实现。这种电路结构相对简单，易于实现。

数字频率调制和相位调制

当我们进入数字调制的领域时，相位调制（PM）和频率调制（FM）之间的差异变得相当显著。首先需要考虑的是误码率。显然，任何系统的误码率都取决于多种因素，但如果我们对二进制相移键控（PSK）系统和等效的二进制频移键控（FSK）系统进行数学比较，我们会发现二进制FSK需要显著更多的发射能量才能达到相同的误码率。这是数字相位调制的一个优势。

但是，普通的数字相位调制也有两个显著的缺点。

首先，如数字相位调制页面所述，普通的（即非差分）PSK与非相干接收机不兼容。相比之下，FSK不需要相干检测。

其次，普通的PSK方案，特别是四相相移键控（QPSK），涉及突然的相位变化，导致信号的高斜率变化。当信号通过低通滤波器处理时，波形的高斜率部分幅度会降低。这些幅度变化与非线性放大相结合，会导致一个称为频谱再生长的问题。为了减轻频谱再生长，我们可以使用更线性（因此效率更低）的功率放大器，或者实现PSK的专用版本。或者，我们可以切换到FSK，它不需要突然的相位变化。

在这里，您可以看到由低通滤波 PSK 信号引起的幅度变化。

总结

振幅调制：振幅调制简单，但它对噪声敏感，并且需要高线性度的功率放大器。

频率调制：频率调制对幅度噪声的敏感性较低，可以使用更高效、更低线性度的放大器。

数字相位调制：在理论性能方面，数字相位调制在误码率方面优于数字频率调制。但在低功耗系统中，数字频率调制具有优势，因为它不需要高线性度的放大器。