SSB(Single Side Band,是指单边带,使用电波波形的一半接收。比如用上边带(USB)或者下边带(LSB),剩下那一半波形因为形状是和那一半对称的,所以可以用接收机补全,上边带和下边带通信统称单边带。
在无线电通信中,单边带调制(SSB)或单边带抑制载波(SSB-SC),是一种可以更加有效的利用电能和带宽的调幅技术。调幅技术输出的调制信号带宽为源信号的两倍。单边带调制技术可以避免带宽翻倍,同时避免将能量浪费在载波上,不过因为设备变得复杂,成本也会增加。
简介单边带信号从本质上来说也是一种调幅信号,它出自于调幅又区别于调幅。调幅波是一个载波幅度跟随调制音频幅度变化而变化的调制方式。只有清楚的知道调幅波的频谱特征才能准确的掌握单边带。如下图,1KHz的调制信号对10MHz的载波信号进行调制,将得到一个调幅信号(AM)。对这个调幅信号进行分解将得到如下的频谱。频率低于载频的谱线为下边带(LSB),频率高于载频的谱线为上边带(USB)。但是,大多数的单边带电台都要发送语音信号,情况就要比上面的单频率调制的情况复杂些。单边带电台一般要传送300到3000赫兹的音频信号。
由于调幅波要发射出去3个频率分量(载波,上边带,下边带),而且不携带有用信息(音频)的载波在发射功率中又占了大部分功率份额。所以调幅波对电力的利用效率是比较低的。在调幅波频谱中的上下两个边带都含有相同的信息,而且载波并不含有有用信息。那么,只传送一个边带也就可以完成信息的传送,为了提高发射功率的效率,而把其中一个边带和载波都消除掉。这个过程就叫做单边带调制,而最终输出的无线电信号就叫做单边带信号(SSB)。根据发送边带的不同单边带信号有可分为上边带信号(USB)和下边带信号(LSB)。
单边带信号的产生一般使用平衡调制器,它的特点是经过调制的信号只包含上边带和下边带频率分量,而音频和载波在调制器内部就被消灭掉了。这样在调制器的输出端,我们就得到了两个边带的频率分量,这种含有两个边带信号同时也没有载波分量的信号,我们称它为双边带信号,简称DSB。此时,DSB也可以被直接发射出去,但是DSB信号中含有两个边带的信号,这两个边带携带着两个完全相同的信息,我们完全可以只发射其中的一个。这时,我们用滤波器过滤掉其中的一个边带就可以得到单边带信号(LSB或者USB)。由于这两个边带的频率都是在很高的高频波段,而且两个边带的频谱靠的很近。显然只能靠Q值极高的机械滤波器或晶体滤波器才能很好的把其中一个边带滤除掉1。
数学表述 在其中一个基带波形来自其他基带波形,而非独立信息的特殊情况下,单边带具有正交幅度调制(QAM)的数学形式:
要理解这个公式,我们可以将 s(t) 表示成两个复值函数的和:其中 是信号,
它的希尔伯特变换,而
是无线电载波频率。
其中j 表示虚数单位,
是 的解析表示,而
是它的复共轭。这个表示的非负频率分量和非正频率分量分开。换句话说:
其中 与
分别是
和
的傅里叶变换。频率平移函数
只包含{\displaystyle S(f)}的一边。因为只含有正频率成分,所以它的傅里叶逆变换为
的解析表示:
节约频带
由于单边带通信只是利用调幅信号中的一个边带进行通信,因此能节省频带。在同样的有限高频频段内,就可以使无线电波道容量比用调幅制时增加一倍,从而部分地解决了短波波段空中频谱拥挤的问题。
功率节约
在双边带通信中,由于调幅波是由三个分量合成的,因此调幅波的功率就分配在载频和两个边带上。载波成分电流振幅最大,而边频成份电流振幅最小,因此,一个幅调波的总功率的大部分就消耗在不代表信号意义的载频上,而真正含有信号意义的每个边频的功率则是很少的。
当M=1时,调幅波的总功率是载波功率的150%,其中载波功率占全部功率的2/3,两个边带共占全部功率的1/3,每个边带只占全部功率的1/6,也就是说,在调幅波中,不代表信号意义的载波分量白白消耗了2/3的总功率。
而单边带信号由于带宽比调幅的窄一半,因此单边带收信机的噪声功率比调幅的要小一半。这样,仅由于信号带宽不同,但边带通信比调幅通信,在功率节省上又有2倍即3分贝的好处。总之,在发信机最大功率和收信机输出端的信噪比S/N相同的条件下,可以得出单边带制比调幅制在功率上起码提高了9分贝的增益。
受传播条件的影响小
短波通信主要是靠电离层的发射实现天波通信,电离层对幅调波信号中的载频衰落时,对通信影响较大,而对边带中的频率衰落时,对通信影响较小。由于电离层很不稳定,造成对载频衰落忽大忽小,这样接收机接收到的信号也是忽大忽小,甚至使信号中断,不能保证正常通信。载波的衰落还会引起强烈的非线性失真。
在单边带传输和解调中,虽然其分量同样会受到不同程度的衰落,但信号受到选择性衰落的影响比调幅制却小的多,首先,是因为它只有一个边带,频率范围小,而接收机终端输出并不像调幅机那样取决于两边带之和,高频域中的一个边带就与音频输出边带对应着,不存在上述的“边带衰落”;其次,更重要的一个原因是它没有载频,所以单边带也不存在上面所讲的“载波衰落”和“载波相位偏移”造成对通信的严重影响。至于在一个边带范围内的选择性衰落,它只是改变了个频率分量幅度分布的形状,即变动了信号的频率特性。所以单边带制受传播条件影响较小2。
信号产生方法带通滤波一个调幅信号,由载波信号和两个频移后的调制信号构成。两个频移后的调制信号分别在载波信号的两侧,其中频率较低的那个信号是频率反转后的信号。俗称为边带。
一种生成单边带调制信号的方法是将其中一个边带通过滤波去除,只留下上边带或者下边带。而且载波一般也需要经过衰减或者完全滤除(抑制)。这通常称为抑制单边带载波。假如原调制信号的两个边带是对称的,那么经过这一变换后,并不会造成任何的信息遗失。因为最终的射频放大器只发射一个边带,这样有效输出功率就会比普通的调幅方式大。单边带调制虽然具有使用带宽小、节省能量的优点,但是它无法被普通的调幅检波器解调。
哈特利调制另外一种产生单边带调制信号的方法为哈特利调制。这种调制方法是根据R·V·L·哈特利命名的。该调制方法使用了相移方法来抑制不需要的边带。具体方法是,先将原始信号相移90°、载波信号也相移90°,再将原信号与原载波信号调制,相移后的信号与相移后的载波信号调制,这样就生成了两个调制后的信号。这两个调制后的信号通过加减,就可以获得边带信号。这种调制方法的一个好处就是,它可以允许解析单边带信号的表达式。这样有利于更好的理解单边带信号的同步检测效果。
将信号相移90°无法依靠简单的延迟信号得到。在模拟电路中,通常使用相移网络来实现。在真空管收音机流行的年代,这种方法非常流行,但后来因为成本的问题,使用的越来越少了。不过,这种调制方法在业余无线电和数字信号处理器领域很流行。利用希尔伯特变换,可以在数字电路中以低成本实现这种调制方法。
韦瓦调制另一种实现方法是韦瓦调制,该方法仅使用低通滤波和正交混合就可以实现,是数字化的理想方法。
韦瓦调制的过程是,首先信号经过正交调制,然后再经过低通滤波,再经过正交调制。之后取和,则获得上边带信号,取差,则获得下边带信号。
残留边带残留边带调制(VSB),是介于单边带调制与双边带调制之间的一种调制方式,它既克服了DSB信号占用频带宽的问题,又解决了单边带滤波器不易实现的难题。 在残留边带调制中,除了传送一个边带外,还保留了另外一个边带的一部分。对于具有低频及直流分量的调制信号,用滤波法实现单边带调制时所需要的过渡带无限陡的理想滤波器,在残留边带调制中已不再需要,这就避免了实现上的困难。它的几何含义是,残留边带滤波器的传输函数 在载频 附近必须具有互补对称性,它可以看作是对截止频率为 的理想滤波器的进行“平滑”的结果,习惯上,称这种“平滑”为“滚降”。显然,由于“滚降”,滤波器截止频率特性的“陡度”变缓,实现难度降低,但滤波器的带宽变宽。 残留边带信号显然也不能简单地采用包络检波,而必须采用相干解调。 由于VSB基本性能接近SSB,而VSB调制中的边带滤波器比SSB中的边带滤波器容易实现,所以VSB调制在广播电视、通信等系统中得到广泛应用。
本词条内容贡献者为:
闫晓东 - 副教授 - 中央民族大学信息工程学院