1、 1 毕业论文文献综述 电子信息工程 单边带调制解调系统的几种算法和性能比较 摘要： 文章首先简述单边带调制解调技术的概念与应用背景 ，然后对经典滤波 （ filter） 方法、 hartley算法和 weaver 算法三种技术方案分别进行阐述，就设计原理、实现框图，各方案的优缺点进行阐述，并结合实际例子进行综合评价，给出笔者意见和建议，仅供读者参考。 关键词： SSB；单边带调制解调； DSPBulider；滤波器 1.引言 单边带通信是目前应用比较广泛并具有占用较窄频带特点的一种通信方法。其利用到的单边带调制解调技术 （ Single-sideband modulation and dem
2、odulation） 1是一种调幅技术 ，该技术 可以更加有效的利用电能和带宽。调幅技术输出的调制信号带宽为源信号的两倍 ，而 单边带调制技术 只利用其中一个边带进行通信，从而提高了信道的通信率，避免了不必要的发射功率。 SSB 调制既可以用模拟方法实现，也可以转换成数字方法实现。其方法有 3 种：经典滤波器 (Filter)方法、 Weaver 算法和 Hartley 算法。 2 调制和解调是现代通信必不可少的内容和手段， 本文对目前主流的三种单边带调制解调技术分别进行简 述 。 2 SSB 调制方案概述 2 1 经典滤波器 （ filter） 法 无论是调制还是解调，滤波器算法 3都是利用
3、带通滤波器抑制掉不用的边带。当一个限带信号与具有足够高频率的正弦载波信号 c(t)=2cos(ct)相乘时，结果为： y(t)可以看成是两个信号的和，一个是正相位 （ TP） ，一个是反相位 （ RP） ，我们通常称之为上边带和下边带，在这两个边带中携带了所有原始信号的信息，且两个边带处于不同的频率，所以利用这点我们可以用带通滤波器滤掉不需要的边带，完成 SSB 的调制。 同理，在解调时我们也可以用载波和调 制信号相乘来得到两个边带的信号 4。 2 由上式可以看出结果得到两个不同频率的边带信号，一个处于基带位置，另一个处于载波频率的两倍处。所以我们选择用低通滤波器 （ LPF） 或带通滤波器
4、（ BPF） 滤除不需要的高频信号，得到的低频信号就是我们解调出来的原始信号。 图 2-1 滤波器方法调制解调示意图 滤波器法是所有单边带调制解调系统中最经典最传统的方法。在许多场合中，该法利用频分复用（ FDM） 原理还可以应用于多级系统设计。因为滤波器法的整个系统可以在单一采样频率下完成，所以利用内插 抽取算法可以给多级数字系统设 计带来许多好处。比如说数字系统只增加了调制的步骤，却减少了平均的计算量，降低了带通滤波器的要求和载波信号的复杂性 5。 2.2 hartley 算法 对同频率的正弦波，它们的相位关系起着非常重要的作用 ，这点 由三角函数的性质可知。从上式可知 当同一原始信号与具
5、有相位关系的同频载波相乘时，它们的和能抵消掉 其中 一个边带。这样，单边带信号 就 可以 通过乘以 具有相位关系的同频载波来 实现 。如果相位关系是由具有特定相位差的全通滤波器来产生，则 y(t)代表一般的 Hartley 调制方法。如果在多相结构中 n=2，则要求 在全通滤波器和载波中有 /2 的相差。这 就 是正交 Hartley 调制方法。由三角等式 得到 ： 在 Hartley 调 制中， SSB 产生于一对正交信号和正交载波。正交信号可以由一对正交全通滤波器产生。 图 2 2 Hartley 调制及其相位关系 用积化和差定理 对基本的三角等式进一步 分解，可以得到： 3 因此可得 ：
6、 s i n s i n*s i nc o s c o s*c o sc o sc o stwtttwttttwtt ww wwcccc 由上式可以看出， 产生两个单边带信号之和仅需要一对正交载波和一对正交全通滤波器。两个单边带信号一个处于 上边带 ，另 一个处于 下边带 。这便是 Hartley 调制中的和差算法 6，也是它的优点所在。 运用 Hartley 法的时候， 解调比调制 要 稍微复杂一些，在和一对正交载波相乘之后，它需要一个低通滤波器滤掉位于二倍载波频率处的信号 ， 此后，还需要一对正交全通滤波器 来改变 其中一路信号 的相位，使其 变成 180 度。最后只要把 处理后的两路信号
7、相加或相减，其中的 上 边带 (或 下 边带 )便抵消掉了。 不仅如此 ， Hartley 法解调同样 也 可以利用和差算法，用一对正交载波、一对全通滤波器和一对低通滤波器便可完成两路 SSB 信号的解调。 2.3 weaver 算法 Weaver 方法 同样 也是利用相位关系来实现 SSB 的 调制与解调 7。在 该方法中 ， 用 一对正交预载波 (其频率一般 处 于边带正中间 )使下边带产生折叠，而 没有 受 到 影响的上边带将被低通滤波器抑制掉。 接着 用一对正交载波把折叠频谱搬移到理想的位置， 最后 使两路信号相加或相减 ，以抵消其中的一个边带， 这样便完成了 该方法的 调制。解调时，
8、 用同样的道理， 先用一对正交载波使 SSB 信号产生频谱折叠，折叠的频谱落在低频 部分 内，高频部分通过低通滤波器抑制掉。 然后 对折叠的低频部分，用一对低频正交载波搬移频谱，且有一个边带的相位差是 180 度 ，最后把两路信号 相加或相减， 以抵消 掉一个边带（属于带内抵消） ，这样便完成了 weaver 法的解调 8。 图 3 1 Weaver 调制解调电路示意图 实验中我们发现 ， 由 两支路加 或 减而抵消的边带和输出的边带所占的 带宽 是一样的，属于带内抵消。这与 Hartley 方法不同，后者是带外抵消，抵消和输出的边带 相当于 双边带调制中的上下边带。除此之外， Weaver
9、法还有频谱折叠的特性。但是，二者 最大的共同点就是 它们都是正交调制法。然而，在选择多级调制的手段时，却又 发现 Weaver 法不能利用和差算法 ，这是他们最大的不同点 9。 4 解调时， Weaver 法 和 Hartley 法一样， 都 属于多相解调法的一种。两者的不同之处在于： weaver法 所用的正交载波频率位于带内，而 hartley 法用的 位于带外； weaver 法 再用一次正交载波 来 展开折叠频谱 并且 产生 90 度的 移相，而 hartley 法 利用正交全通滤波器 来改变 相 位 10。数字 Weaver 调制解调法和 Hartley 法一样都要用到内插抽取算法，
10、目的是 使其在低采样频率下 工作。 3.三种算法的分析和比较 三种方法 相比较，滤波器算法是最简单、最经典的算法，在模拟单边带系统中也是使用最 多的一种。但 是它的缺点是不容易 在模拟电路中实现，因为 带通滤波器 （ BPF） 的模拟中频 很难达到系统的要求。而 Weaver 和 Hartley 算法比较复杂， 需要操作的 步骤多且其中的某些 步骤对信号波形 要求较高， 比 如正交载波的相位差误差必须很小 ，需要 精确的幅度平衡等， 想要 在模拟电路中实现 这些要求是非常困难的 11。 而利用 数字技术 的 处理方法 却 能够非常容易地克服这些困难， 例如使用 高性价比 的通用 DSP 芯片使
11、数字 SSB 系统性价比经远远超过了模拟系统。 特别是在计算量极大的 多相调制解调 系统中， 数字 SSB 无线电系统占据 了 绝对优势。 利用专门设计的硬件平台 12（如图 3-1 所示），其 CPU 为 TMS320C31， A/D、 D/A 分别是 BB公司的 DSP102 和 PCM56P-二者都是 16 位转换芯片 13，前后端的模拟滤波器是可编程开关电容滤波器 MAX293，作者用汇编语言分别实现了三种调制算法 14（ Filter 法是一步采样率， Weaver 法和 Hartley 法分别采用了 4 点和 5 点内插算法，中频采样率都是 48.077kHz），并进行了性能测试。
12、 图 3-1 三种调制算法的硬件平台 测试条件：关闭 远动输入 ，话音端信号输入电平 1.9V。话音 BPF 的边带选择为 ：0.18-0.3-2.4-2.52kHz，都为 20 阶 IIR 滤波器。测试输出用选频表选频输出 15。 5 图 3-2 测试结果比较 由 实验数据 可 得 ，三种方法的频率响应的带外衰减都能达到 -70dB 以上，其带内抖动分别为0.65 、 0.4 和 0.5 dB。这种差别来源于话音 BPF 的采样率不同。调制的线形度都能达到 60dB以上。 由上述实验数据 可得出结论： 1. 三种算法在调制 中 性能差别不大。 2. 在模块设计上，滤波器法最 为 简单。 3.
13、 在计算量上， Weaver 法最大， Filter 法最小 。 4. 单级 系统 设计时， Filter 法最合适。 5. 单级 系统 解调时，没有必要应用 Weaver 和 Hartley 算法。 6. 多级 系统 设计时， Weaver 法和 Hartley 法比较合适，但 Hartley 法能利用和差算法 ， weaver 法不能 。 4.结论 采用 DSP 技术实现数字信号的调制解调是无线通信的基础技术之一。文中提供的方法同样可以在硬件不变的条件下，仅通过改变其软件和参数，方便地改变传输信号的性能与工作频段，也可以实现信号处理的其它功能模块，尽可能的把通信功能用软件来实现。实验证明，
14、采用高速 DSP 芯片并配 合较少的外围硬件电路，完全可以实现模拟信号的单边带调制解调功能，所提出的基于 DSP 平台的方案具有电路结构简单灵活、调试方便和系统性能稳定可靠的优点，已逐渐成为一种科研趋势，具有非常广阔的应用前景。 6 参考文献： 1 沈保锁，侯春萍 .现代通信原理 M.国防工业出版社， 2009,1 ： 25 30. 2 李景强 ,李双田，李昌立，等 .用 DSP 实现单边带调制解调的几种算法及性能比较 J.信号处理 ，1999,15（增刊） :646 649. 3 Kishi, Takahiko.SSB modulation and demodulation apparatu
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