基于调制技术的应用
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作者: 潘毓
【摘要】 主要探讨了目前信号处理中几种成熟的调制技术，重点比较了模拟信号的调制与数字信号调制的异同点。模拟调制分为常规双边带调幅，抑制载波的双边带调制，单边带调制和残留边带调制，频率调制和相位调制等，数字调制可分为振幅键控，频率键控和相移键控等。
【关键词】 调制；模拟调制；数字调制；双边带；单边带
一、模拟信号的调制
模拟信号是日常生活中最常见的信号之一，比如说话的声音信号，一天中采集的温度信号等，它是没有经过加工的信号。模拟信号的调制可分为幅度调制和角度调制。幅度调制又可分为常规双边带调幅（AM），抑制载波的双边带调幅（DSB），单边带调幅（SSB），残留边带调幅。角度调制可分为频率调制和相位调制。
幅度调制的一般模型
幅度调制是发展最早的一种调制技术。幅度调制的基础技术是常规双边带调制（AM），其时域和频域表示式为：
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的频谱由三个分量组成，上边带、下边带和载频分量，带宽是基带信号的两倍，其中下边带是上边带的镜像，上下边带对称，AM调制的优点是设备简单，价格低廉，还可用包络检波的技术对其实施非相干解调。但由于AM信号的功率利用率最大也只有1/3，所以大量的功率用在不携带任何信息的载波功率上，加上抗燥性能较差，这些都限制了AM调制的发展。基于AM信号中载波功率消耗了大部分信号功率的特点，可将载波功率剔除掉，只传送边带信号，这种技术就叫做抑制载波的双边带调制（DSB），其时域和频域表达式为：
sDSB（t）=m（t）cos?棕c（t）
SDSB（?棕）=[M（?棕+?棕c）+M（?棕-?棕c）]
从中可看出，DSB的频谱不存在载频分量，这使功率利用率大大提高，理论上可达到100%，即传输的全部是携带有信息的信号。但由于剔除了载频分量，这时的调制信号的时域包络与信源信号已有了很大的差别。因此，在进行解调时，不能用结构简单的包络检波的方法进行解调，只能用结构相对复杂的相干解调方法来提取出原始信号。DSB信号虽然有效的提高了功率利用率，但是由于其带宽仍是调制信号带宽的2倍，在带宽有限的条件下，其发展受到了限制。于是，单边带调制应运而生。单边带调制（SSB）是双边带调制的改进，应注意，双边带调制中，下边带是上边带的镜像，这样就可只传输信号的一个边带，因为下边带携带的信息与上边带几乎完全一样，这就是单边带调制技术，它不仅没有载频分量，而且只传输信号的一个边带，带宽也只有双边带的一半，节省了带宽。其频域表达式为：
SSSB（?棕）=SDSB（?棕）HSSB（?棕）=[M（?棕+?棕c）+M（?棕-?棕c）]HSSB（?棕）
单边带技术实现的关键是边带滤波器的制作，不管是高通滤波器还是低通滤波器，单边带技术都要求滤波器具有陡峭的截止特性。但是滤波器越陡峭，其对制作工艺的要求也就越高。残留边带调制（VSB），残留边带调制是为了克服单边带调制中滤波器制作上的困难而产生的。他的主要技术特点是部分抑制双边带中的一个边带，既解决了滤波器实现上的难题，又大大节省了带宽，可以说是双边带和单边带调制的一种折中处理。残留边带滤波器也有自己的特点，其传输函数必须在中心频率处互补对称。
以上讨论的都是模拟调制中的线性调制，所谓线性调制，是指它们的频谱只是简单的线性搬移，没有产生新的频率分量。在信号的接收端，除了标准幅度调制能够进行包络检波以外，其它几种线性调制都需进行相干解调。相干解调的关键是如何产生与调制端相一致的同步载波，这就涉及到信号的同步问题。
除了线性调制，模拟调制中另一类重要的调制技术就是非线性调制，所谓非线性调制，即信号频谱的非线性搬移。可分为频率调制（FM）和相位调制（PM）,虽然它们一个是对频率进行的调制，一个是对相位进行的调制，但是由于二者本质上没有多大的区别，在这里只讨论频率调制。在一定情况下，它们可以互相转换。比如对信号进行积分后在进行调相，就可实现调频；同理，对信号进行微分后再调频，就可以实现调相。所谓调频（FM），就是利用载波对信号的频率进行调制，调频可分为窄带调频和宽带调频。调频的优越性表现在它大大的改善了系统的抗噪声性能，一般情况下，可以认为其输出信噪比与其带宽成正相关的关系。即带宽越宽，抗噪性越好。所以可这样认为，调频系统是以牺牲信号的有效性来换取系统可靠性的。所谓有效性，是指单位频带的传输效率，一般以频带利用率来衡量。而系统的可靠性是与其抗噪声性能有关，一般以误码率来衡量。调频系统的优越性在于它可用带宽来换取信噪比，而线性调制系统很显然不具备这一特点。
二、数字信号的调制
相比于模拟信号的调制，数字信号的调制具有与生俱来的优点。数字化的传输方式也越来越受人们的欢迎。数字调制可分为振幅键控（ASK）、频移键控（FSK）和相移键控（PSK）。下面以基本的二进制信号来讨论各种调制的区别与联系。
振幅键控，又称之为通断键控，当发送“1”时，传出基带信号；发送“0”时，不传任何信号。它的产生方式有两种，即模拟调制法和键控法。所谓模拟调制法，就是用载波信号与二进制的数字基带信号相乘。键控法就是利用二进制的基带信号来控制开关的通断，实现信号的调制变换，两种方法各有优点。由于具有普通振幅调制的特性，所以其解调也可分为相干解调和非相干解调两种解调方式。需要指出的是，振幅键控的带宽也是基带信号带宽的两倍。对于频移键控，就是用基带信号去控制两种不同频率的产生。它也有两种产生方法，即一种用传统的模拟电路来产生；另一种用开关键控法。在开关键控法中，通过基带信号来控制两种频率的选通开关，从而实现频率的调制。两种频率的产生要通过振荡器来实现，频率键控的解调方法有很多种，比如过零检测法、差分检测法、鉴频法等。但是二进制频率信号往往具有很大的带宽。
对于相移键控，就是用基带信号区控制载波的相位，一般情况下，用“1”表示相位180度，“0”表示相位0度。由于这两种码型的波形完全相同，仅相位相差180度，所以可用一个双极性的矩形脉冲序列与一个正弦载波相乘来得到相移键控信号。其解调一般采用相干解调法，但由于解调过程中存在相位模糊的问题，使得信号的解调产生混乱，为了解决这个问题，人们一般采用二进制差分相移键控。由于二进制相移键控的频谱波形与振幅键控的频谱波形相似，所以其带宽也为基带信号带宽的两倍。对于它们的抗噪声性能。二进制相移键控最好，二进制频率键控次之，而二进制振幅键控的抗噪声性能最不理想。在频带宽度上，二进制频率键控的带宽最大，其频带利用率最低。
综上所述，主要介绍了各种模拟信号的调制方法与数字信号的调制方法，通过详细的分析，探讨了各种调制方式的优缺点。总的来说，数字调制方式要优于模拟调制。在模拟调制方面，从抗噪声性能来说，非线性的频率调制要优于线性的幅度调制，但是这是以牺牲系统的带宽为代价的，即以有效性来换取可靠性。在数字调制方面，同样从抗噪声性能出发，相移键控的优越性很明显。所以，数字调制技术是今后发展的主流，随着压缩编码技术的改善，大规模集成电路的出现，计算机技术的飞速发展，数字信号以及数字技术越来越离不开现在的电子技术领域。调制技术作为信号传输的关键技术，也依然有很大的发展空间。
参考文献
[1]樊昌信，曹可娜.通信原理
[2]管致中.信号与线性系统
[3]曾兴雯，刘乃安，陈健.高频电路原理与分析
[4]傅祖芸.信息论―基础理论与应用
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