在Sub-1GHz无线通信系统中调制解调技术是连接“数字信息”和“无线电波”的关键环节。一段来自传感器的温度、湿度、压力数据或者MCU产生的一串“0”和“1”本身并不能直接通过天线高效地辐射到远端。要让这些数字信息进入无线信道就需要先把信息“加载”到射频载波上这个过程就是调制Modulation同样地接收端从射频信号中把原始信息提取出来这个过程就是解调Demodulation。从通信系统的角度看调制解调技术决定了无线链路如何在“通信距离、数据速率、带宽、功耗、抗干扰能力、接收灵敏度”等指标之间进行权衡因此调制解调技术也是Sub-1GHz射频通信芯片和无线模组设计中的核心技术之一。为什么Sub-1GHz射频通信中需要调制解调技术基于天线物理定律可知天线的辐射效率与其物理长度相对于工作波长的电长度强相关。而数字信号通常表现为低频基带电平跳变如...0 1 0 0...其波长相对较长这就导致设备上的小尺寸天线的电长度远小于谐振所需的1/4波长量级阻抗失配严重辐射电阻趋近于零能量仅能以近场感应形式束缚于馈线近旁无法形成向外传播的远场行波。因此无线通信系统通常会生成一个高频、稳定的正弦载波stAcos2πf_ctφ其中A表示载波幅度代表射频信号的输出功率大小f_ct表示载波中心频率φ表示载波初始相位——这个载波本身是恒定不变的正弦波不携带任何有效业务数据只作为信息传输的“运载载体”。模拟调制与数字调制的效果示意图传感器、MCU所生成的二进制比特流属于低频基带信号无线通信系统中的射频发射机需要通过调制技术将其调制到“运载载体”上改变“运载载体”的载波幅度 A、频率f_ct、相位φ中的一个或多个维度从而把数字信息映射到射频信号的时变参数上完成低频基带信号到携带数字信息的高频无线射频载波信号的转换。从正弦载波的数学表达式stAcos2πf_ctφ 可知可调制的独立参数共有三个载波幅度 A、频率f_ct、相位φ据此调制方式可划分为幅度调制、频率调制和相位调制三种基本类型。进一步地依据基带信号的性质调制技术又可归纳为模拟调制与数字调制两大类。其中模拟调制主要包括调幅AM、调频FM和调相PM数字调制则主要包括幅移键控ASK、开关键控OOK、频移键控FSK、相移键控PSK等这些基本调制方式共同构成了Sub-1GHz射频通信中各类复杂调制方案的技术基础。什么是ASK调制技术ASK全称Amplitude Shift Keying幅移键控——它是一种通过改变载波幅度来传输数字信息的数字调制技术。其基本思想是利用数字信号控制射频载波的幅度使不同的数字符号对应不同的载波幅度而载波的频率保持不变相位关系也保持相应稳定。以二进制ASK2ASK为例可以使用两个不同的载波幅度分别表示数字“0”和“1”。当发送数字“1”时载波以较高幅度发送当发送数字“0”时则以另一种幅度发送。接收端通过检测载波幅度的变化就可以判断当前传输的是哪一个数字符号。ASK的优势在于实现原理比较简单调制和解调电路相对容易实现系统成本和功耗也可以做到较低因此在低速率、低成本的无线通信场景中具有一定应用价值。但由于信息直接承载在载波幅度上信号幅度容易受到无线信道衰减、噪声、干扰以及多径传播的影响因此ASK对幅度变化比较敏感。在无线环境较为复杂的情况下系统需要通过合理的接收门限、自动增益控制、同步以及编码等技术提高通信可靠性。什么是OOK调制技术OOK全称On-Off Keying即开关键控——它是一种特殊的ASK调制方式。它不再使用两个不同的非零幅度而是将其中一个幅度设置为零通过载波的“有”和“无”来表示不同的数字状态。最简单的二进制OOK可以表示为1→ON、0→OFF也就是说当发送数字“1”时射频载波正常发射当发送数字“0”时则关闭载波或者使载波幅度降为零。OOK最大的特点是实现简单、成本较低、功耗较低适合对硬件复杂度和成本较为敏感同时数据量较小、传输速率要求不高的无线应用例如简单遥控、无线开关和低功耗传感器等。但与此同时OOK对噪声、干扰以及接收信号幅度变化也较为敏感因此在复杂无线环境下需要结合接收门限、同步、编码和协议机制进行综合设计以提高通信的可靠性。什么是FSK调制技术FSK全称Frequency Shift Keying频移键控——它是一种通过改变载波频率来传输数字信息的数字调制技术。其基本思想是利用数字信号控制射频载波的频率使不同的数字符号对应不同的载波频率而载波的幅度通常保持不变相位则根据具体FSK调制方式进行连续或相应变化。以二进制FSK2FSK为例可以使用两个不同的载波频率分别表示数字“0”和“1”。当发送数字“0”时载波工作在频率f0当发送数字“1”时载波切换到频率f1。接收端通过检测载波频率的变化就可以判断当前传输的是哪一个数字符号。FSK的优势在于信号幅度基本保持恒定对幅度变化和非线性失真具有较好的适应能力因此能够较好地适配高效率功率放大器在低功耗、远距离的无线通信场景中具有较高的应用价值。同时FSK的调制和解调原理相对成熟工程实现较为稳定在Sub-1GHz无线通信中应用广泛。但与此同时FSK的频率偏移、符号速率以及滤波参数会直接影响信号带宽和频谱占用因此在实际应用中需要结合通信速率、信道带宽、接收灵敏度以及抗干扰能力等因素进行综合设计。什么是GFSK调制技术GFSK全称Gaussian Frequency Shift Keying高斯频移键控——它是一种在FSK调制基础上引入高斯滤波的数字调制技术。其基本思想是在数字信号进入FSK调制器之前先通过高斯低通滤波器对基带信号进行平滑处理再利用处理后的信号控制载波频率使数字信息通过载波频率的变化进行传输。与传统FSK相比GFSK并不是改变FSK通过频率变化传输信息的基本原理而是在调制前对数字基带信号进行高斯滤波从而减缓频率变化过程降低信号在频率切换过程中产生的高频分量和频谱旁瓣使调制信号具有更加紧凑的频谱特性。GFSK的优势在于能够在保持FSK恒包络或近似恒包络特性的同时有效改善频谱利用率降低邻道干扰因此适合对频谱占用、功耗和通信可靠性具有一定要求的无线通信场景。什么是PSK调制技术PSK全称Phase Shift Keying相移键控——它是一种通过改变载波相位来传输数字信息的数字调制技术。其基本思想是利用数字信号控制射频载波的相位使不同的数字符号对应不同的载波相位而载波的幅度和频率通常保持不变。以二进制PSKBPSK为例可以使用两个相差180°的载波相位分别表示数字“0”和“1”。当发送数字“0”时载波采用0°相位当发送数字“1”时载波则采用180°相位。接收端通过检测载波相位的变化就可以判断当前传输的是哪一个数字符号。PSK的优势在于能够在保持载波幅度基本恒定的情况下传输数字信息具有较好的抗噪声能力和较高的频谱利用效率因此适合对通信可靠性和频谱效率具有一定要求的无线通信场景。根据一个符号所对应的相位状态数量不同PSK还可以进一步分为BPSK、QPSK、8PSK等不同形式在实际数字通信系统中具有广泛应用。什么是MSK调制技术MSK全称Minimum Shift Keying最小频移键控——它是一种特殊的连续相位频移键控CPFSK数字调制技术。其基本思想是通过改变载波频率来传输数字信息并将频率偏移设置在满足正交条件的最小值同时保证载波相位在符号切换过程中保持连续从而减少频率切换带来的相位突变和频谱扩展。MSK的优势在于具有恒包络和连续相位的特点能够较好地适配高效率功率放大器同时具有较为紧凑的频谱特性和较好的抗噪声能力因此适合对功耗、频谱占用和通信可靠性具有一定要求的无线通信场景。在实际无线通信系统中MSK也是连续相位FSK技术的重要基础。但与此同时MSK对频率偏移、时钟同步以及接收机解调性能具有一定要求因此在实际应用中需要结合数据速率、信道带宽、频率偏移和接收灵敏度等参数进行综合设计。什么是CSS调制技术在Sub-1GHz领域还有一种非常重要的调制技术——CSSChirp Spread Spectrum线性调频扩频。LoRa采用的核心物理层技术就是基于Chirp Spread Spectrum的扩频调制方案。与传统FSK在几个离散频率之间切换不同Chirp信号的瞬时频率会随着时间连续变化如下图所示也就是说在一个符号持续时间内信号频率会按照一定规律进行连续扫频。CSS通过扩展信号带宽、利用扩频增益等方式使系统能够在较低接收信号功率条件下实现可靠通信因此非常适合低速率、长距离、低功耗的IoT场景。调制之后接收端如何把数据“读出来”发送端完成调制后射频信号会经过射频功率放大器、发射天线、无线信道和接收天线最终到达接收端。但接收机实际接收到的并不是理想状态下干净的“0”和“1”而是叠加了各种噪声和干扰的射频信号——信号在传播过程中会受到路径损耗、同频干扰、邻道干扰、多径效应、频率偏移、时钟偏差以及衰落等多种因素影响。接收机通常会先通过射频前端对目标信号进行选择、放大和滤波将需要接收的信号从复杂的无线环境中提取出来随后再进入基带处理和解调环节。经过解调后接收端得到的是恢复后的数字符号或基带数据随后还需要经过同步、数据恢复、帧解析、校验等处理最终交由上层协议栈进行处理。值得注意的是不同调制方式之间并不存在绝对的“优劣”之分——调制技术本质上是在不同系统指标之间进行权衡在实际Sub-1GHz无线产品设计中开发者往往需要结合通信距离、数据速率、接收灵敏度、发射功率、信道带宽、系统功耗、抗干扰能力、网络容量以及所在地区的无线电法规要求等因素进行综合选择。