无线通信中的调制解调

无线通信系统中的调制解调基础（一）：AM和FM作者：IanPooleAdrioCommunicationsLtd第一部分解释了调幅（AM）和调频（FM）的基础，并阐述了优点和缺点。第二部分解析了频移键控（PSK）和正交幅度调制（QAM）。第三部分讨论扩频通信技术，包括被广泛应用的直接序列扩频通信（DSSS），和正交频分复用（OFDM）射频信号被用来传递信息，信息有可能是音频，数据或者其他格式，该信息被调制(modulate)到载波信号上，并通过射频传送到接收器，在接收器端，信息从载波上分离出来，这个被称为解调（demodulation）。而载波本身并不带有任何信息。调制方法多种多样，简单的一般有幅度调制，频率调制和相位调制，尽管调频和调相本质上是相同的。每种调制方法都有其有缺点。了解每种调制方法的基础是很重要的，尽管大家更为关注的是移动通信系统的调制方法。复习这些简单技术可以让大家对它们的优缺点有更好的认识。载波无线通信的基础是载波，基本的载波如图3-1所示，这个信号在发射器部分产生，并不带有任何信息，在接收器部分也作为不变的信号出现。载波信号调幅调制最显而易见的的方式就是调幅了，通过调整信号幅度大小传递信息。最简单的调制是OOK（on–offkeying，开关键控），载波以开关的形式传递信息。这个是数字调制的基础，并用在传递莫斯（Morse）电码上面，莫斯在早期的“无线”应用上广为采用，通过开或关的长度传递码元。在音频或其他领域应用更为常见的是，整个信号的幅度通过载波体现，如图3-2，这个被称为幅度调制（AM）。AM调制AM解调音频信号的过程十分简单，只需要一个简单的二极管包络检波电路就可以实现，如图3-3，在这个电路中二极管只允许无线信号的半波通过，一个电容被作为低通滤波器来去除信号的高频部分，只留下音频信号。这个信号直接通过放大后输出至扬声器。该解调电路十分简单和易于实现，在目前的AM收音机接收上面还在广泛采用。一个简单的二极管检波电路AM解调过程同样可以用更为有效的同步检波电路实现。如图3-4，射频信号被本地载波振荡信号混频。该电路的优点是比二极管检波器有更好的线性度，而且对失真和干扰的抵抗比较好。产生本振信号的方法很多，其中最简单的就是把接收到的无线信号通过高通滤波器，从而滤掉调制信号保留精确频率和相位的载波，再与无线信号混频滤波就能得到原始音频信号。具备实现简单的优势，不过并不是最有效的方式，在频谱利用率和功耗方面均是如此。因此该方式在通信领域极少采用，一般只在VHF频段空中通信中采用。然而，AM在长、中、短波广播领域采用较多，因为其低成本和简单性。为了表明其低效率，我们需要看看AM操作的原理，当一个射频信号被一个音频信号调制时，波形会改变，在全调制过程中，调制后信号幅度会从零升到最高，而幅度升高到峰值时会达到载波信号幅度的两倍，这样很容易造成失真因为包络信号不能低于0。因为这种方法调制深度最大，所以叫做100%全调制。全调制信号即使在全调制模式下，功耗利用率也很低。当载波被调制，频谱中两边都会产生边带，边带包含了音频信号的信息。我们可以举例阐述功耗消耗的情况，比如1kHz的语音信号在载波上进行调制，这样频谱上会在载波两边出现两个频带，如图3-6，当载波被全调制，接收的调制信号的幅度等于载波信号幅度的一半，既是功耗也等于载波信号的一半。换句话来说，边带信号的能量等于载波信号能量的一半，而每个边带只有载波能量的1/4。这样对于一个100W的发射机来说，载波能量为50W，每个边带为25W，调制过程中载波信号的功耗是恒定的，而在解调过程中需要一个载波信号。我们只需要一个边带作为有用的信号，所以总的效率等于50/150，只有三分之一的能耗得到了有效利用。不仅浪费能耗，而且频谱利用率不高。如果例子中的1kHz信号被普通的音频信号取代，中频两边的频谱都会被该音频信号的频带占据，如图3-7。因此需要的频段是传输信号频段的两倍。在短波信号非常拥挤的今天，这样使非常浪费的，因此目前在该频段内的一些无线传输都采用其他更有效率的调制方法。语音或音乐信号AM调制的频谱比如说，可以采用单边带（SSB）调制。通过去掉一个边带，可以使带宽减半，更加有效率，载波也可以由接收器获得用来解调。不过不管AM还是SSB都无法在移动电话里采用，尽管一些场合用到了AM加相位调制。调制指数调制指数也被称为调制深度的定义十分重要，用百分比来表示，如下式：，否则包络就会出现失真，信号会出现额外的频谱，造成干扰信号。FM调频AM是非常简单的调制方式，而通过改变频率的FM调制也一样。如图3-8，载波信号被调制后，频率会随着信号源电压变化。FM信号调制信号频率变化的范围很重要，这个被称为偏离（deviation），而且由KHz度量。比如一个信号的偏离可能是±3kHz，那么这个信号就在±3kHz上下波动。采用FM的原因很多，一个重要的优势是不会受到源信号的电平变化的干扰，而且抗干扰的能力也强。因为是改变信号频率，所以调制信号的电平不会变化，这样不会干扰到音频输出，因此在移动电话或其他便携式应用中就可以采用FM。FM的另一个好处是当偏离比最高调制频率高很多时对噪声和干扰的抵抗能力很好。因此在高品质音频广播中通常采用75kHz的偏离。由于有以上的优点，FM在第一代模拟无线通信系统中采用。解调一个FM信号，需要将频率变化转变为电压变化，这个就比AM解调要复杂了，不过实现起来也比较容易。需要一个调谐电路来对频率的不断变化输出变化的电平，而不是采用一个检波二极管就能办到的。有很多方法可以实现这个功能，一个广泛应用的方案是采用积分检测器，这个在集成电路中应用广泛，而且提供了很好的线性度。这个方案在需要调谐电路时具备优势，并且容易在集成电路实现。所示，信号被分成了两部分，一部分提供了一个90°的相移，原始信号和相移信号立即被送入了混频器，混频器的输出取决于两个信号的相差，电路作用类似一个相位检测器并根据相位的差产生电压输出。FM积分检测电路调制指数和偏离比很多情况下调制指数只是一个值并一般用于别的运算，FM调制指数指的是频率偏离相对调制频率的比例，因此会随着在载波上变化的调制偏离而改变。然而，设计一个系统需要知道最大的调制指数，这个通过在公式中带入最大的值可以得到。边带被调制的信号都会产生边带，在AM调制中很容易计算得到，但在FM调制中就不是那么明朗，因为这不仅于偏离相关，而且与偏离的度有关，比如说，如果调制指数为M，总的频谱通过一个复杂的公式可以得出，得到的是一个无限的离散频谱。公式中，Jn（M）是第一类贝塞尔函数，ωc是载波的频率并等于2nf，ωm是调制信号的频率，Vc是载波的电平。可以看出整个频谱包括载波的频率加上载波两边的无限的边带频谱。相关的边带可以从贝塞尔函数的表格中读出，或者用计算公式得出，图3-10显示出不同的调制指数下边带的变化情况。一个FM信号在不同的调制指数下前10个边带频谱的能量情况。可以总结在低级别的偏离下（既窄带FM），调制信号在载波中频的两边都有边带频谱，频谱看起来跟AM信号查不多，最大的区别是较低边带超过了180°的相位。当调制指数增加，二倍中频的边带频谱就出现了（图3-11），指数继续增加，更高的边带也会出现。同时可以看到随着调制指数的升高带来边带的改变，一些频段能量升高而一些降低。调制信号的频谱随着调制指数变化的情况，可以看出当指数较小时（比如M=0.5），信号频谱表现出一个载波频率和两个边带，当调制指数上升时，边带数量增多而载波频率的能量会下降。带宽很明显我们不能接受一个无限带宽的信号，所以对于低级别的调制指数只会计算头两个边带信号频谱。然而，因为调制指数的增加，更高级别边带会产生，经常需要滤波器对信号进行处理，而且这不能带来不适当的失真。为了达到要求通常需要将带宽设置为最大调制频率加上两倍偏离频率。换句话来说，在VHFFM广播中，如果采用±75kHz的偏离，而最大调制频率为15kHz，带宽就需要(2×75)+15kHz=165kHz，一般采用200kHz，使发射系统具备一个保护频带，且中频可以以100kHz为基础。提高信噪比已经提到FM比AM信号在宽带环境下可以提供更好的信噪比，实际上，偏离越大，信噪比越好。FM相比AM来说，提高的信噪比等于3D2其中，D是最大偏离率，在D值高的情况下非常明显。信号的信噪比，通常的做法是，低电平的高频音频信号会进行相比低频信号更大幅度的放大，然后再进行调制。在接收器，采用相反的处理来得到原始的音频。为了实现这个预增强，信号需要首先通过一个电容电阻（CR）网络，在截止频率点之上的频率，信号每增加8度音阶，电平就增加6dB，类似的，在接收端也进行相应的处理。频移键控许多信号系统采用频移键控（FSK）来无线传输数字信号（图3-12）。图中信号频率有两种，一个代表1（mark），一个代表0（space），通过改变载波频率来传输数字信号。FSK有两种方法可以用来实现用两个频率的信号传递信息。一个很明显的方法是改变载波频率，另一个是所谓的音频频移键控（AFSK），AFSK更好因为对精度有较高要求。第二部分介绍频移键控（PSK）和正交幅度调制（QAM）。