調制:通信系統的重要基礎-中文百科頻道

釋義

基本解釋

為了傳送信息（如在電報、電話、無線電廣播或電視中）而對周期性或斷續變化的載波或信号的某種特征（如振幅、頻率或相位）所作的變更頻率調制相門調制。

詳細解釋

調配制造。如：根據醫生的處方調制藥丸。

調查編制。梁啟超《國會開會期與會計度開始期》：“而各部大臣之調制概算書，必須在四月以前。”章裕昆《文學社武昌首義紀實·文學社與共進會之聯合會議》：“軍事籌備員則調制武昌街道圖，預定分布隊伍及首事一切方略。”

概念

調制（modulation）就是對信号源的信息進行處理加到載波上，使其變為适合于信道傳輸的形式的過程，就是使載波随信号而改變的技術。一般來說，信号源的信息（也稱為信源）含有直流分量和頻率較低的頻率分量，稱為基帶信号。基帶信号往往不能作為傳輸信号，因此必須把基帶信号轉變為一個相對基帶頻率而言頻率非常高的信号以适合于信道傳輸。這個信号叫做已調信号，而基帶信号叫做調制信号。調制是通過改變高頻載波即消息的載體信号的幅度、相位或者頻率，使其随着基帶信号幅度的變化而變化來實現的。而解調則是将基帶信号從載波中提取出來以便預定的接收者（也稱為信宿）處理和理解的過程。

種類

調制的種類很多，分類方法也不一緻。按調制信号的形式可分為模拟調制和數字調制。用模拟信号調制稱為模拟調制；用數據或數字信号調制稱為數字調制。按被調信号的種類可分為脈沖調制、正弦波調制和強度調制（如對非相幹光調制）等。調制的載波分别是脈沖，正弦波和光波等。正弦波調制有幅度調制、頻率調制和相位調制三種基本方式，後兩者合稱為角度調制。此外還有一些變異的調制，如單邊帶調幅、殘留邊帶調幅等。脈沖調制也可以按類似的方法分類。此外還有複合調制和多重調制等。不同的調制方式有不同的特點和性能。

正弦波頻率調制

正弦載波幅度随調制信号而變化的調制，簡稱調幅（AM）。數字幅度調制也叫作幅度鍵控（ASK）。調幅的技術和設備比較簡單，頻譜較窄，但抗幹擾性能差，廣泛應用于長中短波廣播、小型無線電話、電報等電子設備中。

早期的無線電報機采用火花式放電器産生高頻振蕩。傳号時火花式發報機發射高頻振蕩波，空号時發報機沒有輸出。這種電報信号的載波不是純正弦波，它含有很多諧波分量，會對其他信号産生嚴重幹擾。

理想的模拟正弦波調幅是：載波幅度與調制信号瞬時值，成線性關系，但載頻和相位ψ保持不變。單頻調制時，調幅信号可用下式表示：

式中UC是載波幅度；，是調制信号的角頻率，其中F是調制信号頻率；ma是一個和調制信号幅度Ua成比例的常數，叫作調幅系數，數值應在0～1之間。圖1a、圖b、圖c分别是單頻調制信号ua(t）、載波信号uc(t）和調幅波的波形。調幅波的瞬時幅度變化曲線叫作包絡線。調幅系數ma不能大于1，否則包絡線和調制信号不能保持線性關系，會産生失真。這種情況叫做過調幅。

式（1）的調幅波不是單一的簡諧波，它包含fC、和三個頻率分量。後兩個頻率分量位于載頻fC的兩邊，分别叫作上邊頻和下邊頻。這種已調制信号有時叫作标準調幅波。如果調制信号占有一個頻帶，最高頻率為Fmax，則标準調幅波的頻譜寬度，位于載頻fC兩邊的頻帶分别稱為上邊帶和下邊帶。調幅波的載頻分量與調制信号無關，但邊帶分量随調制信号變化。這意味着所欲傳送的消息都包含在邊帶之中，隻用一個邊帶信号就能夠傳送全部消息。把載波去掉的調幅信号，叫做抑制載波調幅；把載波和某一個邊帶一起抑制掉，隻剩下一個邊帶的調幅信号，叫做單邊帶調幅（SSB）。單邊帶調幅節省功率，抗幹擾性能較好，而且節省頻帶，但設備比較複雜（見單邊帶調制）。

正弦波幅度調制

正弦載波幅度随調制信号而變化的調制，簡稱調幅(AM)。數字幅度調制也叫作幅度鍵控(ASK)。調幅的技術和設備比較簡單,頻譜較窄，但抗幹擾性能差，廣泛應用于長中短波廣播、小型無線電話、電報等電子設備中。

理想的模拟正弦波調幅是：載波幅度與調制信号瞬時值

成線性關系，但載頻和相位ψ保持不變。單頻調制時，調幅信号uA(t）可用下式表示：

（1）

式中UC是載波幅度；，是調制信号的角頻率，其中F是調制信号頻率；ma是一個和調制信号幅度成比例的常數，叫作調幅系數，數值應在0～1之間。圖1a、圖b、圖c分别是單頻調制信号、載波信号和調幅波ua(t）的波形。調幅波的瞬時幅度變化曲線叫作包絡線。調幅系數ma不能大于1,否則包絡線和調制信号不能保持線性關系，會産生失真。這種情況叫做過調幅。式(1)的調幅波不是單一的簡諧波,它包含fC、fC+F和fC-F三個頻率分量。後兩個頻率分量位于載頻fC的兩邊，分别叫作上邊頻和下邊頻(圖2c)。這種已調制信号有時叫作标準調幅波。如果調制信号占有一個頻帶,最高頻率為F,則标準調幅波的頻譜寬度BWA=2F,位于載頻fC兩邊的頻帶分别稱為上邊帶和下邊帶。調幅波的載頻分量與調制信号無關，但邊帶分量随調制信号變化。這意味着所欲傳送的消息都包含在邊帶之中，隻用一個邊帶信号就能夠傳送全部消息。把載波去掉的調幅信号，叫做抑制載波調幅；把載波和某一個邊帶一起抑制掉，隻剩下一個邊帶的調幅信号，叫做單邊帶調幅(SSB)。單邊帶調幅節省功率,抗幹擾性能較好，而且節省頻帶，但設備比較複雜（見單邊帶調制）。

正弦波頻率調制

正弦載波的瞬時頻率随調制信号的瞬時值而變化的調制，簡稱調頻（FM）。數字頻率調制也稱移頻鍵控（FSK）。

調頻是1933年E.H.阿姆斯特朗發明的。這種調制具有良好的抗幹擾性能，廣泛用于高質量廣播、電視伴音、多路通信和掃頻儀等電子設備中。

理想的調頻是：載波的瞬時角頻率ω與調制信号瞬時值ua(t）成線性關系，而幅度UC不變。單頻調制時，瞬時角頻率ω的表示式是

（2）

式中墹，是一個和調制信号幅度Ua成正比的常數，稱為最大角頻率偏移。圖3是調頻波的波形。調頻波的表示式是

（3）式中是載波的初始相位；墹f稱調頻指數，它可以是任何正數。mf很大時，調頻波的頻譜很寬，這種情況叫作寬帶調頻。

正弦波調頻後也産生新的頻率分量，這些分量和調頻指數mf有關。在理論上單頻調頻時調頻波具有無窮多個邊頻分量，相鄰兩邊頻的距離等于F。通常把幅度小于載波原來幅度的邊頻分量忽略不計，有效邊頻分量所占據的頻帶為調頻波的帶寬。

圖4是單頻調制時調頻波的頻譜。mf很小時，載頻分量較大，邊頻幅度很小；mf增大時，載頻幅度減小，邊頻幅度增大，幅度大的邊頻數也增多；mf繼續增加時，載頻和各邊頻的幅度交替增減，這些頻率分量的幅度是以mf為宗數的各階貝塞爾函數。

在實用中，調制信号ua(t）的最大值通常保持不變，因此最大頻移墹f也不變。這時mf随調制信号頻率F而減小。圖5是墹f為定值時調頻波的頻譜。F小時，相鄰各頻率分量的距離較小，但由于mf較大，有效的邊頻分量較多；F較大時，各邊頻的距離增大，但mf卻減小，有效的頻率分量也較少。因此調頻波的頻譜寬度大體上保持不變。這是調頻波的特點。它的頻譜寬度BWf可以用下面的經驗公式來計算

（4）

式中，是調制信号的頻率。當mf較大時，調頻波的帶寬約等于最大頻偏墹f的兩倍。

寬帶調頻具有較強的抗幹擾性能。1933年阿姆斯特朗證明：當輸入信噪比較大時，調頻接收機的輸出信噪比與最大頻移墹f的平方成正比；增加調頻波的帶寬可以改善通信系統的質量。不過這種改善是有限度的，因為帶寬過大時，調頻接收機的内部噪聲Ni增加，減小；當降低到某一阈值時，反而急劇變壞。圖6是調頻接收機輸出信噪比與輸入信噪比的關系曲線，在曲線拐點左邊，調頻的抗幹擾性能比調幅還差。利用預加重和反饋調頻接收的方法可以使得到改善。

正弦波相位調制

正弦載波的瞬時相位随調制信号而變化的調制，簡稱調相(PM)。數字調相也稱移相鍵控(PSK)。

單頻調相時，理想調相波的表示式是uφ（t)=UCcos（ωCt+墹φcosΩt+φ0）（5）式中墹φ為載波相位随調制信号而變化的最大相移，稱調相指數。它與調制信号幅成正比,但與調制角頻率Ω無關。這是調相和調頻的區别。調相波的頻譜與調頻波相似，但是當墹φ為定值時，其頻譜寬度BWφ随Ω而變化，Ω大時頻譜寬，Ω小時頻譜窄。因此頻帶不能充分利用。數字調相具有優越的抗幹擾性能，而且頻帶窄，是一種比較理想的調制方式，在各種數據傳輸和數字通信系統中得到廣泛應用。

脈沖調制

受調波為脈沖序列的調制。脈沖調制可分為脈沖調幅（PAM）、脈沖調相（PPM）、脈沖調寬(PWM）等方式。圖7是一些脈沖調制信号的波形。通常把模拟-數字信号轉換也看做是脈沖調制，這種調制有脈碼調制（PCM）、差值脈碼調制（DPCM）、增量調制（墹M）等。脈沖調幅實質上就是信号采樣。常用于模-數轉換電路、信号轉換電路和各種電子儀器（如采樣示波器等）。

脈沖調制信号的頻譜較寬，但除了脈沖調幅之外，都具有較好的抗幹擾性能，特别是脈碼調制的性能最好，是一種理想的調制方法。數字電話、遙測、遙控以及迅速發展的綜合通信網，大多采用這種調制。

展望

調制在電子學中是非常重要的。引人注目的發展動向是：1、由于數字業務的不斷增加，數字通信系統的容量需要不斷擴充，這就必須發展超高速率的數字調制技術；2、為了充分利用無線電頻譜資源，要求進一步研究頻譜效率高的和誤碼率低的調制方式；3、在相幹光通信和光盤存儲設備方面，光相位調制、頻率調制和偏振調制等的研究也是重要的研究課題。