涵盖了线性调制和非线性调制两大类别。我们将从基本概念入手，逐步深入，并用直观的方式解释它们的工作原理、优缺点和应用场景。

一、什么是调制与解调

调制：将低频基带信号（携带信息的数字比特流）的特性，加载到高频载波信号（便于传输的无线电波）上的过程。

基带信号：原始的数字信号（0和1），频率低，无法远距离传输。

载波信号：通常是一个高频正弦波，形式为Acos(2πfc​t+ϕ)。它有三个基本参数可以改变：幅度（A）、频率（f_c） 和 相位（φ）。

解调：调制的逆过程。在接收端，从已调制的载波中恢复出原始基带信号。

为什么要调制？

频率转换，实现无线传输：将信号频谱搬移到高频，使天线尺寸可接受（天线尺寸与波长成正比）。

频分复用：将多个基带信号调制到不同的载波频率上，以便在同一信道上同时传输。

突破硬件限制：避开低频段的工频干扰和元器件噪声。

二、模拟调制与数字调制

数字调制的主要目的：

使数字信号适合在带通信道中传输并易于实现；能通过频分复用将数字信息(基带信号)安排在不同的频段传输，提高频带利用率。

模拟调制与数字调制的异同：

相同点：

实现信号的频谱搬移和变换；载波主要为正弦信号；可采用调幅、调频和调相等方式；

主要区别：数字调制受控参数在有限种取值间变化。可同时调制多于一个的参数，如相位与幅度。

三、 线性调制

已调信号的频谱结构与基带信号的频谱结构呈线性对应关系（即频谱搬移）。简单来说，基带信号的频谱被直接搬移到了载波频率的两侧。这类调制会改变载波的幅度。

1. 幅移键控（ASK）

原理：用载波的幅度变化来表示数字信息。

二进制“1” → 发送有载波（通常为固定幅度）。

二进制“0” → 发送无载波（或幅度很小）。

表达式：SASK​(t)=Am​(t)cos(2πfc​t)，其中Am​(t) 随基带信号变化。

波形：看起来像基带脉冲序列控制着载波的“通”和“断”。

优缺点：

优点：实现简单，成本低。

缺点：抗噪声能力差，容易受信道增益变化影响。

2. 相移键控（PSK）

原理：用载波的相位变化来表示数字信息。

表达式：SPSK​(t)=Acos(2πfc​t+ϕm​(t))，其中 ϕm​(t) 取离散值。

常见类型：

BPSK（二进制PSK）：用0°和180°两个相位。

“0” → cos(2πfc​t) （相位 0°）

“1” → cos(2πfc​t+π) （相位 180°）

抗噪性能最好，但数据速率低。

QPSK（四相PSK）：用4个相位（0°, 90°, 180°, 270°），每个符号代表2个比特（00, 01, 11, 10）。在相同的带宽下，数据速率是BPSK的两倍。

优缺点：

优点：抗噪声性能优于ASK。

缺点：接收机需要相位同步（需要相干解调），比ASK复杂。

3. 正交幅度调制（QAM） - 线性调制的集大成者

原理：同时改变载波的幅度和相位。它可以看作是ASK和PSK的结合。

表达：利用同相分量（I） 和正交分量（Q） 两个正交的载波。

SQAM​(t)=I(t)cos(2πfc​t)−Q(t)sin(2πfc​t)

不同的（I, Q）组合对应一个星座点。

星座图：理解QAM的关键。它将符号映射到二维（I-Q）平面上。

16-QAM：有16个星座点，每个符号传输4个比特。

64-QAM：有64个星座点，每个符号传输6个比特。

256-QAM：有256个星座点，每个符号传输8个比特。

优缺点：

优点：极高的频谱效率。在有限带宽内可以传输非常高的数据速率。

缺点：对噪声和信道失真非常敏感。信噪比（SNR）要求很高。阶数越高，抗噪能力越差。

四、非线性调制

已调信号的频谱结构与基带信号的频谱结构没有线性关系，会产生新的频率分量。已调信号的幅度是恒定的。这类调制会改变载波的频率或相位。

1. 频移键控（FSK）

原理：用载波的频率变化来表示数字信息。

二进制“1” → 发送频率 f1​。

二进制“0” → 发送频率 f2​。

表达式：SFSK​(t)=Acos(2πfm​(t)t)，其中 fm​(t) 在 f1​ 和 f2​ 之间切换。

波形：在“1”和“0”交替时，频率发生跳变，但波形是连续的。

优缺点：

优点：恒包络，抗噪声能力强，特别适用于非线性功率放大器（效率高）。

缺点：频谱效率通常低于PSK和QAM。

应用：蓝牙（使用GFSK，即高斯滤波FSK）、无线鼠标键盘、寻呼系统。

2. 最小频移键控（MSK）

原理：FSK的一种特殊形式，是相位连续的FSK，且两个频率的间隔是理论上最小的（等于半个比特率）。

优缺点：

优点：相比普通FSK，具有更紧凑的频谱（旁瓣更小），带外辐射小。

缺点：实现比FSK稍复杂。

应用：GSM移动通信系统（作为GMSK的基础）。

五、线性调制 vs 非线性调制

特性线性调制（ASK, PSK, QAM）非线性调制（FSK, MSK）核心原理频谱线性搬移频谱非线性变换包络（幅度）非恒包络，幅度会变化恒包络，幅度恒定频谱效率高（尤其是高阶QAM）较低抗噪声能力对幅度噪声敏感（ASK最差）对幅度噪声不敏感，抗噪能力强对功率放大器要求需要线性功率放大器，效率较低可以使用非线性功率放大器（C类），效率高实现复杂度解调相对复杂（常需相干解调）解调可简单（如非相干FSK）主要应用高数据速率、带宽受限系统（Wi-Fi, 5G, 光纤）功率受限、对抗噪要求高的系统（蓝牙, 卫星链路）

六、总结

数字调制解调技术是无线通信的基石。

当你需要极高的速度并且在室内等信噪比较好的环境下时（如Wi-Fi），线性调制（如QAM） 是首选。

当你对功耗和抗干扰性要求更高，而对速度要求不那么极致时（如蓝牙设备），非线性调制（如FSK） 则更具优势。

现代通信系统通常会根据信道条件自适应地选择调制方式（称为“自适应调制编码”），在信道好时使用高阶QAM以获得高速率，在信道差时切换为稳健的BPSK或QPSK以保证连接。