單邊帶調製

調變方式
連續調變
其他	SM（英語：Space modulation）（類比）
脈衝調變
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
	調變 · 線路碼 · 調製解調器 · ΔΣ調變 · OFDM · FDM
	閱; 論; 編;

在無線電通信中，單邊帶調製（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和帶寬的調幅技術。調幅技術輸出的調製信號帶寬為源信號的兩倍。單邊帶調製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。

歷史

單邊帶調製的專利^[1]由約翰·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製。^[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，單邊帶調製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）和英國拉格比（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]

單邊帶調製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信號可以通過一條物理電路進行傳輸。單邊帶調製技術通過將信道分為4000Hz的等份，每一份傳輸頻寬為300–3,400Hz的語音信號。

業餘無線電愛好者在二戰之後開始試驗單邊帶調製。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

在其中一個基帶波形來自其他基帶波形，而非獨立信息的特殊情況下，單邊帶具有正交幅度調製（QAM）的數學形式：

s_{\text{ssb}}(t)=s(t)\cdot \cos(2\pi f_{0}t)-{\widehat {s}}(t)\cdot \sin(2\pi f_{0}t),\,

Eq.1

其中 $s(t)\,$ 是信號， ${\widehat {s}}(t)\,$ 是它的希爾伯特轉換，而 $f_{0}\,$ 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：

s(t)={\tfrac {1}{2}}\underbrace {(s(t)+j\cdot {\widehat {s}}(t))} _{s_{a}(t)}+{\tfrac {1}{2}}\underbrace {(s(t)-j\cdot {\widehat {s}}(t))} _{s_{a}^{*}(t)},

其中 $j$ 表示虛數單位， $s_{a}(t)$ 是 $s(t)$ 的解析表示，而 $s_{a}^{*}(t)$ 是它的復共軛。這個表示將 $s(t)$ 的非負頻率分量和非正頻率分量分開。換句話說：

{\tfrac {1}{2}}S_{\mathrm {a} }(f)={\begin{cases}S(f),&{\text{for}}\ f>0,\\0,&{\text{for}}\ f<0,\end{cases}}

其中 $S_{\mathrm {a} }(f)$ 與 $S(f)$ 分別是 $s_{a}(t)$ 和 $s(t)$ 的傅里葉變換。頻率平移函數 $S_{\mathrm {a} }(f-f_{0})$ 只包含 $S(f)$ 的一邊。因為只含有正頻率成分，所以它的傅里葉逆變換為 $s_{\text{ssb}}(t)$ 的解析表示：

{\mathcal {F}}^{-1}\{S_{\mathrm {a} }(f-f_{0})\}=s_{a}(t)\cdot e^{j2\pi f_{0}t}=s_{\text{ssb}}(t)+j\cdot {\widehat {s}}_{\text{ssb}}(t).\,

因此，用歐拉公式把 $e^{j2\pi f_{0}t}$ 展開，我們就會得到Eq.1：

{\begin{aligned}s_{ssb}(t)&=Re{\big \{}s_{a}(t)\cdot e^{j2\pi f_{0}t}{\big \}}\\&=Re\left\{\ [s(t)+j\cdot {\widehat {s}}(t)]\cdot [\cos(2\pi f_{0}t)+j\cdot \sin(2\pi f_{0}t)]\ \right\}\\&=s(t)\cdot \cos(2\pi f_{0}t)-{\widehat {s}}(t)\cdot \sin(2\pi f_{0}t).\end{aligned}}

用相干解調將 $s_{\text{ssb}}(t)$ 恢復成 $s(t)$ 的過程是與幅度調製相同的：乘以 $\cos(2\pi f_{0}t),$ 並用低通濾波器除去 $2f_{0}$ 頻率附近的「倍頻」成分。如果解調載波不能得到正確的相位（這裡是餘弦相位），解調信號就會是 $s(t)$ 與 ${\widehat {s}}(t)$ 的某種線性組合，這在語音通信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，又會處在語音通信可接受的範圍內；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

$s(t)$ 也可以作為復共軛 $s_{a}^{*}(t)$ 的實部來恢復，該復共軛表示 $S(f)$ 的負頻率部分。當 $f_{0}\,$ 足夠大時， $S(f-f_{0})$ 沒有負頻率，乘積 $s_{a}^{*}(t)\cdot e^{j2\pi f_{0}t}$ 是另一個解析信號，它的實部是真正的低邊帶傳輸：

{\begin{aligned}s_{a}^{*}(t)\cdot e^{j2\pi f_{0}t}&=s_{\text{lsb}}(t)+j\cdot {\widehat {s}}_{\text{lsb}}(t)\\s_{lsb}(t)&=Re{\big \{}s_{a}^{*}(t)\cdot e^{j2\pi f_{0}t}{\big \}}\\&=s(t)\cdot \cos(2\pi f_{0}t)+{\widehat {s}}(t)\cdot \sin(2\pi f_{0}t).\end{aligned}}

需要注意的是，兩個邊帶信號的總和：

2s(t)\cdot \cos(2\pi f_{0}t),\,

抑制載波雙邊帶調幅的經典模型。

信號產生方法

帶通濾波

普通調幅信號頻譜圖。

一個調幅信號，由載波信號和兩個頻移後的調製信號構成。兩個頻移後的調製信號分別在載波信號的兩側，其中頻率較低的那個信號是頻率反轉後的信號。俗稱為邊帶。

一種生成單邊帶調製信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。假如原調製信號的兩個邊帶是對稱的，那麼經過這一變換後，並不會造成任何的信息遺失。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。單邊帶調製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。

哈特利調製

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

將信號相移90°無法依靠簡單的延遲信號得到。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，現在這種調製方法在業餘無線電和數字信號處理器領域很流行。利用希爾伯特變換，可以在數字電路中以低成本實現這種調製方法。

韋瓦調製

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

韋瓦調製的過程是，首先信號經過正交調製，然後再經過低通濾波，再經過正交調製。之後取和，則獲得上邊帶信號，取差，則獲得下邊帶信號。

載波抑制單邊帶調製

殘留邊帶（VSB）

殘留邊帶調製（VSB）是介於單邊帶（SSB）調製與雙邊帶（DSB）調製之間的一種調製方式，它既克服了DSB信號占用頻帶寬的問題，又解決了SSB濾波器不易實現的難題。

在殘留邊帶調製，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製信號，用濾波法實現單邊帶調製時所需要的過渡帶無限陡的理想濾波器，在殘留邊帶調製中已不再需要，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。

殘留邊帶信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調製中的邊帶濾波器比SSB中的邊帶濾波器容易實現，所以VSB調製在廣播電視、通信等系統中得到廣泛應用。

參考資料

^ 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
^ The History of Single Sideband Modulation （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）, Ing. Peter Weber
^ IEEE, Early History of Single-Sideband Transmission, （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館） Oswald, A.A.
^ History Of Undersea Cables （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）, (1927)
^ 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

Partly from Federal Standard 1037C in support of MIL-STD-188

延伸閱讀

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，存於網際網路檔案館）

[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，存於網際網路檔案館）, Ing. Peter Weber

[3] IEEE, Early History of Single-Sideband Transmission, （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館） Oswald, A.A.

[4] History Of Undersea Cables （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）, (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.

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