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SSB 單邊帶

另一種高效率通話方式

No.15   1994 Mar.   p81~87, by 唐仲誼 / BA4AC


「單邊帶」,不同於 AM、FM 的另一種無線電通話方式,亦即俗稱的 "SSB" Single Side Band;它的歷史並不長,但一發明之後,立刻挾其高效率的特點,席捲業餘界……


單邊帶的歷史

    1915 年,美國人卡森 (Jr Carson) 發明了單邊帶 (Single Side Band);由於當時技 術條件的限制,遲到 1936 年後,單邊帶通信才逐漸成熟。

    嗣后 11 年間,經過不少業餘者探索鑽研,1947 年 9 月 21 日, W6QYT Oswald G. Villard 以 W6YX 呼號,用單邊帶在 75 米波段與 W6VGD 進行工作,普遍引起了對單 邊帶的關心。

    同年 I0 月 9 日,W6YX 又開放了 20 米波段,同 W6NWF 聯絡;而當 W6TQK Art Nicbole 在單邊帶上聽到 W6YX 電台才一星期之後,也同樣製出業餘 20 米設備,與 W6YX 聯絡,當時許多有興趣的業餘無線電愛好者正在收聽,並奇怪地發現一般的短波 接收機也能夠抄下單邊帶的信號。

    然而這並不是第一次業餘單邊帶的操作。回溯 1933 年,W6DEI Robert Moore 曾建立 和操作過單邊帶發射機,並在美國的 "R" 雜誌上,介紹過這一情況;1934 年間,空中 也許有著半打以上的單邊帶電台。

    基本的單邊帶技術幾乎與普通無線電話一樣陳舊,且早在 30 年代,已經有一些通信公 司在商用的點與點通信業務上,使用了單邊帶。為何業餘無線電這樣慢才利用這極優越 的無線電技術呢?

    答案有幾方面原因;回顧 30 年代早期,對無線電話的需求,並沒有像現在這樣迫切, 一般的接收機都是再生式 (Regeneration),帶有或不帶有高放級線路,而且超外差式 是相當地稀少。

    商用的點對點單邊帶電台使用晶體控制的發射機,接收機也都是盡可能採用單一頻率, 而且技術雜誌上的文章又都說調諧誤差 20 或 30 週是極限。這使多數試圖使用單邊帶 的業餘愛好者感到洩氣,因為業餘無線電是在一個頻段 (Band),而非單一頻率 (Frequency) 中操作,在大部份業餘操作中是要隨時改變頻率的。

    不好吹噓,善於鑽研的業餘無線電愛好者,已在進行提高接收穩定度的工作。到 1947 年已有足夠良好的接收機,用來抄錄 W6YX、W6TQK、和其他電台的信號,而且建立了業 餘單邊帶的實際使用。

    人們還發現,如果不考慮「高傳真度」 (High Fidelity) 業餘無線電話的概念,調諧 誤差可以為 100 或 200 週,而仍然可以抄收,結果在 30 年代感到嚇人的複雜性,現 已變成如此平常,可以不再加以考慮。


單邊帶的特徵

發射機 TRANSMITTER

    無線電傳送話音 (Phone) 或電報 (CW, Continuance Wave),有幾種不同的方法,「單 邊帶」是其中之一。

    在常規廣播、國際短波廣播、和許多移動業務 (陸地、水上、空中),使用的方法是「 幅度調制」 (AM, Amplitude Modulation); 另一種是「頻率調制」 (FM, Frequency Modulation),應用於「高傳真度」的調頻廣播、電視伴音通道,及許多移動業務;單 邊帶是第三種方法,用於長距離商業業務中。所有這些方法在業餘無線電中都有使用。

    調幅和調頻信號的特點是很容易被接收機調諧接收進來,這些接收機比較簡單,製作費 用也較便宜,甚至連小孩也能使用。

    頻率穩定度對這些接收機來講,不是很大問題,但如要調諧進來一個單邊帶傳輸信號, 就需要一定的技巧和理解力。

    因為輕微的調諧誤差,將使信號變成交錯失真 (串話),如果信號使接收機過荷 (Over Load),將導致失真,不論刻度盤置於何處,也無法調諧信號接收進來。

Fig 1     儘管單邊帶調制是在常規調幅基準上發展而來,但要了解其特徵,我們得從常規的調幅 波 (AM) 發射機談起。

    一台短波發射機在啟動後,產生的無線電波,叫做載波或載體 (Carrier);用語音對之 進行調制後,才有無線電話信號發射出去,或振盪等幅載波,通過電鍵控制電路的通斷 ,成為點劃的電報信號發射出去。

    以發送語音信號為例,語音信號佔用頻寬 300~3000Hz,如圖 1a 所示,用它對 14.000MHz 的載波頻率進行調制,所得的已調制波的頻帶如圖 1b 所示。

    圖 1b 中垂直線代表載波,比載波頻率高的信號頻帶 (載波頻率與語音頻率相加),稱 為上邊帶 (Upper Side Band);比載波頻率低的 (與上邊帶對稱,載波頻率與話音頻率 相減),稱為下邊帶 (Lower Side Band)。

    由於調幅波有二個邊帶,俗稱雙邊帶,從圖 1B 的斜率可知:在下邊帶中最低頻率,代 表原話音的最高頻率,而其最高頻率卻代表原話音的最低頻率,此種頻率關係亦稱倒置 頻率。圖 1C 為下邊帶被去掉後的上邊帶波 (單邊帶波)。

Fig 2     有了上述調幅調制波的概念,就可了解單邊帶波是如何形成:顧名思義,單邊帶波就是 把雙邊帶波中的一個邊帶,上邊帶或下邊帶和載波去掉,剩下的就成了單邊帶波,這種 產生單邊帶波的方法稱之為「濾波法」,是產生單邊帶信號最直接的方法,它採用晶體 濾波器來完成。請參考圖 2。

    現設調制信號是一個頻率為 "F" 的音頻信號,載波頻率為 "fc",按照調幅原理,已被 調制的信號包含三個分量,即載波 fc、上邊帶分量 fc+F、下邊帶分量 fc-F。

    調制器為平衡調制器,其輸出的已調制信號中,只包含上下邊帶分量 fc ±F,而原來 的載波分量被平衡掉,或相當地小,濾波器就選出或通過所需要的邊帶信號 (如 fc+F) ,濾除或抑制不需要的邊帶信號 (如 fc-F) 和剩餘的載波。

    為了保證通信質量,防止上下邊帶信號互相竄擾,嚴格要求濾波器應具有陡峭的截止 ( 銳截止) 特性。

    用濾波法產生單邊帶信號,好處是電路結構簡單,易於調整,穩定可靠,但要求濾波器 在通帶內,應具有均勻的電壓傳輸特性,通帶外有足夠大的衰減。

    在技術發展的今天,已有高質量的晶體濾波器,不過價格較昂貴,目前多數單邊帶激勵 器中,都採用濾波法。

    除了濾波法之外,另有「移相法」,其原理是將不需要的邊帶信號,在輸出端平衡掉, 保留所需要的邊帶信號。

    移相法包括二個調制器、二個移相網路、和一個相加或相減網路,從而產生單邊帶信號 。具體結構如圖 3。

    由於對移相法所用的元件要求較高,為了保證設備特性的穩定可靠和單邊帶信號的質量 ,絕大多數機器還是採用濾波法。

Fig 3


接收機 RECEIVER

    單邊帶與調幅制,在電路組成方面,除高放、混頻、本地振盪、低頻放大部份相同外, 另有乘積檢波器 (解調器)、分路濾波器、載波重置系統和 AFC 自動頻率控制 (Automatic Frcquency Control);AGC 自動增益控制 (Automatic Gain Control) 也 不盡相同。較為突出,應予搞清的是乘積檢波器 (解調器)。

Fig 4

    參考圖 4,調幅與單邊帶收信機:

    (1)調幅採用包絡檢波器,通過二級管單向導通作用,把調幅波的包絡檢取下來,即還 原出語音。

    (2)單邊帶並不含載波分量,其語音與原語音信號完全不同;需將此單邊帶信號,與一 個頻率和發信載波頻率完全相同的本地重置載波,通過解調器的「乘積」作用,把 語音信息恢復出來。

    參考圖 5,接收頻率範圍為 3 ~ 30MHz,第一中頻為 1.6MHz,第一本地振盪頻率比接 收頻率高 1.6MHz,收本地振盪頻率在 4.6~31.6MHz 範圍內可調;第二中頻為 100KHz ,故第二本地振盪頻率為 1.7MHz;第三本地振盪頻率即為檢波器所需的本地重置載頻 ,為 100KHz。

Fig 5

    現按信號傳輸過程,介紹各組成部份的作用:假設輸入信號是標稱頻率為 fc 的單邊帶 語音信號,假定為上邊帶,其頻譜為 fc+(0.3-2.7KHz)。

    信號經高頻調諧放大器放大,並對帶外干擾衰減一定量後,加到混頻器 1,在混頻器 1 與第一本地振盪器送來的本地振盪電壓相混;此時,第一本地振盪頻率,必須置於 fc=fc+1.6MHz,混頻器 1 輸出差頻 (即 fo1-fc) 成為 1597.3~ 1599.7KHz。

    為了增強收信機選擇性,優質機器經常在混頻器 1 之後,接入一晶體濾波器,其頻帶 寬度只比單邊帶寬一點,以抑制帶外干擾;亦稱保護濾波器。

    信號經濾波器之後,經第一中頻放大器放大,加到第二混頻器,與第二本地振盪送來的 頻率 fo2 (1.7MHz) 電壓相混。

    在其輸出信號中,除所需的差頻信號 (100.3-102.7KHz) 外,還有許多組合頻率的信號 ,此時須經過一邊帶濾波器 (分路濾波器),將此 (上) 邊帶信號濾出,同時,濾波 器再一次濾除帶外干擾和外來信號的載波。

    所濾的第二中頻信號,再經邊帶放大器,放大到一定的電平後,送入解調器。該解調器 不同於調幅接收機中的包絡檢波器,這是由於單邊帶信號,不包含載波分量的緣故。

    它的包絡與原語音信號完全不同,故必須使用專門解調 (檢出)單邊帶信號的乘積檢波 器 (解調器)。在解調過程中,信號與第三本地振盪送來的「重置載波」 fc3 (100KHz) 信號相乘之後,才恢複出 300~ 2700Hz 的原語音信號,經過低頻放大器放大後輸出。

    單邊帶信號頻譜,在接收機中的搬移過程如圖 5,其搬移方向是從高頻到低頻,其導向 與發射機正好相反。

    如果另外插入一個下邊帶單元 (虛線框內所示),就成為一部可以接收上邊帶或下邊帶 的接收機。插入的下邊帶單元,除採用下邊帶濾波器外,其電路結構、原件數值,均與 上邊帶的相同。


收發信機 TRANSCEIVER

    電台在採用單邊帶聯絡時,一般習慣是用相同頻率來發送,這個客觀上的需要性是容易 被理解的,因為當輪到下一個電台對話時,只需重新調整接收機。

    如果一個電台呼叫 CQ,願意回答的電台操作員,首先將其發射機「零拍」 (Zero In) ,對準在相同的頻率上回答,即將其發射頻率與進入的信號零拍。因為呼叫的一方,將 在那個頻率上收聽,其他後來可能插入 (Break In) 的電台,也將照同樣方式去做。這 就使收發型的設備得到了發展。

    在 30 及 40 年代,都是發射與接收分開的機器,發射與接收之頻率亦錯開,以便於雙 工制通信。由於收、發組合在一起,故對發射和接收部分,使用同一頻率控制元件,發 射和接收的頻率是自動地相同的,並且單邊帶產生電路,也為接收提供了選擇元件,這 就可以節省零件和體積,以及生產成本。

    許多商品收發信機,為發射和接收只提供可使用的邊帶中的幾個,因為內含的邊帶選擇 電路多了之後,會增加產品成本,由於此原因,業餘收發信機多數僅提供業餘波段的電 路,但也有少數機器是有從 1.6 ~ 30MHz 短波全波段的,1.8、3.5 和 7MHz 波段部署 在下邊帶 (LSB);10、14、21、28MHz 波段則部署在上邊帶 (USB)。


單邊帶通信的優點

    單邊帶發信機輸出功率的效率高,其有效高頻輸出,為同等功率的調幅發信機的三倍; 如調幅發信機的調制度為 100%,即 M=1,則載波同下邊帶之間的電壓振幅比為 1 : 1/2 : 1/2,功率比是 1 : 1/4 : 1/4;因此,它們的發射功率比為 1.5 : 0.5,亦即 3:1 (4.77dB)。

    因此,一台 1.5KW 的調幅發信機的輸出有效功率,與 500W 的單邊帶發信機的有效輸 出功率相同,亦即二者效果相同。

    目前大家使用中的 SSB 100W 機器,其輸出有效功率等於一台 300W 的調幅發信機。美 國同好常用 500W~1.5KW,達到調幅機的 1.5KW~3KW 效果,故能輕易進行全球 DX 通信。

    除輸出有效功率高外,單邊帶發射的頻寬 (Band Width) 也較窄,僅 3KHz;而在調幅 發射的頻寬,則高達 6KHz,故如將調幅制電路改成單邊帶後,則在同樣的頻段內,容 納的頻道數目,可以增加一倍,有效地節省了寶貴的頻率資源;同時,在頻道數相同的 情況下,由於單邊帶間隔大,受鄰台的干擾程度,也可相對減少一半。

    此外,單邊帶發射機的功率小,不存在強大的載波干擾,可減少對鄰台的干擾強度;同 時,在無線電話電路中,講話的時間是斷斷續續的,聲音也時大時小,其調幅度並非百 分之百。

    以語音信號的平均功率計算,其實際邊帶平均功率比,估計約為 10.5 : 0.5,即 21:1 (13dB),可見單邊帶比調幅節省了很多功率,有利於節約電能。

    在收信方面,由於單邊帶收信機的頻寬比調幅機的小一半,故接收進來的噪聲功率也減 少一半。在短波遠距離通信中,信號衰落 (Fading, QSB) 最令人頭痛。

    造成衰落的原因,是因同一信號經天空或海面反射,再經不同的路徑,成為二或多個電 波,到達接收端的天線時,產生各種相位差;在天線上感應出來的信號,大量相加後, 造成總信號強度增加 (相位相同時)、或相減而減弱 (180°相位相反時)。

    信號衰落有二種情況,信號各頻率分量同時衰落,稱為平坦衰落,不同時的稱為選擇性 衰落;後者對單邊帶話音質量的影響不大,因為盡管語音中某些分量是消失了,但對語 音的清晰度影響並不大,但在載波衰落時,輸出語音的基波分量會急劇減弱,而諧波失 真分量卻逐漸增加,造成輸出信號嚴重失真,影響通信。

    由於單邊帶設備功率小,使電源消耗和設備體積也相應減小,利於機動、靈活、隱蔽使 用等優點,同時它並不發射載波,故其發信輸出末級功率放大槽路、天線饋線、匹配器 ,以及發射天線等單元的耐壓要求,可以降低到調幅制機器的 35% 以下,適用於做飛 機上的通信設備,和業餘台的建立。

    又由於它不發射載波,可多個電台共用一個頻率,與主台或各台相互通話,也即常進行 的網路 (Net) 通信,開無線電話圓桌會議 (如每星期日 02:00 在 14.288MHz 有 Pacific Asia Net)。

    但在調幅制,即使沒有人發言,而各台的載波仍然存在,這些載波很難做到絕對相同, 於是必然產生差拍嘯叫聲,使網路無法進行。

    根據遠距離通信實際使用效果證明,同一電路如使用單邊帶機後,可比使用調幅機所需 要的發信功率少 12~16dB,對在近距離通信中,至少也有 9dB 的增益,無怪乎目前常 有用一台 10W 小功率 (QRP) 收發信機,可以進行遠距離洲際通信,不過還是要在電波 傳輸 (Propagation) 狀況好時,才能進行。

    但是,單邊帶收發信機在製作中,對電路結構要求很高,如平衡調制器、變頻器、放大 器等各級的非線性失真,要非常小,要有良好特性的濾波器,振盪器應有極高的頻率準 確度和穩定度等,在日常使用和維護上也要求較高。

    隨著電子技術的進步,現代單邊帶收發信機使用集成電路,已很普遍。70 年代的機器 在末級高頻功放級,還使用電子管,如 100W 的機器常由一只電子管 (如 l2BY7A),推 動二只並聯末級功放管 (如 6146)。

    80 年代起,由於大功率晶體功放管的出現,機器全晶體化,收信部份的集成塊,可占 全機器件的 90%。因此,在設備技術維護要求也較高。

    在日常發信過程中,應隨時注意末級功放晶體管的散熱裝置,即機器後端的散熱風扇, 是否正常運轉,以防散熱失效,損壞功放管。

    更應注意的是,在發信過程中,應隨時注意天線回路的駐波比表,應置在反射檔 (REF) ,不時查看是否保持低刻度指示,用以驗證電波是否正常地通過饋電線,由天線向天空 發射;如果發現駐波比表指示在高刻度時,則說明機器末級與饋電線和天線間,有嚴重 失調,或甚至開路。

    如此情況,即應迅速關機,進行檢查故障所在,以免昂貴的末級功放晶體管,因失去正 常負荷,過度發熱而燒毀。 END



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