射频调制技术演进：从5G到6G的频谱效率革命
射频调制技术演进：从5G到6G的频谱效率革命
在当今数字化时代，无线通信技术已经深入到我们生活的方方面面。从日常使用的智能手机、Wi-Fi 网络，到先进的雷达系统、卫星通信，无线通信无处不在。而在无线通信的复杂体系中，射频调制技术无疑占据着核心地位，是实现高效、可靠信息传输的关键所在。本文将带领大家深入探索射频调制的世界，从基本概念入手，逐步了解其工作原理、常见方式、面临的挑战以及未来发展趋势。
射频指可辐射到空间的电磁频率，范围为 300KHz 至 30GHz。在此频段，电磁波能在空气中传播，并经电离层反射实现远距离传输。如今，射频技术广泛应用于通信、雷达、识别等多个领域。在通信领域，从第一代移动通信以频分多址技术为基础投入使用，到 5G 乃至未来 6G 对高频段射频的探索，不断推动着通信速度与质量的提升；在射频识别技术方面，其利用射频进行非接触双向通信实现识别与数据交换，已在防伪、防盗、自动化产线等场景广泛应用。
调制是对信号源信息进行处理并加载到载波上，使其转变为适合信道传输形式的过程。日常生活中的信号源，如语音、图像、数据等多为含直流分量和低频的基带信号。基带信号直接传输存在诸多问题，如在无线传输中，为获得较高辐射效率，天线尺寸应大于发射信号波长的四分之一，而基带信号低频分量波长较长，导致天线过长难以实现。通过调制，将基带信号频谱搬至较高载波频率，可减小辐射天线尺寸，实现信道多路复用，提高信道利用率，还能扩展信号带宽，提升系统抗干扰、抗衰落能力。
调制种类丰富，根据调制信号形式可分为模拟调制和数字调制。模拟调制是用连续变化的模拟信号调制高频正弦波，数字调制则是用数字信号对正弦或余弦高频振荡进行调制。按被调信号种类，又可分为脉冲调制、正弦波调制和强度调制等，对应的载波分别是脉冲、正弦波和光波等。正弦波调制的基本方式有幅度调制、频率调制和相位调制，后两者合称为角度调制，此外还有单边带调幅、残留边带调幅等变异方式；脉冲调制也有脉冲调幅、脉冲调相、脉冲调宽等多种方式。在通信技术领域，频率调制（FM）与相位调制（PM）是模拟调制中的重要方式，而数字调制技术则在现代通信中占据着关键地位。
频率调制（FM）由 E.H. 阿姆斯特朗于 1933 年发明，让正弦载波的瞬时频率随调制信号瞬时值变化，具有良好抗干扰性能，广泛应用于高质量广播、电视伴音、多路通信和扫频仪等电子设备。理想调频中，载波瞬时角频率与调制信号瞬时值成线性关系，幅度不变。单频调制时，瞬时角频率表达式包含与调制信号幅度成正比的最大角频率偏移这一重要参数。调频波频谱与调幅波不同，具有无穷多个边频分量，相邻边频距离等于调制信号频率。通常忽略幅度小于载波原来幅度一定比例的边频分量来确定调频波带宽。实用中，当调制信号最大值不变时，最大频移不变，调频指数随调制信号频率变化，频谱宽度大体保持不变，可通过经验公式计算。宽带调频在输入信噪比足够大时，接收机输出信噪比与最大频移的平方成正比，增加调频波带宽可改善通信系统质量，但带宽过大时，接收机内部噪声增加，输出信噪比会急剧变坏。
相位调制（PM）使正弦载波的瞬时相位随调制信号变化。单频调相时，调相波表达式包含与调制信号幅成正比但与调制角频率无关的调相指数，这是调相与调频的区别。调相波频谱与调频波相似，但其频谱宽度随调制信号角频率变化，角频率大时频谱宽，小时频谱窄，频带不能充分利用。不过，数字调相具有优越的抗干扰性能且频带窄，在各种数据传输和数字通信系统中得到广泛应用。
随着通信业务量增加和对通信质量要求的提高，数字调制技术逐渐崭露头角。与模拟调制相比，数字调制技术具有抗噪声能力强、鲁棒性高、灵活性高、安全性好等优点，尽管需要较大传输带宽且设备通常较为复杂，但随着数字压缩技术、大规模集成电路技术以及光纤等大容量传输媒介的发展，其应用难度和复杂度大大降低，在现代通信系统中得到广泛应用。振幅键控（ASK）是最早研究的数字调制方式，通过载波幅度变化传输数字信息，如二进制振幅键控（2ASK），信号为 “1” 时载波通过开关表现为大信号，为 “0” 时载波截止只有本底噪声。移频键控（FSK）中，正弦载波频率随数字基带信号变化，若数字基带信号为二进制，则产生二进制移频键控（2FSK），“1” 和 “0” 分别对应不同载波频率。移相键控（PSK）中，正弦载波相位随数字基带信号变化，振幅和频率保持不变，如二进制移相键控（2PSK），二进制信号 “0” 和 “1” 通常分别对应初始相位和 0。移相键控还分为绝对移相和相对移相，前者以未调载波相位为基准，后者以前一码元载波相位为基准确定本码元载波相位。正交幅度调制（QAM）是振幅和相位联合键控方式，利用两个独立基带波形对两个相互正交的同频载波进行抑制载波双边带调制，已调信号在同一带宽内频谱正交，能实现两路并行数字信息传输，具有更强抗干扰能力和更高频谱利用率。
在实际应用中，射频调制面临诸多挑战。随着通信技术向更高频率、更宽带宽、更低功耗以及更小尺寸方向发展，对射频调制技术提出了严苛要求。例如，5G 通信需支持更高频段（如毫米波频段），这要求射频调制器在高频下保持良好性能，包括线性度、效率、带宽等。同时，为满足多用户、大数据量传输需求，调制方式需具备更高频谱效率和抗干扰能力。在设备小型化和低功耗方面，传统射频调制电路体积大、功耗高，难以满足便携式设备和物联网设备的要求，需要研发新的集成技术和电路架构来实现小型化和低功耗设计。面对这些挑战，科研人员和工程师积极探索并取得了一系列突破。在调制方式创新方面，不断有新的调制技术涌现，如多载波调制技术中的正交频分复用（OFDM），它将高速数据流分割成多个低速子数据流，分别调制到多个子载波上进行传输，有效抵抗多径衰落，提高频谱效率，已广泛应用于 4G、5G 等移动通信系统中。在电路设计和集成技术上，采用先进的半导体工艺，如 CMOS（互补金属氧化物半导体）工艺，将射频调制电路中的各种元件高度集成在一个芯片上，大大减小了体积和功耗。同时，研发新型的调制器结构，如基于硅基光子学的调制器，利用光信号在硅基材料中的传输和调制特性，实现高速、低功耗的射频信号调制，为解决射频调制面临的挑战提供了新途径。
展望未来，射频调制技术将在多个领域持续发挥关键作用并迎来更大发展。在通信领域，随着 6G 等未来通信技术的研究与发展，射频调制将朝着更高频谱效率、更低延迟、更强抗干扰能力的方向不断演进。射频调制技术作为无线通信的核心技术之一，从基础理论到实际应用，从面临的挑战到不断取得的突破，再到充满无限可能的未来，其发展历程见证了科技的不断进步。在未来，射频调制技术将继续推动无线通信及相关领域的发展，为人们的生活和社会的进步带来更多的惊喜与变革。
本文原文来自eefocus.com