調變基本概念

調變基本概念

（作者Chester Simpson／美國國家儀器） 2006/10/16

調變（Modulation）是調變器（modulator）將較高頻率的載波訊號的某些屬性依比例轉變為較低頻率訊息訊號的過程。如果載波用以下方程式來代表： 　 ▲圖說：載波訊號方程式。 　那麼訊息中的某一項改變就會使得載波（carrier）的振幅、頻率或相位三者之一產生相對應的改變。隨後傳送器可以用比單獨傳送訊息訊號更有效率的方式，藉由通訊媒體發送這個載波訊號。最後，接收器再將訊號解調（demodulate），恢復原本的訊息。 　在調幅（Amplitude Modulation；AM）（如下圖）中，載波正弦波的振幅根據訊息的振幅而改變。 　 ▲圖說：調幅。 　當二者的振幅隨著時間而變動時，訊息訊號（紅色）隨著載波的起伏而變化。然而載波的頻率遠高於訊息的頻率。這個載波頻率是「通道」的中心；或說是這個RF訊號的頻率配置（frequency allocation）。頻率配置會依據傳送的媒介而改變。對廣播傳送而言，訊號是透過空氣傳送，因此由政府規範頻率配置。如果RF訊號是透過纜線傳輸（例如有線電視），選擇載波時就有更大的自由度。 　除了振幅 modulation之外，頻率調變根據訊息訊號的振幅來改變載波正弦波的頻率。同樣地，相位調變是根據訊息的振幅變化而改變載波的相位。 　數位調變 　數位調變與類比調變類似，但是它不能連續地改變載波的振幅、頻率或相位，只有離散的數值對應於數位編碼。有幾種常用的數位調變法，每一種都改變個別的參數組合。最簡單的類型稱為開關鍵控（On Off Keying；OOK），載波的振幅對應於兩個數位狀態之一。非零的振幅代表數位的一，為零的振幅則是數位的零。OOK的應用之一是摩斯電碼（Morse Code）。圖3的移頻鍵控調變（Frequency Shift Keying；FSK）是頻率調變的形式之一，由特定的頻率代表每個二進位值。 　 ▲移頻鍵控調變（FSK）。 　最後，正交振幅調幅法（Quadrature Amplitude Modulation）（QAM）使用振幅和相位的組合，去代表兩個以上的數位狀態，最多可達1024。 　IQ vs. IF調變器 　從基頻訊息訊號中計算出數位I/Q資料之後，有兩種方法將這個資料轉換為類比RF訊號。第一個方法是將I/Q資料轉換為類比訊號，然後將它們輸入正交編碼器（quadrature encoder）。在這裡，它們控制兩個示波器的振幅，以相差90度的相位進行操作。將這些示波器的輸出相加，產生一個具有適當的振幅、相位及頻率的RF訊號。 　 ▲IQ調變。 　下一個將數位I/Q資料轉換為類比RF的方法在數位領域中執行示波器的放大和總和。也就是說，具備90度相位差的數位正弦波由數位I/Q值加以放大，然後相加。這些數位正弦波的頻率低於IQ調變算式中的類比示波器，但是仍然比訊息訊號高得多。數位轉類比轉換器（DAC）（其操作頻率比IQ調變所使用的DAC頻率高得多）將產生的數位波型轉換成低頻類比RF。最後，一個類比IF轉RF升頻轉換器使用數個階段的混合及濾波操作，將類比RF訊號轉換成要使用的RF頻率。 　 ▲IF調變。 　相關之NI硬體 　對本主題感興趣的客戶也對以下的NI產品感興趣： 　NI RF及通訊平台 　NI 5660 2.7GHz RF向量訊號分析器 　NI 5671 2.7GHz RF向量訊號產生器 　NI RF交換硬體 　NI頻譜測量工具組軟體 　NI調變工具組（Modulation Toolkit）軟體 　（本篇技術文章由美國國家儀器提供，若需進ㄧ步資料，歡迎至www.ni.com/taiwan）

載 波

引用自 http://city.udn.com/3011/1114978?tpno=0&cate_no=54719

在 這 一 篇 我 們 要 談 的 科 技 小 常 識 是 無 線 通 訊 。

所 有 的 無 線 通 訊 都 是 把 要 傳 遞 的 訊 號 用 某 種 方 式 記 錄 在 某 一 個 頻 率 的 電 波 上 。 這 個 基 本 頻 率 的 電 波 科 學 家 稱 它 為 載 波 （ Carrier ）， 顧 名 思 義 ， 就 是 運 載 訊 號 的 電 波 。 怎 麼 把 要 傳 遞 的 訊 號 記 錄 在 載 波 上 呢 ？ 所 謂 記 錄 訊 號 就 是 把 載 波 根 據 一 定 的 規 則 隨 著 訊 號 作 某 種 方 式 的 改 變 ， 這 種 改 變 英 文 叫 做 modulation 。 那 麼 又 怎 麼 個 改 變 法 呢 ？ 這 就 五 花 八 門 ， 花 樣 繁 多 了 。

所 以 載 波 只 是 一 個 運 載 的 工 具 ， 重 點 是 伴 隨 著 載 波 的 改 變 ， 所 有 要 傳 達 的 訊 號 都 在 這 個 改 變 （ modulation ） 上 。 譬 如 每 個 廣 播 電 台 的 載 波 都 有 政 府 核 准 分 派 的 固 定 頻 率 ， 這 些 頻 率 之 間 有 一 定 的 間 隔 ， 所 以 互 不 干 擾 。 收 音 機 把 接 收 頻 率 根 據 主 人 的 指 示 限 制 在 某 一 個 載 波 的 波 段 上 ， 就 只 能 接 受 一 個 電 台 的 廣 播 ， 收 音 機 的 電 子 線 路 再 去 掉 載 波 ， 只 專 注 它 的 改 變 ， 根 據 發 射 電 台 的 改 變 規 則 作 解 碼 （ 英 文 叫 做 de-modulation） ， 把 這 些 改 變 還 原 成 訊 號 ， 就 大 功 告 成 了 。

廣 播 電 台 選 擇 改 變 載 波 的 方 式 有 兩 種 。 有 一 種 廣 博 電 台 叫 調 幅 電 台 ， 是 靠 改 變 載 波 的 波 幅 傳 達 訊 息 ， 這 種 用 改 變 波 幅 來 記 錄 訊 號 的 方 式 英 文 叫 做 調 幅 （ Amplitude Modulation ， 簡 稱 AM ） 。 另 一 種 無 線 電 台 叫 調 頻 電 台 ， 是 靠 改 變 載 波 的 頻 率 來 記 錄 訊 息 ， 這 種 用 改 變 頻 率 來 記 錄 訊 號 的 方 式 叫 做 調 頻 （ Frequency Modulation， 簡 稱 FM ） 。 調 幅 和 調 頻 都 可 以 達 到 通 訊 的 目 的 ， 但 是 方 法 不 同 ， 效 果 自 然 也 不 同 。 調 幅 比 調 頻 簡 單 ， 設 備 也 便 宜 ， 所 需 要 的 頻 寬 比 較 窄 ， 但 是 通 訊 的 品 質 就 差 了 許 多 。 大 家 都 知 道 好 的 音 樂 電 台 都 是 調 頻 的 。

通 訊 的 範 圍 很 廣 ， 上 面 所 舉 的 例 子 只 不 過 是 通 訊 在 廣 播 電 台 的 應 用 。 在 電 訊 事 業 發 達 的 今 天 ， 通 訊 的 訊 號 如 何 記 錄 在 載 波 上 由 一 方 傳 達 出 去 ， 又 如 何 安 全 的 由 另 一 方 接 收 到 ， 其 中 的 花 樣 千 變 萬 化 ， 有 些 構 思 的 巧 妙 令 人 嘆 為 觀 止 ， 這 是 一 門 很 大 的 學 問 ， 牽 涉 到 高 深 的 數 學 和 精 密 的 電 子 設 備 。 尤 其 軍 事 通 訊 和 軍 用 雷 達 ， 每 一 個 電 子 作 業 ， 它 的 載 波 和 波 形 變 化 都 是 機 密 ， 不 能 讓 敵 人 得 知 ， 否 則 就 會 受 到 干 擾 、 偵 測 、 追 蹤 、 和 破 解 ， 這 是 很 嚴 重 的 事 情 。 在 戰 場 上 ， 不 到 迫 不 得 已 ， 是 不 會 開 機 發 射 電 波 的 。

所 以 在 這 篇 文 章 我 們 不 談 載 波 如 何 透 過 特 殊 改 變 （ modulation ） 傳 送 訊 號 ， 只 談 太 空 通 訊 時 發 射 訊 號 和 接 收 訊 號 的 一 些 基 本 常 識 。

所 有 的 無 線 通 訊 ， 工 程 師 第 一 個 要 決 定 的 事 ， 就 是 載 波 的 頻 率 。 這 是 因 為 單 是 載 波 的 頻 率 就 決 定 了 無 線 通 訊 很 多 物 理 性 質 。 載 波 的 頻 率 越 高 ， 發 射 電 波 的 功 率 就 越 小 ， 整 個 電 子 設 備 體 積 也 越 小 ， 重 量 也 越 輕 ， 經 過 空 氣 和 水 分 子 時 衰 減 會 比 較 多 。 但 是 高 頻 率 電 波 有 一 個 好 處 ， 在 同 樣 大 小 的 天 線 ， 它 傳 播 的 能 量 比 較 集 中 。 工 程 師 考 慮 的 因 素 很 複 雜 ， 為 了 達 到 太 空 通 訊 的 目 的 ， 工 程 師 們 必 須 在 性 能 、 重 量 、 體 積 、 價 格 、 可 靠 性 等 等 因 素 上 作 優 化 考 量 ， 最 後 做 出 被 大 家 都 能 接 受 的 妥 協 。 人 生 處 處 都 在 妥 協 ， 工 程 設 計 也 不 例 外 。

如 果 我 們 把 傳 播 和 接 收 的 天 線 都 想 成 是 圓 形 的 碟 子 （ 就 是 我 們 看 到 的 小 耳 朵 、 中 耳 朵 、 和 大 耳 朵 那 種 形 狀 ） ， 那 麼 由 這 個 圓 形 的 碟 子 天 線 發 射 出 去 的 電 波 形 狀 就 像 一 個 正 圓 錐 體 （ 直 角 圓 錐 體 ， 它 的 對 稱 中 線 和 底 平 面 垂 直 ） 。 幾 乎 所 有 的 電 波 能 量 都 集 中 在 這 個 正 圓 錐 體 裏 面 ， 要 想 接 收 到 訊 號 就 必 須 在 這 個 圓 錐 體 內 ， 因 為 在 這 個 圓 錐 體 外 面 只 有 非 常 少 的 能 量 洩 露 出 去 ， 只 有 “ 高 手 ” ， 譬 如 美 國 的 間 諜 衛 星 ， 才 有 可 能 在 外 面 偷 聽 。

載 波 的 頻 率 越 高 ， 電 波 傳 送 的 圓 錐 體 的 圓 錐 角 越 小 （ 就 是 錐 體 越 尖 銳 ） ； 天 線 碟 子 的 直 徑 越 大 ， 圓 錐 體 的 圓 錐 角 也 越 小 。 基 本 上 ， 如 果 載 波 的 頻 率 決 定 了 ， 天 線 碟 子 的 直 徑 也 決 定 了 ， 那 麼 電 波 傳 送 的 正 圓 錐 體 的 直 徑 角 度 就 確 定 了 。

所 以 如 果 你 想 省 錢 ， 用 一 個 直 徑 很 小 的 天 線 ， 那 麼 你 發 射 出 去 的 電 波 擴 散 的 角 度 就 很 大 ， 能 量 也 就 擴 散 得 很 大 ， 電 波 到 達 目 標 時 單 位 面 積 的 能 量 就 很 小 了 ， 訊 號 接 受 的 性 能 就 很 可 能 達 不 到 要 求 。 如 果 你 用 直 徑 很 大 的 碟 型 天 線 ， 雖 然 在 接 收 性 能 上 達 到 甚 至 超 過 要 求 ， 但 是 很 可 能 太 大 、 太 重 、 太 貴 ， 每 一 樣 都 可 能 令 工 程 無 法 負 擔 。 工 程 師 和 政 治 家 一 樣 ， 一 定 要 先 決 定 事 物 的 優 先 順 序 ， 再 做 通 盤 的 考 量 ， 才 能 選 擇 最 佳 方 案 。

好 啦 ， 現 在 基 本 的 觀 念 都 有 了 。 無 線 通 訊 （ 包 括 太 空 通 訊 ） 就 很 容 易 想 像 了 。

地 球 上 的 太 空 控 制 中 心 有 一 個 碟 型 天 線 （ 通 常 是 非 常 大 ） ， 太 空 船 上 （ 或 機 器 人 上 ） 也 有 一 個 碟 型 天 線 （ 通 常 沒 辦 法 很 大 ） 。 只 要 這 兩 個 碟 型 天 線 在 方 位 角 度 上 對 準 對 方 ， 使 得 任 何 一 方 的 圓 錐 體 都 可 以 “ 罩 住 ” 對 方 的 圓 錐 體 ， 通 訊 就 可 以 進 行 了 。 說 的 更 確 切 些 ， 假 設 甲 方 的 圓 錐 體 的 直 徑 角 度 是 4 度 ， 乙 方 的 圓 錐 體 的 直 徑 角 度 是 10 度 ， 在 甲 和 乙 中 間 拉 一 條 想 像 中 的 直 線 ， 如 果 甲 和 乙 的 天 線 方 位 調 整 的 絲 毫 不 差 、 完 美 地 對 正 對 方 ， 那 麼 這 條 直 線 就 重 合 在 甲 和 乙 的 圓 錐 體 的 對 稱 中 間 線 。 如 果 甲 和 乙 要 能 夠 通 訊 ， 那 麼 甲 的 圓 錐 體 就 不 能 偏 離 這 條 理 想 直 線 超 過 五 度 ， 乙 的 圓 錐 體 也 不 能 偏 離 這 條 理 想 直 線 超 過 兩 度 。

上 面 這 個 通 訊 的 條 件 看 起 來 要 滿 足 好 像 很 了 不 起 ， 尤 其 在 甲 和 乙 都 在 不 停 地 運 動 的 時 候 。 實 際 上 滿 足 這 個 條 件 一 點 都 不 難 。 現 在 的 無 線 電 波 定 方 位 和 定 距 離 都 非 常 精 確 ， 譬 如 軍 用 雷 達 可 以 很 容 易 達 到 角 度 誤 差 不 超 過 百 分 之 一 度 ， 距 離 誤 差 不 超 過 十 公 尺 。 以 現 代 的 科 技 做 角 追 蹤 （ Angle Tracking ） ， 要 滿 足 上 面 的 通 訊 條 件 當 吃 白 菜 。 由 於 天 線 有 自 動 追 蹤 目 標 的 能 力 ， 而 且 是 閉 環 控 制 ， 目 標 一 旦 捕 捉 到 ， 不 論 目 標 如 何 移 動 ， 除 非 目 標 消 失 在 直 線 觀 測 範 圍 以 外 （ 譬 如 太 空 控 制 中 心 轉 到 地 球 的 背 面 ） ， 否 則 這 種 自 動 追 蹤 不 可 能 脫 鎖 。

也 許 有 人 會 問 ： 「 火 星 距 地 球 這 麼 遠 ， 這 麼 微 弱 訊 號 能 夠 彼 此 接 收 到 嗎 ？ 」 答 案 是 ： 是 的 ， 並 不 難 。 方 法 有 三 個 ：
1. 加 大 發 射 功 率 ： 這 在 地 面 也 許 有 可 能 ， 在 太 空 船 上 幾 乎 不 可 能 。 這 是 費 錢 又 有 絕 對 限 制 的 笨 方 法 。
2. 加 大 碟 型 天 線 的 面 積 ： 和 1 相 同 ， 也 是 費 錢 又 有 絕 對 限 制 的 笨 方 法 。
3. 利 用 特 殊 設 計 的 波 型 ， 延 長 整 合 （ integration ） 的 時 間 ， 利 用 數 學 原 理 和 計 算 機 運 算 做 訊 號 處 理 ， 不 論 多 微 弱 的 訊 號 ， 只 要 整 合 的 時 間 夠 長 就 可 以 把 訊 號 從 噪 音 中 分 離 出 來 。 在 現 代 通 訊 裏 ， 這 些 都 不 是 問 題 。

YST 第 二 個 揭 開 的 神 祕 就 是 深 太 空 的 探 險 所 需 要 的 通 訊 技 術 也 不 是 那 麼 “ 嚇 死 人 ” 的 偉 大 。 地 球 上 的 人 要 和 深 太 空 的 太 空 船 通 訊 ， 或 是 和 火 星 上 的 機 器 人 通 訊 ， 其 實 並 沒 有 比 我 們 熟 悉 的 衛 星 通 訊 更 困 難 ， 不 過 是 通 訊 的 速 度 比 較 慢 ， 單 位 時 間 內 傳 送 的 資 料 比 較 少 而 已 。 譬 如 從 五 百 公 里 外 的 太 空 衛 星 傳 照 片 到 地 球 的 速 度 是 １ 秒 鐘 十 張 ， 從 火 星 傳 同 樣 的 照 片 回 來 也 許 只 能 做 到 每 五 分 鐘 一 張 ， 從 土 星 附 近 傳 回 來 也 許 就 只 能 達 到 一 個 鐘 頭 一 張 ， 它 們 所 需 要 的 技 術 是 一 樣 的 ， 並 沒 有 誰 比 誰 高 。

在 這 方 面 ， 美 國 主 要 的 優 勢 是 全 球 各 處 都 有 基 地 ， 所 以 目 標 如 果 離 開 A 基 地 的 觀 察 範 圍 ， 就 會 進 入 B 基 地 的 觀 察 範 圍 ， B 基 地 的 工 作 人 員 就 自 動 接 手 ； 當 目 標 離 開 B 基 地 的 觀 察 範 圍 ， 就 會 進 入 C 基 地 的 觀 察 範 圍 ， C 基 地 的 工 作 人 員 就 自 動 接 手 。

中 國 就 沒 有 這 麼 幸 運 了 ， 由 於 缺 乏 海 外 基 地 ， 可 憐 的 中 國 太 空 工 作 人 員 必 須 分 別 坐 在 好 幾 個 遠 洋 探 測 船 上 （ 譬 如 遠 望 一 號 、 遠 望 二 號 等 等 ） ， 在 各 大 海 洋 的 風 浪 中 進 行 目 標 追 蹤 、 目 標 通 訊 、 和 控 制 中 心 聯 絡 等 等 ， 工 作 就 辛 苦 多 了 。 事 實 上 ， 在 船 上 作 衛 星 通 訊 比 在 陸 地 的 基 地 上 要 困 難 得 多 ， 因 為 要 做 運 動 補 償 （ Motion Compensation ） ， 需 要 特 殊 的 技 術 和 數 學 運 算 。