調製

調製（modulation）就是對信號源的信息進行處理加到載波上，使其變為適合於通道傳輸的形式的過程，就是使載波隨信號而改變的技術。一般來說，信號源的信息（也稱為信源）含有直流分量和頻率較低的頻率分量，稱為基帶信號。基帶信號往往不能作為傳輸信號，因此必須把基帶信號轉變為一個相對基帶頻率而言頻率非常高的信號以適合於通道傳輸。這個信號叫做已調信號，而基帶信號叫做調製信號。調製是通過改變高頻載波即消息的載體信號的幅度、相位或者頻率，使其隨著基帶信號幅度的變化而變化來實現的。而解調則是將基帶信號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。

調製的種類很多，分類方法也不一致。按調製信號的形式可分為模擬調製和數字調製。用模擬信號調製稱為模擬調製；用數據或數字信號調製稱為數字調製。按被調信號的種類可分為脈衝調製、正弦波調製和強度調製（如對非相干光調製）等。調製的載波分別是脈衝，正弦波和光波等。正弦波調製有幅度調製、頻率調製和相位調製三種基本方式，后兩者合稱為角度調製。此外還有一些變異的調製，如單邊帶調幅、殘留邊帶調幅等。脈衝調製也可以按類似的方法分類。此外還有複合調製和多重調製等。不同的調製方式有不同的特點和性能。

正弦載波幅度隨調製信號而變化的調製，簡稱調幅（AM）。數字幅度調製也叫作幅度鍵控（ASK）。調幅的技術和設備比較簡單，頻譜較窄，但抗干擾性能差，廣泛應用於長中短波廣播、小型無線電話、電報等電子設備中。

早期的無線電報機採用火花式放電器產生高頻振蕩。傳號時火花式發報機發射高頻振蕩波，空號時發報機沒有輸出。這種電報信號的載波不是純正弦波，它含有很多諧波分量，會對其他信號產生嚴重干擾。

理想的模擬正弦波調幅是：載波幅度與調製信號瞬時值ua(t）成線性關係，但載頻fC=ωC/2π和相位ψ保持不變。單頻調製 時，調幅信號uA(t）可用下式表示：uA(t)=UC（1+macosΩt)cos(ωCt+ψ）　（1）

式中UC是載波幅度；Ω=2πF，是調製信號的角頻率，其中F是調製信號頻率；ma是一個和調製信號幅度Ua成比例的常數，叫作調幅係數，數值應在0～1之間。圖1a、圖b、圖c分別是單頻調製信號ua(t）、載波信號uc(t）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。調幅係數ma不能大於1，否則包絡線和調製信號不能保持線性關係，會產生失真。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。后兩個頻率分量位於載頻fC的兩邊，分別叫作上邊頻和下邊頻（圖2c）。這種已調製信號有時叫作標準調幅波。如果調製信號佔有一個頻帶，最高頻率為Fmax，則標準調幅波的頻譜寬度BWA=2Fmax，位於載頻fC兩邊的頻帶分別稱為 上邊帶和下邊帶。調幅波的載頻分量與調製信號無關，但邊帶分量隨調製信號變化。這意味著所欲傳送的消息都包含在邊帶之中，只用一個邊帶信號就能夠傳送全部消息。把載波去掉的調幅信號，叫做抑制載波調幅；把載波和某一個邊帶一起抑制掉，只剩下一個邊帶的調幅信號，叫做單邊帶調幅（SSB）。單邊帶調幅節省功率，抗干擾性能較好，而且節省頻帶，但設備比較複雜（見單邊帶調製）。

正弦載波的瞬時頻率隨調製信號的瞬時值而變化的調製，簡稱調頻（FM）。數字頻率調製也稱移頻鍵控（FSK）。

調頻是1933年E.H.阿姆斯特朗發明的。這種調製具有良好的抗干擾性能，廣泛用於高質量廣播、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與調製信號瞬時值ua(t）成線性關係，而幅度UC不變。單頻調製時，瞬時角頻率ω的表示式是

ω =ωC+墹ω cosΩt　（2）

式中墹ω=kf Ua，是一個和調製信號幅度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φ0是載波的初始相位；墹ω/Ω=mf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，這種情況叫作寬頻調頻。

正弦波調頻后也產生新的頻率分量，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於F。通常把幅度小於載波原來幅度 1/100的邊頻分量忽略不計，有效邊頻分量所佔據的頻帶為調頻波的帶寬。

圖4是單頻調製時調頻波的頻譜。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，調製信號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隨調製信號頻率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，但由於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

BWf≈2(mf+1）F （4）

式中F=Ω/2π，是調製信號的頻率。當mf較大時，調頻波的帶寬約等於最大頻偏墹f的兩倍。

寬頻調頻具有較強的抗干擾性能。1933年阿姆斯特朗證明：當輸入信噪比Si/Ni較大時，調頻接收機的輸出信噪比SO/NO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，調頻接收機的內部雜訊Ni增加，Si/Ni減小；當Si/Ni降低到某一閾值時，SO/NO反而急劇變壞。圖6是調頻接收機輸出信噪比SO/NO與輸入信噪比Si/Ni的關係曲線，在曲線拐點左邊，調頻的抗干擾性能比調幅還差。利用預加重和反饋調頻接收的方法可以使SO/NO得到改善。

正弦載波的瞬時相位隨調製信號而變化的調製，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uφ（t）的表示式是

uφ（t)=UCcos（ωCt+墹φcosΩt+φ0） （5）

式中墹φ為載波相位隨調製信號而變化的最大相移，稱調相指數。它與調製信號幅Ua成正比，但與調製角頻率Ω無關。這是調相和調頻的區別。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隨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干擾性能，而且頻帶窄，是一種比較理想的調製方式，在各種數據傳輸和數字通信系統中得到廣泛應用。

受調波為脈衝序列的調製。脈衝調製可分為脈衝調幅（PAM）、脈衝調相（PPM）、脈衝調寬(PWM）等方式。圖7是一些脈衝調製信號的波形。通常 把模擬-數字信號轉換也看做是脈衝調製，這種調製有脈碼調製（PCM）、差值脈碼調製（DPCM）、增量調製（墹M）等。脈衝調幅實質上就是信號採樣。常用於模-數轉換電路、信號轉換電路和各種電子儀器（如採樣示波器等）。

脈衝調製信號的頻譜較寬，但除了脈衝調幅之外，都具有較好的抗干擾性能，特別是脈碼調製的性能最好，是一種理想的調製方法。數字電話、遙測、遙控以及迅速發展的綜合通信網，大多採用這種調製。

調製在電子學中是非常重要的。引人注目的發展動向是：①由於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製技術；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製方式；③在相干光通信和光碟存儲設備方面，光相位調製、頻率調製和偏振調製等的研究也是重要的研究課題。

調製在通信系統中有十分重要的作用。通過調製，不僅可以進行頻譜搬移，把調製信號的頻譜搬移到所希望的位置上，從而將調製信號轉換成適合於傳播的已調信號，而且它對系統的傳輸有效性和傳輸的可靠性有著很大的影響，調製方式往往決定了一個通信系統的性能。

在通信中，我們常常採用的調製方式有以下幾種：

（一）模擬調製：用連續變化的信號去調製一個高頻正弦波

主要有：1.幅度調製（調幅AM，雙邊帶調製DSBSC，單邊帶調幅SSBSC，殘留邊帶調製VSB以及獨立邊帶ISB）；

2.角度調製（調頻FM，調相PM）兩種。因為相位的變化率就是頻率，所以調相波和調頻波是密切相關的；

（二）數字調製：用數字信號對正弦或餘弦高頻振蕩進行調製

主要有：1.振幅鍵控ASK；

2.頻率鍵控FSK；

3.相位鍵控PSK；

（三）脈衝調製：用脈衝序列作為載波

主要有：1.脈衝幅度調製（PAM：Pulse Amplitude Modulation）；

2.脈寬調製（PDM：Pulse Duration Modulation）；

3.脈位調製（PPM：Pulse Position Modulation）；

4.脈衝編碼調製（PCM：Pulse Code Modulation) ；

隨著通信業務量的增加，頻譜資源日趨緊張，為了提高系統的容量，通道間隔已由最初的100kHz減少到25kHz，並將進一步減少到12.5kHz，甚至更小，由於數字通信具有建網靈活，容易採用數字差錯控制技術和數字加密，便於集成化，並能夠進入ISDN網，所以通信系統都在由模擬制式向數字制式過渡。

因此系統中必須採用數字調製技術，然而一般的數字調製技術，如ASK、PSK和FSK因傳輸效率低而無法滿足移動通信的要求，為此，需要專門研究一些抗干擾性強、誤碼性能好、頻譜利用率高的數字調製技術，儘可能地提高單位頻譜內傳輸數據的比特率，以適用於移動通信窄帶數據傳輸的要求。如

最小頻移鍵控（MSK－Minimum Shift Keying）；

高斯濾波最小頻移鍵控（GMSK－Gaussian Filtered Minimum Shift Keying）；

四相相移鍵控（QPSK－Quadrature Reference Phase Shift Keying）；

交錯正交四相相移鍵控（OQPSK－Offset Quadrature Reference Phase Shift Keying）；

四相相對相移鍵控（DQPSK－Differential Quadrature Reference Phase Shift Keying）；

π/4正交相移鍵控（π/4－DQPSK－Differential Quadrature Reference Phase Shift Keying）；

已在數字蜂窩移動通信系統中得到廣泛應用。