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通訊科技:信號魔法師–通訊系統的調變方式

91/09/16 瀏覽次數 14375
早在二十世紀初期,類比式的廣播系統–調幅、調頻,由於傳播的範圍廣闊,逐漸成為人們生活中接收資訊的一種方式。一九四八年,雪農(Claude E. Shannon)發表了《通訊的數學理論》後,隨著時間演進,通訊系統與通訊理論逐漸發展成熟,也因此拓展了資訊傳遞的距離,改變人類生活模式。

直至今日,數位式通訊依照用途不同,有線、無線與通道特性,各式各樣的系統於焉誕生。雖然種類繁多,用途亦有所不同,但是萬變不離其宗,這些系統的使命,即在透過電磁波傳遞訊息。然而如何透過電磁波完成這樣的使命呢?答案就是調變!

通訊系統的架構

對於整個通訊系統而言,輸入的信號可以是類比或數位的,將此信號先經過調變,再送入通道,而通道就是傳送端與接收端間的媒介。若是在有線的環境中,以光纖為例,信號透過發光二極體或雷射將光源射入光纖中,光纖便是通道。通常我們以機率模型模擬信號在通道中受到的干擾或衰減,因此只要知道通道的機率模型,便能以數學的方式模擬或分析信號在通道中的變化。經過通道,接收端將信號解調變,信號的傳遞便完成了。

調變與解調變

調變是將信號轉換為一種適合於通道的波形,解調變則是利用調變後的信號特性,把信號從一團混亂中解析出來。

至於轉換的方式有賴於振幅、相位與頻率等特性。因此,如何轉換信號,並且應用這些特性完成信號的傳輸,就是調變有趣的地方。

調變可區分為:基頻調變與帶通調變兩種。在帶通調變的系統中,將信號提升到一個較高的頻率—載波頻率,以此載波頻率震盪的正旋函數形成電磁波傳播於通道中。換句話說,信號頻率的位準由零轉換到一個較高的位準,若是基頻調變則不需要轉換位準,直接轉換波形即可傳送至通道。

基頻調變比帶通調變要簡單而且直接多了,為何還要使用帶通調變呢?因為許多的應用都要在同一個通道中傳輸,如果每一種應用都把自己的信號直接往通道傳送,所接收到的信號便會混成一團,信號種類越繁多,能夠正確接收信號的機率就越低。所以,我們把各種應用分別提升到規定好的載波頻率上,也就是所謂的頻率分工,達成共享通道的目的。

廣播系統的調變

調幅與調頻是日常生活中最容易接觸到的廣播系統,使用的方式極其簡單,但是如何將聲音傳到我們的收音機?

調幅是廣播系統採用的一種調變方式,屬於類比調變,在無線的環境下,使用的頻段為540K赫茲到1,600K赫茲。調幅廣播波長約在200到600公尺的範圍,屬於中波。除了調幅廣播應用了調幅的調變技術之外,在3M到30M赫茲高頻中的國際短波廣播,甚至比調頻廣播更高頻率的116M到136M赫茲飛航通訊,所使用的調變方式也都是調幅。

調幅就是調變振幅,具振幅變化的特性,屬於帶通調變,我們在使用收音機的時候,把載波頻率提升到540K赫茲至1,600K赫茲之間,調到某電台的動作,就是移動所要接收的載波頻率。

而信號是如何轉換的呢?信號原本是聲音,因此先將聲音轉換為電信號,形成有正有負的信號,調幅要先把信號全部提升為零以上的值,再將頻率提高至載波頻率,就產生了一個調幅的信號。在接收端,解調變只需要將信號通過波封檢測器或者低通濾波器,即可得出解調的信號。

調頻也是廣播系統採用的調變方式,亦屬於類比調變,使用的頻段為88M赫茲到108M赫茲。相較於調幅,調頻的頻段較高,波長較短。調頻在28M赫茲到30M赫茲間的調變方式,也應用在太空、人造衛星通訊方面。

簡單地說,調頻是將信號的強弱轉換成頻率的變化,因此,只需要判斷信號頻率的快慢,就可以解調收到的信號。

還有一種類比式的調變–調相,與調頻的產生方式約略相同,兩者最大的差異為前者信號對應的是相位,惟調相在實際應用上並不多見。

脈波調變

脈波調變信號的波形是長方形的,也就是在傳輸一個脈波的時間內,振幅不隨時間改變。脈波調變可分為類比式與數位式兩類。

脈波調變如同前述的類比式調變,針對振幅、頻率與相位三個特性,分別為脈波振幅調變、脈波寬度調變與脈波位置調變。不同的是,脈波調變可直接使用基頻調變。類比式脈波調變採用一對一的對應方式,先將輸入信號加以取樣,信號的振幅轉換為脈波的振幅、寬度與位置,接收端則依照接收脈波的振幅、寬度與位置解調。在光纖通訊中,脈波位置調變是一種經常採用的調變方法。

脈波符碼調變是數位式脈波調變中的一種調變方式,應用最廣。早期的通信,大部分是採用連續型類比信號來傳輸,但由於電腦及網路的蓬勃發展,以脈波方式直接在電腦中處理資料較為簡單與方便,脈波符碼調變乃應運而生。

脈波符碼調變,須先透過取樣,取得與原信號振幅成正比的脈波,即脈波振幅調變信號,再將此脈波的振幅區分為N個位階,被分到哪個位階就有其對應的位元組合,得到了相對應的位元即可透過纜線傳輸。在接收端,先將接收信號k個位元一組轉換成振幅,再解調回原始類比信號。由於脈波符碼調變信號屬於數位信號,對雜訊的抵抗力高,且可作分時多工的多重通訊,更可透過重覆器,在一段長距離傳輸後重整數位信號。因此,目前長距離電話語音通訊,大都採用脈波符碼調變方式傳輸。

數位調變

如果信號是連續的,譬如說將聲音轉換成的電信號,所採用的調變方式將會是前面兩個大主題所談到的調變方式;如果信號是數位的,也就是0與1的信號,調變方式將會不同於以往。以下我們為讀者介紹一些 數位信號的調變方式,同時討論的「輸入信號」都是數位的信號,也就是各種0與1的對應方式。

開關閘

開關鍵將0對應到0,1對應到Acos(2πfct),其中A是一個預設的振幅,cos(2πfct)是餘弦函數,fc是載波頻率。因此,發射端只需要一個震盪器,與一個開關閘。振幅移鍵的信號沒有完全的利用振幅的特性,使得0與1對應信號的差異不夠大,因此效能表現並不優秀,應用的機會也較少。

頻率移鍵

二位元頻率移鍵將0對應到Acos(2πfct),1對應到Acos(2π(fc+Δf)t),Δf是一段頻率的間隔,不同的接收方式與信號的頻寬都會影響可靠傳輸的最小頻率間隔。如果與振幅移鍵相互比較,假設傳輸的平均能量相等,兩者有相同的效能,但若以波峰能量相等衡量,二位元頻率移鍵有較好的效能。其缺點是頻寬的使用不具效率,效能也沒有突出的表現。

相位移鍵

二位元相位移鍵將0對應到Asin(2πfct+θ),1對應到Asin(2πfct-θ),其中sin(2πfct)是正弦函數,θ是一個預設的相位,當θ為90°與270°時,會有最低的錯誤率,也稱做雙相位移鍵。假設信號在通道中會引入可加性白色高斯雜訊,最佳接收機的設計為經過一個關聯器、對積分於一個符元時間之內的值取樣,再判斷信號的正負,便得出解調的信號。大多在無線通訊系統。

經歷了一個世紀多的演進,人類對於通訊的想望帶動了調變、編碼的深度研究。每當夢想延伸,伴隨而來的便是新的考驗,在克服問題的過程中,許多新的想法、突破,如同雨後春筍般地浮現。這些研究的成果實現了曾經出現在腦海、電影中的幻想,日新月異的通訊系統將更加提升人類生活和工作上的效率。
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