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要单模！要高速！单模直调VCSEL这些年的研究进展都在这儿: AnjinLiu 2020-7-28 16:48; 原文首次发表在爱光学及中国激光 http://www.opticsjournal.net/Journals/zgjg.htm?action=postoid=PT200723000106oVrXu 2020年第7期《中国激光》出版 “半导体激光器”专题。中国科学院半导体研究所刘安金研究员受邀撰写《单模直调垂直腔面发射激光器研究进展》综述论文，并作为内封面文章发表。论文总结了VCSEL模式控制的基本思路和相关器件结构及其性能，综述了直调VCSEL在速度、能效、温度稳定性等方面的进展，介绍了集成光子超结构VCSEL的研究进展，展望了下一代VCSEL的突破途径以及大功率VCSEL阵列的前景。内封面文章| 刘安金. 单模直调垂直腔面发射激光器研究进展 . 中国激光, 2020, 47(7): 0701005 一、背景介绍你知道吗？作为支撑腾讯、阿里巴巴、Google等大型数据中心的关键光电子器件之一的垂直腔面发射激光器（vertical-cavity surface-emitting laser，VCSEL），在1979年就被首次展示了。 VCSEL的概念最早由日本东京工业大学Iga教授于1977年提出，是为了解决边发射激光器（edge-emitting laser，EEL）的研究中，人们遇到的制作、测试、以及模式和波长控制等问题。 VCSEL通常由上/下布拉格反射镜（distributed Bragg reflector，简称DBR）、有源区、氧化孔径、上/下电极构成，光束沿着垂直于衬底方向出射（图1）。与EEL采用天然解理面作为激光腔镜不同，VCSEL采用DBR作为激光腔的腔镜，可以在解理成芯片之前在片测试，以及二维阵列集成。VCSEL的横向结构形状通常为圆形，输出的光束圆形对称，能够和光纤高效耦合。此外，VCSEL腔长为一个波长量级，可以实现高调制带宽、单纵模以及低功耗工作。图1 VCSEL和EEL的结构示意图过去40多年，VCSEL在器件物理、材料生长、器件制作和表征、器件集成和应用等方面取得了显著进展。如今，VCSEL已经广泛应用于数据通讯、三维传感、激光打印、激光显示、激光照明、汽车电子、激光加工、消费电子、原子传感、激光雷达等领域（图2）。苹果、华为等手机厂商将VCSEL导入智能手机等消费电子，引燃了VCSEL研究和投资的新一轮热潮。图2 VCSEL的应用 VCSEL主要有三种电流限制结构：质子注入结构、隧道结结构和氧化限制结构。质子注入VCSEL在20世纪90年代已有较多的研究；隧道结主要用于长波长VCSEL(1.1 μm 以上)；氧化限制VCSEL具有功耗低、带宽大、均匀性和可靠性高等优点。近年来，氧化限制GaAs基VCSEL（图3）在模式控制和调制速度等方面取得了重要进展。图3 氧化限制VCSEL结构和折射率分布示意图二、单模直调VCSEL 1 单模VCSEL 采用缩小氧化孔径的方法可以实现VCSEL单模工作。但是普通氧化限制VCSEL的氧化孔径具有“双重”限制作用：同时限制模场和载流子，带来了不可忽略的负效应：（1）发光区域减小，输出功率受到限制；（2）电流密度大、器件电阻大、可靠性低、制作容差小等。采用“分离”限制可以解除氧化限制VCSEL中氧化孔径的“双重”限制作用：氧化孔径只限制载流子，引入模式选择（即空间滤波）结构选择基横模，这种“分离”限制模式可提高VCSEL的电学、光学、和热学等性能。因此，可以适当增大氧化限制VCSEL的氧化孔径，提高单模VCSEL的输出功率，降低VCSEL的电阻，增大VCSEL的制作容差，提高VCSEL的可靠性，降低VCSEL的发散角等。基于“分离”限制思路，人们已报道了多种单模氧化限制VCSEL结构（图4），包括：表面刻蚀VCSEL结构（图4（a））、质子注入/氧化混合孔径VCSEL结构（图4（b））、多氧化孔径VCSEL结构（图4（c））、金属孔径VCSEL结构（图4（d））、Zn扩散孔径VCSEL结构（图4（e））、孔状VCSEL结构（图4（f））、亚波长光栅VCSEL结构（图4（g））、耦合腔VCSEL结构（图4（h））。图4 单模VCSEL结构示意图；（a）表面刻蚀VCSEL结构；（b）质子注入/氧化复合孔径VCSEL结构；（c）多氧化孔径VCSEL结构；（d）金属孔径VCSEL结构；（e）Zn扩散孔径VCSEL结构；（f）孔状VCSEL结构；（g）亚波长光栅VCSEL结构；（h）耦合腔VCSEL结构 2 直调VCSEL VCSEL是数据中心和超级计算机中短距离光互连的重要光源。数据吞吐量的逐年增加致使数据中心以及超级计算系统需要更高调制带宽的VCSEL。为了提高VCSEL的调制带宽，近年来人们主要采用以下途径：（1）采用高微分增益有源区；（2）合理降低光子寿命；（3）提高光限制因子；（4）减小热效应；（5）降低电学寄生效应等。目前，柏林工业大学（TUB）、瑞典查尔姆斯理工大学（CUT）、美国伊利诺伊大学厄巴纳分校（UIUC）、中国台湾国立中央大学（NCU）、IBM、Finisar、VIS、Furukawa、NEC等机构报道了850nm、880nm、910nm、940nm、980nm、1060nm、1100nm等波段的高速VCSEL。其中，2019年CUT和佐治亚理工学院（GIT）采用均衡器和滤波器基于26 GHz的850 nm VCSEL芯片实现了超100 Gbps的传输速率（OOK调制格式）。2020年GIT和VIS基于28GHz的850nm VCSEL芯片实现了168 Gbps的传输速率（PAM4调制格式）。温度稳定性是VCSEL实际应用中的另一个要求。大量数据的产生、传输和处理消耗大量的能源，产生的热量可使VCSEL的工作环境温度达到85 ℃，会影响VCSEL的性能。因此希望在不改变工作电流以及无温控条件下，高温下的VCSEL性能和室温下的性能保持一致。为了提高高速VCSEL的温度稳定性，通常将VCSEL的腔模波长设置在室温下量子阱增益峰的长波长一侧。TUB报道了980 nm VCSEL在120 ℃下可以实现30 Gbps的无误码传输，和85 ℃下50 Gbps的无误码传输。能效是VCSEL应用的又一个关键指标，影响着基于VCSEL光互连技术的生态成本和经济成本，同时也影响VCSEL自身的性能。能效通常定义为传输每比特信息所消耗的能量（即： /速率），单位为飞焦耳每比特（fJ/bit，或mW/Tbps）。根据半导体国际技术路线图的预测，2022年片外光互连的能效要求小于100 fJ/bit，片上光互连的能效要求小于10 fJ/bit。TUB报道了3.5 ?m氧化孔径的850 nm VCSEL在25 ℃和25 Gbps速率下，能效达到56 fJ/bit。除了调制速率、温度稳定性以及能效外，人们希望VCSEL能在25 Gbps及以上的速率下传输2 km甚至更长。对于多模VCSEL来说，模式色散使VCSEL很难实现长距离无误码传输。降低VCSEL的谱宽，减小模式色散，是实现长距离无误码传输的有效途径。减小氧化孔径和引入模式选择结构可以有效地降低VCSEL的谱宽。VIS采用氧化孔径引起的泄漏效应减小850 nm VCSEL的谱宽，在链路接收端采用信号处理器（DSP），在2.2 km的OM4多模光纤中实现了54 Gbps的传输速率。 3 单模直调超结构VCSEL 传统VCSEL的激光腔通常由上/下DBR构成。为了得到性能优异的VCSEL，一方面需要精确控制DBR每层的厚度和组分；另一方面需要解决DBR的电学、光学、热学性能等问题。最近人们发现一维或者二维超结构（如HCG）具有宽带高反射率性能，可以取代多层DBR构建新型VCSEL。这种HCG可以看作波导阵列，可以实现近100%的反射率，当HCG反射谱上两个或者多个近100%的反射率点距离足够近时，可实现宽带高反射率光谱，用作构建垂直腔的反射镜（图5）。图5 （a）HCG的示意图；（b）HCG宽带高反射率性能的原理图 HCG的反射光谱对光束的入射角度敏感，是一种空间滤波器，HCG-VCSEL容易实现单模激射（图6）。对于一维HCG，它的反射光谱具有偏振选择性。因此，一维HCG-VCSEL可以实现单偏振输出。目前HCG-VCSEL在850 nm、940nm、980 nm、1060 nm、1310 nm、1550 nm等波段实现了单模工作和单偏振输出。通过优化器件结构和降低寄生效应，美国加州大学伯克利分校实现了-3 dB带宽为7.8 GHz的1550nm的HCG-VCSEL，并实现了10 Gbps的无误码传输。图6 HCG-VCSEL示意图 VCSEL是光子集成芯片的理想光源。HCG既可作为VCSEL的反射镜，同时也可作为耦合器，实现将垂直振荡的激光耦合至水平方向输出（图7）。丹麦技术大学采用SOI基HCG构建1550 nm HCG-VCSEL实现了水平波导输出，光泵浦下的-3 dB带宽达到27 GHz。因SiN材料在600到1100 nm波段损耗小，根特大学和CUT在异质集成的850 nm VCSEL激光腔中引入SiN基HCG，实现了SiN波导中水平输出激光，单侧输出功率为73 μW，边模抑制比为29 dB。图7 （a）1550nm的Si基HCG-VCSEL的示意图，其中SOI基HCG作为反射镜；（b）Si基HCG-VCSEL的示意图，其中SOI基HCG作为反射镜，同时作为耦合器；（c）具有水平波导输出功能的VCSEL示意图，其中SiN基HCG作为耦合器三、总结和展望（1）随着对器件物理的深入研究以及信号处理技术的发展，VCSEL在模式调控、调制速率、能效、高温性能等方面取得了显著进展。人们报道了多种器件结构实现单模VCSEL，单模VCSEL可以在2.2 km距离下实现54 Gbps的数据传输。目前单通道VCSEL在OOK格式下的调制速率已经超过了100 Gbps，在25 ℃下能效接近50 fJ/bit，在115 ℃下可以实现30 Gbps的无误码传输。（2）新材料、新结构和新技术的引入有望进一步提高VCSEL的速率、能效、温度稳定性和模式性能等。散热是VCSEL面临的一个重要问题，热效应影响VCSEL的速率、能效、传输距离等性能以及其应用，需要从芯片结构以及封装方式等方面优化。为了满足未来片上光互连，VCSEL需和平面光子芯片有机集成，需要深入研究器件尺寸、能效、和速度之间的关系，实现高密度（Tbps/cm2及以上）、大容量（Tbps及以上）和低功耗（能效小于10 fJ/bit甚至1 fJ/bit）光子集成芯片。（3）近年来VCSEL已广泛用于3D传感、激光雷达、工业加工等领域，这些应用通常需要VCSEL阵列，对功率以及功率密度、转化效率、光束形貌等性能要求较高。 VCSEL阵列通常工作在脉冲条件下，脉冲输出功率可达百kW级，功率密度为kW/cm2级，电光转化效率超过了50%。为了实现更高性能的VCSEL阵列，需要在器件物理、外延结构、器件结构、制造封装、驱动电路等各层次研究和优化，解决损耗、热效应、寄生效应等问题。作者简介：刘安金，中国科学院半导体研究所研究员，博士生导师，德国“洪堡”学者，中国科学院大学岗位教授。研究方向包括：垂直腔面发射激光器、新型半导体激光器、微纳光子器件、光子集成。已在Photonics Research、Applied Physics Letters、Optics Letters、Optics Express等期刊和国际会议上发表SCI/EI论文70多篇，拥有第1发明人授权美国专利1项，拥有授权中国专利13项。任Photonics Research、Applied Physics Letters、Optics Letters、Optics Express等国内外主流期刊的审稿人，波兰国家科学中心、科技部、国家自然科学基金委等项目评审专家。获得中国科学院“朱李月华”优秀博士生奖学金、中国科学院院长特别奖、中国科学院优秀博士论文、北京市科学技术奖二等奖、德国“洪堡”学者、中国光学工程学会创新技术奖一等奖、国家技术发明奖二等奖等奖项/荣誉。; 个人分类: 科研随想|8121 次阅读|0 个评论

[转载]PCM/PPM 调制方式: kinglandom 2012-6-15 15:45; http://www.amobbs.com/thread-979903-1-1.html PCM （ Pulse Code Modulation---- 脉码调制录音 ) 。所谓 PCM 录音就是将声音等模拟信号变成符号化的脉冲列，再予以记录。 PCM 信号是由、等符号构成的数字信号。与模拟信号比，它不易受传送系统的杂波及失真的影响。动态范围宽，可得到音质相当好的影响效果。 PCM 轨迹与视频轨迹不同，故也可用于后期录音。但在 Hi8 的摄像机中要实现 PCM ，必须通过其他的专业器材，仅靠摄像机是无法达到该效果的。 PPM （ pulse position modulation) 。 PPM 调制是一种时间调制，它由 Time Domain 公司在 20 世纪 80 年代末提出。在这种调制方式中，数据被高速传输（每秒传输几百万到上千万个脉冲）。然而，这些脉冲并不是均匀分布在时间轴上，而是以随机或伪随机间隔隔开 PCM 的优点： 1 高可靠性和高抗干扰性。大家知道，一般 PPM 遥控设备都要求在操作时先开发射机后开接收机，先关接收机后关发射机。其原因是在没有发射信号时，接受机会因自身内部的噪音或外界的干扰产生误动作；即使是带静噪电路的接受机，在有同频干扰的情况下也会出现误动作。而采用了 PCM 编解码方式，在程序设计中包含了多种信号校验功能，即使在发射机关机、只开接收机的情况下，也不会产生误动作。因此，当每次发射机定时关机后，接收机仍可处于开机待命状态，避免了频繁开关接收机的麻烦。 2 无信号自动回中功能：如不预置接收机输出状态，接收机在无信号后约 2 秒种自动回中。 PPM 和 PCM 的工作原理：前面提到了 PPM 和 PCM 编解码技术，那么，究竟什么是 PPM 和 PCM 呢？两者又有什么区别呢？ PCM 是英文 pulse-code modulation 的缩写，中文的意思是：脉冲编码调制，又称脉码调制。 PPM 是英文 pulse position modulation 的缩写，中文意思是：脉冲位置调制，又称脉位调制，这里顺便提一句，有些航模爱好者误将 PPM 编码说成是 FM ，其实这是两个不同的概念。前者指的是信号脉冲的编码方式，后者指的是高频电路的调制方式。比例遥控发射电路的工作原理如图 1 所示。操作通过操纵发射机上的手柄，将电位器组值的变化信息送人编码电路。编码电路将其转换成一组脉冲编码信号（ PPM 或 PCM ）。这组脉冲编码信号经过高频调制电路（ AM 或 FM ）调制后，再经高放电路发送出去。目前，比例遥控设备中最常用的两种脉冲编码方式就是 PPM 和 PCM ：最常用的两种高频调制方式是 FM 调频和 AM 调幅：最常见的组合为 PPM/AM 脉位调制编码 / 调幅、 PPM/FM 脉位调制编码 / 调频、 PPM/FM 脉冲调只编码 / 调频三种形式。通常的 PPM 接收解码电路都由通用的数字集成电路组成，如 CD4013 ， CD4015 等。对于这类电路来说，只要输入脉冲的上升沿达到一定的高度，都可以使其翻转。这样，一旦输入脉冲中含有干扰脉冲，就会造成输出混乱。由于干扰脉冲的数量和位置是随机的，因此在接收机输出端产生的效果就是 “ 抖舵 ” 。除此之外，因电位器接触不好而造成编码波形的畸变等原因，也会影响接收效果，造成 “ 抖舵 ” 。对于窄小的干扰脉冲，一般的 PPM 电路可以采用滤波的方式消除；而对于较宽的干扰脉冲，滤波电路就无能为力了。这就是为什么普通的 PPM 比例遥控设备，在强干扰的环境下或超出控制范围时会产生误动作的原因。尤其是在有同频干扰的情况下，模型往往会完全失控。 PPM 的编解码方式一般是使用积分电路来实现的，而 PCM 编解码则是用模 / 数（ A/D ）和数 / 模（ D/A ）转技术实现的。首先，编码电路中模 / 数转换部分将电位器产生的模拟信息转换成一组数字脉冲信号。由于每个通道都由 8 个脉冲组成，再加上同步脉冲和校核脉冲，因此每个脉冲包含了数十个脉冲信号。在这里，每一个通道都是由 8 个信号脉冲组成。其脉冲个数永远不变，只是脉冲的宽度不同。宽脉冲代表 “1” ，窄脉冲代表 “0” 。这样每个通道的脉冲就可用 8 位二进制数据来表示，共有 256 种变化。接收机解码电路中的单片机（单片计算机，下同）收到这种数字编码信号后，再经过数 / 模转换，将数字信号还原成模拟信号。由于在空中传播的是数字信号，其中包含的信号只代表两种宽度。这样，如果在此种编码脉冲传送过程中产生了干扰脉冲，解码电路中的单片机就会自动将与 “0” 或 “1” 脉冲宽度不相同的干扰脉冲自动清除。如果干扰脉冲与 “0” 或 “1” 脉冲的宽度相似或干脆将 “0” 脉冲干扰加宽成 “1” 脉冲，解码电路的单片机也可以通过计数功能或检验校核码的方式，将其滤除或不予输出。而因电位器接触不良对编码电路造成的影响 , 也已由编码电路中的单片机将其剔除 , 这样就消除了各种干扰造成误动作的可能。 PCM 编码的优点不仅在于其很强的抗干扰性，而且可以很方便的利用计算机编程，不增加或少增加成本，实现各种智能化设计。例如，将来的比例遥控设备完成可以采用个性化设计，在编解码电路中加上地址码，实现真正意义上的一对一控制。另外，如果在发射机上加装开关，通过计算机编程，将每个通道的 256 种变化分别发送出来；接收机接收后，再经计算机解码后变成 256 路开关输出。这样，一路 PCM 编码信号就可变成 256 路开关信号。而且，这种开关电路的抗干扰能力相当强，控制精度相当高。从上述可以看出， PCM 编码与 PPM 编码方式相比，具有很大的优越性。虽然以往将这两种编码方式都说成是数子比例遥控设备，但从严格意义上说，只有 PCM 编码才称得上真正的数字比例遥控。值得指出的是：各个厂家生产的不同型号的 PCM 比例遥控设备，其编码方式都不相同。因此，同样是 PCM 设备，只要是不同厂家生产的，即使是相同频率，也不会产生互相干扰，而只会影响控制距离。在很多航模爱好者心目中， PCM 比例遥控设备都是昂贵的高档产品，可望不可及。造成这种现象主要有两种原因，一方面是前些年单片机的价格很高，功能还不够强大；另一方面是进口的 PCM 比例遥控设备设计的功能很多，造成成本偏高。; 个人分类: 理论探索|5131 次阅读|0 个评论

调制器中调相器的简单小结: williammilo 2010-2-1 21:43; 我的博客已经搬家到 xiongbox.com 欢迎访问熊伟博士的网站！本文永久链接 http://xiongbox.com/调制器中调相器/ 1. 调相器是使受调波的相位随调制信号而变化的电路。正弦波调相器分直接调相和间接调相两类。前一种方法利用调制信号直接改变谐振回路的参数，使载波（受调波）信号通过回路时产生相移而形成调相波。间接调相法先对受调波进行调幅，再转变为调相。 2.间接调相的特点是频率稳定度高，但调相指数不能太大，否则失真严重。这种电路常用于调频广播发射机。 3.变容二极管调相器是一种直接调相电路。单谐振回路调相器的相移不能太大，否则，调相特性不好，寄生调幅也较大。为了增加相移，可采用多级耦合的变容管调相回路。; 个人分类: 电子信息工程与计算机科学|3083 次阅读|0 个评论

调制器中调频器的简单小结: williammilo 2010-2-1 21:07; 我的博客已经搬家到 xiongbox.com 欢迎访问熊伟博士的网站！本文永久链接 http://xiongbox.com/调制器中调频器/ 1.调频器是使受调波的瞬时频率随调制信号而变化的电路。调频器广泛用于调频广播、电视伴音、微波通信、锁相电路和扫频仪等电子设备。对调频器的基本要求是调频频移大，调频特性好，寄生调幅小。 2.调频器分为直接调频和间接调频两类。后一种用积分电路对调制信号积分，使其输出幅度与调制角频率成反比，再对调相器进行调相，这时调相器的输出就是所需的调频信号。间接调频的优点是载波频率比较稳定，但电路较为复杂，频移小，且寄生调幅较大，通常需要多次倍频使频移增加。间接调频的调频器不受直流电压调制，故不能用在锁相环和自动频率控制环路中。 3.直接调频的工作原理是用调制信号直接控制自激振荡器的电路参数或工作状态，使其振荡频率受到调制，变容二极管调频、电抗管调频和张弛调频振荡器等属于这一类。在微波波段常用速调管作为调频器件。 4.电抗管调频器的缺点是：振荡频率稳定度不高；频移也不能太大。利用其他型式的张弛振荡器也可以构成调频电路，这种电路不采用电感，容易集成化。 5. 调频多谐振荡器这种调频电路比较简单，频移大，调制线性较好，而且几乎没有寄生调幅；但是输出是矩形波，含有丰富的谐波分量，须用低通滤波器加以滤除才能获得正弦波调频信号。这种电路的缺点是频率稳定性较差，振荡频率也较低。常用于以音频为载波的低速数据传输设备。; 个人分类: 电子信息工程与计算机科学|2771 次阅读|0 个评论

调制器中调幅器的简单小结: williammilo 2010-2-1 20:40; 我的博客已经搬家到 xiongbox.com 欢迎访问熊伟博士的网站！本文永久链接 http://xiongbox.com/调制器中调幅器/ 1.简单的说调幅器就是使受调波的幅度随调制信号而变化的电路。调幅器输出信号幅度与调制信号瞬时值的关系曲线叫作调幅特性。理想的调幅特性应是直线，否则便会产生失真。用于大功率广播或通信发射机的调幅器，还要求有足够大的输出功率和较高的效率。 2. 调幅器主要由非线性器件和选择性电路构成。非线性器件实现频率变换，产生边带和谐波分量；选择性电路用来选出所需的频率分量并滤掉其他成分，如高次谐波等。常用的非线性器件有晶体二极管、晶体管、场效应晶体管和电子管等。选择性电路大多用谐振回路或带通滤波器。 3.按照电平的高低，调幅器可分为高电平调幅和低电平调幅。大功率调幅发射机多采用高电平调幅器。这种调幅器输出功率大，效率高。载波电话机和各种电子仪器多采用低电平调幅器。它们对输出功率和效率要求不高，可以选用调幅特性较好的电路。 4. 晶体管调幅器有集电极调幅、基极调幅和发射极调幅三种基本电路。常用于中小功率发射机和信号发生器等电子设备。集电极调幅是高电平调幅，它的调幅特性较好，输出功率大。为了得到高的效率，晶体管应工作在乙类或丙类状态。这种电路的缺点是调制信号□必须有较大的推动功率，调幅度也不能太大，否则会产生较大的失真。 5.把调制信号和载波同时接在基极电路的调幅器叫作基极调幅。这种电路所需的调制功率较小，但调幅特性较差，效率也较低。采用集电极－发射极双重调幅或两级集电极调幅等方法，可以改善调幅特性。 6.环形调幅器电路简单，调幅线性好，　但要求各二极管和变压器严格对称，否则，变压器初级线圈中的载波分量不能完全抵消，输出信号中仍有载波成分，称为载漏。 7.随着集成技术的发展，集成差分放大式平衡调幅器的应用日益广泛。这种电路不用变压器，体积小，稳定性能也较高。单边带通信、多路载波电话和数字通信等系统广泛采用环形调幅电路。; 个人分类: 电子信息工程与计算机科学|4199 次阅读|0 个评论

基本电路的总结（3）-调制器小结: williammilo 2010-2-1 12:13; 我的博客已经搬家到 xiongbox.com 欢迎访问熊伟博士的网站！本文永久链接 http://xiongbox.com/基本电路的总结3-调制器小结/ 1.调制是使消息载体的某些特性随消息变化的过程。调制的作用是把消息置入消息载体，便于传输或处理。调制是各种通信系统的重要基础，也广泛用于广播、电视、雷达、测量仪等电子设备。在通信系统中为了适应不同的信道情况（如数字信道或模拟信道、单路信道或多路信道等），常常要在发信端对原始信号进行调制，得到便于信道传输的信号，然后在收信端完成调制的逆过程──解调，还原出原始信号。 2.受调信号可以是正弦波或脉冲波，所欲传送的消息可以是话音、图像或其他物理量，也可以是数据、电报和编码等信号。前者是模拟信号，后者是数字信号。 3.调制是一种非线性过程。载波被调制后产生新的频率分量，通常它们分布在载频的两边，占有一定的频带，分别叫做上边带和下边带。这些新频率分量与调制信号有关，是携带着消息的有用信号。调制的目的是实现频谱搬移，即把欲传送消息的频谱，变换到载波附近的频带，使消息更便于传输或处理。 4.调制的主要性能指标是频谱宽度和抗干扰性。这是一对矛盾。调制方式不同，这些指标也不一样。一般说，调制频谱越宽，抗干扰性能越好；反之，抗干扰性能较差。调制的另一重要性能指标是调制失真。总的说来，数字调制比模拟调制具有更强的抗调制失真的能力。; 个人分类: 电子信息工程与计算机科学|2405 次阅读|0 个评论

数字通信介绍（1）调制: 热度 2 fouyang 2009-10-10 08:05; 【进入二十一世纪以来，“因特网”已经和水，电一样，成了我们生活，工作和娱乐不可或缺的一部分。而对于用户来说，要“上网”，就需要有一个传输信息的“管道”。而数字通信就是这样的管道。就象水管，电线一样，我们通常都不需要想到“数字通信”这个管道，而只是关注其中的信息流。但是作为一项工程技术，数字通信中有很多有趣的概念和发现。作为用户，也需要了解一些常用名词背后的意义。本文试图尽量不用专业词汇和数学公式来介绍数字通信的基本概念和技术，希望对大学程度非电子工程专业的读者有所帮助。为了简洁起见，其中有些叙述不很严格，请行家们见谅。数字通信的媒介包括光纤，有线和无线。本文讨论以无线通信为重点，不包括光纤技术。】用过收音机的人都知道，无线电台有两类：调幅（AM）和调频（FM）。这两个名词是指两种调制的方法。我们都知道，声音的频率是在20赫兹到20千赫兹之间。（赫兹就是信号每秒振荡的次数。）电台并不是直接把代表声音的电信号（称为基频）发射出去，而是把声音信号“加载”到更高频率的电波上再发射。这个高频电波在被“加载”以前叫做载波，被加载以后叫做载频信号。加载的过程就叫做调制。在美国，通常调幅广播用中波频段（520千赫到1610千赫）。调频广播用甚高频频段（87.5兆赫到108兆赫），其他国家略有不同。用载频发射有两个好处。第一，高频率信号的发射效率高，需要的发射和接收天线尺寸也小。第二，通过使用不同的载频频率，很多电台可以同时发射而不会相互干扰。调幅就是用信号幅度来代表声音信号。随着基频信号（比如声音）电压的大小，载频信号的增幅也跟着变化。调频是用信号频率来代表声音信号。随着基频信号电压的变化，载频信号的频率在其中心值的上下变动。下面的图示意两种调制方式。我们可以看到，在基频信号的值最低的时候（例如曲线的正中间），调幅信号的振动幅度变得最小，调频信号的频率变得最小（相邻的波峰之间距离最大）。调制后的载频信号的频率不再是单一的，而是有一个范围，称作频宽。例如，如果一个载频信号的频率是800千赫，频宽是10千赫，那么在795千赫到805千赫之间都有它的信号。为了避免相互干扰，另一个同样频宽的载频信号的频率就必须低于790千赫，或高于810千赫。可见，频宽决定了在给定频率范围内可以容纳多少电台同时发射。例如，在中波范围内（520千赫到1610千赫），可以容纳99个频宽为10千赫的电台。如果频宽为20千赫，那就只能容纳49个电台了。以上的调制方式是针对声音的。声音是一个连续的信号，也叫模拟信号。在数字通信中，我们要传送的是离散的数字信号。数字信号可以看成是一个序列，其中每个单元（也称比特，bit）可取值为0或1。为了调制，我们把一定比特的数字放在一起成为一个波特（baud）。例如，如果一个波特有2个比特，那么它可能取的值就有4个（2的平方）。如果有4个比特，那么它的可能值就有16个（2的4次方）。组成为波特的数字信号可以用与以上类似的方法调制。载频的一段时间可以用来调制一个波特。每秒钟所调制的波特数就叫做波特率。对应于调幅和调频，数字调制的相应方式成为幅度移动键控（ASK）和频率移动键控（FSK）。下图表示一个数字调制的例子。第一行的数字是要传送的比特序列。第二行是波特的值（在这个例子中每个波特含有两个比特）。再下面的波形，就是这些比特值通过调幅方式调制到载波上的结果。竖虚线是波特的边界。【注一】数字调制中最重要的参数是传送速率，也就是每秒钟能传送多少比特。显然，传送速率等于波特率和每个波特所含比特数的乘积。如上所述，载频信号的频宽是受限制的，否则各个发射台就会相互干扰。而数学上可以证明（那奎斯特Nyquist定律），波特率不能超过频宽。而每个波特所含的比特数，则是受噪声环境的限制。这是因为当每个波特所含的比特数增加时，它的可能值的数目也增加。这样代表不同数据的信号就会比较接近。例如，假定信号允许的电压值在正负1伏之间。如果每个波特含一个比特，那么可能的值是0或1。这样我们可以用-1伏代表0，用1伏代表1。而假如每波特含两个比特，那么可能的值就是0，1，2，3。我们需要用-1伏，-0.33伏，0.33伏，1伏来代表着四个可能值。这样，如果噪声造成的误差是0.5伏的话，那么在前一种情况不会造成解读的错误（例如把-1V错成了-0.5伏，它仍然代表0）。而在后一种情况则会造成错误（例如把-1V错成了-0.5伏，它就不代表0，而代表1了）。所以，每个波特所含的比特数也是不能随便增加的。以上两个因素合起来，就构成了对于数据传输速率的限制。但不等于每一种调制方式都达到了传送速率的上限。事实上，以上所说的两种方式都没有利用相位这个信息。事实上，相位相差90度的两个信号虽然在同样频率，却不会相互干扰。【注二】所以，我们可以分别调制两个相位相差90度的载波然后把结果相加再发射，从而把数据传送率提高一倍。常用的正交幅度调制（QAM）就是这样一种调制方式。另外，也有单纯用相位来调制的技术，称为相位移动键控（PSK）。然而，传送速率并非选择调制方式的唯一考虑。例如，利用相位的调制方式要求接收器与发射器之间保持更精密的时间同步，对某些系统来说并非最佳选择。又如，在低功耗的通信系统上，使用幅度不变，只调制相位PSK更有利，虽然其速率并非最佳。无线通信的一个基本问题是众多的用户如何分享有限的频率范围。上面谈到的，是每个用户使用不同的频段，从而避免干扰。这也称为頻分多址（FDMA）。另一种方式是时分多址（TDMA），也就是多个用户使用同样的频率，但在不同的时段内轮流发射，避免相互干扰。另一种更复杂的共享方式称为码分多址（CDMA）。它是让不同用户发射的信号中带上不同的编码，接受器就能把它们分开。比方说，在同一间房间里如果有几个人嗓音相同的人同时说话，听的人就不能知道哪个字出于谁之口，而不能了解任何人所说的内容。但是如果他们说的是中文，英文等不同语言，听的人虽然还是会感到受干扰，却有可能从中辨出要听的内容。下面举一个码分多址的简单例子。如下图所示，假定用户数据是5个比特的序列（0，1，0，0，1）。在发射器（上图）中，用五个波特来调制这个数据：0 对应于电压0，1对应于电压V。竖虚线表示波特之间的分界。我们把这个数据加上两个不同的编码：码A和码B，每个码的时间长度是一个波特。码A就是一个常数1。码B前半部分是1，后半部分是-1 。编码的过程，就是把用户数据的每个波特与相应的码相乘，得到信号A与信号B。在接受器（中图和下图）中，把收到的信号再与相应的码相乘并在波特时间内积分。我们可以看到，如果发射和接受两边的码相同，就能复原用户信号。否则，就得到零。如果有两个用户分别用码A和码B来编码，他们发射的信号在空间相加后到达接收器。而接收器A和B只收到相应的用户数据，而不受另一路的干扰。如果使用更复杂的码，就能支持更多的用户同时发射。【注三】另一种时髦的调制方式称为正交頻分复用（OFDM）。这个名字很拗口，但其实很简单。它就是把一定频宽的频道分成很多频宽很小的“分频道”，在每个“分频道”中传送独立的数据流。当然，具体实施中还有很多数学细节，但基本想法无过与此。【注四】使用正交頻分复用的好处，在以后再介绍。以上介绍了数字通信中调制的基本原理和调制的基本手段。总结来说，无线电信号具有振幅，频率和相位三个参数。这三个参数可以独立或联合地表达要传输的用户数据，这就是调制。调制的基本时间单位是波特，一个波特可以含有一个或多个比特。传输速率是波特率与每波特所含比特数的乘积。波特率受频宽的限制，而每波特所含比特数受噪声的限制。除了基本的调制方法以外，现代通信还使用更复杂一些的方法，如码分多址，正交频复用等。【注五】第三代手机系统基本上是用码分多址的方法。这种方法对于语音通信和移动通信有特别的好处。而我们在家里无线上网用的无线局域网（WLAN）。主要采用正交频复用（OFDM）的方法。另外，尚在开发中的微波存取全球互通（WiMax）是和手机系统一样远程连接的无线网络。它也是主要用OFDM。以后再听到这些名词，你就不会觉得像是外星语言了吧？【注一】为了便于说明，这里的调制方法没有严格按照ASK的规定。【注二】在数学上，我们可以如此理解：两个相位相差90度的信号可以表达为一个正弦波和一个余弦波。如果我们要接收前者，可以把收到的信号乘以正弦函数。如果收到的是正弦波，相乘后会得到一个不随时间变的部分（也就是直流分量），和一个两倍于原频率的分量。而如果收到的是余弦，则只有一个两倍于原频率的分量而直流分量为零。通过低通滤波，就可以只选取那个直流分量，而排除了余弦波的那部分信号。同样，如果要接受余弦的部分，可以把收到的信号乘以余弦函数。【注三】细心的读者会注意到，在这个例子中，加上编码后，信号在波特中间可能发生变化，相当于原来一个波特变成了两个波特。所以，这样的信号需要的频宽也就加倍了。可见，码分多址虽然能允许多个用户同时使用一个频率范围，但是单位频宽所容纳的用户并没有增加。【注四】在通常的分频道传输（如广播电台）方式中，电台发射的能量并不是完全在频宽以内，而是有一个逐渐衰减的范围。所以频道之间需要留出一些“保护带（guard band）”，才能避免相互干扰。而在OFDM方式，相邻分频道之间没有相互干扰（即“正交”），所以不需要留出保护带。【注五】其实码分多址（CDMA）和正交频复用（OFDM）是建筑在基本调制方法之上的另一重调制。码分多址中，编码可以在基本调制以前（对数据流）进行，也可以在基本调制以后（对波特信号）进行。在正交频复用中，每个分频道还是要用基本调制方法加上数据。通常是用正交幅度调制（QAM）。; 个人分类: 学海无涯|11328 次阅读|17 个评论

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