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談談《通信原理》(10)

1. 調制的概念

通信原理課程所包含的主要知識可用“調制、解調;編碼、譯碼;同步”十個字概括,即“十字內容”是主干,其余內容大都是主干的延伸和擴展。因此,在學習過程中,只要抓住 “十字內容”這條主線,其他問題就會迎刃而解。

 “調制”是通信原理中一個重要概念,是一種信號處理技術。無論在模擬通信、數字通信還是數據通信中都扮演著重要角色。那么,為什么要對信號進行調制處理?什么是調制?如何實施調制呢?我們先看看下面的例子:

在傳播人聲時,可以用話筒把人聲變成電信號,通過擴音機放大后再用揚聲器播放出去。由于揚聲器的功率比人嗓大得多,所以聲音可以傳得比較遠(見圖2-1)。但如果還想將聲音傳得更遠一些,那該怎么辦?讀者自然會想到用電纜或無線電進行傳輸。但會出現兩個問題,一是敷設一條幾百甚至上千公里的電纜只傳一路話音信號,其傳輸成本之高、線路利用率之低,人們是無法接受的;二是利用無線電通信時,需滿足一個基本條件,即欲發射信號的波長必須能與發射天線的幾何尺寸可比擬,該信號才能通過天線有效地發射出去(通常認為天線尺寸應大于波長的十分之一),而音頻信號的頻率范圍是20Hz~20kHz,最短的波長為

式中,

c—電磁波傳播速度(光速)(m/s);f—音頻(Hz)??杉?,要將音頻信號直接用天線發射出去,其天線幾何尺寸即便按波長的百分之一取也要150米高(不包括天線底座或塔座)。因此,要想把音頻信號通過可接受的天線尺寸發射出去,就需要想辦法提高欲發射信號的頻率(頻率越高波長越短)。

第二個問題的解決方法之一是在一個物理信道中對多路信號進行頻分復用;第一個問題的解決方法是把欲發射的低頻信號“搬”到高頻載波上去,或者說把低頻信號“變”成高頻信號。兩個方法有一個共同需求,就是要對信號進行調制處理。那么,什么是調制呢?

讓載波的某個參量(或幾個)隨調制信號的變化而變化的過程或方法稱為調制。

這里,“調制信號”指欲傳遞的原始信號或基帶信號,比如聲音或圖像信號;“載波”是一種用來搭載調制信號的高頻周期信號,其本身沒有任何有用信息,比如正/余弦波或脈沖串。

生活中,人們要把一件貨物(人)運到幾千公里外的地方,就必須使用運載工具,或汽車、或火車、或飛機。在這里,貨物(人)相當于調制信號,運載工具相當于載波。把貨物(人)裝到運載工具上相當于調制,從運載工具上卸下貨物(人)就是解調(見圖2-2)。

知道了調制概念,讀者自然會問:如何對信號進行調制呢?在“信號與系統”課程中講過,若一個信號

從頻譜上看,相當于把

則有

式(2.1-1)被稱為調制定理,是調制技術的理論基礎,其示意圖見圖2-3。即f(t)為調制信號,

通常載波頻率比調制信號的最高頻率分量還要高很多,比如收音機中波頻段的最低頻率(載波頻率)為535kHz,比音頻最高頻率20kHz高25余倍。

可見,調制也可理解為:一個低頻信號對一個高頻信號某個參量的控制過程。根據通信技術的現狀,被控參量可以是模擬或數字載波的幅度、頻率、相位、脈寬、脈位等。從而形成“幅度調制”、“頻率調制”、“相位調制”、“脈寬調制”、“脈位調制”等技術。

從圖2-3中可見,

的變化而變化的,也就是說,將調制信號“放”到了載波的振幅參量上。從頻域上看,

相比,只是幅值減半,形狀不變,相當于

這種將調制信號調制到載波的幅值參量上的方法被稱為幅度調制簡稱調幅。注意:此時要求f(t)的均值為零,即不含直流。

通過上述調制方法,就可以將多路調制信號分別調制到不同頻率的載波上去,只要它們的頻譜在頻域上不重疊,就能夠想辦法把它們分別提取出來,實現頻分復用。同樣,也可將一低頻信號調制到一個高頻載波上去,完成“低”到“高”的頻率變換,從而可以通過幾何尺寸合適的天線將信號發射出去。

2. 調制的分類

根據不同的標準,調制技術有多種分類,見表2-1。其中,

(1)線性調制——是指已調信號的頻譜與調制信號的頻譜之間滿足線性關系的調制。比如,對于一個

則稱調制器為線性調制器,通過線性調制器進行的調制即為線性調制。線性調制的特點是已調信號的頻譜與調制信號的頻譜相比,在形狀上沒有變化,即不改變調制信號的頻譜結構,但在頻譜的幅值上差一個倍數(一般來說,該倍數小于1,若調制器具有放大作用,則倍數大于1)。另外,線性調制過程在數學上可以用調制信號與載波直接相乘得到。AM、DSB、SSB和VSB都是線性調制。

(2)非線性調制——不滿足線性調制條件的調制就是非線性調制。非線性調制的已調信號頻譜已不再是調制信號頻譜的形狀,也不能只用一個常數描述頻譜之間的關系。非線性調制在數學上不能用調制信號與載波直接相乘進行描述。FM和PM調制都是非線性調制。

在實際工程應用中,還經常將幾種調制結合起來使用,即所謂復合調制方式,比如多進制數字調制中的調幅調相法(也就是調制定義中將信號調制在載波的幾個參量上)。

3. 調制的功能

調制技術有三大功能:

(1)頻率變換。把低頻信號變換成高頻信號以利于無線發送或在信道中傳輸。關于無線發送的條件前面已經講過;在信道中傳輸主要指有線通信中的高頻對稱電纜要求傳輸信號的頻率為12kHz~252 kHz,顯然,頻率為0.3kHz~3.4 kHz的話音信號(考慮?;ご?,通常將帶寬定義為4 kHz)不能直接在其中傳輸,必須經過調制。

(2)信道復用。信號必須通過信道才能傳輸,而每一種物理信道的頻率特性一般都比所傳的基帶信號帶寬要大很多(比如同軸電纜的帶寬約為0Hz~400 MHz,若只傳送一路普通話音信號,則顯得非常浪費?。?,但若對信號不加處理,直接傳輸多路話務信號又會造成相互干擾,致使收信端無法分清各路信號,因此必須用調制技術才能使多路信號在一個信道中同時傳輸,實現信道多路復用。

(3)改善系統性能。從香農公式中可知,當一個通信系統的信道容量一定時,其信道帶寬和信噪比可以互換,即為了某種需要可以降低信噪比而提高帶寬,也可降低帶寬而提高信噪比。這種互換可以通過不同的調制方式來實現。比如當信噪比比較低時,可選擇寬帶調頻方式增加信號的帶寬以提高系統的抗干擾能力(提高信息傳輸的可靠性)。

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