了解一種經(jīng)典的調(diào)幅（AM）技術(shù)，這種技術(shù)已在語音傳輸中使用了近一個世紀。到目前為止，在這個系列中，我們已經(jīng)探討了兩種調(diào)幅（AM）方法：

• 雙邊帶抑制載波（DSB-SC）

• 常規(guī)調(diào)幅（AM）

這些技術(shù)會傳輸消息信號的上邊帶和下邊帶。例如，圖1展示了一個典型的DSB-SC輸出頻譜。

圖1. 基帶消息信號的頻譜（a）和DSB-SC信號的頻譜（b）。上邊帶和下邊帶分別用USB和LSB表示

因為調(diào)制信號包含上下兩個邊帶，所以它占用的帶寬是消息信號的兩倍。

為了更高效地利用帶寬，單邊帶（SSB）調(diào)制會消除上邊帶或下邊帶中的一個。和DSB-SC一樣，這種調(diào)幅方式也會抑制載波。因此，它有時也被稱為SSB-SC調(diào)制。

SSB調(diào)制的主要優(yōu)勢在于，它只需要雙倍邊帶（DSB）調(diào)制一半的帶寬。由于SSB信號占用的帶寬更窄，信號中的噪聲量也會減少。對于SSB接收器來說，截獲的噪聲帶寬等于消息信號的帶寬。然而，DSB接收器會截獲兩倍信號帶寬的噪聲。

這種截獲噪聲帶寬的差異會影響可實現(xiàn)的信噪比（SNR），使得在相同信號功率下，SSB更加節(jié)能。當(dāng)信號功率相同時，DSB信號的有效信噪比是SSB的一半。

在接下來的幾篇文章中，我們將討論三種成熟的生成SSB信號的方法：

• 濾波法

• 相位法

• 韋弗法（有時也被稱為第三種方法）

本文將介紹濾波法，這種方法包括生成一個DSB-SC信號，然后濾除不需要的邊帶。對于低頻成分較少的消息信號，濾波法尤其有吸引力。由于低于大約300赫茲的頻率對語音信號的可理解性并不重要，因此它常用于語音傳輸。

基本的濾波法

圖2展示了生成SSB信號的最簡單方法。請注意，乘法器可以用平衡調(diào)制器來實現(xiàn)。

圖2. 通過使用帶通濾波器僅保留所需的邊帶來生成SSB信號。

乘法器產(chǎn)生一個DSB-SC信號，隨后該信號通過一個高度選擇性的帶通濾波器。濾波器選擇一個邊帶——上邊帶或下邊帶——同時拒絕另一個。圖3(b)顯示了圖3(a)中DSB信號的上邊帶（USB）的理想濾波器響應(yīng)。

圖3. DSB信號的頻譜（a）以及用于生成上邊帶SSB信號的理想濾波器響應(yīng)（b）。

如上所述，濾波器理想情況下應(yīng)在載波頻率（fc）處突然截止。然而，現(xiàn)實中的濾波器無法實現(xiàn)完美的磚墻式選擇性——過渡帶總是不可避免的。因此，一個實際的濾波器可能會抑制一些所需的邊帶，或者允許一些不需要的邊帶通過并進入輸出端。

幸運的是，許多實際信號——包括語音信號——在接近零頻率時能量極小。結(jié)果是，在載波頻率附近，DSB信號頻譜中出現(xiàn)了一個空白區(qū)域，這就是帶通濾波器過渡帶的位置。這在圖4中有所說明。

圖4. 消息信號的頻譜在零頻率附近存在能量空白（a）以及乘法器輸出的DSB-SC信號（b）。

在上圖中，fa是消息信號的最低頻率分量。這導(dǎo)致DSB信號中以fc為中心的能量空白。圖4（b）中的紫色曲線顯示了保留上邊帶所需的濾波器響應(yīng)。

所需的邊帶必須位于濾波器的通帶內(nèi)；不需要的邊帶必須位于濾波器的阻帶內(nèi)。因此，濾波器的過渡帶從fc + fa延伸到fc - fa。換句話說，濾波器的過渡帶寬度為2fa，即消息信號中包含的最低頻率分量的兩倍。

盡管輸入頻譜在零頻率附近的能量空白在一定程度上放寬了邊帶濾波器的要求，我們可能仍然需要使用銳截止濾波器來消除不需要的邊帶。此外，實際濾波器能夠?qū)崿F(xiàn)的過渡區(qū)域取決于截止頻率以及濾波器的階數(shù)。高頻、銳截止濾波器通常需要更高Q值的元件，并且更容易受到元件非理想特性的影響。

為了避開對這些濾波器的需求，我們在濾波過程中增加了一個額外的步驟。我們將在下一節(jié)中討論這一點，以傳輸模擬語音信號為例——這是SSB調(diào)制的主要應(yīng)用之一。

兩步濾波法

在語音傳輸中，信號中存在的最低頻率分量約為30 Hz。然而，為了簡化濾波器的要求，我們通常假設(shè)語音信號的最低頻率為300 Hz。因此，帶通濾波器應(yīng)該有一個600 Hz的過渡帶。

一般來說，實際濾波器能夠?qū)崿F(xiàn)的過渡區(qū)域大約為其截止頻率的1%。根據(jù)這一經(jīng)驗法則，截止頻率約為60 kHz。換句話說，如果濾波器的可用過渡帶為600 Hz，那么邊帶濾波器的考慮因素將限制最大載波頻率約為60 kHz。

當(dāng)載波頻率顯著高于60 kHz時，濾波器設(shè)計變得更加復(fù)雜。圖5說明了我們在這種情況下使用的兩步頻率轉(zhuǎn)換過程。

圖5. 使用中間頻率的兩階段過程生成SSB信號。

首先，我們在一個遠低于目標(biāo)載波（fc）的低中間頻率（fIF）處生成一個DSB-SC信號。在低頻率下更容易實現(xiàn)的銳截止邊帶濾波器被應(yīng)用于DSB信號，以在fIF處創(chuàng)建一個SSB-SC信號。

為了獲得中間頻率濾波器輸出端（圖5中的節(jié)點A）的信號頻譜，我們可以使用圖4（b）的結(jié)果。假設(shè)中間頻率濾波器保留了上邊帶，同時抑制了下邊帶，那么節(jié)點A處得到的SSB信號如圖6所示。

圖6. 中間頻率濾波器輸出端的信號頻譜。

節(jié)點A處的信號可以被視為一個在零頻率附近存在能量空白的消息信號，其能量空白寬度為2fIF + 2fa ≈ 2fIF。這個信號隨后被應(yīng)用于第二階段，用于調(diào)制到所需的載波頻率。由于應(yīng)用于第二乘法器的信號的能量空白增加到了2fIF，因此可以在第二階段使用具有更平緩滾降特性的帶通濾波器。

由于成本低且設(shè)計簡單，晶體濾波器是SSB發(fā)射機的主要選擇。它們還因其高Q值而具有卓越的選擇性。然而，一些設(shè)計會使用陶瓷濾波器或數(shù)字信號處理（DSP）濾波器來代替。

何時不應(yīng)使用SSB調(diào)制

SSB調(diào)制不建議用于數(shù)字數(shù)據(jù)或脈沖傳輸。要理解其中的原因，我們需要了解一些關(guān)于SSB信號的時間表示。SSB信號可以在時域中描述如下：

其中，mh(t)是消息信號m(t)的希爾伯特變換。正號產(chǎn)生下邊帶；負號產(chǎn)生上邊帶。上述方程表明，SSB信號的包絡(luò)由下式給出：

希爾伯特變換的一個眾所周知的特性是，它在消息信號發(fā)生突變的點上會產(chǎn)生尖銳的峰值。一個經(jīng)典的演示這種特性的例子是將方波輸入到希爾伯特變換中。結(jié)果如圖7所示。

圖7. 矩形脈沖（虛線）及其希爾伯特變換（實線）

當(dāng)輸入信號存在階梯式不連續(xù)性時，它會在希爾伯特變換的輸出端產(chǎn)生較大的值。實際電路難以輕松產(chǎn)生希爾伯特變換所需的大幅值峰值，這使得SSB調(diào)制不適合用于脈沖信號和數(shù)字數(shù)據(jù)信號。為了平滑掉不需要的高頻輸入躍變并避免產(chǎn)生大幅值峰值，即使是語音信號，在被應(yīng)用到SSB發(fā)射機之前也可能需要進行低通濾波。

總結(jié)

SSB調(diào)制通過消除一個冗余的邊帶，對DSB調(diào)制進行了改進，將傳輸帶寬減少了一半。然而，生成SSB信號的濾波器方法需要具有極陡峭滾降特性的邊帶濾波器。這在高頻下尤其難以實現(xiàn)。

一般來說，銳截止濾波器在低頻下更有效且更容易設(shè)計。為了利用這一優(yōu)勢，我們首先在中間頻率處生成一個DSB信號，然后對其進行濾波。這種兩步頻率轉(zhuǎn)換過程允許更精確地選擇所需的邊帶。

然而，濾波器方法并不是生成SSB信號的唯一方法——它只是最古老且最直接的方法。在下一篇文章中，我們將討論移相法，該方法消除了對銳截止濾波器的需求。我們還將進一步了解希爾伯特變換。