天華中威科技微波小課堂_不同射頻調制方案在性能和應用上的比較

讓我們來探討一下不同調制方案在性能和應用方面的比較。

理解射頻調制的三種主要類型的關鍵特性至關重要，但這些信息并非孤立存在。我們的目標是設計能夠有效且高效地滿足性能目標的實際系統。因此，我們需要對哪種調制方案適用于特定應用有一個大致的了解。

振幅調制（Amplitude Modulation, AM）

振幅調制在實現和分析上相對直接，同時AM波形也相對容易解調。因此，AM可以被視為一種簡單且成本較低的調制方案。然而，正如常言所說，簡單和低成本往往伴隨著性能上的妥協——我們不應期望更簡單、更便宜的解決方案就是最好的。

雖然不能說AM系統“罕見”，因為全球無數車輛都配備了AM接收器，但模擬振幅調制的應用目前相當有限。這主要是因為AM存在兩個顯著的缺點：

除了AM無線電廣播外，模擬幅度調利還用于民用航空

振幅噪聲

在無線通信系統中，噪聲始終是一個難以回避的問題。從某種意義上說，射頻設計的質量可以通過解調信號的信噪比來概括：接收信號中的噪聲越少，意味著輸出質量越高（對于模擬系統）或比特錯誤率越低（對于數字系統）。噪聲總是存在，我們必須認識到它是影響系統整體性能的根本威脅。

噪聲——包括隨機電噪聲、干擾、電氣和機械瞬態等——會作用于信號的幅度上。換句話說，噪聲可以產生振幅調制。這是一個問題，因為噪聲引起的隨機振幅調制與發射機有意進行的振幅調制難以區分。任何射頻信號都會受到噪聲的影響，但振幅調制（AM）系統尤其敏感。

放大器線性度

在設計射頻功率放大器時，線性度是一個主要挑戰。（更具體地說，同時實現高效率和高線性度是非常困難的。）線性放大器對輸入信號應用一定的固定增益；從圖形上看，線性放大器的傳輸函數就是一條直線，其斜率對應于增益。

一條直線代表完美線性放大器的響應：輸出電壓始終是輸入電壓乘以固定增益。

放大器非線性

實際中的放大器總是存在一定程度的非線性，這意味著應用于輸入信號的增益會受到輸入信號特性的影響。非線性放大的結果是失真，即在諧波頻率上產生頻譜能量。

我們也可以說，非線性放大是振幅調制的一種形式。如果放大器的增益隨輸入信號的頻率變化，或者隨外部因素（如溫度或電源條件）變化，那么傳輸的信號就會經歷非故意（且不受歡迎）的振幅調制。這在AM系統中是一個問題，因為雜散振幅調制會干擾有意進行的振幅調制。

任何包含振幅變化的調制方案都更容易受到非線性的影響。這既包括普通的模擬振幅調制，也包括統稱為正交振幅調制（QAM）的廣泛使用的數字調制方案。

角度調制

頻率調制和相位調制在傳輸信號的時間特性中編碼信息，因此它們對振幅噪聲和放大器非線性具有魯棒性。信號的頻率不會因噪聲或失真而改變。雖然可能會增加額外的頻率成分，但原始頻率仍然存在。當然，噪聲對調頻（FM）和調相（PM）系統也有負面影響，但噪聲并沒有直接破壞用于編碼基帶數據的信號特性。

如上所述，功率放大器設計需要在效率和線性度之間進行權衡。角度調制與低線性度放大器兼容，而這些低線性度放大器在功耗方面更高效。因此，角度調制是低功耗射頻系統的良好選擇。

帶寬

與頻率調制和相位調制相比，振幅調制在頻域中的影響更為直接。這可以視為AM的一個優勢：能夠預測調制信號所占用的帶寬是很重要的。

然而，預測FM和PM頻譜特性的難度更多地與設計的理論部分相關。如果我們關注實際因素，角度調制（包括FM和PM）可以被視為具有優勢，因為它可以將給定的基帶帶寬轉換為相對較小的（與AM相比）傳輸帶寬。

頻率與相位

頻率調制和相位調制密切相關，但在某些情況下，一種調制方式比另一種更適合。這兩種調制方式之間的區別在數字調制中更為明顯。

模擬頻率調制和相位調制

正如我們在相位調制頁面中所看到的，當基帶信號是正弦波時，PM波形僅僅是相應FM波形的一個移位版本。因此，關于頻譜特性或噪聲敏感性的FM與PM之間并沒有明顯的優缺點。

然而，模擬FM比模擬PM更為常見，原因是FM調制和解調電路更為簡單。例如，頻率調制可以通過圍繞電感和電壓控制電容器（即，其電容隨基帶信號電壓變化而變化的電容器）構建的振蕩器來實現。這種電路結構相對簡單，易于實現。

數字頻率調制和相位調制

當我們進入數字調制的領域時，相位調制（PM）和頻率調制（FM）之間的差異變得相當顯著。首先需要考慮的是誤碼率。顯然，任何系統的誤碼率都取決于多種因素，但如果我們對二進制相移鍵控（PSK）系統和等效的二進制頻移鍵控（FSK）系統進行數學比較，我們會發現二進制FSK需要顯著更多的發射能量才能達到相同的誤碼率。這是數字相位調制的一個優勢。

但是，普通的數字相位調制也有兩個顯著的缺點。

首先，如數字相位調制頁面所述，普通的（即非差分）PSK與非相干接收機不兼容。相比之下，FSK不需要相干檢測。

其次，普通的PSK方案，特別是四相相移鍵控（QPSK），涉及突然的相位變化，導致信號的高斜率變化。當信號通過低通濾波器處理時，波形的高斜率部分幅度會降低。這些幅度變化與非線性放大相結合，會導致一個稱為頻譜再生長的問題。為了減輕頻譜再生長，我們可以使用更線性（因此效率更低）的功率放大器，或者實現PSK的專用版本?；蛘撸覀兛梢郧袚Q到FSK，它不需要突然的相位變化。

在這里，您可以看到由低通濾波 PSK 信號引起的幅度變化。

總結

振幅調制：振幅調制簡單，但它對噪聲敏感，并且需要高線性度的功率放大器。

頻率調制：頻率調制對幅度噪聲的敏感性較低，可以使用更高效、更低線性度的放大器。

數字相位調制：在理論性能方面，數字相位調制在誤碼率方面優于數字頻率調制。但在低功耗系統中，數字頻率調制具有優勢，因為它不需要高線性度的放大器。