| 单词 | 通信调制理论 |
| 释义 | 【通信调制理论】 拼译：modulation theory of communication 调制是在媒介中有效传输信号实现多路复用的重要手段。通过调制，改变信号传输频率，改变信号所占频带宽度，从而易于在电导体、光纤或电磁波空间传输，改善信号的抗噪声性能。通信事业飞速发展，需要综合传输交换电话、数据、用户电报、传真、可视电话等业务越来越多，研究通信调制理论，提供有效调制方式，压缩信号传输频带，提高信道复用效率，提高信号传输可靠性，有着重要的意义。 1906年利·德福雷斯特(Lee de Forest)发明了真空三极管，1913年开始生产使用真空管的电话增音机。随着放大、振荡电路的研制及网络理论的研究，调幅(AM，发送载频及双边带)技术被用于广播发射机，单边带调幅在架空明线或电缆载波机上采用，实现了频分多路复用(FDM)，大大提高了通信设备传输效率，但调幅技术的抗噪声性能较差。调角(调频FM或调相PM)技术，抗噪声性能虽较好，所占频带却较宽。短波、超短波等信道，频带较为富有，采用调频技术是合算的。通信系统的传输有效性和传输可靠性始终是一对矛盾，调频系统是依靠牺牲信道的有效性来提高传输信号的可靠性的，调频波信号所占带宽约与调频指数成正比，而信噪比则随调频指数的平方正比增大。抽样定理的建立和晶体管电路尤其是大规模集成电路的出现，使话音、数据、图象等可以采用脉冲调制传输，实现时分多路复用(TDM)，避免了大量滤波器的使用。调制方式有脉冲调幅(PAM)、脉冲调宽(PWM)、脉冲调位(PPM)，PWM、PPM信号所占频带较宽，抗噪声性能也较好。这3种调制方式仍然是模拟调制的，只不过载波不是连续波，而是不同时间出现的脉冲波。由于是模拟调制，所以在传输中会有噪声积累。20世纪70年代日本将脉冲间隔调制(PIM)方式运用于光纤传输，以脉冲间的间隔大小表示信号信息。这种调制解调时不需时钟同步(称异步接收)，调制和解调方式简单，故有实用价值。1955年美国贝尔公司开始研制半导体的脉冲编码调制(PCM)电话设备T1型(24路)，于1962年正式生产。PCM的使用是传输手段上的一个飞跃，对低噪声可通过判决再生来消除，在远距离传输中避免噪声积累，数字通信由于有这一优点且易加密，比模拟通信具有更大的优越性。但PCM信号的传输频带较宽，例如对0．3～3．4kHz的话音信号，经过波形抽样、量化、编码后，数码率达64kb／s。采用增量调制(ΔM)，数码率可以降低，为32或16kb／s，但话音质量不如采用PCM技术好，而且数码率也不是很低。因此对信号进行编码研究，去除其冗余度以压缩数字信号的码率，以及对信道进行编码研究，减少传输中的误码率，成为数字调制中的两方面重要课题。一个研究方向仍是波形编码。利用波形的相关性，采用线性预测技术对差值编码，构成ADPCM算法。在同样信噪比条件下用32kb／s就能再现高质量话音。CCITT在1984年通过的G．721建议就是以ADPCM算法为32kb／s的标准。CCITT的G．723建议为40／32／24kb／s的ADPCM方式。G．726建议又将数码率降为16kb／s，但这时质量已明显降低。采用自适应预测编码(APC)可以进一步改善话音质量。另一研究方向是参数编码。根据人的发声机理提取和传送其基本参数，到对端根据参数还原成话音。这种编码方法其数码率可以低到2．4kb／s以至几百比特每秒。经典算法是美国国家安全局于1975年及1986年选定的LPC－10及LPC－10E技术，用10阶线性预测的方法提取声道参数，采用区分为清音和浊音的二元激励。还原的声音其清晰度、可懂度很高，但自然度稍差。混合编码是80年代后期发展起来的，吸收了预测差值编码和参数编码两者的优点，在传送预测参数时也传送预测误差信息，在接收端构成新的激励源去激励由预测参数构成的声道，从而获得自然度较高的合成话音。例如采用矢量量化技术，将代表话音段的矢量构成一庞大的码本，在信道中只传送该矢量在码本中的地址，再用矢量去激励声道。这种以矢量量化技术为基础的码激励线性预测编码(CELP)能高效压缩数码率，但建立码本及搜索码字的运算量是惊人的。CCITT以16kb／s的标准算法－低时延码激励(LD－CELP)拟作为G．728建议。北美和日本数字蜂窝移动电话系统采用矢量和激励(VSELP)的话音编码，采用矢量和码本，只要计算基本矢量的卷积，其它码字的响应可以通过基本矢量的响应来计算，大大降低运算量，从而可以用单片DSP56001或TMS320C30实现全双工通信，具有较好的抗误码性能，在10－2误码时话音质量仍很好。美国联邦政府8kb／s移动通信的话音编码标准则采用4．8kb／s码激励(CELP)，是典型的码激励方案，在码本结构上作了一些简化，采用稀疏、重迭的随机码本，运算量比不采用稀疏、重迭的降低20倍而不影响话音质量，在0．3～3．4kHz窄带信道上提供高质量的数字保密电话。将数字信号进行调制使数字信息能在多种信道中传输的基本方式有幅移键控(ASK)、频移键控(FSK)和相移键控(PSK)，在数码率相同的情况下，ASK所占频带最窄，而PSK的抗噪声性能最好。利用多相调制能改善传输系统的频带利用率，四相相移键控和八相相移键控是较常使用的二种调制方式。QPSK的相位产生跃变，跃变相偏有0°、±90°和180°四种，所引起的相位对时间变化率很大，使信号功率密度谱的副瓣较大，滚降较慢。为克服此缺点，使相位与时间的关系曲线匀滑，可使用最小频移键控(MSK)、正弦频移键控(SPSK)、平滑调频(TFM)、相关相移键控(Cor PSK)等调制方式。此外还有正交幅度调制(QAM)技术，二电平的正交幅移键控等效于四相相移键控。四电平的、八电平的正交幅度调制在微波通信中都得到了较广泛的应用。采用部分响应技术的正交幅移键控(QPR)可进一步提高系统的频带利用率，而且设备也比较简单。1948年仙农(C．E．Shannon)发表了《通信的数学理论》一文，讨论了信源和信道特性。1949年仙农又发表了《噪声中通信》一文。这两篇论文奠定了现代信息论的基础。仙农理论给出了传输系统的潜在能力和能够达到的理论值。目前正是采用信源编码减少冗余度来压缩数码率，提高信道传输的有效性，而又对信道编码增加冗余度以提高抗干扰性。随着计算机技术、数字信号处理技术及大规模集成技术的发展，新的语言压缩编码技术不断获得突破，研究新算法、采用新芯片以实现更有效的压缩，保证系统进一步的有效性与可靠性，是进一步研究通信调制理论的主题。使信号适于在光纤信道中传输，光调制、波分复用是另一个课题。使用光逻辑和光存贮器件，研制开发光学处理和光计算技术，则又是新的课题。【参考文献】：1 H S Black．Modulation Theory，D Van Nostrand Company，Inc．：Princeton N．J．，19532 C E Shannon．A Mathematical Theory of Communication，B．S．T．J．，1948，27∶379～423，623～6563 M R Agron．PCM Transmission in the Exchange Plant，B．S．T．J．，1962(1)，41∶99～1414 上野，安木，パルス間隔變調にょゐ半導體レ－ザ通信方式，電子通信學會論文志5 黄庚年，廖铁，定时脉冲间隔调制技术，电信科学，1985，12∶6～116 Dezhgosha K，Jamali M M，Kwatra S C．IEEE Transactions on Signal Processing，1992，(1)∶40(1)∶181～1897 Galand C R，Menez J E，Rosso M M．IEEE Transactions on Signal Processing，1992，(6)∶40(6)∶1317～13268 Hussain Y，Farvardin N．IEEE Transactions on Signal Processing，1991(12)；39(12)∶2611～2620(北京邮电大学黄庚年教授撰) |
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