通信基本原理—调制

在无线电通信中，信源信号首先被映射为基带信号。基带信号本身不适合长距离传输，这是电磁波理论的结论。它必须装载到合适的载体才能长距离传输，就好比发运货物需要合适的运输工具一样。较高频率的无线电波或者有线电波是适合的载体，我们通常称其为载波信号，装载了基带信号的载波信号称为已调信号。将基带信号变换为已调信号为调制，从已调信号卸载下来基带信号为解调。这里顺便提一个问题：“有哪些系统是直接传送基带信号的？”据说，这曾经是华为公司校招时的一个题目。其实，早期的有线电报、电话都是基带信号传输的；现在只在计算机、交换机、手机等机器内部采用基带信号传输，网线也是传输基带信号的，芯片内部也是基带信号传输的。

载波信号如图1所示：

他好比一个人发出连续不断、没有任何变化的“啊——”长音，是无法传递信息的。人人都知道，要用声音传递信息至少要幅度、频率、相位三者之一发生变化才可能，无线电通信也如此。

比如，让载波的幅度随着基带信号变化，称为幅度调制（AM），如图2所示：

从图2可见，已调信号的幅度随着基带信号变化，相当于将基带信号的频率搬移到了更高的频率，而信号的包络与基带信号一样。可以用乘法电路完成这种调制，用包络检波器的电路就可以解调，从已调信号中恢复出基带信号。

再比如，让载波的频率随基带信号变化，称为频率调制（FM），如图3所示：

从图3可见，已调信号的频率随着基带信号变化，这也相当于将基带信号搬移到了更高的频率，但是，已调信号的幅度是恒定的。可以用调频电路完成这种调制，用鉴频电路就可以解调，从已调信号中恢复出基带信号。

再比如，让载波的相位随基带信号变化，称为相位调制（PM）。这需要解释一下：简谐波的相位就是其起始时刻的状态，从波峰起始的简谐波和从波谷起始的简谐波就是相位不同的简谐波，就好比人走路，假如两个人步幅、抬腿高度完全一样，但是，其中一人先迈左腿，另一人先迈右腿，那么他们两人就不是同步的，称为不同相位。相位调制如图4所示：

从图4可见，已调信号的相位随着基带信号 “倒换步调”。这也相当于将基带信号搬移到了更高的频率，已调信号的幅度也是恒定的。可以用调相电路完成这种调制，用鉴相电路就可以解调，从已调信号中恢复出基带信号。

以上的基带信号是模拟信号（随时间连续变化）。对于现代的数字通信，调制原理是类似的。数字通信的基带信号通常如图5所示：

从图5可见，基带信号随时间变化只有“1”和“0”两个值，图5的基带信号就代表了码元序列10101001，为什么这个序列可以表示要发送的信息呢？这已经在通信基本原理中讲编码时说了。

用数字基带信号的两个值“1”和“0”来调制载波，就会像“按键”一样切换，使得载波的幅度、频率或者相位在两种状态之间按键切换，因此，称这时的幅度调制为幅度键控（ASK）；称这时的频率调制为频移键控（FSK）；称这时的相位调制为相移键控（PSK）。英文缩写中的“S”是单词“Shift”的首字母，“K”是单词“Keying”的首字母。这就是数字调制。

采用数字调制有许多好处，除了便于用二进制运算的芯片处理以外，其最大的好处是可以提高频谱利用率。下面我们以PSK为例来看看这又是如何做到的。

假设PSK已调信号有2个相位：0度相位和180度相位，我们称其为2种波形。有2种波形的PSK称为2PSK。假设发送码元序列是10101001。当发送第一位码元“1”时，对应的2PSK发送一种波形，当发送第2位码元“0”时，2PSK发送另一种波形，10101001依次发送，已调信号就在2个波形之间开关切换，切换频率等于码元速率。

再来，假设PSK有4个相位：0度相位、90度相位、180度相位、270度相位，我们称其为4种波形。有4种波形的PSK称为4PSK。这时如果仍然是“1”对应一种波形，“0”对应另一种波形，另外有两种波形用不着了。怎么办？我们可以这样做：让2个码元“0 0”对应1个波形，让2个码元“0 1”对应第二个波形，让2个码元“1 0”对应第三个波形，让2个码元“1 1”对应第四个波形，这样恰好物尽其用。请读者跟上我的思路，看看为什么会提高码元发送速度：

假设发送的码元序列还是10101001，当最前面的2位码元“1 0”发出来时，4PSK发出1个波形；当后续又发出2位码元，4PSK再发出1个波形；即每发出2个码元，4PSK切换一次。因此4PSK的波形切换频率只是2PSK的一半。切换频率就代表信号占用的频谱宽度，因此，4PSK占用的频谱宽度是2PSK的一半，但是它们传输码元的速率相等，所以4PSK的频谱利用率是2PSK的2倍。

波形也被称为符号，基带信号的码元传输速率称码元速率，已调信号的符号传输速率称符号速率。频谱利用率越高，码元速率相等时，占用的频谱宽度越窄，此时符号速率越低；另一方面，频谱利用率越高，占用相等的频谱宽度时，此时符号速率相等，码元速率越高，两种说法是等价的。4PSK与2PSK相比较，4PSK是高阶调制。5G会用到256QAM调制，它是在相位细分的基础上再细分幅度，共细分出256种波形（符号），是更高的高阶调制，其频谱利用率是2PSK的8倍。

但是，天下没有免费的午餐，采用高阶调制带来好处的同时，人们必须付出什么代价呢？大家知道，载波相位是角度，角度最大只有360度，再大的角度就重复了。而幅度通常也只有几伏特的差别，这些角度和幅度差别如果过分细分，波形与波形之间就会非常接近。波形在信道传输过程中，会被噪声和干扰所污染，非常接近的波形就非常难以识别，以至于无法完成通信。这就比如在草丛里奔跑的兔子，假如是一只白、一只黑两只兔子，比较容易识别。假如是白、灰、黑灰、黑四只兔子，识别就困难些，假如是白、浅白、灰白、灰色、黑白、黑灰、浅黑、深黑八只兔子，就会很难识别。高阶调制亦如此。因此，在3G标准CDMA2000的演进版本EV-DO Rev A中，引入了自适应调制编码（AMC）技术，这种技术根据信道情况自动调整调制阶数：当信道条件好时采用高阶调制，尽量提高码元速率；当信道条件差时采用低阶调制，以确保通信能够完成。4G标准也引入了这项技术。

总之，高阶调制是柄双刃剑，非武林高手还真使不了它。