载波通信和载波信号分别是什么？它有哪些原理及设计？

载波通信（Carrier communication）是基于频分复用技术的电话多路通信体制，属于经典模拟通信的制式。在工程上，一路电话的电信号频谱被限制在300 ～3400赫的范围；考虑到保护性的频率间隔，一路电话所占的频带宽度为4千赫。

好的，我们来详细解释一下载波通信和载波信号，以及它们的原理和设计要点。

1. 核心概念

载波信号：
- 是什么？ 它是一个特定频率的单频振荡波形（通常是高频的正弦波或余弦波）。
- 目的： 它本身不携带任何信息（或者说信息量为零），它的核心作用是为后续的信息传输提供一个可靠的“载体”或“基础频率”。想象一辆空车，车本身没有货物。
- 特性： 具有明确且相对稳定的频率 ƒc、幅度 A 和相位 φ。例如：100 MHz 的正弦波、2.4 GHz 的余弦波。
载波通信：
- 是什么？ 利用载波信号来传输信息信号的一种通信技术。它指的是调制和解调的整个过程。
- 核心过程： 将要传输的基带信号（原始信息信号，如语音、数据、图像等，其频率范围通常在低频段）加载到更高频率的载波信号上，形成一个新的已调信号。这个已调信号可以通过无线信道（如空气）或有线信道（如同轴电缆）进行有效传输。在接收端，通过相反的过程（解调）将基带信号从载波上取下来。
- 类比： 就像你乘坐飞机去远方一样。你（基带信息）需要搭乘一架高速飞行的飞机（载波信号）才能快速有效地到达目的地（接收端）。通信系统确保你能安全上机（调制），被运送到目的地，然后安全下机（解调）。飞机本身（载波）不是信息，它只是载体。

2. 基本原理

载波通信的核心原理就是调制和解调。

调制：
- 定义： 根据待传输的基带信号（调制信号）去改变载波信号的一个或多个参数（幅度、频率或相位）。
- 目的：
  1. 频谱搬移： 将信息信号从低频（难以高效传输或容易相互干扰）搬移到适合特定信道传输的高频频段。不同通信系统使用不同频段的载波。
  2. 信道复用： 多个信号可以通过调制在不同频率的载波上（频分复用），在同一物理信道上传输而不相互干扰（就像广播电台使用不同的频率载波播送节目）。
  3. 提高抗噪性： 某些调制方式（如调频）比直接传输基带信号更能抵抗噪声干扰。
  4. 减小天线尺寸： 无线通信中，为了有效辐射信号，天线尺寸需要与信号波长成正比（波长 = 光速 / 频率）。高频信号（载波）波长短，可以使用更小的天线。
- 基本调制方式：
  1. 幅度调制： 载波信号的幅度随基带信号瞬时值成比例地变化。
    - s_AM(t) = [A + m * m(t)] * cos(2πƒc t + φ)
    - A: 载波幅度； m(t): 基带信号； m: 调制指数（控制调制深度）
    - 优点：实现简单，带宽相对较窄。
    - 缺点：抗噪性能差（噪声很容易影响信号的幅度）。
    - 例子：传统的 AM 广播电台（中波、短波）。
  2. 频率调制： 载波信号的瞬时频率随基带信号瞬时值成比例地变化。
    - s_FM(t) = A * cos[2πƒc t + 2πΔƒ * ∫ m(τ) dτ]
    - Δƒ: 最大频偏（衡量频率变化的范围）。
    - 优点：抗噪性能很强（噪声对频率的影响通常小于对幅度的影响），音质好（常用于广播）。
    - 缺点：占用带宽较宽。
    - 例子：FM 广播电台（调频广播），模拟电视的伴音部分。
  3. 相位调制： 载波信号的瞬时相位随基带信号瞬时值成比例地变化。
    - s_PM(t) = A * cos[2πƒc t + Δφ * m(t)]
    - Δφ: 最大相偏。
    - 优点：抗噪性能优于 AM，带宽利用效率优于 FM。
    - 缺点：实现和解调相对复杂（需要相干解调）。
    - 例子：在数字通信领域广泛使用（如 Wi-Fi, 4G/5G, Bluetooth），常与 QAM（正交幅度调制，结合了 AM 和 PM）等技术结合使用。
解调：
- 定义： 在接收端，从已调信号中恢复出原始的基带信号的过程。
- 核心目标： 识别并提取调制过程中改变的载波参数（幅度、频率或相位）上的变化信息。
- 解调方式：
  - 与调制方式对应：
    - AM 解调： 通常使用包络检波器（简单）或相干解调器（需要恢复载波同步）。
    - FM 解调： 通常使用鉴频器（如斜率鉴频器、相位鉴频器、锁相环鉴频器）来检测频率变化。
    - PM 解调： 必须使用相干解调器。利用相位比较器检测与本地恢复载波之间的相位差。
  - 关键步骤：
    1. 接收信号： 接收天线（无线）或接口（有线）捕捉传输过来的已调信号，但此时信号通常微弱且含有噪声。
    2. 放大与滤波： 使用高频放大器进行初步放大，使用带通滤波器选取目标载波频带，抑制带外噪声和干扰信号。
    3. 载波恢复： （对于相干解调）在接收端生成一个与接收信号中载波同频同相（或固定相位差）的本地振荡信号。这是解调的关键和难点之一（载波同步）。
    4. 混频（下变频）： 将高频已调信号与本振信号混频，将信号频谱搬移到较低的频率（中频 IF），便于后续处理（如滤波、放大）。
    5. 核心解调操作： 根据所用调制方式，执行相应的操作（包络检波、鉴频、相位比较）来检测出调制参数的原始变化轨迹。
    6. 低通滤波： 解调出的信号通常包含原始基带信号和不需要的高频分量（如载波残余）。使用低通滤波器滤除高频成分，保留纯净的原始基带信号。
    7. 基带处理： 对恢复出的基带信号进行进一步放大、滤波、波形整形或数字信号处理（如均衡补偿信道失真、误码纠错解码等），最终得到可用的信息。

3. 系统设计要点

设计一个载波通信系统需要考虑以下关键方面：

调制方式选择：
- 应用需求： 对带宽效率（频谱利用率）、抗噪性（功率效率）、实现的复杂度、成本、音质（数据速率）的要求是什么？
- 信道特性： 信道噪声水平如何？是否存在干扰？信道频率响应（衰落、多径）特性如何？无线信道还是有线信道？可用带宽有多大？
- 例如：追求高质量音频广播 -> FM；追求带宽利用率高的数字通信 -> QPSK, QAM；卫星通信等对功率要求高的 -> 常采用 PSK/FSK。
载波频率的选择：
- 工作频段： 必须遵守无线电频谱管理法规（无线电通信）。不同频段的传播特性（穿透力、绕射能力、覆盖范围）不同。
- 干扰避免： 避开已知的强干扰频点。
- 天线尺寸： 无线系统天线尺寸需匹配工作频率。
- 传输损耗： 不同频率在有线介质（如电缆）中的衰减不同。
信道编码（纠错编码）：
- 目的： 在信息码中加入冗余校验位，在接收端能检测并纠正一定数量在传输中产生的误码。
- 类型： 如卷积码、Turbo码、LDPC码、RS码等。
- 权衡： 更强的纠错能力需要增加冗余，降低了有用信息的传输速率。需要根据信道误码率设计合适的纠错能力。
带通滤波器的设计：
- 发送端： 用于限制已调信号的实际带宽，防止干扰相邻信道信号。设计需要考虑滚降系数、矩形系数。
- 接收端： 用于选择目标信号，抑制带外噪声和干扰。同样重要，需与发送滤波器匹配并考虑抗干扰能力。
射频前端设计：
- 发送端： 包括调制器、上变频器（混频器+本振）、驱动放大器（Driver）、功率放大器（PA）、发送滤波器（BPF）、天线/接口。
- 接收端： 包括天线/接口、接收滤波器（BPF）、低噪声放大器（LNA）、下变频器（混频器+本振）、中频放大器、解调器。
- 关键器件： 功放效率（线性度 vs 效率）、低噪放噪声系数、混频器线性度/隔离度、滤波器选择与抑制性能、本振相位噪声和频率稳定性（锁相环/PLL设计）、收发切换（T/R Switch）。
同步技术：
- 载波同步： （相干解调必备）在接收端恢复与接收信号载波精确同频同相的本地载波。
- 位/符号同步： 确定接收信号每个比特（数字信号）或符号的起始和结束时刻，以便在最佳时刻采样判决。
- 帧/分组同步： 识别数据帧或数据包的起始位置，实现信息流的正确分组和重组。
- 同步是数字通信可靠性的基础，设计专门的同步环路（如Costas环用于载波和位同步）。
信噪比分析与设计：
- 计算整个通信链路的噪声来源（热噪声、放大器噪声、干扰）和信号衰减。
- 预测接收端解调器输入端的信噪比 SNR_i。
- 根据选择的调制方式和信道编码能力，计算能够达到的可接受误码率 BER。
- 确保设计满足 SNR_i > 实现目标 BER 所需的最小 SNR（即系统余量足够）。
多址接入设计：
- 在共享信道上支持多个用户同时通信。
- 主要方式：频分多址（FDMA - 不同用户分配不同载波频率）、时分多址（TDMA - 不同用户分配不同时隙）、码分多址（CDMA - 不同用户使用不同的扩频码）、正交频分多址（OFDMA - 如 4G/5G 使用，将信道划分为大量相互正交的子载波）。
- 需要设计资源分配的机制和接入控制协议。
信号处理技术：
- 信道均衡： 补偿信道的频率选择性失真和码间干扰（ISI）。
- 分集技术： 利用空间、频率、时间等多个维度独立信道传输相同或相关信息，通过合并提高信号质量（对抗衰落）。
- 自适应调制和编码： 根据信道质量实时调整调制阶次和编码速率，优化传输效率和可靠性。

总结

载波信号 是用于传输信息的单频高频载体。
载波通信 是通过调制将基带信息加载到载波上，形成已调信号进行传输，并在接收端通过解调恢复原始信息的技术体系。
核心原理 在于通过改变载波的幅度 (AM)、频率 (FM) 或 相位 (PM) 来携带信息。
系统设计 是一个复杂的过程，需要综合考虑调制方式选择、载频选取、信道编码、滤波、射频前端性能、同步技术、多址接入、信噪比预算以及各种抗衰落的信号处理技术（均衡、分集），以满足特定应用的性能（带宽、速率、抗噪性）需求和约束（成本、功耗、法规）。