無(wú)線通信系統(tǒng)中的調(diào)制解調(diào)基礎(chǔ)（一）：AM和FM

作者： Ian Poole

Adrio Communications Ltd

‘ 第一部分解釋了調(diào)幅（AM）和調(diào)頻（FM）的基礎(chǔ)，并闡述了優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。第二部分解析了頻移鍵控（PSK）和正交幅度調(diào)制（QAM）。第三部分討論擴(kuò)頻通信技術(shù)，包括被廣泛應(yīng)用的直接序列擴(kuò)頻通信（DSSS），和正交頻分復(fù)用（OFDM）
’ 射頻信號(hào)被用來(lái)傳遞信息，信息有可能是音頻，數(shù)據(jù)或者其他格式，該信息被調(diào)制(modulate)到載波信號(hào)上，并通過(guò)射頻傳送到接收器，在接收器端，信息從載波上分離出來(lái)，這個(gè)被稱為解調(diào)（demodulation）。而載波本身并不帶有任何信息。
調(diào)制方法多種多樣，簡(jiǎn)單的一般有幅度調(diào)制，頻率調(diào)制和相位調(diào)制，盡管調(diào)頻和調(diào)相本質(zhì)上是相同的。每種調(diào)制方法都有其有缺點(diǎn)。了解每種調(diào)制方法的基礎(chǔ)是很重要的，盡管大家更為關(guān)注的是移動(dòng)通信系統(tǒng)的調(diào)制方法。復(fù)習(xí)這些簡(jiǎn)單技術(shù)可以讓大家對(duì)它們的優(yōu)缺點(diǎn)有更好的認(rèn)識(shí)。

載波

無(wú)線通信的基礎(chǔ)是載波，基本的載波如圖3-1所示，這個(gè)信號(hào)在發(fā)射器部分產(chǎn)生，并不帶有任何信息，在接收器部分也作為不變的信號(hào)出現(xiàn)。

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圖3-1 載波信號(hào)

調(diào)幅

調(diào)制最顯而易見(jiàn)的的方式就是調(diào)幅了，通過(guò)調(diào)整信號(hào)幅度大小傳遞信息。
最簡(jiǎn)單的調(diào)制是OOK（on–off keying，開(kāi)關(guān)鍵控），載波以開(kāi)關(guān)的形式傳遞信息。這個(gè)是數(shù)字調(diào)制的基礎(chǔ)，并用在傳遞莫斯（Morse）電碼上面，莫斯在早期的“無(wú)線”應(yīng)用上廣為采用，通過(guò)開(kāi)或關(guān)的長(zhǎng)度傳遞碼元。

在音頻或其他領(lǐng)域應(yīng)用更為常見(jiàn)的是，整個(gè)信號(hào)的幅度通過(guò)載波體現(xiàn)，如圖3-2，這個(gè)被稱為幅度調(diào)制（AM）。

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圖3-2 AM調(diào)制

AM解調(diào)音頻信號(hào)的過(guò)程十分簡(jiǎn)單，只需要一個(gè)簡(jiǎn)單的二極管包絡(luò)檢波電路就可以實(shí)現(xiàn)，如圖3-3，在這個(gè)電路中二極管只允許無(wú)線信號(hào)的半波通過(guò)，一個(gè)電容被作為低通濾波器來(lái)去除信號(hào)的高頻部分，只留下音頻信號(hào)。這個(gè)信號(hào)直接通過(guò)放大后輸出至揚(yáng)聲器。該解調(diào)電路十分簡(jiǎn)單和易于實(shí)現(xiàn)，在目前的AM收音機(jī)接收上面還在廣泛采用。

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圖3-3

AM解調(diào)過(guò)程同樣可以用更為有效的同步檢波電路實(shí)現(xiàn)。如圖3-4，射頻信號(hào)被本地載波振蕩信號(hào)混頻。該電路的優(yōu)點(diǎn)是比二極管檢波器有更好的線性度，而且對(duì)失真和干擾的抵抗比較好。產(chǎn)生本振信號(hào)的方法很多，其中最簡(jiǎn)單的就是把接收到的無(wú)線信號(hào)通過(guò)高通濾波器，從而濾掉調(diào)制信號(hào)保留精確頻率和相位的載波，再與無(wú)線信號(hào)混頻濾波就能得到原始音頻信號(hào)。

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圖 3-4

AM具備實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的優(yōu)勢(shì)，不過(guò)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(lǐng)域極少采用，一般只在VHF頻段空中通信中采用。然而，AM在長(zhǎng)、中、短波廣播領(lǐng)域采用較多，因?yàn)槠涞统杀竞秃?jiǎn)單性。

為了表明其低效率，我們需要看看AM操作的原理，當(dāng)一個(gè)射頻信號(hào)被一個(gè)音頻信號(hào)調(diào)制時(shí)，波形會(huì)改變，在全調(diào)制過(guò)程中，調(diào)制后信號(hào)幅度會(huì)從零升到最高，而幅度升高到峰值時(shí)會(huì)達(dá)到載波信號(hào)幅度的兩倍，這樣很容易造成失真因?yàn)榘�絡(luò)信號(hào)不能低于0。因?yàn)檫@種方法調(diào)制深度最大，所以叫做100%全調(diào)制。

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圖 3-5

即使在全調(diào)制模式下，功耗利用率也很低。當(dāng)載波被調(diào)制，頻譜中兩邊都會(huì)產(chǎn)生邊帶，邊帶包含了音頻信號(hào)的信息。我們可以舉例闡述功耗消耗的情況，比如1kHz的語(yǔ)音信號(hào)在載波上進(jìn)行調(diào)制，這樣頻譜上會(huì)在載波兩邊出現(xiàn)兩個(gè)頻帶，如圖3-6，當(dāng)載波被全調(diào)制，接收的調(diào)制信號(hào)的幅度等于載波信號(hào)幅度的一半，既是功耗也等于載波信號(hào)的一半。換句話來(lái)說(shuō)，邊帶信號(hào)的能量等于載波信號(hào)能量的一半，而每個(gè)邊帶只有載波能量的1/4。這樣對(duì)于一個(gè)100W的發(fā)射機(jī)來(lái)說(shuō)，載波能量為50W，每個(gè)邊帶為25W，調(diào)制過(guò)程中載波信號(hào)的功耗是恒定的，而在解調(diào)過(guò)程中需要一個(gè)載波信號(hào)。我們只需要一個(gè)邊帶作為有用的信號(hào)，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(fèi)能耗，而且頻譜利用率不高。如果例子中的1kHz信號(hào)被普通的音頻信號(hào)取代，中頻兩邊的頻譜都會(huì)被該音頻信號(hào)的頻帶占據(jù)，如圖3-7。因此需要的頻段是傳輸信號(hào)頻段的兩倍。在短波信號(hào)非常擁擠的今天，這樣使非常浪費(fèi)的，因此目前在該頻段內(nèi)的一些無(wú)線傳輸都采用其他更有效率的調(diào)制方法。

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圖 3-7

比如說(shuō)，可以采用單邊帶（SSB）調(diào)制。通過(guò)去掉一個(gè)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(lái)解調(diào)。
不過(guò)不管AM還是SSB都無(wú)法在移動(dòng)電話里采用，盡管一些場(chǎng)合用到了AM加相位調(diào)制。

調(diào)制指數(shù)

調(diào)制指數(shù)也被稱為調(diào)制深度的定義十分重要，用百分比來(lái)表示，如下式：

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調(diào)制深度不會(huì)超過(guò)1，否則包絡(luò)就會(huì)出現(xiàn)失真，信號(hào)會(huì)出現(xiàn)額外的頻譜，造成干擾信號(hào)。

FM調(diào)頻

AM是非常簡(jiǎn)單的調(diào)制方式，而通過(guò)改變頻率的FM調(diào)制也一樣。如圖3-8，載波信號(hào)被調(diào)制后，頻率會(huì)隨著信號(hào)源電壓變化。

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圖 3-8

調(diào)制信號(hào)頻率變化的范圍很重要，這個(gè)被稱為偏離（deviation），而且由KHz度量。比如一個(gè)信號(hào)的偏離可能是±3 kHz，那么這個(gè)信號(hào)就在±3 kHz上下波動(dòng)。
采用FM的原因很多，一個(gè)重要的優(yōu)勢(shì)是不會(huì)受到源信號(hào)的電平變化的干擾，而且抗干擾的能力也強(qiáng)。因?yàn)槭歉淖冃盘?hào)頻率，所以調(diào)制信號(hào)的電平不會(huì)變化，這樣不會(huì)干擾到音頻輸出，因此在移動(dòng)電話或其他便攜式應(yīng)用中就可以采用FM。FM的另一個(gè)好處是當(dāng)偏離比最高調(diào)制頻率高很多時(shí)對(duì)噪聲和干擾的抵抗能力很好。因此在高品質(zhì)音頻廣播中通常采用75kHz的偏離。由于有以上的優(yōu)點(diǎn)，F(xiàn)M在第一代模擬無(wú)線通信系統(tǒng)中采用。
解調(diào)一個(gè)FM信號(hào)，需要將頻率變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷鹤兓�，這個(gè)就比AM解調(diào)要復(fù)雜了，不過(guò)實(shí)現(xiàn)起來(lái)也比較容易。需要一個(gè)調(diào)諧電路來(lái)對(duì)頻率的不斷變化輸出變化的電平，而不是采用一個(gè)檢波二極管就能辦到的。有很多方法可以實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能，一個(gè)廣泛應(yīng)用的方案是采用積分檢測(cè)器，這個(gè)在集成電路中應(yīng)用廣泛，而且提供了很好的線性度。這個(gè)方案在需要調(diào)諧電路時(shí)具備優(yōu)勢(shì)，并且容易在集成電路實(shí)現(xiàn)。

基本的積分檢測(cè)電路如3-9所示，信號(hào)被分成了兩部分，一部分提供了一個(gè)90°的相移，原始信號(hào)和相移信號(hào)立即被送入了混頻器，混頻器的輸出取決于兩個(gè)信號(hào)的相差，電路作用類似一個(gè)相位檢測(cè)器并根據(jù)相位的差產(chǎn)生電壓輸出。

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圖 3-9

調(diào)制指數(shù)和偏離比

很多情況下調(diào)制指數(shù)只是一個(gè)值并一般用于別的運(yùn)算，F(xiàn)M調(diào)制指數(shù)指的是頻率偏離相對(duì)調(diào)制頻率的比例，因此會(huì)隨著在載波上變化的調(diào)制偏離而改變。

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然而，設(shè)計(jì)一個(gè)系統(tǒng)需要知道最大的調(diào)制指數(shù)，這個(gè)通過(guò)在公式中帶入最大的值可以得到。

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邊帶

被調(diào)制的信號(hào)都會(huì)產(chǎn)生邊帶，在AM調(diào)制中很容易計(jì)算得到，但在FM調(diào)制中就不是那么明朗，因?yàn)檫@不僅于偏離相關(guān)，而且與偏離的度有關(guān)，比如說(shuō)，如果調(diào)制指數(shù)為M，總的頻譜通過(guò)一個(gè)復(fù)雜的公式可以得出，得到的是一個(gè)無(wú)限的離散頻譜。

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公式中，Jn（M）是第一類貝塞爾函數(shù)，ωc是載波的頻率并等于2nf，ωm是調(diào)制信號(hào)的頻率，Vc是載波的電平。
可以看出整個(gè)頻譜包括載波的頻率加上載波兩邊的無(wú)限的邊帶頻譜。相關(guān)的邊帶可以從貝塞爾函數(shù)的表格中讀出，或者用計(jì)算公式得出，圖3-10顯示出不同的調(diào)制指數(shù)下邊帶的變化情況。

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圖 3-10

可以總結(jié)在低級(jí)別的偏離下（既窄帶FM），調(diào)制信號(hào)在載波中頻的兩邊都有邊帶頻譜，頻譜看起來(lái)跟AM信號(hào)查不多，最大的區(qū)別是較低邊帶超過(guò)了180°的相位。
當(dāng)調(diào)制指數(shù)增加，二倍中頻的邊帶頻譜就出現(xiàn)了（圖3-11），指數(shù)繼續(xù)增加，更高的邊帶也會(huì)出現(xiàn)。同時(shí)可以看到隨著調(diào)制指數(shù)的升高帶來(lái)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(diào)制信號(hào)的頻譜隨著調(diào)制指數(shù)變化的情況，可以看出當(dāng)指數(shù)較小時(shí)（比如M=0.5），信號(hào)頻譜表現(xiàn)出一個(gè)載波頻率和兩個(gè)邊帶，當(dāng)調(diào)制指數(shù)上升時(shí)，邊帶數(shù)量增多而載波頻率的能量會(huì)下降。

帶寬

很明顯我們不能接受一個(gè)無(wú)限帶寬的信號(hào)，所以對(duì)于低級(jí)別的調(diào)制指數(shù)只會(huì)計(jì)算頭兩個(gè)邊帶信號(hào)頻譜。然而，因?yàn)檎{(diào)制指數(shù)的增加，更高級(jí)別邊帶會(huì)產(chǎn)生，經(jīng)常需要濾波器對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，而且這不能帶來(lái)不適當(dāng)?shù)氖д�。為了達(dá)到要求通常需要將帶寬設(shè)置為最大調(diào)制頻率加上兩倍偏離頻率。換句話來(lái)說(shuō)，在VHF FM廣播中，如果采用±75 kHz的偏離，而最大調(diào)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(gè)保護(hù)頻帶，且中頻可以以100kHz為基礎(chǔ)。
提高信噪比 已經(jīng)提到FM比AM信號(hào)在寬帶環(huán)境下可以提供更好的信噪比，實(shí)際上，偏離越大，信噪比越好。FM相比AM來(lái)說(shuō)，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(duì)音頻信號(hào)進(jìn)行預(yù)增強(qiáng)就可以更好的增加FM信號(hào)的信噪比，通常的做法是，低電平的高頻音頻信號(hào)會(huì)進(jìn)行相比低頻信號(hào)更大幅度的放大，然后再進(jìn)行調(diào)制。在接收器，采用相反的處理來(lái)得到原始的音頻。
為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)預(yù)增強(qiáng)，信號(hào)需要首先通過(guò)一個(gè)電容電阻（CR）網(wǎng)絡(luò)，在截止頻率點(diǎn)之上的頻率，信號(hào)每增加8度音階，電平就增加6dB，類似的，在接收端也進(jìn)行相應(yīng)的處理。

頻移鍵控

許多信號(hào)系統(tǒng)采用頻移鍵控（FSK）來(lái)無(wú)線傳輸數(shù)字信號(hào)（圖3-12）。圖中信號(hào)頻率有兩種，一個(gè)代表1（mark），一個(gè)代表0（space），通過(guò)改變載波頻率來(lái)傳輸數(shù)字信號(hào)。

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圖 3-12

有兩種方法可以用來(lái)實(shí)現(xiàn)用兩個(gè)頻率的信號(hào)傳遞信息。一個(gè)很明顯的方法是改變載波頻率，另一個(gè)是所謂的音頻頻移鍵控（AFSK），AFSK更好因?yàn)閷?duì)精度有較高要求。

第二部分介紹頻移鍵控（PSK）和正交幅度調(diào)制（QAM）。

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2009-3-2 13:18:57