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1、3.4.1 数字调制概述1934年美国学者李佛西提出脉冲编码调制（PCM）的概念，从此之后通信数字化的时代应该说已经开始了，但是数字通信的高速发展却是20世纪70年代以后才开始的。随着时代的发展，用户不再满足于听到声音，而且还要看到图像；通信终端也不局限于单一的电话机，而且还有传真机和计算机等数据终端。现有的传输媒介电缆、微波中继和卫星通信等将更多地采用数字传输。1数字调制概述数字信号的载波调制是信道编码的一部分，之所以在信源编码和传输通道之间插入信道编码是因为通道及相应的设备对所要传输的数字信号有一定的限制，未经处理的数字信号源不能适应这些限制。由于传输信道的频带资源总是有限的，因此在充分得
2、利用现有资源的前提下，提高传输效率就是通信系统所追求的最重要指标之一。模拟通信很难控制传输效率，最常见到的单边带调幅（SSB）或残留边带调幅（VSB）可以节省近一半的传输频带。由于数字信号只有“0”和“1”两种状态，所以数字调制完全可以理解为像报务员用开关键控制载波的过程，因此数字信号的调制方式一般均为较简单的键控方式。常用的数字调制技术有2ASK（Amplitude Shift Keying，幅移键控）、4ASK、8ASK、BIT/SK（Phase Shift Keying，相移键控）、QPSK、8PSK、2FSK、4FSK等，频带利用率从1bit/s/Hz3bit/s/Hz。更有将幅度与相
3、位联合调制的QAM（Quadrature Amplitude Modulation，正交振幅调制）技术，目前数字微波中广泛使用的256QAM，其频带利用率可达8bit/s/Hz，8倍于2ASK或BIT/SK。此外，还有可采用减小相位跳变的MSK等特殊的调制技术，为某些专门应用环境提供了强大的工具。近年来，四维调制等高维调制技术的研究也得到了迅速发展，并已应用于高速MODEM中，为进一步提高传输效率奠定了基础。总之，数字通信所能够达到的传输效率远远高于模拟通信，调制技术的种类也远远多于模拟通信，大大提高了用户根据实际应用需要选择系统配置的灵活性。2映射 信息与表示、承载它的信号之间存在着对应关系
4、，这种关系称为“映射”。接收端正是根据事先约定的映射关系从接收信号中提取发射端发送的信息的。信息与信号间的映射方式可以有很多种，不同的通信技术就在于它们所采用的映射方式不同。实际上，数字调制的主要目的在于控制传输效率，不同的数字调制技术正是由其映射方式区分的，其性能也是由映射方式决定的。 一个数字调制过程实际上是由两个独立的步骤实现的：映射和调制，这一点与模拟调制不同。映射将多个二元比特转换为一个多元符号，这种多元符号可以是实数信号（在ASK调制中），也可以是二维的复信号（在PSK和QAM调制中）。例如在QPSK调制的映射中，每两比特被转换为一个四进制的符号，对应着调制信号的4种载波。多元符号
5、的元数就等于调制星座的容量。在这种多到一的转换过程中，实现了频带压缩。3.4.2 调制方式数字调制就是将数字符号变成适合于信道传输的波形。所用载波一般是余弦信号，调制信号为数字基带信号。利用基带信号去控制载波的某个参数，就完成了调制。调制的方法主要是通过改变余弦波的幅度、相位或频率来传送信息。其基本原理是把数据信号寄生在载波的上述三个参数中的一个上，即用数据信号来进行幅度调制、频率调制或相位调制。数字信号只有几个离散值，因此调制后的载波参数也只有有限个值，类似于用数字信息控制开关，从几个具有不同参量的独立振荡源中选择参量，为此把数字信号的调制方式称为“键控”。数字调制分为调幅、调相和调频三类，
6、分别对应“幅移键控”（ASK）、“相移键控”（PSK）和“频移键控”（FSK）三种数字调制方式。在“幅移键控”方式中，当“1”出现时接通振幅为A的载波，“0”出现时关断载波，这相当于将原基带信号（脉冲列）频谱搬到了载波的两侧。如果用改变载波频率的方法来传送二进制符号，就是“频移键控”的方法，当“1”出现时是低频，“0”出现时是高频。这时其频谱可以看成码列对低频载波的开关键控加上码列的反码对高频载波的开关键控。如果用“0”和“1”来改变载波的相位，则称为“相移键控”。这时在比特周期的边缘出现相位的跳变，但在间隔中部保留了相位信息。接收端解调通常在其中心点附近进行。一般来说，PSK系统的性能要比开
7、关键控FSK系统好，但必须使用同步检波。调制的基本原理是用数字信号对载波的不同参量进行调制，其基本公式如下：载波S（t） = Acos（t+）S（t）的参量包括：幅度A、频率、初相位，调制就是要使A、或随数字基带信号的变化而变化。其中ASK调制方式是用载波的两个不同振幅表示0和1；FSK调制方式是用载波的两个不同频率表示0和1；而PSK调制方式是用载波的起始相位的变化表示0 和1。根据传输信号是二进制信号还是多进制信号和对载波的哪个参数进行调制，可以把数字频带传输分为：二进制、多进制数字振幅键控（ASK）二进制、多进制数字频移键控（FSK）二进制、多进制数字相移键控（PSK）二进制、多进制差分
8、相移键控（DPSK）除上面所述的二相位、二频率和二幅度系统外，还可以采用各种多相位、多振幅和多频率的方案。在DVB系统中卫星传输采用QPSK，有线传输采用QAM方式，地面传输采用COFDM（编码正交频分复用）方式。但ASK、PSK和FSK这三种数字调制方式仍是最主要的，所以本节要对这三种调制技术，以及上面提到的QAM调制技术分别进行具体介绍。1ASK幅移键控（Amplitude Shift Keying） “幅移键控”又称为“振幅键控”，记为ASK。也有称为“开关键控”（通断键控）的，所以又记作OOK信号。ASK是一种相对简单的调制方式。幅移键控（ASK）相当于模拟信号中的调幅，只不过与载频信
9、号相乘的是二进制数码而已。幅移就是把频率、相位作为常量，而把振幅作为变量，信息比特是通过载波的幅度来传递的。二进制振幅键控（2ASK）， 由于调制信号只有0或1两个电平，相乘的结果相当于将载频或者关断，或者接通，它的实际意义是当调制的数字信号为“1”时，传输载波；当调制的数字信号为“0”时，不传输载波。原理如图3-24所示，其中s（t）为基带矩形脉冲。一般载波信号用余弦信号，而调制信号是把数字序列转换成单极性的基带矩形脉冲序列，而这个通断键控的作用就是把这个输出与载波相乘，就可以把频谱搬移到载波频率附近，实现2ASK。实现后的2ASK波形如图3-25所示。图3-24 ASK调制原理图3-25
10、输出后的2ASK波形2FSK频移键控（Frequency Shift Keying）所谓FSK就是用数字信号去调制载波频率，是数字信号传输中用的最早的一种调制方式。此方式实现起来比较容易，抗噪声和抗衰减性能好，稳定可靠，是中低速数据传输最佳选择。频移就是把振幅、相位作为常量，而把频率作为变量，通过频率的变化来实现信号的识别，原理如图3-26所示。在FSK中传送的信号只有0和1两个，而在M-FSK中则通过M个频率代表M个符号。输出后的2FSK波形如图3-27所示。图3-26 2FSK调制原理图3-27 输出后的2FSK波形3PSK相移键控（Phase Shift Keying）在PSK调制时，载
11、波的相位随调制信号状态不同而改变。如果两个频率相同的载波同时开始振荡，这两个频率同时达到正最大值，同时达到零值，同时达到负最大值，此时它们就处于“同相”状态；如果一个达到正最大值时，另一个达到负最大值，则称为“反相”。一般把信号振荡一次（一周）作为360度。如果一个波比另一个波相差半个周期，我们说两个波的相位差180度，也就是反相。当传输数字信号时，“1”码控制发0度相位，“0”码控制发180度相位。PSK相移键控调制技术在数据传输中，尤其是在中速和中高速的数传机（2400bit/s4800bit/s）中得到了广泛的应用。相移键控有很好的抗干扰性,在有衰落的信道中也能获得很好的效果。我们主要讨
12、论二相和四相调相，在实际应用中还有八相及十六相调相。PSK也可分为二进制PSK（2PSK或BIT/SK）和多进制PSK（MPSK）。在这种调制技术中，载波相位只有0和两种取值，分别对应于调制信号的“0”和“1”。传“1“信号时，发起始相位为的载波；当传“0”信号时，发起始相位为0的载波。2PSK的调制原理如图3-28所示。由“0”和“1”表示的二进制调制信号通过电平转换后，变成由“1”和“1”表示的双极性NRZ（不归零）信号，然后与载波相乘，即可形成2PSK信号，如图3-29所示。图3-28 2PSK调制原理图3-29 输出后的2PSK波形在MPSK中，最常用的是四相相移键控，即QPSK（Qu
13、adrature Phase Shift Keying），在卫星信道中传送数字电视信号时采用的就是QPSK调制方式。QPSK调制器及相应波形分别参见图3-30所示（而2PSK的调制器及相应波形则分别参见图3-31所示的（a）、（b）图），对比可以看出，它可以看成是由两个2PSK调制器构成的。输入的串行二进制信息序列经串并变换后分成两路速率减半的序列，由电平转换器分别产生双极性二电平信号I（t）和Q（t），然后对载波Acos2fct和Asin2fct进行调制，相加后即可得到QPSK信号。PSK信号也可以用矢量图表示，矢量图中通常以零度载波相位作为参考相位。四相相移调制是利用载波的四种不同相位差来
14、表征输入的数字信息，是四进制移相键控。QPSK是在M=4时的调相技术，它规定了四种载波相位，分别为45，135，225，275。调制器输入的数据是二进制数字序列，为了能和四进制的载波相位配合起来，则需要把二进制数据变换为四进制数据，这就是说需要把二进制数字序列中每两比特分成一组，共有四种组合，即00，01，10，11，其中每一组称为双比特码元。每一个双比特码元是由两位二进制信息比特组成的，它们分别代表四进制四个符号中的一个符号。QPSK中每次调制可传输2个信息比特，这些信息比特是通过载波的四种相位来传递的。解调器根据星座图及接收到的载波信号的相位来判断发送端发送的信息比特。图3-30 QPSK
15、调制原理图3-31 2PSK调制原理图3-32的PSK信号矢量图中画出了2PSK、QPSK、8PSK的矢量图。图3-32中只画出了矢量的端点，省去了矢量箭头，这样的矢量图也称为“星座图”。在星座图中，星座间的距离越大，信号的抗干扰能力就越强，接收端判决再生时就越不容易出现误码。 图3-32 PSK信号矢量图以上三种调制技术所对应的波形比较如图3-33所示。 图3-33 ASK、FSK和PSK波形比较4QAM正交振幅调制（Quadrature Amplitude Modulation）QAM（Quadrature Amplitude Modulation）就是用两个调制信号对频率相同、相位正交的
16、两个载波进行调幅，然后将已调信号加在一起进行传输或发射。在NTSC制和PAL制中形成色度信号时，用的就是正交调幅方式将两个色差信号调制到色度副载波上。QAM也可用于数字调制。数字QAM有4QAM、8QAM、16QAM、32QAM等调制方式。其中，16QAM和32QAM广泛用于数字有线电视系统。下面以16QAM为例介绍其原理。图3-34给出了16QAM调制器框图及星座图。作为调制信号的输入二进制数据流经过串并变换后变成四路并行数据流。这四路数据两两结合，分别进入两个电平转换器，转换成两路4电平数据。例如，00转换成3，01转换成1，10转换成1，11转换成3。这两路4电平数据g1（t）和g2（t）分别对载波cos2fct和sin2fct进行
