调制

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[外文]：modulation使消息载体的某些特性随消息变化的过程。调制的作用是把消息置入消息载体，便于传输或处理。调制是各种通信系统的重要基础，也广泛用于广播、电视、雷达、测量仪等电子设备。在通信系统中为了适应不同的信道情况（如数字信道或模拟信道、单路信道或多路信道等），常常要在发信端对原始信号进行调制，得到便于信道传输的信号，然后在收信端完成调制的逆过程──解调，还原出原始信号。用来传送消息的信号uC(t)叫作载波或受调信号，代表所欲传送消息的信号叫作调制信号，调制后的信号u(t)叫作已调信号。用调制信号控制载波的某些参数，使之随而变化，就可实现调制。受调信号可以是正弦波或脉冲波，所欲传送的消息可以是话音、图像或其他物理量，也可以是数据、电报和编码等信号。前者是模拟信号，后者是数字信号。调制是一种非线性过程。载波被调制后产生新的频率分量，通常它们分布在载频fC的两边，占有一定的频带，分别叫做上边带和下边带。这些新频率分量与调制信号有关，是携带着消息的有用信号。调制的目的是实现频谱搬移，即把欲传送消息的频谱，变换到载波附近的频带，使消息更便于传输或处理。调制的主要性能指标是频谱宽度和抗干扰性。这是一对矛盾。调制方式不同，这些指标也不一样。一般说，调制频谱越宽，抗干扰性能越好；反之，抗干扰性能较差。调制的另一重要性能指标是调制失真。总的说来，数字调制比模拟调制具有较强的抗调制失真的能力。调制的种类调制的种类很多，分类方法也不一致。按调制信号的形式可分为模拟调制和数字调制。用模拟信号调制称为模拟调制；用数据或数字信号调制称为数字调制。按被调信号的种类可分为脉冲调制、正弦波调制和强度调制(如对非相干光调制)等。调制的载波分别是脉冲，正弦波和光波等。正弦波调制有幅度调制、频率调制和相位调制三种基本方式，后两者合称为角度调制。此外还有一些变异的调制，如单边带调幅、残留边带调幅等。脉冲调制也可以按类似的方法分类。此外还有复合调制和多重调制等。不同的调制方式有不同的特点和性能。正弦波幅度调制正弦载波幅度随调制信号而变化的调制，简称调幅(AM)。数字幅度调制也叫作幅度键控(ASK)。调幅的技术和设备比较简单，频谱较窄，但抗干扰性能差，广泛应用于长中短波广播、小型无线电话、电报等电子设备中。早期的无线电报机采用火花式放电器产生高频振荡。传号时火花式发报机发射高频振荡波，空号时发报机没有输出。这种电报信号的载波不是纯正弦波，它含有很多谐波分量，会对其他信号产生严重干扰。理想的模拟正弦波调幅是：载波幅度与调制信号瞬时值成线性关系，但载频fC=ωC/2π和相位ψ保持不变。单频调制时，调幅信号uA(t)可用下式表示：uA(t)=UC(1+macosΩt)cos(ωCt+ψ)　　　(1)式中UC是载波幅度；Ω=2πF，是调制信号的角频率，其中F是调制信号频率；ma是一个和调制信号幅度成比例的常数，叫作调幅系数，数值应在0～1之间。图1a、图b、图c分别是单频调制信号、载波信号和调幅波uA(t)的波形。调幅波的瞬时幅度变化曲线叫作包络线。调幅系数ma不能大于1，否则包络线和调制信号不能保持线性关系，会产生失真。这种情况叫做过调幅。式(1)的调幅波不是单一的简谐波，它包含fC、fC+F和fC-F三个频率分量。后两个频率分量位于载频fC的两边，分别叫作上边频和下边频(图2c)。这种已调制信号有时叫作标准调幅波。如果调制信号占有一个频带，最高频率为F，则标准调幅波的频谱宽度BWA=2F，位于载频fC两边的频带分别称为上边带和下边带。调幅波的载频分量与调制信号无关，但边带分量随调制信号变化。这意味着所欲传送的消息都包含在边带之中，只用一个边带信号就能够传送全部消息。把载波去掉的调幅信号，叫做抑制载波调幅；把载波和某一个边带一起抑制掉，只剩下一个边带的调幅信号，叫做单边带调幅(SSB)。单边带调幅节省功率，抗干扰性能较好，而且节省频带，但设备比较复杂（见单边带调制）。正弦波频率调制正弦载波的瞬时频率随调制信号的瞬时值而变化的调制，简称调频(FM)。数字频率调制也称移频键控(FSK)。调频是1933年E.H.阿姆斯特朗发明的。这种调制具有良好的抗干扰性能，广泛用于高质量广播、电视伴音、多路通信和扫频仪等电子设备中。理想的调频是：载波的瞬时角频率ω与调制信号瞬时值成线性关系，而幅度UC不变。单频调制时，瞬时角频率ω的表示式是ω=ωC＋墹ωcosΩt　　　　　　　(2)式中墹ω=kf，是一个和调制信号幅度成正比的常数，称为最大角频率偏移。图3是调频波的波形。调频波的表示式是　　(3)式中φ0是载波的初始相位；墹ω/Ω=mf称调频指数，它可以是任何正数。mf很大时，调频波的频谱很宽，这种情况叫作宽带调频。正弦波调频后也产生新的频率分量，这些分量和调频指数mf有关。在理论上单频调频时调频波具有无穷多个边频分量，相邻两边频的距离等于F。通常把幅度小于载波原来幅度1/100的边频分量忽略不计，有效边频分量所占据的频带为调频波的带宽。图4是单频调制时调频波的频谱。mf很小时，载频分量较大，边频幅度很小;mf增大时，载频幅度减小，边频幅度增大，幅度大的边频数也增多；mf继续增加时，载频和各边频的幅度交替增减，这些频率分量的幅度是以mf为宗数的各阶贝塞尔函数。在实用中，调制信号的最大值通常保持不变，因此最大频移墹f也不变。这时mf随调制信号频率F而减小。图5是墹f为定值时调频波的频谱。F小时，相邻各频率分量的距离较小，但由于mf较大，有效的边频分量较多；F较大时，各边频的距离增大，但mf却减小，有效的频率分量也较少。因此调频波的频谱宽度大体上保持不变。这是调频波的特点。它的频谱宽度BWf可以用下面的经验公式来计算BWf≈2(mf+1)F　　　　　　　　(4)式中F=Ω/2π，是调制信号的频率。当mf较大时，调频波的带宽约等于最大频偏墹f的两倍。宽带调频具有较强的抗干扰性能。1933年阿姆斯特朗证明:当输入信噪比Si/Ni较大时，调频接收机的输出信噪比SO/NO与最大频移墹f的平方成正比；增加调频波的带宽可以改善通信系统的质量。不过这种改善是有限度的，因为带宽过大时，调频接收机的内部噪声Ni增加，Si/Ni减小;当Si/Ni降低到某一阈值时，SO/NO反而急剧变坏。图6是调频接收机输出信噪比SO/NO与输入信噪比Si/Ni的关系曲线，在曲线拐点左边，调频的抗干扰性能比调幅还差。利用预加重和反馈调频接收的方法可以使SO/NO得到改善。正弦波相位调制正弦载波的瞬时相位随调制信号而变化的调制，简称调相(PM)。数字调相也称移相键控(PSK)。单频调相时，理想调相波uφ(t)的表示式是uφ(t)=UCcos(ωCt+墹φcosΩt+φ0)　　　(5)式中墹φ为载波相位随调制信号而变化的最大相移，称调相指数。它与调制信号幅成正比，但与调制角频率Ω无关。这是调相和调频的区别。调相波的频谱与调频波相似，但是当墹φ为定值时，其频谱宽度BWφ随Ω而变化，Ω大时频谱宽，Ω小时频谱窄。因此频带不能充分利用。数字调相具有优越的抗干扰性能，而且频带窄，是一种比较理想的调制方式，在各种数据传输和数字通信系统中得到广泛应用。脉冲调制受调波为脉冲序列的调制。脉冲调制可分为脉冲调幅(PAM)、脉冲调相(PPM)、脉冲调宽(PWM)等方式。图7是一些脉冲调制信号的波形。通常把模拟-数字信号转换也看做是脉冲调制，这种调制有脉码调制(PCM)、差值脉码调制(DPCM)、增量调制(墹M)等。脉冲调幅实质上就是信号采样。常用于模-数转换电路、信号转换电路和各种电子仪器(如采样示波器等)。脉冲调制信号的频谱较宽，但除了脉冲调幅之外，都具有较好的抗干扰性能，特别是脉码调制的性能最好，是一种理想的调制方法。数字电话、遥测、遥控以及迅速发展的综合通信网，大多采用这种调制。展望调制在电子学中是非常重要的。引人注目的发展动向是：（1）由于数字业务的不断增加，数字通信系统的容量需要不断扩充，这就必须发展超高速率的数字调制技术；（2）为了充分利用无线电频谱资源，要求进一步研究频谱效率高的和误码率低的调制方式；（3）在相干光通信和光盘存储设备方面，光相位调制、频率调制和偏振调制等的研究也是重要的研究课题。参考书目常迵：《无线电信号与线路原理》中册，高等教育出版社，北京，1965。清华大学通信教研组：《高频电路》下册，人民邮电出版社，北京，1980。P.F.Panter，Modulation，NoiseandSpectralAna-lysis，McGraw-Hill，NewYork，1965.