無線通信系統(tǒng)中的調制解調基礎（一）：AM和FM
作者： Ian Poole
Adrio Communications Ltd
‘ 第一部分解釋了調幅（AM）和調頻（FM）的基礎，并闡述了優(yōu)點和缺點。第二部分解析了頻移鍵控（PSK）和正交幅度調制（QAM）。第三部分討論擴頻通信技術，包括被廣泛應用的直接序列擴頻通信（DSSS），和正交頻分復用（OFDM）
’ 射頻信號被用來傳遞信息，信息有可能是音頻，數據或者其他格式，該信息被調制(modulate)到載波信號上，并通過射頻傳送到接收器，在接收器端，信息從載波上分離出來，這個被稱為解調（demodulation）。而載波本身并不帶有任何信息。
調制方法多種多樣，簡單的一般有幅度調制，頻率調制和相位調制，盡管調頻和調相本質上是相同的。每種調制方法都有其有缺點。了解每種調制方法的基礎是很重要的，盡管大家更為關注的是移動通信系統(tǒng)的調制方法。復習這些簡單技術可以讓大家對它們的優(yōu)缺點有更好的認識。
載波
無線通信的基礎是載波，基本的載波如圖3-1所示，這個信號在發(fā)射器部分產生，并不帶有任何信息，在接收器部分也作為不變的信號出現。
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圖3-1 載波信號
調幅
調制最顯而易見的的方式就是調幅了，通過調整信號幅度大小傳遞信息。
最簡單的調制是OOK（on–off keying，開關鍵控），載波以開關的形式傳遞信息。這個是數字調制的基礎，并用在傳遞莫斯（Morse）電碼上面，莫斯在早期的“無線”應用上廣為采用，通過開或關的長度傳遞碼元。
在音頻或其他領域應用更為常見的是，整個信號的幅度通過載波體現，如圖3-2，這個被稱為幅度調制（AM）。
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圖3-2 AM調制
AM解調音頻信號的過程十分簡單，只需要一個簡單的二極管包絡檢波電路就可以實現，如圖3-3，在這個電路中二極管只允許無線信號的半波通過，一個電容被作為低通濾波器來去除信號的高頻部分，只留下音頻信號。這個信號直接通過放大后輸出至揚聲器。該解調電路十分簡單和易于實現，在目前的AM收音機接收上面還在廣泛采用。
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圖3-3
AM解調過程同樣可以用更為有效的同步檢波電路實現。如圖3-4，射頻信號被本地載波振蕩信號混頻。該電路的優(yōu)點是比二極管檢波器有更好的線性度，而且對失真和干擾的抵抗比較好。產生本振信號的方法很多，其中最簡單的就是把接收到的無線信號通過高通濾波器，從而濾掉調制信號保留精確頻率和相位的載波，再與無線信號混頻濾波就能得到原始音頻信號。
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圖 3-4
AM具備實現簡單的優(yōu)勢，不過并不是最有效的方式，在頻譜利用率和功耗方面均是如此。因此該方式在通信領域極少采用，一般只在VHF頻段空中通信中采用。然而，AM在長、中、短波廣播領域采用較多，因為其低成本和簡單性。
為了表明其低效率，我們需要看看AM操作的原理，當一個射頻信號被一個音頻信號調制時，波形會改變，在全調制過程中，調制后信號幅度會從零升到最高，而幅度升高到峰值時會達到載波信號幅度的兩倍，這樣很容易造成失真因為包絡信號不能低于0。因為這種方法調制深度最大，所以叫做100%全調制。
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圖 3-5
即使在全調制模式下，功耗利用率也很低。當載波被調制，頻譜中兩邊都會產生邊帶，邊帶包含了音頻信號的信息。我們可以舉例闡述功耗消耗的情況，比如1kHz的語音信號在載波上進行調制，這樣頻譜上會在載波兩邊出現兩個頻帶，如圖3-6，當載波被全調制，接收的調制信號的幅度等于載波信號幅度的一半，既是功耗也等于載波信號的一半。換句話來說，邊帶信號的能量等于載波信號能量的一半，而每個邊帶只有載波能量的1/4。這樣對于一個100W的發(fā)射機來說，載波能量為50W，每個邊帶為25W，調制過程中載波信號的功耗是恒定的，而在解調過程中需要一個載波信號。我們只需要一個邊帶作為有用的信號，所以總的效率等于50/150，只有三分之一的能耗得到了有效利用。
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圖 3-6
AM不僅浪費能耗，而且頻譜利用率不高。如果例子中的1kHz信號被普通的音頻信號取代，中頻兩邊的頻譜都會被該音頻信號的頻帶占據，如圖3-7。因此需要的頻段是傳輸信號頻段的兩倍。在短波信號非常擁擠的今天，這樣使非常浪費的，因此目前在該頻段內的一些無線傳輸都采用其他更有效率的調制方法。
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圖 3-7
比如說，可以采用單邊帶（SSB）調制。通過去掉一個邊帶，可以使帶寬減半，更加有效率，載波也可以由接收器獲得用來解調。
不過不管AM還是SSB都無法在移動電話里采用，盡管一些場合用到了AM加相位調制。
調制指數
調制指數也被稱為調制深度的定義十分重要，用百分比來表示，如下式：
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調制深度不會超過1，否則包絡就會出現失真，信號會出現額外的頻譜，造成干擾信號。
FM調頻
AM是非常簡單的調制方式，而通過改變頻率的FM調制也一樣。如圖3-8，載波信號被調制后，頻率會隨著信號源電壓變化。
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圖 3-8
調制信號頻率變化的范圍很重要，這個被稱為偏離（deviation），而且由KHz度量。比如一個信號的偏離可能是±3 kHz，那么這個信號就在±3 kHz上下波動。
采用FM的原因很多，一個重要的優(yōu)勢是不會受到源信號的電平變化的干擾，而且抗干擾的能力也強。因為是改變信號頻率，所以調制信號的電平不會變化，這樣不會干擾到音頻輸出，因此在移動電話或其他便攜式應用中就可以采用FM。FM的另一個好處是當偏離比最高調制頻率高很多時對噪聲和干擾的抵抗能力很好。因此在高品質音頻廣播中通常采用75kHz的偏離。由于有以上的優(yōu)點，FM在第一代模擬無線通信系統(tǒng)中采用。
解調一個FM信號，需要將頻率變化轉變?yōu)殡妷鹤兓@個就比AM解調要復雜了，不過實現起來也比較容易。需要一個調諧電路來對頻率的不斷變化輸出變化的電平，而不是采用一個檢波二極管就能辦到的。有很多方法可以實現這個功能，一個廣泛應用的方案是采用積分檢測器，這個在集成電路中應用廣泛，而且提供了很好的線性度。這個方案在需要調諧電路時具備優(yōu)勢，并且容易在集成電路實現。
基本的積分檢測電路如3-9所示，信號被分成了兩部分，一部分提供了一個90°的相移，原始信號和相移信號立即被送入了混頻器，混頻器的輸出取決于兩個信號的相差，電路作用類似一個相位檢測器并根據相位的差產生電壓輸出。
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圖 3-9
調制指數和偏離比
很多情況下調制指數只是一個值并一般用于別的運算，FM調制指數指的是頻率偏離相對調制頻率的比例，因此會隨著在載波上變化的調制偏離而改變。
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然而，設計一個系統(tǒng)需要知道最大的調制指數，這個通過在公式中帶入最大的值可以得到。
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邊帶
被調制的信號都會產生邊帶，在AM調制中很容易計算得到，但在FM調制中就不是那么明朗，因為這不僅于偏離相關，而且與偏離的度有關，比如說，如果調制指數為M，總的頻譜通過一個復雜的公式可以得出，得到的是一個無限的離散頻譜。
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公式中，Jn（M）是第一類貝塞爾函數，ωc是載波的頻率并等于2nf，ωm是調制信號的頻率，Vc是載波的電平。
可以看出整個頻譜包括載波的頻率加上載波兩邊的無限的邊帶頻譜。相關的邊帶可以從貝塞爾函數的表格中讀出，或者用計算公式得出，圖3-10顯示出不同的調制指數下邊帶的變化情況。
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圖 3-10
可以總結在低級別的偏離下（既窄帶FM），調制信號在載波中頻的兩邊都有邊帶頻譜，頻譜看起來跟AM信號查不多，最大的區(qū)別是較低邊帶超過了180°的相位。
當調制指數增加，二倍中頻的邊帶頻譜就出現了（圖3-11），指數繼續(xù)增加，更高的邊帶也會出現。同時可以看到隨著調制指數的升高帶來邊帶的改變，一些頻段能量升高而一些降低。
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圖 3-11
FM調制信號的頻譜隨著調制指數變化的情況，可以看出當指數較小時（比如M=0.5），信號頻譜表現出一個載波頻率和兩個邊帶，當調制指數上升時，邊帶數量增多而載波頻率的能量會下降。
帶寬
很明顯我們不能接受一個無限帶寬的信號，所以對于低級別的調制指數只會計算頭兩個邊帶信號頻譜。然而，因為調制指數的增加，更高級別邊帶會產生，經常需要濾波器對信號進行處理，而且這不能帶來不適當的失真。為了達到要求通常需要將帶寬設置為最大調制頻率加上兩倍偏離頻率。換句話來說，在VHF FM廣播中，如果采用±75 kHz的偏離，而最大調制頻率為15 kHz，帶寬就需要(2 × 75) + 15 kHz=165 kHz，一般采用200kHz，使發(fā)射系統(tǒng)具備一個保護頻帶，且中頻可以以100kHz為基礎。
提高信噪比 已經提到FM比AM信號在寬帶環(huán)境下可以提供更好的信噪比，實際上，偏離越大，信噪比越好。FM相比AM來說，提高的信噪比等于3D2其中，D是最大偏離率，在D值高的情況下非常明顯。
如果對音頻信號進行預增強就可以更好的增加FM信號的信噪比，通常的做法是，低電平的高頻音頻信號會進行相比低頻信號更大幅度的放大，然后再進行調制。在接收器，采用相反的處理來得到原始的音頻。
為了實現這個預增強，信號需要首先通過一個電容電阻（CR）網絡，在截止頻率點之上的頻率，信號每增加8度音階，電平就增加6dB，類似的，在接收端也進行相應的處理。
頻移鍵控
許多信號系統(tǒng)采用頻移鍵控（FSK）來無線傳輸數字信號（圖3-12）。圖中信號頻率有兩種，一個代表1（mark），一個代表0（space），通過改變載波頻率來傳輸數字信號。
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圖 3-12
有兩種方法可以用來實現用兩個頻率的信號傳遞信息。一個很明顯的方法是改變載波頻率，另一個是所謂的音頻頻移鍵控（AFSK），AFSK更好因為對精度有較高要求。
第二部分介紹頻移鍵控（PSK）和正交幅度調制（QAM）。
需要PDF文檔的朋友可以從這里下載：
無線通信系統(tǒng)中的調制解調基礎（一）：AM和FM.pdf (223.43 KB)
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本帖最后由 aiffier 于 2009-3-2 13:20 編輯 ]
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