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1、移动通信中的调制解调AM 和 FM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，基本的载波如下图所示，这个信号在发射器部分产生，并不带有
2、任何信息，在接收器部分也作为不变的信号出现。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（onoff keying，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，如下图，这个被称为幅度调制（AM）。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
3、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。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。AM 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
4、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。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
5、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。AM 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。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
6、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。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：调制深度不会超过 1，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。如下图，载波信号被调制后，频率会随着信号源电压变化。调制信号频率变化的范围很重要，
7、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3 kHz，那么这个信号就在3 kHz 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
8、 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。基本的积分检测电路如下图示，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。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
9、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，c 是载波的频率并等于 2nf，m 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
10、3-10 显示出不同的调制指数下边带的变化情况。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。FM 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
11、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 VHF FM 广播中，如果采用75 kHz 的偏离，而最大调制频率为 15 kHz，带宽就需要 (2 75) + 15 kHz=165 kHz，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
12、3D2 其中，D 是最大偏离率，在 D 值高的情况下非常明显。如果对音频信号进行预增强就可以更好的增加 FM 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（如下图）。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。有两种方
13、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。相位调制调相相位调制是另一种广泛采用的调制技术，特别是在数据传输的应用中。因为相位和频率。是相辅相成的（频变是相变的一种形式），两种调制方法可以用角度调制（angle modulation）来概括。为了解释调相如何工作，我们首先要对相位做出解释。一个无线信号包涵了一个正弦信号的载波，幅度从正到负程波浪形变化，一个周期后回到零点，这个同样可以由一个围绕一个零点旋转的一个点来表示，如下图所示，相位就是终点到起点的角度。调相改变了信号的相位，换句话来说，
14、图中绕着原点旋转的点的位置会改变，要实现这个效果既是要在短时间内改变信号的频率。所以，当进行相位调制的时候会产生频率的改变，反之亦然。相位和频率是密不可分的，因为相位就是频率的积分，频率调制可以通过简单的 CR 网络转变成相位调制。因此，相位调制与频率调制信号的边带、带宽具有异曲同工的效果，我们必须留意这个关系。相移键控相位调制可以用来传输数据，而相移键控是很常用的。PSK 在带宽利用率上有很多优势，在许多移动电话无线通信的应用中广为采用。最基本的 PSK 方法被称作双相相移键控（BPSK），有时也称作反向相位键控(PRK)。一个数字信号在 1 和 0 之间改变（或表述为 1 和-1），这样形
15、成了相位反转，就是180的相移，如下图。PSK 的一个问题是接收机不能精确的识别传输的信号，来判定是 mark（1）还是space（0），即使发射机和接收机的时钟同步也很难实现，因为传输路径会决定接受信号的精确相位。为了克服这个问题，PSK 系统采用差分模式对载波上的数据进行编码。比如说，信号为 1 的时候改变相位，信号为 0 时不改变相位，在这个基础架构上可以做更多的改进，一些其它的 PSK 方法也被开发了出来。一个方法是信号为 1 时做90的相移，在信号为 0 时做-90相移，这样保留了 0 和 1 之间 180 度的相差。在简单的系统中如果不采用该方式进行传输，在传一个长序列的 0 的时
16、候有可能会失去同步，这是因为产生突发模式时相位没有改变。基于基本的 PSK 会有很多改变，各个方案都有各自的优缺点，让设计人员针对具体的应用采用不同的解决方法。比如说四相相移键控（QPSK)，采用了四个相位，每个相差 90,8-PSK，采用 8 个相位等等。为了方便表述一个 PSK 信号，我们采用相位矢量或者星座图，如图 3-15。采用这个图可以很好的体现相位信息和幅度信息。在这个图里面，信号的相位用角度表示，幅度用具离圆心的距离表示。这样这个信号中的同相分量用 sine 信号表示，而正交分量用 cosine 信号表示。大部分 PSK 系统采用不变的幅度，因此圆心周围的点与圆心距离相等并只改变相对圆心的角度。对于 BPSK 调相，星座图上只有两个点，其它 PSK 调制可能有更多的点在圆周上。当采用测试仪器进行测试时，我们会发现在理想的星座图上的频点会出现错误。错误的原因是调制器、传输过程或者接收器会出现误差，或者系统中引入了噪声。可以想象当真实的测试比理想状态
