基于調制技術的應用
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作者: 潘毓
【摘要】 主要探討了目前信號處理中幾種成熟的調制技術，重點比較了模擬信號的調制與數字信號調制的異同點。模擬調制分為常規雙邊帶調幅，抑制載波的雙邊帶調制，單邊帶調制和殘留邊帶調制，頻率調制和相位調制等，數字調制可分為振幅鍵控，頻率鍵控和相移鍵控等。
【關鍵詞】 調制；模擬調制；數字調制；雙邊帶；單邊帶
一、模擬信號的調制
模擬信號是日常生活中最常見的信號之一，比如說話的聲音信號，一天中采集的溫度信號等，它是沒有經過加工的信號。模擬信號的調制可分為幅度調制和角度調制。幅度調制又可分為常規雙邊帶調幅（AM），抑制載波的雙邊帶調幅（DSB），單邊帶調幅（SSB），殘留邊帶調幅。角度調制可分為頻率調制和相位調制。
幅度調制的一般模型
幅度調制是發展最早的一種調制技術。幅度調制的基礎技術是常規雙邊帶調制（AM），其時域和頻域表示式為：
sAM（t）=[A0+m（t）]cos?棕c（t）
=A0cos?棕c（t）+m（t）cos?棕c（t）
SAM（?棕）=πA0[?啄（?棕+?棕c）+?啄（?棕-?棕c）]+[M（?棕+?棕c）+M（?棕-?棕c）]
由此可看出，AM的頻譜由三個分量組成，上邊帶、下邊帶和載頻分量，帶寬是基帶信號的兩倍，其中下邊帶是上邊帶的鏡像，上下邊帶對稱，AM調制的優點是設備簡單，價格低廉，還可用包絡檢波的技術對其實施非相干解調。但由于AM信號的功率利用率最大也只有1/3，所以大量的功率用在不攜帶任何信息的載波功率上，加上抗燥性能較差，這些都限制了AM調制的發展。基于AM信號中載波功率消耗了大部分信號功率的特點，可將載波功率剔除掉，只傳送邊帶信號，這種技術就叫做抑制載波的雙邊帶調制（DSB），其時域和頻域表達式為：
sDSB（t）=m（t）cos?棕c（t）
SDSB（?棕）=[M（?棕+?棕c）+M（?棕-?棕c）]
從中可看出，DSB的頻譜不存在載頻分量，這使功率利用率大大提高，理論上可達到100%，即傳輸的全部是攜帶有信息的信號。但由于剔除了載頻分量，這時的調制信號的時域包絡與信源信號已有了很大的差別。因此，在進行解調時，不能用結構簡單的包絡檢波的方法進行解調，只能用結構相對復雜的相干解調方法來提取出原始信號。DSB信號雖然有效的提高了功率利用率，但是由于其帶寬仍是調制信號帶寬的2倍，在帶寬有限的條件下，其發展受到了限制。于是，單邊帶調制應運而生。單邊帶調制（SSB）是雙邊帶調制的改進，應注意，雙邊帶調制中，下邊帶是上邊帶的鏡像，這樣就可只傳輸信號的一個邊帶，因為下邊帶攜帶的信息與上邊帶幾乎完全一樣，這就是單邊帶調制技術，它不僅沒有載頻分量，而且只傳輸信號的一個邊帶，帶寬也只有雙邊帶的一半，節省了帶寬。其頻域表達式為：
SSSB（?棕）=SDSB（?棕）HSSB（?棕）=[M（?棕+?棕c）+M（?棕-?棕c）]HSSB（?棕）
單邊帶技術實現的關鍵是邊帶濾波器的制作，不管是高通濾波器還是低通濾波器，單邊帶技術都要求濾波器具有陡峭的截止特性。但是濾波器越陡峭，其對制作工藝的要求也就越高。殘留邊帶調制（VSB），殘留邊帶調制是為了克服單邊帶調制中濾波器制作上的困難而產生的。他的主要技術特點是部分抑制雙邊帶中的一個邊帶，既解決了濾波器實現上的難題，又大大節省了帶寬，可以說是雙邊帶和單邊帶調制的一種折中處理。殘留邊帶濾波器也有自己的特點，其傳輸函數必須在中心頻率處互補對稱。
以上討論的都是模擬調制中的線性調制，所謂線性調制，是指它們的頻譜只是簡單的線性搬移，沒有產生新的頻率分量。在信號的接收端，除了標準幅度調制能夠進行包絡檢波以外，其它幾種線性調制都需進行相干解調。相干解調的關鍵是如何產生與調制端相一致的同步載波，這就涉及到信號的同步問題。
除了線性調制，模擬調制中另一類重要的調制技術就是非線性調制，所謂非線性調制，即信號頻譜的非線性搬移?？煞譃轭l率調制（FM）和相位調制（PM）,雖然它們一個是對頻率進行的調制，一個是對相位進行的調制，但是由于二者本質上沒有多大的區別，在這里只討論頻率調制。在一定情況下，它們可以互相轉換。比如對信號進行積分后在進行調相，就可實現調頻；同理，對信號進行微分后再調頻，就可以實現調相。所謂調頻（FM），就是利用載波對信號的頻率進行調制，調頻可分為窄帶調頻和寬帶調頻。調頻的優越性表現在它大大的改善了系統的抗噪聲性能，一般情況下，可以認為其輸出信噪比與其帶寬成正相關的關系。即帶寬越寬，抗噪性越好。所以可這樣認為，調頻系統是以犧牲信號的有效性來換取系統可靠性的。所謂有效性，是指單位頻帶的傳輸效率，一般以頻帶利用率來衡量。而系統的可靠性是與其抗噪聲性能有關，一般以誤碼率來衡量。調頻系統的優越性在于它可用帶寬來換取信噪比，而線性調制系統很顯然不具備這一特點。
二、數字信號的調制
相比于模擬信號的調制，數字信號的調制具有與生俱來的優點。數字化的傳輸方式也越來越受人們的歡迎。數字調制可分為振幅鍵控（ASK）、頻移鍵控（FSK）和相移鍵控（PSK）。下面以基本的二進制信號來討論各種調制的區別與聯系。
振幅鍵控，又稱之為通斷鍵控，當發送“1”時，傳出基帶信號；發送“0”時，不傳任何信號。它的產生方式有兩種，即模擬調制法和鍵控法。所謂模擬調制法，就是用載波信號與二進制的數字基帶信號相乘。鍵控法就是利用二進制的基帶信號來控制開關的通斷，實現信號的調制變換，兩種方法各有優點。由于具有普通振幅調制的特性，所以其解調也可分為相干解調和非相干解調兩種解調方式。需要指出的是，振幅鍵控的帶寬也是基帶信號帶寬的兩倍。對于頻移鍵控，就是用基帶信號去控制兩種不同頻率的產生。它也有兩種產生方法，即一種用傳統的模擬電路來產生；另一種用開關鍵控法。在開關鍵控法中，通過基帶信號來控制兩種頻率的選通開關，從而實現頻率的調制。兩種頻率的產生要通過振蕩器來實現，頻率鍵控的解調方法有很多種，比如過零檢測法、差分檢測法、鑒頻法等。但是二進制頻率信號往往具有很大的帶寬。
對于相移鍵控，就是用基帶信號區控制載波的相位，一般情況下，用“1”表示相位180度，“0”表示相位0度。由于這兩種碼型的波形完全相同，僅相位相差180度，所以可用一個雙極性的矩形脈沖序列與一個正弦載波相乘來得到相移鍵控信號。其解調一般采用相干解調法，但由于解調過程中存在相位模糊的問題，使得信號的解調產生混亂，為了解決這個問題，人們一般采用二進制差分相移鍵控。由于二進制相移鍵控的頻譜波形與振幅鍵控的頻譜波形相似，所以其帶寬也為基帶信號帶寬的兩倍。對于它們的抗噪聲性能。二進制相移鍵控最好，二進制頻率鍵控次之，而二進制振幅鍵控的抗噪聲性能最不理想。在頻帶寬度上，二進制頻率鍵控的帶寬最大，其頻帶利用率最低。
綜上所述，主要介紹了各種模擬信號的調制方法與數字信號的調制方法，通過詳細的分析，探討了各種調制方式的優缺點?？偟膩碚f，數字調制方式要優于模擬調制。在模擬調制方面，從抗噪聲性能來說，非線性的頻率調制要優于線性的幅度調制，但是這是以犧牲系統的帶寬為代價的，即以有效性來換取可靠性。在數字調制方面，同樣從抗噪聲性能出發，相移鍵控的優越性很明顯。所以，數字調制技術是今后發展的主流，隨著壓縮編碼技術的改善，大規模集成電路的出現，計算機技術的飛速發展，數字信號以及數字技術越來越離不開現在的電子技術領域。調制技術作為信號傳輸的關鍵技術，也依然有很大的發展空間。
參考文獻
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