無線電通訊中,單邊帶調制SSB)或單邊帶抑制載波SSB-SC),是一種可以更加有效的利用電能帶寬調幅技術。調幅技術輸出的調制訊號帶寬為源訊號的兩倍。單邊帶調制技術可以避免帶寬翻倍,同時避免將能量浪費在載波上,不過因為設備變得複雜,成本也會增加。

調幅和單邊帶訊號頻譜示意圖。相比於基帶,下邊帶(LSB)頻譜是反相的。舉例來說,一個2 kHz的音訊基帶訊號調制到一個5 MHz的載波上,如果是上邊帶(USB)的話會產生5.002 MHz的頻率,下邊帶就會是4.998 MHz。
調制方式
連續調制
調幅調頻調相
類比AM
SSB · DSB
FMPM
數位ASK
OOK · QAM
FSK
MSK · GFSK
PSK
CPM
其他SM英語Space modulation (模擬)
脈衝調制
類比PAM · PDM · PPM
數位PCM · PWM
展頻
CSS英語Chirp spread spectrum · DSSS · THSS英語Time-hopping · FHSS
另見
調制 · 線路碼 · 調制解調器 · ΔΣ調制 · OFDM · FDM

歷史

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單邊帶調制的專利[1]約翰·倫肖·卡森英語John Renshaw Carson於1915年12月1日在美國獲得。美國海軍在一戰以前就曾在它的無線電電路試驗過單邊帶調制。[2][3] 從1927年1月7日從紐約到倫敦的長波跨大西洋公共無線電話電路開始,單邊帶調制第一次進入商業服務。大功率單邊帶發射機位於紐約羅基波因特英語Rocky Point, New York英國拉格比英語Rugby transmitting station。接收機位於緬因州霍爾頓和蘇格蘭庫珀的僻靜之處。[4]

單邊帶調制一般使用在長途電話線路上,是FDM(分頻多工)技術的一部分。FDM首先在20世紀30年代被電話公司使用,這一技術使得多路語音訊號可以通過一條物理電路進行傳輸。單邊帶調制技術通過將頻道分為4000Hz的等份,每一份傳輸頻寬為300–3,400Hz的語音訊號。

業餘無線電愛好者二戰之後開始試驗單邊帶調制。從那時起,它就成為了事實上的長距離語音無線電通訊的標準。

數學表述

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在其中一個基帶波形來自其他基帶波形,而非獨立資訊的特殊情況下,單邊帶具有正交振幅調制(QAM)的數學形式:

  Eq.1

其中   是訊號,  是它的希爾伯特轉換,而   是無線電載波頻率。[5]

要理解這個公式,我們可以將 s(t) 表示成兩個復值函數的和:

 

其中   表示虛數單位  解析表示,而   是它的復共軛。這個表示將   的非負頻率分量和非正頻率分量分開。換句話說:

 

其中    分別是    的傅利葉轉換。頻率平移函數   只包含   的一邊。因為只含有正頻率成分,所以它的傅利葉反轉換為  的解析表示:

 

因此,用歐拉公式  展開,我們就會得到Eq.1

 

用相干解調將   恢復成   的過程是與振幅調制相同的:乘以   並用低通濾波器除去   頻率附近的「倍頻」成分。如果解調載波不能得到正確的相位(這裏是餘弦相位),解調訊號就會是    的某種線性組合,這在語音通訊中通常是可以接受的(如果解調載波頻率不是十分正確,相位會周期性地漂移,在頻率誤差很小的情況下,又會處在語音通訊可接受的範圍內;業餘無線電愛好者有時甚至會容忍更大的頻率誤差,就會引起不自然的聲音音調變化現象)。

下邊帶

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  也可以作為復共軛   的實部來恢復,該復共軛表示   的負頻率部分。當   足夠大時,  沒有負頻率,乘積   是另一個解析訊號,它的實部是真正的低邊帶傳輸:

 

需要注意的是,兩個邊帶訊號的總和:

 

抑制載波雙邊帶調幅的經典模型。

訊號產生方法

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帶通濾波

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普通調幅訊號頻譜圖。

一個調幅訊號,由載波訊號和兩個頻移後的調制訊號構成。兩個頻移後的調制訊號分別在載波訊號的兩側,其中頻率較低的那個訊號是頻率反轉後的訊號。俗稱為邊帶

一種生成單邊帶調制訊號的方法是將其中一個邊帶通過濾波去除,只留下上邊帶或者下邊帶。而且載波一般也需要經過衰減或者完全濾除(抑制)。這通常稱為抑制單邊帶載波。假如原調制訊號的兩個邊帶是對稱的,那麼經過這一轉換後,並不會造成任何的資訊遺失。因為最終的射頻放大器只發射一個邊帶,這樣有效輸出功率就會比普通的調幅方式大。單邊帶調制雖然具有使用帶寬小、節省能量的優點,但是它無法被普通的調幅檢波器解調。

哈特利調制

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另外一種產生單邊帶調制訊號的方法為哈特利調制。這種調制方法是根據R·V·L·哈特利英語Ralph Hartley命名的。該調制方法使用了相移方法來抑制不需要的邊帶。具體方法是,先將原始訊號相移90°、載波訊號也相移90°,再將原訊號與原載波訊號調制,相移後的訊號與相移後的載波訊號調制,這樣就生成了兩個調制後的訊號。這兩個調制後的訊號通過加減,就可以獲得邊帶訊號。這種調制方法的一個好處就是,它可以允許解析單邊帶訊號的表達式。這樣有利於更好的理解單邊帶訊號的同步檢測效果。

將訊號相移90°無法依靠簡單的延遲訊號得到。在模擬電路中,通常使用相移網絡來實現。在真空管收音機流行的年代,這種方法非常流行,但後來因為成本的問題,使用的越來越少了。不過,現在這種調制方法在業餘無線電數碼訊號處理器領域很流行。利用希爾伯特轉換,可以在數碼電路中以低成本實現這種調制方法。

韋瓦調制

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另一種實現方法是韋瓦調制,該方法僅使用低通濾波和正交混合就可以實現,是數碼化的理想方法。

韋瓦調制的過程是,首先訊號經過正交調制,然後再經過低通濾波,再經過正交調制。之後取和,則獲得上邊帶訊號,取差,則獲得下邊帶訊號。

載波抑制單邊帶調制

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殘留邊帶(VSB)

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殘留邊帶調制(VSB)是介於單邊帶(SSB)調制與雙邊帶(DSB)調制之間的一種調制方式,它既克服了DSB訊號佔用頻帶寬的問題,又解決了SSB濾波器不易實現的難題。

在殘留邊帶調制,除了傳送一個邊帶外,還保留了另外一個邊帶的一部分。對於具有低頻及直流分量的調制訊號,用濾波法實現單邊帶調制時所需要的過渡帶無限陡的理想濾波器,在殘留邊帶調制中已不再需要,這就避免了實現上的困難。

它的幾何含義是,殘留邊帶濾波器的傳輸函數 在載頻 附近必須具有互補對稱性,它可以看作是對截止頻率為載波頻率的理想濾波器的進行「平滑」的結果,習慣上,稱這種「平滑」為「滾降」。顯然,由於「滾降」,濾波器截止頻率特性的「陡度」變緩,實現難度降低,但濾波器的帶寬變寬。

殘留邊帶訊號顯然也不能簡單地採用包絡檢波,而必須採用圖3-16所示的相干解調。

由於VSB基本性能接近SSB,而VSB調制中的邊帶濾波器比SSB中的邊帶濾波器容易實現,所以VSB調制在廣播電視、通訊等系統中得到廣泛應用。

參考資料

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  1. ^ US 1449382  John Carson/AT&T: "Method and Means for Signaling with High Frequency Waves" filed on December 1, 1915; granted on March 27, 1923
  2. ^ The History of Single Sideband Modulation頁面存檔備份,存於互聯網檔案館), Ing. Peter Weber
  3. ^ IEEE, Early History of Single-Sideband Transmission,頁面存檔備份,存於互聯網檔案館Oswald, A.A.
  4. ^ History Of Undersea Cables頁面存檔備份,存於互聯網檔案館), (1927)
  5. ^ Tretter, Steven A. Chapter 7, Eq 7.9. Lucky, R.W. (編). Communication System Design Using DSP Algorithms. New York: Springer. 1995: 80. ISBN 0306450321. 

一般參考

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延伸閱讀

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  • Sgrignoli, G., W. Bretl, R. and Citta. (1995). "VSB modulation used for terrestrial and cable broadcasts." IEEE Transactions on Consumer Electronics. v. 41, issue 3, p. 367 - 382.
  • J. Brittain, (1992). "Scanning the past: Ralph V.L. Hartley", Proc. IEEE, vol.80,p. 463.
  • eSSB - Extended Single Sideband頁面存檔備份,存於互聯網檔案館