什么是调制?

[拼音]：tiaozhi

[外文]：modulation

使消息载体的某些特性随消息变化的过程。调制的作用是把消息置入消息载体，便于传输或处理。调制是各种通信系统的重要基础，也广泛用于广播、电视、雷达、测量仪等电子设备。在通信系统中为了适应不同的信道情况（如数字信道或模拟信道、单路信道或多路信道等），常常要在发信端对原始信号进行调制，得到便于信道传输的信号，然后在收信端完成调制的逆过程──解调，还原出原始信号。

用来传送消息的信号uC(t)叫作载波或受调信号，代表所欲传送消息的信号


叫作调制信号，调制后的信号 u(t)叫作已调信号。用调制信号


控制载波的某些参数，使之随


而变化，就可实现调制。

受调信号可以是正弦波或脉冲波，所欲传送的消息可以是话音、图像或其他物理量，也可以是数据、电报和编码等信号。前者是模拟信号，后者是数字信号。

调制是一种非线性过程。载波被调制后产生新的频率分量，通常它们分布在载频fC的两边，占有一定的频带，分别叫做上边带和下边带。这些新频率分量与调制信号有关，是携带着消息的有用信号。调制的目的是实现频谱搬移，即把欲传送消息的频谱，变换到载波附近的频带，使消息更便于传输或处理。

调制的主要性能指标是频谱宽度和抗干扰性。这是一对矛盾。调制方式不同，这些指标也不一样。一般说，调制频谱越宽，抗干扰性能越好；反之，抗干扰性能较差。调制的另一重要性能指标是调制失真。总的说来，数字调制比模拟调制具有较强的抗调制失真的能力。

调制的种类很多，分类方法也不一致。按调制信号的形式可分为模拟调制和数字调制。用模拟信号调制称为模拟调制；用数据或数字信号调制称为数字调制。按被调信号的种类可分为脉冲调制、正弦波调制和强度调制(如对非相干光调制)等。调制的载波分别是脉冲，正弦波和光波等。正弦波调制有幅度调制、频率调制和相位调制三种基本方式，后两者合称为角度调制。此外还有一些变异的调制，如单边带调幅、残留边带调幅等。脉冲调制也可以按类似的方法分类。此外还有复合调制和多重调制等。不同的调制方式有不同的特点和性能。

正弦载波幅度随调制信号而变化的调制，简称调幅(AM)。数字幅度调制也叫作幅度键控(ASK)。调幅的技术和设备比较简单，频谱较窄，但抗干扰性能差，广泛应用于长中短波广播、小型无线电话、电报等电子设备中。

早期的无线电报机采用火花式放电器产生高频振荡。传号时火花式发报机发射高频振荡波，空号时发报机没有输出。这种电报信号的载波不是纯正弦波，它含有很多谐波分量，会对其他信号产生严重干扰。

理想的模拟正弦波调幅是：载波幅度与调制信号瞬时值


成线性关系，但载频fC=ωC/2π和相位ψ保持不变。单频调制时，调幅信号uA(t)可用下式表示：

uA(t)=UC(1+macosΩt)cos(ωCt+ψ) (1)

式中UC是载波幅度；Ω=2πF，是调制信号的角频率，其中F是调制信号频率；ma是一个和调制信号幅度


成比例的常数，叫作调幅系数，数值应在0～1之间。图1a、图b、图c分别是单频调制信号


、载波信号


和调幅波 uA(t)的波形。调幅波的瞬时幅度变化曲线叫作包络线。调幅系数ma不能大于1，否则包络线和调制信号不能保持线性关系，会产生失真。这种情况叫做过调幅。

式(1)的调幅波不是单一的简谐波，它包含fC、fC+F和fC-F三个频率分量。后两个频率分量位于载频fC的两边，分别叫作上边频和下边频(图2c)。这种已调制信号有时叫作标准调幅波。如果调制信号占有一个频带，最高频率为F


，则标准调幅波的频谱宽度BWA=2F


，位于载频fC两边的频带分别称为上边带和下边带。调幅波的载频分量与调制信号无关，但边带分量随调制信号变化。这意味着所欲传送的消息都包含在边带之中，只用一个边带信号就能够传送全部消息。把载波去掉的调幅信号，叫做抑制载波调幅；把载波和某一个边带一起抑制掉，只剩下一个边带的调幅信号，叫做单边带调幅(SSB)。单边带调幅节省功率，抗干扰性能较好，而且节省频带，但设备比较复杂（见单边带调制）。

正弦载波的瞬时频率随调制信号的瞬时值而变化的调制，简称调频(FM)。数字频率调制也称移频键控(FSK)。

调频是1933年E.H.阿姆斯特朗发明的。这种调制具有良好的抗干扰性能，广泛用于高质量广播、电视伴音、多路通信和扫频仪等电子设备中。

理想的调频是：载波的瞬时角频率ω 与调制信号瞬时值


成线性关系，而幅度UC不变。单频调制时，瞬时角频率ω 的表示式是ω =ωC＋墹ω cosΩt (2)

式中墹ω =kf


，是一个和调制信号幅度


成正比的常数，称为最大角频率偏移。图3是调频波的波形。调频波的表示式是

(3)

式中φ0是载波的初始相位；墹ω/Ω=mf称调频指数，它可以是任何正数。mf很大时，调频波的频谱很宽，这种情况叫作宽带调频。

正弦波调频后也产生新的频率分量，这些分量和调频指数mf有关。在理论上单频调频时调频波具有无穷多个边频分量，相邻两边频的距离等于F。通常把幅度小于载波原来幅度 1/100的边频分量忽略不计，有效边频分量所占据的频带为调频波的带宽。

图4是单频调制时调频波的频谱。mf很小时，载频分量较大，边频幅度很小;mf增大时，载频幅度减小，边频幅度增大，幅度大的边频数也增多；mf继续增加时，载频和各边频的幅度交替增减，这些频率分量的幅度是以mf为宗数的各阶贝塞尔函数。

在实用中，调制信号


的最大值通常保持不变，因此最大频移墹f也不变。这时mf随调制信号频率F而减小。图5是墹f为定值时调频波的频谱。F小时，相邻各频率分量的距离较小，但由于mf较大，有效的边频分量较多；F较大时，各边频的距离增大，但mf却减小，有效的频率分量也较少。因此调频波的频谱宽度大体上保持不变。这是调频波的特点。它的频谱宽度BWf可以用下面的经验公式来计算BWf≈2(mf+1)F (4)

式中F=Ω/2π，是调制信号的频率。当mf较大时，调频波的带宽约等于最大频偏墹f 的两倍。

宽带调频具有较强的抗干扰性能。1933年阿姆斯特朗证明:当输入信噪比Si/Ni较大时，调频接收机的输出信噪比SO/NO与最大频移墹f的平方成正比；增加调频波的带宽可以改善通信系统的质量。不过这种改善是有限度的，因为带宽过大时，调频接收机的内部噪声Ni增加，Si/Ni减小;当Si/Ni降低到某一阈值时，SO/NO反而急剧变坏。图6是调频接收机输出信噪比SO/NO与输入信噪比Si/Ni的关系曲线，在曲线拐点左边，调频的抗干扰性能比调幅还差。利用预加重和反馈调频接收的方法可以使SO/NO得到改善。

正弦载波的瞬时相位随调制信号而变化的调制，简称调相(PM)。数字调相也称移相键控(PSK)。

单频调相时，理想调相波uφ(t)的表示式是uφ(t)=UCcos(ωCt+墹φcosΩt+φ0) (5)式中墹φ为载波相位随调制信号而变化的最大相移，称调相指数。它与调制信号幅


成正比，但与调制角频率Ω无关。这是调相和调频的区别。调相波的频谱与调频波相似，但是当墹φ为定值时，其频谱宽度BWφ随Ω而变化，Ω大时频谱宽，Ω小时频谱窄。因此频带不能充分利用。数字调相具有优越的抗干扰性能，而且频带窄，是一种比较理想的调制方式，在各种数据传输和数字通信系统中得到广泛应用。

受调波为脉冲序列的调制。脉冲调制可分为脉冲调幅(PAM)、脉冲调相(PPM)、脉冲调宽 (PWM)等方式。图7是一些脉冲调制信号的波形。通常把模拟-数字信号转换也看做是脉冲调制，这种调制有脉码调制(PCM)、差值脉码调制(DPCM)、增量调制(墹M)等。脉冲调幅实质上就是信号采样。常用于模-数转换电路、信号转换电路和各种电子仪器(如采样示波器等)。

脉冲调制信号的频谱较宽，但除了脉冲调幅之外，都具有较好的抗干扰性能，特别是脉码调制的性能最好，是一种理想的调制方法。数字电话、遥测、遥控以及迅速发展的综合通信网，大多采用这种调制。

调制在电子学中是非常重要的。引人注目的发展动向是：

（1）由于数字业务的不断增加，数字通信系统的容量需要不断扩充，这就必须发展超高速率的数字调制技术；

（2）为了充分利用无线电频谱资源，要求进一步研究频谱效率高的和误码率低的调制方式；

（3）在相干光通信和光盘存储设备方面，光相位调制、频率调制和偏振调制等的研究也是重要的研究课题。

参考书目

常迵：《无线电信号与线路原理》中册，高等教育出版社，北京，1965。清华大学通信教研组：《高频电路》下册，人民邮电出版社，北京，1980。P.F.Panter，Modulation，Noise and Spectral Ana-lysis，McGraw-Hill，New York，1965.

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