这是一个关于通信系统中"调制解调"及其相关核心概念的全面解释。这些技术是无线通信、广播、电话和所有现代数字通信的基石。
一、为什么要调制
信息源（如声音、图像、数据）产生的信号通常是基带信号，其频率成分集中在低频段。
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天线效率：要想有效辐射电磁波，天线的尺寸需要与信号波长的十分之一左右相当。语音信号（~300Hz）的波长长达1000公里，制造对应天线不现实。通过调制，将低频信号搬到高频，波长变短，天线尺寸可以大大减小。
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频分复用：如果不进行调制，所有信号都挤在相同的低频频谱里，会互相干扰。调制可以将不同的信号"搬移"到不同的高频频段上，从而实同一信道中同时传输多路信号。
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抗干扰能力：某些调制方式（如FM）具有更强的抗噪声和干扰的能力。
解调是调制的逆过程，目的是在接收端从已调信号中恢复出原始的基带信号。
二、频谱搬移
这是所有调制技术的根本原理。它指的是将信号的频谱从一个频率位置线性地搬移到另一个频率位置，而不改变频谱的内部结构。
比喻：就像把一栋房子（基带信号）整体吊装到一辆卡车（载波）上，房子本身的结构没有变化。
实现方法：通常通过将基带信号 m(t) 乘以一个高频的载波信号 cos(2πfct) 来实现。
数学表达：s(t)=m(t)⋅cos(2πfct)
结果：在频域上，原始基带信号的频谱被复制并搬移到了载波频率 fc 的左右两边。
三、模拟调制
模拟调制是指用连续的模拟基带信号去控制载波的某个参数。
1. 幅度调制
用基带信号的幅度去线性地控制载波的幅度。
原理：载波的幅度随基带信号的瞬时值成正比例变化。
特点：
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实现简单，成本低。
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频谱利用率低，带宽是基带信号的两倍。
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抗噪能力差，信号在传输过程中幅度的起伏很容易被噪声干扰。
应用：AM广播。
2. 频率调制 与 相位调制
这两种合称为角度调制。
频率调制：用基带信号的幅度去控制载波的瞬时频率。
特点：
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抗噪能力强。因为信息承载在频率上，而信道噪声主要影响信号的幅度。
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占用带宽比AM宽。
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实现电路比AM复杂。
应用：FM广播、模拟电视的伴音。
相位调制：用基带信号的幅度去控制载波的瞬时相位。
FM和PM关系密切，在数学上可以相互转换。窄带PM的效果类似于AM，宽带PM的效果类似于FM。
四、脉冲调制
脉冲调制是连接模拟和数字通信的桥梁。它先用基带信号对一个脉冲序列的某些参数进行调制，为进一步的数字编码做准备。
脉冲幅度调制：脉冲序列的幅度随基带信号变化。这是最直接的模拟脉冲调制。
脉冲宽度调制：脉冲序列的宽度（占空比） 随基带信号变化。
- 应用：开关电源、电机调速、LED调光。其优点是抗噪能力强（只需检测脉冲边缘）。
脉冲位置调制：脉冲序列的出现时间（位置） 随基带信号变化。
- 应用：一些光通信和遥控系统。
注意：以上三种得到的仍然是模拟信号（参数连续变化）。
五、脉冲编码调制
PCM是现代数字通信的基石。它将PAM得到的模拟样值进行量化和编码，转换为二进制数字序列。
过程：
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采样：以高于奈奎斯特率的频率对模拟信号进行采样，得到PAM信号。
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量化：将每个PAM样本的幅度值归入预先设定的有限个电平之一。这一步会引入不可消除的量化误差（量化噪声）。
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编码：将每个量化后的电平用一个二进制码字（例如8位）表示。
结果：模拟信号被转换为一串0和1的数字比特流。
优点：
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极强的抗干扰能力。在传输中，只需识别"0"和"1"，无需关心波形的细微失真。
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便于存储、加密和压缩。
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可以通过再生中继器消除噪声积累。
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应用：数字电话（固定和移动）、CD、DVD、数字音频广播等几乎所有现代数字系统。
六、 复用技术
复用技术是为了提高信道利用率，让一条物理信道能同时传输多路信号。
1. 频分复用
原理：将信道的总带宽划分成若干个互不重叠的频带，每路信号占用一个频带。在发送端通过调制将各路信号的频谱搬移到各自的频带上，然后在接收端用带通滤波器将它们分开。
比喻：一条宽阔的高速公路被划成了多条行车道，每辆车（信号）在自己的车道上行驶。
特点：
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所有信号同时传输，但占用不同频率。
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模拟和数字信号都适用。
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需要保护频带以防干扰，对滤波器的要求高。
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应用：无线电/电视广播、有线电视、早期的模拟电话系统、Wi-Fi。
2. 时分复用
原理：将时间分成周期性的帧，每一帧再分割成若干个时隙。每路信号在自己的时隙内占用信道的全部带宽。
比喻：一个旋转开关，在每一瞬间只接通一路信号，但由于切换速度极快，在宏观上感觉所有信号都在同时传输。
特点：
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所有信号分时传输，但占用相同频率。
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主要用于数字信号。
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同步要求高。
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应用：数字电话（如E1/T1线路）、数字移动通信（如GSM、4G/5G的帧结构）。
七、总结
| 技术/概念 | 核心原理 | 关键特点 | 主要应用 |
|---|---|---|---|
| 频谱搬移 | 将信号频谱线性搬移到高频 | 所有线性调制的基础 | 所有无线通信 |
| 幅度调制(AM) | 用基带信号控制载波幅度 | 简单、抗噪差、带宽利用率低 | AM广播 |
| 频率调制(FM) | 用基带信号控制载波频率 | 抗噪强、带宽宽 | FM广播、电视伴音 |
| 脉冲调制(PWM/PPM) | 用基带信号控制脉冲参数 | 连接模拟与数字的桥梁 | 电机调速、遥控 |
| 脉冲编码调制(PCM) | 采样、量化、编码 | 将模拟信号数字化，抗噪强 | 数字电话、CD |
| 频分复用(FDM) | 频率上分割信道 | 多路信号同时在不同频段传输 | 广播、有线电视、Wi-Fi |
| 时分复用(TDM) | 时间上分割信道 | 多路信号分时在同一频段传输 | 数字电话、移动通信 |
模拟通信（AM/FM） -> 脉冲调制（PAM/PWM） -> 数字化（PCM） -> 数字复用（TDM/FDM） -> 现代数字通信系统（如4G/5G，它们同时使用了FDM和TDM的先进变种，如OFDMA）