無線通信系統關鍵技術——調制技術研究

張源

北京理工大學信息與電子學院 北京 100081

引言

調制技術對于通信系統來說十分重要，通信系統的性能在一定程度上取決于調制方式的選擇。一般來說，含有直流分量和低頻分量的基帶信號是不能直接用于傳輸的，需要借助載波將原始信號轉換成適合于無線傳輸的無線電波信號，這一過程稱之為調制。

1 模擬調制技術

模擬調制技術分為幅度調制和角度調制，兩種調制方式均以正弦波作為載波進行調制。在幅度調制的過程中，基帶信號和已調信號頻譜之間存在線性關系，稱為線性幅度調制。而在角度調制過程中，基帶信號和已調信號頻譜之間沒有線性對應關系，故稱為非線性角度調制。

1.1 模擬調幅技術

調制過程通過調制器輸入兩個信號，一個是所要傳送的基帶信號，另一個是正弦高頻振蕩電流或電壓，稱為未調載波信號，表示為是載波角頻率。一般認為基帶信號不包含零頻率分量或其平均值為零，即基帶信號m(t)的頻譜所受限制的范圍為是基帶信號中最高頻率分量且輸出端是已調制信號,表示為式中A(t)受m(t)控制。

幅度調制方式簡單，解調電路也較為簡單，但對能量的浪費很大，因此幅度調制主要應用于中、短波無線電廣播系統中。常見的調幅方式有普遍雙邊帶調幅、抑制載波雙邊帶調幅以及單邊帶調幅等[1]。

1.1.1 普通雙邊帶調幅。在普通雙邊帶調幅中，輸入調制信號的特性通過輸出信號的瞬時幅度變化（包絡形狀）表現出來。

如圖1給出了調制信號為單音時輸入、輸出電壓的波形。圖中虛線是輸出信號的瞬時幅度特性，與基帶信號的波形相同，因此稱為不失真調幅。

圖1 單音調制普通雙邊帶調幅輸入、輸出電壓示意圖

對于普通雙邊帶幅度調制，可采用非相干解調（包絡檢波法）和相干解調（同步檢波法）進行解調。

1.1.2 抑制載波雙邊帶調幅。由于載波本身并不含有信息，僅載波的上、下邊帶儲存信息，因此可以不發射完整的載波信號，只發射載波的上、下邊帶。其表達式為

1.1.3 單邊帶調幅。載波所傳遞的信息只在載波的上、下邊帶之中，且上、下邊帶中所蘊含的信息相同，因此可以發射其中一個邊帶達到傳輸調制信號全部信息的目的。如果調制信號是單一正弦波，此時單邊帶幅度調制可表示為

單邊帶調幅方式主要優點有頻帶利用率提高；選擇性衰落引起的信號失真減??；節省功率，在耗用相同功率下，其通信距離大幅增加。但由于單邊帶調幅具有需要收、發端載頻嚴格同步，對技術指標要求高，且產生過程較為復雜，只能采用相干解調法等缺點，所以一發多收的設備不使用單邊帶幅度調制。

1.2 模擬調角技術

角度調制分為調頻和調相兩種方式，是通過基帶信號改變正弦載波的角度（頻率或相位）來實現非線性調制的。

1.2.1 模擬調頻技術。模擬調頻技術是一種以載波的頻率變化來表示模擬信號的調制方式。產生調頻信號的方法通常有兩種：直接法和間接法。解調的過程則是通過對輸入調頻波進行一定波形變換來實現。

1.2.1.1 直接法：利用基帶信號直接控制振蕩電路的振蕩頻率，使頻率按照調制信號的規律線性變化。直接調頻電路主要有變容管直接調頻電路等。

1.2.1.2 間接法：先對調制信號進行積分，再對載波進行相位調制，通過調相間接獲得調頻信號。

1.2.2 模擬調相技術。模擬調相技術是一種以載波的相位變化來表示模擬信息的調制方式。產生調相信號的方法有直接法和間接法。解調過程通過相位檢波器來實現。

直接法就是通過調制信號直接控制載波的相位變化，而間接法是通過調頻技術間接獲得調相信號，先對調制信號微分，再對載波進行頻率調制，從而產生調相信號。

在系統帶寬相同時，調頻系統的性能明顯優于調相系統，因此在模擬通信中采用調頻技術較為廣泛[2]。

2 數字調制技術

數字調制技術是現代通信系統中常用的調制方法，它與模擬調制技術相比有抗干擾性能好，抗信道損耗力強，安全性高等優點。傳輸數字信號時有三種基本的調制方式：幅移鍵控、頻移鍵控和相移鍵控，分別對應于利用載波的幅度、頻率和相位來傳遞數字基帶信號。

2.1 幅移鍵控（ASK）

幅移鍵控是通過正弦載波振蕩信號不同的幅度來表示數字信號的每一特征值，在調制過程中載波信號的頻率和相位不變，可以通過相干法和非相干法進行解調。

調制類型主要有2ASK和MASK。對于2ASK，二進制數字信號1或0通過乘法器和開關電路控制載波的通或斷，在接收端可以根據載波的“通斷”得到調制信號的1和0。對于MASK，每個符號相比于2ASK攜帶更多的信息，從而提高了頻帶的利用率。在信息傳輸速率相同時，多進制信號碼源的持續時間較長，使得信號碼元所具有的能量增加，從而減小因信道特性引起的碼間干擾。但因其抗衰弱、抗噪聲能力差，所以一般只在恒參信道下使用。

2.2 頻移鍵控（FSK）

頻移鍵控是利用基帶數字信號的離散取值控制載波產生不同頻率來傳遞數字信息?？赏ㄟ^相干法和非相干法進行解調。

調制類型有二進制移頻鍵控(2FSK)，多進制移頻鍵控(MFSK)。2FSK利用系統時鐘fs分別產生載波f1和f2。基帶信號高、低電平分別對應載波的不同頻率，最終合成2FSK信號。FSK主要優點是：電路較為簡單，抗噪聲與抗衰減的能力較強。

2.3 相移鍵控（PSK）

相移鍵控是通過載波的不同相位來表示輸入數字信號信息的調制技術?？赏ㄟ^調相法和選擇法產生PSK信號。調制類型分為二進制PSK（2PSK）和多進制 PSK（MPSK）。在相移鍵控中，二進制數字調制信號的0和1分別對應載波相位的0°和180°兩種情況。二進制調制信號通過電平轉換后，變成雙極性不歸零信號，再與載波相乘，即可形成2PSK信號。

相移鍵控有很好的抗干擾性, 在有衰落的信道中也能獲得很好的效果。

隨著通信技術的不斷發展，對于信道的容量和傳輸的距離都有了更高的要求，以上三種數字調制技術由于帶寬的限制和非線性特性的影響已不能滿足人們的需求。由此產生了最小移頻鍵控、高斯濾波最小移頻鍵控、正交幅度調制、正交頻分復用調制等技術，減小了信道寬度對所傳信號的影響和傳輸過程中的非線性特性，以便在有限的帶寬下獲得更高的傳輸速率[3]。

3 正交調制

3.1 正交調制原理

正交信號是將同相支路信號和正交支路信號兩路載波分別調制后一起發射，從而提高頻譜利用率。

圖2 正交調制過程

輸出正交信號為：

當接收機接收到信號后再分別與調制時相同的載波進行合成，通過濾波器濾除高階分量，進行變換后便可以得到對應的I（t）和Q（t），這便是解調的過程。

圖3 正交解調過程

從理論上講,所有的調制信號都可以分為同相支路和正交支路兩路，因此幾乎所有的調制方式都可以通過正交調制法實現。故正交調制技術在通信系統中廣泛應用[4]。

3.2 零中頻收發信機

傳統發射機發射信號時是從基帶到中頻再到射頻，而零中頻發射機的實現模式是從基帶直接到射頻。接收過程與發射過程相反，零中頻接收機變頻過程不經過中頻。零中頻收發信機沒有鏡頻干擾，不需要帶通濾波器，因此零中頻電路結構簡潔，大幅度降低了系統的體積、重量、成本。

圖4 零中頻發射機結構圖

如果I(t)、Q(t)和正交本振信號flo_I(t)、flo_Q(t)的幅度和相位完全平衡且不存在直流偏移，則輸出信號便是一個理想信號。但在實際情況下，因為信號之間存在幅度和相位的不平衡等問題，會產生無用邊帶和本振泄漏。通過IQ校準調整信號系數以及相位來抑制無用邊帶。在電路設計時，I(t)與Q(t)信號傳輸采用交流耦合以便消除直流偏移，可以抑制了本振信號的泄漏。

調制技術在無線通信系統中極為重要，選擇合適的調制方式有利于信息的傳遞。隨著科技的進步，人們對于系統傳輸性能的要求也越來越高，這也要求調制方式不斷發展，以滿足傳輸的需求。相信未來還會有更優的調制方式，在各個通信系統中發揮更好的作用。