信號(hào)處理中的調(diào)制技術(shù)

信號(hào)處理中的調(diào)制技術(shù)

一、邊帶調(diào)制技術(shù)dsb模擬信號(hào)是日常生活中最常見(jiàn)的信號(hào)之一，如說(shuō)話聲信號(hào)和日常采集的溫度信號(hào)。這是一個(gè)無(wú)加工的信號(hào)。模擬信號(hào)的調(diào)制可分為幅度調(diào)制和角度調(diào)制。幅度調(diào)制又可分為常規(guī)雙邊帶調(diào)幅(AM),抑制載波的雙邊帶調(diào)幅(DSB),單邊帶調(diào)幅(SSB),殘留邊帶調(diào)幅。角度調(diào)制可分為頻率調(diào)制和相位調(diào)制。幅度調(diào)制是發(fā)展最早的一種調(diào)制技術(shù)。幅度調(diào)制的基礎(chǔ)技術(shù)是常規(guī)雙邊帶調(diào)制(AM),其時(shí)域和頻域表示式為:由此可看出,AM的頻譜由三個(gè)分量組成,上邊帶、下邊帶和載頻分量,帶寬是基帶信號(hào)的兩倍,其中下邊帶是上邊帶的鏡像,上下邊帶對(duì)稱,AM調(diào)制的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備簡(jiǎn)單,價(jià)格低廉,還可用包絡(luò)檢波的技術(shù)對(duì)其實(shí)施非相干解調(diào)。但由于AM信號(hào)的功率利用率最大也只有1/3,所以大量的功率用在不攜帶任何信息的載波功率上,加上抗燥性能較差,這些都限制了AM調(diào)制的發(fā)展。基于AM信號(hào)中載波功率消耗了大部分信號(hào)功率的特點(diǎn),可將載波功率剔除掉,只傳送邊帶信號(hào),這種技術(shù)就叫做抑制載波的雙邊帶調(diào)制(DSB),其時(shí)域和頻域表達(dá)式為:從中可看出,DSB的頻譜不存在載頻分量,這使功率利用率大大提高,理論上可達(dá)到100%,即傳輸?shù)娜渴菙y帶有信息的信號(hào)。但由于剔除了載頻分量,這時(shí)的調(diào)制信號(hào)的時(shí)域包絡(luò)與信源信號(hào)已有了很大的差別。因此,在進(jìn)行解調(diào)時(shí),不能用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的包絡(luò)檢波的方法進(jìn)行解調(diào),只能用結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜的相干解調(diào)方法來(lái)提取出原始信號(hào)。DSB信號(hào)雖然有效的提高了功率利用率,但是由于其帶寬仍是調(diào)制信號(hào)帶寬的2倍,在帶寬有限的條件下,其發(fā)展受到了限制。于是,單邊帶調(diào)制應(yīng)運(yùn)而生。單邊帶調(diào)制(SSB)是雙邊帶調(diào)制的改進(jìn),應(yīng)注意,雙邊帶調(diào)制中,下邊帶是上邊帶的鏡像,這樣就可只傳輸信號(hào)的一個(gè)邊帶,因?yàn)橄逻厧y帶的信息與上邊帶幾乎完全一樣,這就是單邊帶調(diào)制技術(shù),它不僅沒(méi)有載頻分量,而且只傳輸信號(hào)的一個(gè)邊帶,帶寬也只有雙邊帶的一半,節(jié)省了帶寬。其頻域表達(dá)式為:單邊帶技術(shù)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵是邊帶濾波器的制作,不管是高通濾波器還是低通濾波器,單邊帶技術(shù)都要求濾波器具有陡峭的截止特性。但是濾波器越陡峭,其對(duì)制作工藝的要求也就越高。殘留邊帶調(diào)制(VSB),殘留邊帶調(diào)制是為了克服單邊帶調(diào)制中濾波器制作上的困難而產(chǎn)生的。他的主要技術(shù)特點(diǎn)是部分抑制雙邊帶中的一個(gè)邊帶,既解決了濾波器實(shí)現(xiàn)上的難題,又大大節(jié)省了帶寬,可以說(shuō)是雙邊帶和單邊帶調(diào)制的一種折中處理。殘留邊帶濾波器也有自己的特點(diǎn),其傳輸函數(shù)必須在中心頻率處互補(bǔ)對(duì)稱。以上討論的都是模擬調(diào)制中的線性調(diào)制,所謂線性調(diào)制,是指它們的頻譜只是簡(jiǎn)單的線性搬移,沒(méi)有產(chǎn)生新的頻率分量。在信號(hào)的接收端,除了標(biāo)準(zhǔn)幅度調(diào)制能夠進(jìn)行包絡(luò)檢波以外,其它幾種線性調(diào)制都需進(jìn)行相干解調(diào)。相干解調(diào)的關(guān)鍵是如何產(chǎn)生與調(diào)制端相一致的同步載波,這就涉及到信號(hào)的同步問(wèn)題。除了線性調(diào)制,模擬調(diào)制中另一類(lèi)重要的調(diào)制技術(shù)就是非線性調(diào)制,所謂非線性調(diào)制,即信號(hào)頻譜的非線性搬移?？煞譃轭l率調(diào)制(FM)和相位調(diào)制(PM),雖然它們一個(gè)是對(duì)頻率進(jìn)行的調(diào)制,一個(gè)是對(duì)相位進(jìn)行的調(diào)制,但是由于二者本質(zhì)上沒(méi)有多大的區(qū)別,在這里只討論頻率調(diào)制。在一定情況下,它們可以互相轉(zhuǎn)換。比如對(duì)信號(hào)進(jìn)行積分后在進(jìn)行調(diào)相,就可實(shí)現(xiàn)調(diào)頻;同理,對(duì)信號(hào)進(jìn)行微分后再調(diào)頻,就可以實(shí)現(xiàn)調(diào)相。所謂調(diào)頻(FM),就是利用載波對(duì)信號(hào)的頻率進(jìn)行調(diào)制,調(diào)頻可分為窄帶調(diào)頻和寬帶調(diào)頻。調(diào)頻的優(yōu)越性表現(xiàn)在它大大的改善了系統(tǒng)的抗噪聲性能,一般情況下,可以認(rèn)為其輸出信噪比與其帶寬成正相關(guān)的關(guān)系。即帶寬越寬,抗噪性越好。所以可這樣認(rèn)為,調(diào)頻系統(tǒng)是以犧牲信號(hào)的有效性來(lái)?yè)Q取系統(tǒng)可靠性的。所謂有效性,是指單位頻帶的傳輸效率,一般以頻帶利用率來(lái)衡量。而系統(tǒng)的可靠性是與其抗噪聲性能有關(guān),一般以誤碼率來(lái)衡量。調(diào)頻系統(tǒng)的優(yōu)越性在于它可用帶寬來(lái)?yè)Q取信噪比,而線性調(diào)制系統(tǒng)很顯然不具備這一特點(diǎn)。二、頻率鍵控解調(diào)相比于模擬信號(hào)的調(diào)制,數(shù)字信號(hào)的調(diào)制具有與生俱來(lái)的優(yōu)點(diǎn)。數(shù)字化的傳輸方式也越來(lái)越受人們的歡迎。數(shù)字調(diào)制可分為振幅鍵控(ASK)、頻移鍵控(FSK)和相移鍵控(PSK)。下面以基本的二進(jìn)制信號(hào)來(lái)討論各種調(diào)制的區(qū)別與聯(lián)系。振幅鍵控,又稱之為通斷鍵控,當(dāng)發(fā)送“1”時(shí),傳出基帶信號(hào);發(fā)送“0”時(shí),不傳任何信號(hào)。它的產(chǎn)生方式有兩種,即模擬調(diào)制法和鍵控法。所謂模擬調(diào)制法,就是用載波信號(hào)與二進(jìn)制的數(shù)字基帶信號(hào)相乘。鍵控法就是利用二進(jìn)制的基帶信號(hào)來(lái)控制開(kāi)關(guān)的通斷,實(shí)現(xiàn)信號(hào)的調(diào)制變換,兩種方法各有優(yōu)點(diǎn)。由于具有普通振幅調(diào)制的特性,所以其解調(diào)也可分為相干解調(diào)和非相干解調(diào)兩種解調(diào)方式。需要指出的是,振幅鍵控的帶寬也是基帶信號(hào)帶寬的兩倍。對(duì)于頻移鍵控,就是用基帶信號(hào)去控制兩種不同頻率的產(chǎn)生。它也有兩種產(chǎn)生方法,即一種用傳統(tǒng)的模擬電路來(lái)產(chǎn)生;另一種用開(kāi)關(guān)鍵控法。在開(kāi)關(guān)鍵控法中,通過(guò)基帶信號(hào)來(lái)控制兩種頻率的選通開(kāi)關(guān),從而實(shí)現(xiàn)頻率的調(diào)制。兩種頻率的產(chǎn)生要通過(guò)振蕩器來(lái)實(shí)現(xiàn),頻率鍵控的解調(diào)方法有很多種,比如過(guò)零檢測(cè)法、差分檢測(cè)法、鑒頻法等。但是二進(jìn)制頻率信號(hào)往往具有很大的帶寬。對(duì)于相移鍵控,就是用基帶信號(hào)區(qū)控制載波的相位,一般情況下,用“1”表示相位180度,“0”表示相位0度。由于這兩種碼型的波形完全相同,僅相位相差180度,所以可用一個(gè)雙極性的矩形脈沖序列與一個(gè)正弦載波相乘來(lái)得到相移鍵控信號(hào)。其解調(diào)一般采用相干解調(diào)法,但由于解調(diào)過(guò)程中存在相位模糊的問(wèn)題,使得信號(hào)的解調(diào)產(chǎn)生混亂,為了解決這個(gè)問(wèn)題,人們一般采用二進(jìn)制差分相移鍵控。由于二進(jìn)制相移鍵控的頻譜波形與振幅鍵控的頻譜波形相似,所以其帶寬也為基帶信號(hào)帶寬的兩倍。對(duì)于它們的抗噪聲性能。二進(jìn)制相移鍵控最好,二進(jìn)制頻率鍵控次之,而二進(jìn)制振幅鍵控的抗噪聲性能最不理想。在頻帶寬度上,二進(jìn)制頻率鍵控的帶寬最大,其頻帶利用率最低。綜上所述,主要介紹了各種模擬信號(hào)的調(diào)制方法與數(shù)字信號(hào)的調(diào)制方法,通過(guò)詳細(xì)的分析,探討了各種調(diào)制方式的優(yōu)缺點(diǎn)?？偟膩?lái)說(shuō),數(shù)字調(diào)制方式要優(yōu)于模擬調(diào)制。在模擬調(diào)制方面,從抗噪聲性能來(lái)說(shuō),非線性的頻率調(diào)制要優(yōu)于線性的幅度調(diào)制,但是這是以犧牲系統(tǒng)的帶寬為代價(jià)的,即以有效性來(lái)?yè)Q取可靠性。在數(shù)字調(diào)制