通訊科技：信號魔法師–通訊系統的調變方式
91/09/16
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林維崙｜
中央大學電機工程研究所
鐘嘉德｜
中央大學通訊工程研究所
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。
