无线通信系统关键技术——调制技术研究

张源

北京理工大学信息与电子学院 北京 100081

引言

调制技术对于通信系统来说十分重要，通信系统的性能在一定程度上取决于调制方式的选择。一般来说，含有直流分量和低频分量的基带信号是不能直接用于传输的，需要借助载波将原始信号转换成适合于无线传输的无线电波信号，这一过程称之为调制。

1 模拟调制技术

模拟调制技术分为幅度调制和角度调制，两种调制方式均以正弦波作为载波进行调制。在幅度调制的过程中，基带信号和已调信号频谱之间存在线性关系，称为线性幅度调制。而在角度调制过程中，基带信号和已调信号频谱之间没有线性对应关系，故称为非线性角度调制。

1.1 模拟调幅技术

调制过程通过调制器输入两个信号，一个是所要传送的基带信号，另一个是正弦高频振荡电流或电压，称为未调载波信号，表示为是载波角频率。一般认为基带信号不包含零频率分量或其平均值为零，即基带信号m(t)的频谱所受限制的范围为是基带信号中最高频率分量且输出端是已调制信号,表示为式中A(t)受m(t)控制。

幅度调制方式简单，解调电路也较为简单，但对能量的浪费很大，因此幅度调制主要应用于中、短波无线电广播系统中。常见的调幅方式有普遍双边带调幅、抑制载波双边带调幅以及单边带调幅等[1]。

1.1.1 普通双边带调幅。在普通双边带调幅中，输入调制信号的特性通过输出信号的瞬时幅度变化（包络形状）表现出来。

如图1给出了调制信号为单音时输入、输出电压的波形。图中虚线是输出信号的瞬时幅度特性，与基带信号的波形相同，因此称为不失真调幅。

图1 单音调制普通双边带调幅输入、输出电压示意图

对于普通双边带幅度调制，可采用非相干解调（包络检波法）和相干解调（同步检波法）进行解调。

1.1.2 抑制载波双边带调幅。由于载波本身并不含有信息，仅载波的上、下边带储存信息，因此可以不发射完整的载波信号，只发射载波的上、下边带。其表达式为

1.1.3 单边带调幅。载波所传递的信息只在载波的上、下边带之中，且上、下边带中所蕴含的信息相同，因此可以发射其中一个边带达到传输调制信号全部信息的目的。如果调制信号是单一正弦波，此时单边带幅度调制可表示为

单边带调幅方式主要优点有频带利用率提高；选择性衰落引起的信号失真减小；节省功率，在耗用相同功率下，其通信距离大幅增加。但由于单边带调幅具有需要收、发端载频严格同步，对技术指标要求高，且产生过程较为复杂，只能采用相干解调法等缺点，所以一发多收的设备不使用单边带幅度调制。

1.2 模拟调角技术

角度调制分为调频和调相两种方式，是通过基带信号改变正弦载波的角度（频率或相位）来实现非线性调制的。

1.2.1 模拟调频技术。模拟调频技术是一种以载波的频率变化来表示模拟信号的调制方式。产生调频信号的方法通常有两种：直接法和间接法。解调的过程则是通过对输入调频波进行一定波形变换来实现。

1.2.1.1 直接法：利用基带信号直接控制振荡电路的振荡频率，使频率按照调制信号的规律线性变化。直接调频电路主要有变容管直接调频电路等。

1.2.1.2 间接法：先对调制信号进行积分，再对载波进行相位调制，通过调相间接获得调频信号。

1.2.2 模拟调相技术。模拟调相技术是一种以载波的相位变化来表示模拟信息的调制方式。产生调相信号的方法有直接法和间接法。解调过程通过相位检波器来实现。

直接法就是通过调制信号直接控制载波的相位变化，而间接法是通过调频技术间接获得调相信号，先对调制信号微分，再对载波进行频率调制，从而产生调相信号。

在系统带宽相同时，调频系统的性能明显优于调相系统，因此在模拟通信中采用调频技术较为广泛[2]。

2 数字调制技术

数字调制技术是现代通信系统中常用的调制方法，它与模拟调制技术相比有抗干扰性能好，抗信道损耗力强，安全性高等优点。传输数字信号时有三种基本的调制方式：幅移键控、频移键控和相移键控，分别对应于利用载波的幅度、频率和相位来传递数字基带信号。

2.1 幅移键控（ASK）

幅移键控是通过正弦载波振荡信号不同的幅度来表示数字信号的每一特征值，在调制过程中载波信号的频率和相位不变，可以通过相干法和非相干法进行解调。

调制类型主要有2ASK和MASK。对于2ASK，二进制数字信号1或0通过乘法器和开关电路控制载波的通或断，在接收端可以根据载波的“通断”得到调制信号的1和0。对于MASK，每个符号相比于2ASK携带更多的信息，从而提高了频带的利用率。在信息传输速率相同时，多进制信号码源的持续时间较长，使得信号码元所具有的能量增加，从而减小因信道特性引起的码间干扰。但因其抗衰弱、抗噪声能力差，所以一般只在恒参信道下使用。

2.2 频移键控（FSK）

频移键控是利用基带数字信号的离散取值控制载波产生不同频率来传递数字信息。可通过相干法和非相干法进行解调。

调制类型有二进制移频键控(2FSK)，多进制移频键控(MFSK)。2FSK利用系统时钟fs分别产生载波f1和f2。基带信号高、低电平分别对应载波的不同频率，最终合成2FSK信号。FSK主要优点是：电路较为简单，抗噪声与抗衰减的能力较强。

2.3 相移键控（PSK）

相移键控是通过载波的不同相位来表示输入数字信号信息的调制技术。可通过调相法和选择法产生PSK信号。调制类型分为二进制PSK（2PSK）和多进制 PSK（MPSK）。在相移键控中，二进制数字调制信号的0和1分别对应载波相位的0°和180°两种情况。二进制调制信号通过电平转换后，变成双极性不归零信号，再与载波相乘，即可形成2PSK信号。

相移键控有很好的抗干扰性, 在有衰落的信道中也能获得很好的效果。

随着通信技术的不断发展，对于信道的容量和传输的距离都有了更高的要求，以上三种数字调制技术由于带宽的限制和非线性特性的影响已不能满足人们的需求。由此产生了最小移频键控、高斯滤波最小移频键控、正交幅度调制、正交频分复用调制等技术，减小了信道宽度对所传信号的影响和传输过程中的非线性特性，以便在有限的带宽下获得更高的传输速率[3]。

3 正交调制

3.1 正交调制原理

正交信号是将同相支路信号和正交支路信号两路载波分别调制后一起发射，从而提高频谱利用率。

图2 正交调制过程

输出正交信号为：

当接收机接收到信号后再分别与调制时相同的载波进行合成，通过滤波器滤除高阶分量，进行变换后便可以得到对应的I（t）和Q（t），这便是解调的过程。

图3 正交解调过程

从理论上讲,所有的调制信号都可以分为同相支路和正交支路两路，因此几乎所有的调制方式都可以通过正交调制法实现。故正交调制技术在通信系统中广泛应用[4]。

3.2 零中频收发信机

传统发射机发射信号时是从基带到中频再到射频，而零中频发射机的实现模式是从基带直接到射频。接收过程与发射过程相反，零中频接收机变频过程不经过中频。零中频收发信机没有镜频干扰，不需要带通滤波器，因此零中频电路结构简洁，大幅度降低了系统的体积、重量、成本。

图4 零中频发射机结构图

如果I(t)、Q(t)和正交本振信号flo_I(t)、flo_Q(t)的幅度和相位完全平衡且不存在直流偏移，则输出信号便是一个理想信号。但在实际情况下，因为信号之间存在幅度和相位的不平衡等问题，会产生无用边带和本振泄漏。通过IQ校准调整信号系数以及相位来抑制无用边带。在电路设计时，I(t)与Q(t)信号传输采用交流耦合以便消除直流偏移，可以抑制了本振信号的泄漏。

调制技术在无线通信系统中极为重要，选择合适的调制方式有利于信息的传递。随着科技的进步，人们对于系统传输性能的要求也越来越高，这也要求调制方式不断发展，以满足传输的需求。相信未来还会有更优的调制方式，在各个通信系统中发挥更好的作用。