數字調製：幅度和頻率

射頻調製

儘管基於相同的概念，但數字調製波形看起來與模擬波形完全不同。

儘管還遠沒有消失，但模擬調製與數字世界完全不兼容。 

我們不再專注於將模擬波形從一個地方移動到另一個地方。 相反，我們想要移動數據：無線網絡，數字音頻信號，傳感器測量等等。 為了傳輸數字數據，我們使用數字調製。

但是，我們必須謹慎使用此術語。 在本文中，“模擬”和“數字”是指要傳輸的信息的類型，而不是實際傳輸波形的基本特徵。 

模擬和數字調製均使用平滑變化的信號。 區別在於模擬調製信號被解調為模擬基帶波形，而數字調製信號由離散的調製單元（稱為符號）組成，這些符號被解釋為數字數據。

三種調製類型有模擬和數字版本。 讓我們從幅度和頻率開始。

數字幅度調製
這種調製方式稱為幅度偏移鍵控（ASK）。 最基本的情況是“開-關鍵控”（OOK），它幾乎直接對應於[[模擬幅度調製]]專頁中討論的數學關係：如果我們將數字信號用作基帶波形，則乘法基帶和載波產生的調製波形對於邏輯高電平來說是正常的，而對於邏輯低電平則是“關”的。 邏輯高振幅對應於調製指數。

時域
下圖顯示了使用10 MHz載波和1 MHz數字時鐘信號生成的OOK。 我們在這裡在數學領域中進行操作，因此邏輯高振幅（和載波振幅）只是無量綱的“ 1”。 在實際電路中，您可能具有1 V的載波波形和3.3 V的邏輯信號。

您可能已經註意到，該示例與[[Amplitude Modulation]]頁面中討論的數學關係之間存在一個不一致的地方：我們沒有移動基帶信號。 如果要處理典型的直流耦合數字波形，則無需上移，因為信號保留在y軸的正部分。

頻域
這是對應的頻譜：




將此與使用1 MHz正弦波進行幅度調製的頻譜進行比較：




大多數頻譜是相同的-載波頻率（fC）的尖峰和fC加基帶頻率和fC減去基帶頻率的尖峰。 

但是，ASK頻譜也具有較小的尖峰，分別對應於三次諧波和第五次諧波：基本頻率（fF）為3 MHz，這意味著三次諧波（f5）為1 MHz，第五次諧波（f3）為3 MHz 。 因此我們在fC正負fF，f3和f5處有尖峰。 實際上，如果您要擴展圖，您會看到峰值按照此模式繼續出現。

這是很合理的。 方波的傅立葉變換由基頻的正弦波和奇次諧波的振幅降低的正弦波組成，該諧波含量就是我們在上面所示頻譜中看到的。

這一討論將我們引向一個重要的實踐點：與數字調製方案相關的突然轉變會產生（不希望的）更高的頻率含量。 在考慮調製信號的實際帶寬以及可能干擾其他設備的頻率時，必須牢記這一點。

數字調頻
這種調製方式稱為頻移鍵控（FSK）。 就我們的目的而言，沒有必要考慮FSK的數學表達式。 相反，我們可以簡單地指定當基帶數據為邏輯1時頻率為f0，當基帶數據為邏輯2時頻率為f1。

時域
產生準備發送的FSK波形的一種方法是，首先創建一個根據數字數據在f1和f2之間切換的模擬基帶信號。 這是f1 = 1 kHz和f2 = 3 kHz的FSK基帶波形的示例。 為確保符號與邏輯0和邏輯1的持續時間相同，我們使用1個3 kHz週期和XNUMX個XNUMX kHz週期。

然後將基帶波形（使用混頻器）上移至載波頻率並發送。 這種方法在軟件定義的無線電系統中特別方便：模擬基帶波形是低頻信號，因此可以通過數學方式將其生成，然後由DAC引入模擬領域。 使用DAC創建高頻傳輸信號會困難得多。

從概念上講，更簡單的實現FSK的方法是簡單地使兩個載波信號具有不同的頻率（f1和f2）。 根據二進制數據的邏輯電平，將一個或另一個路由到輸出。 

這導致最終的發射波形在兩個頻率之間突然切換，與上面的基帶FSK波形非常相似，只是兩個頻率之間的差異相對於平均頻率要小得多。 換句話說，如果您正在查看時域圖，則很難從視覺上區​​分f1部分和f2部分，因為f1和f2之間的差異只是f1（或f2）的一小部分。

頻域
讓我們看一下FSK在頻域中的影響。 我們將使用相同的10 MHz載波頻率（在這種情況下為平均載波頻率），並且將使用±1 MHz作為偏差。 （這是不現實的，但是對於我們當前的目的是方便的。）因此，傳輸的信號對於邏輯9將為0 MHz，對於邏輯11將為1 MHz。這是頻譜：

請注意，“載波頻率”沒有能量。 考慮到調製信號永遠不會處於10 MHz，這不足為奇。 它始終處於10 MHz減去1 MHz或10 MHz加上1 MHz的位置，這正是我們看到兩個主要峰值的地方：9 MHz和11 MHz。

但是該頻譜中存在的其他頻率呢？ 嗯，FSK頻譜分析並不是特別簡單。 我們知道，頻率之間的突然轉變會帶來額外的傅立葉能量。 

事實證明，FSK會為每個頻率產生正弦函數類型的頻譜，即，一個頻率以f1為中心，另一個頻率以f2為中心。 這些說明了在兩個主要尖峰兩側各出現的額外頻率尖峰。

總結
*數字調幅涉及根據二進制數據在不連續的部分中改變載波的幅度。

*數字幅度調製最直接的方法是開關鍵控。

*使用數字頻率調製時，載波或基帶信號的頻率會根據二進制數據在不連續的部分中變化。

*如果將數字調製與模擬調製進行比較，我們會發現由數字調製產生的突變會在遠離載波的頻率處產生額外的能量。

留言 

郵件列表