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为什么需要对无线电信号进行调制？
没有多少人会问这个问题。相信我们都知道答案。不过，为了让我们这些可能刚刚开始接触无线电世界的人了解一下，让我们做一个简单的回顾。
我们都明白，无线电通信是在不使用导线的情况下，通过开放的、物理上未连接的媒介，将某种形式的信息（语音、图片、文本、数据等）从一个地方传输到另一个遥远的地方。因此，无线电通信也被称为无线通信。
上图是一个简单的图示，描述了一种典型的无线电信号调制方法，用于从发射器产生AM射频信号。
我们需要传递的信息必须先以某种方式转换成等效的电子信息。例如，人的声音凭借气压的变化在空气中短距离传播，必须将其转换为等效的电压变化。通常使用麦克风来进行转换。此后，麦克风的电输出可根据需要进行处理和放大，以产生一个频率和振幅与原始声音一致的强电信号。
从现在起，我们将把这种信息信号称为基带信号。此后，在无线电通信环境中，我们要执行无线电信号调制任务，将振幅和频率变化的基带信号转换为称为载波的无线电频率电波。载波的频率通常比基带信号高得多。不过，它们都是电能的形式。
这时，好奇的读者可能会问，既然基带和载波都是电能，为什么还要通过无线电信号调制过程来使问题复杂化呢？为什么不能简单地将基带电信号充分放大，然后用天线直接将其作为电磁波发射出去呢？毕竟，基带信号和调制后的无线电信号都是电信号，因此都可以很容易地放大以产生足够的功率。不是吗？
是的，你答对了。上述说法完全正确。不过，尽管从表面上看是可以做到的，但在实际操作中却存在一些重大的障碍。这就是为什么我们选择无线电信号调制方式，而不是直接传输基带频率信号……下面让我们来看看这些障碍是什么。
首先，如果我们所有人都传输基带音频信号，那么我们所有传输的频率跨度将大致相同。由于频谱范围相同，我们的传输将相互重叠和干扰。这会造成混乱。
其次，我们的基带信号频率较低，属于音频（AF）频谱，因此传输波长会很大。如果我们把大约 1 KHz作为基带信号的平均频率，那么它的波长将达到 300 Km。即使是一个典型的四分之一波（λ/4）长度垂直天线，其高度也将达到 300/4 = 75Km，天线四周的辐射线可能同样长。同样，一个半波（λ/2）偶极子将有 150 Km长。这种尺寸的天线显然是难以想象的。即使我们选择一个长度较小的用于接收极窄频带信号的 ELF 天线，它也无法在大约需要 250-2500 Hz 频带跨度的宽基带信号范围内进行调谐和工作。
第三，即使我们假设能克服上述问题，我们也只能局限于 ELF 频段的无线电信号传播行为。我们将无法利用频谱较高部分的各种不同电磁波传播特性。因此，大部分现代无线电通信功能将无法实现。
综上所述，我们需要利用和发挥无线电信号在中频、高频、甚高频、特高频等更高频率上的传播特性和其他功能。因此，我们需要有切实有效的方法和手段，通过无线电信号调制过程将基带信息传输到无线电频率信号上。
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如何调制射频信号以传输信息？
在了解了为什么需要对无线电频率进行调制之后，现在让我们来弄清楚无线电信号调制的实际方法。
如果我们观察一下基带信息信号（如人声）的典型电波波形，就会发现它基本上是麦克风输出电压的连续变化。电压变化的性质决定了它在振幅上与语音变化一致。换句话说，是电压波形包络线的变化紧跟我们的声音模式。因此，必须找到一种方法，在发射端将这种包络变化模式忠实地转移到无线电频率上（称为调制），而在接收端，则从无线电波中提取相同的包络变化信息（称为解调），以重建原始基带信号电压的复制品。
要实现调制和解调过程，我们首先需要确定无线电频率载波的一种属性，这种属性可以根据基带信号的特性不断变化。幸运的是，任何正弦射频载波都有至少三种不同的属性，可以用来实现我们的目标。这些属性是射频载波的振幅、频率或相位。我们可以选择其中任何一种。
当我们选择根据基带信号电压包络的变化来调制（改变）射频载波的振幅时，这一过程被称为振幅调制（AM）。同样，如果我们选择改变频率，则称为频率调制（FM）；如果我们选择改变射频载波的相位，则称为相位调制（PM）。
这三种基本调制方式各有优缺点。我们稍后将对此进行讨论……这时有人可能会问，SSB 怎么样？你们为什么不说？SSB 只是 AM 的一种变体，其调制属性与 AM 相同。
在这一点上，我们必须明白，射频载波本身并不携带任何信息，除非它以上述方式之一进行调制。射频载波可以被看作是一辆小车，用来将信息有效载荷（基带信号）通过无线电传播介质从一个地方远距离传送到另一个地方。
附图显示了调制射频载波如何改变其波形。在调幅情况下，我们可以清楚地看到射频载波的振幅随基带信号包络线的变化而变化，而在调频情况下，载波的频率也随之变化，依此类推。
03
几种无线电信号的调制及其变体
典型的模拟基带信号是根据原始模拟源持续变化的电压形式。在语音、音乐等情况下，它可能是麦克风输出的电压。就图片和视频而言，基带电压信号通常来自相机输出等。不过，如果基带信息是数字的，那么它可能有几个离散的电压电平阶梯。就常用的二进制数字信息信号而言，基带电压只有两个不同的电压电平。两个二进制状态之间电压电平的持续变化模式决定了基带信号。
数字信号的调制方法也与模拟信号的调制方法相同。唯一不同的是，电压电平的变化不再是连续的，而是阶跃变化。在二进制信息的情况下，阶跃数为两个。因此，二进制数字调制产生的振幅、频率或相位移动只有两级。
因此，AM、FM 或 PM 调制载波包络也有两级射频载波包络变化。由于射频载波的调制属性现在似乎在两种可能的状态之间移动，无线电信号调制的数字形式通常被称为振幅移动键控（ASK）、频率移动键控（FSK）和相移键控（PSK），分别对应于模拟调制形式中的调幅、调频或调相。
如下图是AM调制信号（红色）和FM信号（蓝色）的典型波形，通过调制RF载波产生的低频基带信息信号（黑色）。
无论是模拟调制还是数字调制，射频载波的调制过程基本保持不变。我们迄今讨论过的所有调制模式都可以通过电子电路，在控制和改变各种电子电路参数的情况下，以模拟形式（无论基带信息源是数字还是模拟）实际实现。电子电路可以通过不同的设计和配置来实现调制目标。例如，只需根据基带信号电压改变放大器的增益，即可产生调幅。同样，利用振荡电路中电子元件的特定组合来改变载波振荡器的频率，也可以产生调频。通过不同类型的电子电路实现这些目标的方法还有很多。
不过，重要的是要注意，所有类型的调制过程都有其疯狂的方法。它们并非只是随机的直观过程，而是都有明显而明确的数学关联。换句话说，每一种无线电信号调制形式都遵循一个数学模型，可以用数学方程来表达和定义。这就引出了调制的一个非常有趣的方面。无线电信号调制（无论是 AM、FM、PM、ASK、FSK、PSK 还是其他复杂的变体）不仅可以通过传统的模拟电路实现，还可以通过实时处理相关数学方程的数字计算机算法实现。
高速现代计算机（包括个人电脑）或专门设计的专用数字电子电路，如现场可编程门阵列（FPGA）、数字信号处理器（DSP）或专用集成电路（ASIC）等，包括高性能微处理器，通常可用于无线电信号的调制和解调过程。虽然使用模拟电子电路进行调制和解调的传统方法通常用于大多数业余无线电设备，但在现代，越来越多的设备使用基于硬件的数学数字信号处理来实现这些目标。这种算法实现构成了软件定义无线电（SDR）的支柱。