谈谈《通信原理》(10)

1. 调制的概念

通信原理课程所包含的主要知识可用“调制、解调;编码、译码;同步”十个字概括,即“十字内容”是主干,其余内容大都是主干的延伸和扩展。因此,在学习过程中,只要抓住 “十字内容”这条主线,其他问题就会迎刃而解。

 “调制”是通信原理中一个重要概念,是一种信号处理技术。无论在模拟通信、数字通信还是数据通信中都扮演着重要角色。那么,为什么要对信号进行调制处理?什么是调制?如何实施调制呢?我们先看看下面的例子:

在传播人声时,可以用话筒把人声变成电信号,通过扩音机放大后再用扬声器播放出去。由于扬声器的功率比人嗓大得多,所以声音可以传得比较远(见图2-1)。但如果还想将声音传得更远一些,那该怎么办?读者自然会想到用电缆或无线电进行传输。但会出现两个问题,一是敷设一条几百甚至上千公里的电缆只传一路话音信号,其传输成本之高、线路利用率之低,人们是无法接受的;二是利用无线电通信时,需满足一个基本条件,即欲发射信号的波长必须能与发射天线的几何尺寸可比拟,该信号才能通过天线有效地发射出去(通常认为天线尺寸应大于波长的十分之一),而音频信号的频率范围是20Hz~20kHz,最短的波长为

式中,

c—电磁波传播速度(光速)(m/s);f—音频(Hz)??杉?,要将音频信号直接用天线发射出去,其天线几何尺寸即便按波长的百分之一取也要150米高(不包括天线底座或塔座)。因此,要想把音频信号通过可接受的天线尺寸发射出去,就需要想办法提高欲发射信号的频率(频率越高波长越短)。

第二个问题的解决方法之一是在一个物理信道中对多路信号进行频分复用;第一个问题的解决方法是把欲发射的低频信号“搬”到高频载波上去,或者说把低频信号“变”成高频信号。两个方法有一个共同需求,就是要对信号进行调制处理。那么,什么是调制呢?

让载波的某个参量(或几个)随调制信号的变化而变化的过程或方法称为调制。

这里,“调制信号”指欲传递的原始信号或基带信号,比如声音或图像信号;“载波”是一种用来搭载调制信号的高频周期信号,其本身没有任何有用信息,比如正/余弦波或脉冲串。

生活中,人们要把一件货物(人)运到几千公里外的地方,就必须使用运载工具,或汽车、或火车、或飞机。在这里,货物(人)相当于调制信号,运载工具相当于载波。把货物(人)装到运载工具上相当于调制,从运载工具上卸下货物(人)就是解调(见图2-2)。

知道了调制概念,读者自然会问:如何对信号进行调制呢?在“信号与系统”课程中讲过,若一个信号

从频谱上看,相当于把

则有

式(2.1-1)被称为调制定理,是调制技术的理论基础,其示意图见图2-3。即f(t)为调制信号,

通常载波频率比调制信号的最高频率分量还要高很多,比如收音机中波频段的最低频率(载波频率)为535kHz,比音频最高频率20kHz高25余倍。

可见,调制也可理解为:一个低频信号对一个高频信号某个参量的控制过程。根据通信技术的现状,被控参量可以是模拟或数字载波的幅度、频率、相位、脉宽、脉位等。从而形成“幅度调制”、“频率调制”、“相位调制”、“脉宽调制”、“脉位调制”等技术。

从图2-3中可见,

的变化而变化的,也就是说,将调制信号“放”到了载波的振幅参量上。从频域上看,

相比,只是幅值减半,形状不变,相当于

这种将调制信号调制到载波的幅值参量上的方法被称为幅度调制简称调幅。注意:此时要求f(t)的均值为零,即不含直流。

通过上述调制方法,就可以将多路调制信号分别调制到不同频率的载波上去,只要它们的频谱在频域上不重叠,就能够想办法把它们分别提取出来,实现频分复用。同样,也可将一低频信号调制到一个高频载波上去,完成“低”到“高”的频率变换,从而可以通过几何尺寸合适的天线将信号发射出去。

2. 调制的分类

根据不同的标准,调制技术有多种分类,见表2-1。其中,

(1)线性调制——是指已调信号的频谱与调制信号的频谱之间满足线性关系的调制。比如,对于一个

则称调制器为线性调制器,通过线性调制器进行的调制即为线性调制。线性调制的特点是已调信号的频谱与调制信号的频谱相比,在形状上没有变化,即不改变调制信号的频谱结构,但在频谱的幅值上差一个倍数(一般来说,该倍数小于1,若调制器具有放大作用,则倍数大于1)。另外,线性调制过程在数学上可以用调制信号与载波直接相乘得到。AM、DSB、SSB和VSB都是线性调制。

(2)非线性调制——不满足线性调制条件的调制就是非线性调制。非线性调制的已调信号频谱已不再是调制信号频谱的形状,也不能只用一个常数描述频谱之间的关系。非线性调制在数学上不能用调制信号与载波直接相乘进行描述。FM和PM调制都是非线性调制。

在实际工程应用中,还经常将几种调制结合起来使用,即所谓复合调制方式,比如多进制数字调制中的调幅调相法(也就是调制定义中将信号调制在载波的几个参量上)。

3. 调制的功能

调制技术有三大功能:

(1)频率变换。把低频信号变换成高频信号以利于无线发送或在信道中传输。关于无线发送的条件前面已经讲过;在信道中传输主要指有线通信中的高频对称电缆要求传输信号的频率为12kHz~252 kHz,显然,频率为0.3kHz~3.4 kHz的话音信号(考虑?;ご?,通常将带宽定义为4 kHz)不能直接在其中传输,必须经过调制。

(2)信道复用。信号必须通过信道才能传输,而每一种物理信道的频率特性一般都比所传的基带信号带宽要大很多(比如同轴电缆的带宽约为0Hz~400 MHz,若只传送一路普通话音信号,则显得非常浪费?。?,但若对信号不加处理,直接传输多路话务信号又会造成相互干扰,致使收信端无法分清各路信号,因此必须用调制技术才能使多路信号在一个信道中同时传输,实现信道多路复用。

(3)改善系统性能。从香农公式中可知,当一个通信系统的信道容量一定时,其信道带宽和信噪比可以互换,即为了某种需要可以降低信噪比而提高带宽,也可降低带宽而提高信噪比。这种互换可以通过不同的调制方式来实现。比如当信噪比比较低时,可选择宽带调频方式增加信号的带宽以提高系统的抗干扰能力(提高信息传输的可靠性)。

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