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淺析數字信號的載波調制
淺析數字信號的載波調制
中國西部地區電視技術(shù)協(xié)會(huì )2003年年會(huì )電視技術(shù)論文評比二等獎2003年度全省廣播電視優(yōu)秀科技論文三等獎
摘要：由于數字電視系統采用數字傳輸，而在傳輸系統中都使用到了數字調制技術(shù)，本文就對ASK、FSK、PSK、QAM等數字調制方法進(jìn)行詳細的介紹。
1934年美國學(xué)者李佛西提出脈沖編碼調制(PCM)的概念，從此之后通信數字化的時(shí)代應該說(shuō)已經(jīng)開(kāi)始了，但是數字通信的高速發(fā)展卻是20世紀70年代以來(lái)的事情。隨著(zhù)時(shí)代的發(fā)展，用戶(hù)不再滿(mǎn)足于聽(tīng)到聲音，而且還要看到圖像；通信終端也不局限于單一的電話(huà)機，而且還有傳真機和計算機等數據終端�，F有的傳輸媒介電纜、微波中繼和衛星通信等將更多地采用數字傳輸。而這些系統都使用到了數字調制技術(shù)，本文就數字信號的調制方法作一些詳細的介紹。
一 數字調制
數字信號的載波調制是信道編碼的一部分，我們之所以在信源編碼和傳輸通道之間插入信道編碼是因為通道及相應的設備對所要傳輸的數字信號有一定的限制，未經(jīng)處理的數字信號源不能適應這些限制。由于傳輸信道的頻帶資源總是有限的，因此提高傳輸效率是通信系統所追求的最重要的指標之一。模擬通信很難控制傳輸效率，我們最常見(jiàn)到的單邊帶調幅（SSB）或殘留邊帶調幅（VSB）可以節省近一半的傳輸頻帶。由于數字信號只有"0"和"1"兩種狀態(tài)，所以數字調制完全可以理解為像報務(wù)員用開(kāi)關(guān)電鍵控制載波的過(guò)程，因此數字信號的調制方式就顯得較為單純。在對傳輸信道的各個(gè)元素進(jìn)行最充分的利用時(shí)可以組合成各種不同的調制方式，并且可以清晰的描述與表達其數學(xué)模型。所以常用的數字調制技術(shù)有2ASK、4ASK、8ASK、BPSK、QPSK、8PSK、2FSK、4FSK等，頻帶利用率從1bit/s/Hz～3bit/s/Hz。更有將幅度與相位聯(lián)合調制的QAM技術(shù)，目前數字微波中廣泛使用的256QAM的頻帶利用率可達8bit/s/Hz，八倍于2ASK或BPSK。此外，還有可減小相位跳變的MSK等特殊的調制技術(shù)，為某些專(zhuān)門(mén)應用環(huán)境提供了強大的工具。近年來(lái)，四維調制等高維調制技術(shù)的研究也得到了迅速發(fā)展，并已應用于高速MODEM中，為進(jìn)一步提高傳輸效率奠定了基礎�？傊�，數字通信所能夠達到的傳輸效率遠遠高于模擬通信，調制技術(shù)的種類(lèi)也遠遠多于模擬通信，大大提高了用戶(hù)根據實(shí)際應用需要選擇系統配置的靈活性。
1、基帶傳輸
傳輸信息有兩種方式：基帶傳輸和調制傳輸。由信源直接生成的信號，無(wú)論是模擬信號還是數字信號，都是基帶信號，其頻率比較低。所謂基帶傳輸就是把信源生成的數字信號直接送入線(xiàn)路進(jìn)行傳輸，如音頻市話(huà)、計算機間的數據傳輸等。載波傳輸則是用原信號去改變載波的某一參數實(shí)現頻譜的搬移，如果載波是正弦波，則稱(chēng)為正弦波或連續波調制。把二進(jìn)制信號調制在正弦波上進(jìn)行傳輸，其目的除了進(jìn)行頻率匹配外，也可以通過(guò)頻分、時(shí)分、波分復用的方法使信源和信道的容量進(jìn)行匹配。
2、為什么要進(jìn)行調制
首先，由于頻率資源的有限性，限制了我們無(wú)法用開(kāi)路信道傳輸信息。再者，通信的最終目的是遠距離傳遞信息。由于傳輸失真、傳輸損耗以及保證帶內特性的原因，基帶信號是無(wú)法在無(wú)線(xiàn)信道或光纖信道上進(jìn)行長(cháng)距離傳輸的。為了進(jìn)行長(cháng)途傳輸，必須對數字信號進(jìn)行載波調制將信號頻譜搬移到高頻處才能在信道中傳輸。最后，較小的倍頻程也保證了良好的帶內特性。所以調制就是將基帶信號搬移到信道損耗較小的指定的高頻處進(jìn)行傳輸（即載波傳輸），調制后的基帶信號稱(chēng)為通帶信號，其頻率比較高。 數字信號的載波傳輸與基帶傳輸的主要區別就是增加了調制與解調的環(huán)節，是在復接器后增加了一個(gè)調制器，在分接器前增加一個(gè)解調器而已。
3、映射
信息與表示和承載它的信號之間存在著(zhù)對應關(guān)系，這種關(guān)系稱(chēng)為"映射"，接收端正是根據事先約定的映射關(guān)系從接收信號中提取發(fā)射端發(fā)送的信息的。信息與信號間的映射方式可以有很多種，不同的通信技術(shù)就在于它們所采用的映射方式不同。實(shí)際上，數字調制的主要目的在于控制傳輸效率，不同的數字調制技術(shù)正是由其映射方式區分的，其性能也是由映射方式?jīng)Q定的。
一個(gè)數字調制過(guò)程實(shí)際上是由兩個(gè)獨立的步驟實(shí)現的：映射和調制，這一點(diǎn)與模擬調制不同。映射將多個(gè)二元比特轉換為一個(gè)多元符號，這種多元符號可以是實(shí)數信號（在A(yíng)SK調制中），也可以是二維的復信號（在PSK和QAM調制中）。例如在QPSK調制的映射中，每?jì)蓚�(gè)比特被轉換為一個(gè)四進(jìn)制的符號，對應著(zhù)調制信號的四種載波。多元符號的元數就等于調制星座的容量。在這種多到一的轉換過(guò)程中，實(shí)現了頻帶壓縮。應該注意的是，經(jīng)過(guò)映射后生成的多元符號仍是基帶數字信號。經(jīng)過(guò)基帶成形濾波后生成的是模擬基帶信號，但已經(jīng)是最終所需的調制信號的等效基帶形式，直接將其乘以中頻載波即可生成中頻調制信號。
4、調制方法
調制的方法主要是通過(guò)改變正弦波的幅度、相位和頻率來(lái)傳送信息。其基本原理是把數據信號寄生在載波的某個(gè)參數上：幅度、頻率和相位，即用數據信號來(lái)進(jìn)行幅度調制、頻率調制和相位調制。數字信號只有幾個(gè)離散值，這就象用數字信號去控制開(kāi)關(guān)選擇具有不同參量的振蕩一樣，為此把數字信號的調制方式稱(chēng)為鍵控。數字調制分為調幅、調相和調頻三類(lèi)，最簡(jiǎn)單的方法是開(kāi)關(guān)鍵控，"1"出現時(shí)接通振幅為A的載波，"0"出現時(shí)關(guān)斷載波，這相當于將原基帶信號（脈沖列）頻譜搬到了載波的兩側。如果用改變載波頻率的方法來(lái)傳送二進(jìn)制符號，就是頻移鍵控（FSK）的方法，當"1"出現時(shí)是低頻，"0"出現時(shí)是高頻。這時(shí)其頻譜可以看成碼列對低頻載波的開(kāi)關(guān)鍵控加上碼列的反碼對高頻載波的開(kāi)關(guān)鍵控。如果"0"和"1"來(lái)改變載波的相位，則稱(chēng)為相移鍵控（PSK）。這時(shí)在比特周期的邊緣出現相位的跳變。但在間隔中部保留了相位信息。收端解調通常在其中心點(diǎn)附近進(jìn)行。一般來(lái)說(shuō)，PSK系統的性能要比開(kāi)關(guān)鍵控FSK系統好，但必須使用同步檢波。除上面所述的二相位、二頻率、二幅度系統外，還可以采用各種多相位、多振幅和多頻率的方案。在DVB系統中衛星傳輸采用QPSK，有線(xiàn)傳輸采用QAM方式，地面傳輸采用COFDM（編碼正交頻分復用）方式。下面就對ASK、FSK、PSK、QAM進(jìn)行詳細的介紹。
（1）PSK相移鍵控(Phase Shift Keying)
QPSK調制效率高，要求傳送途徑的信噪比低，適合衛星廣播。歐洲與日本的數字電視首先考慮的是衛星信道，采用QPSK調制。此項調制技術(shù)應用較為廣泛，所以本文對PSK進(jìn)行詳細的介紹。
數字調相：如果兩個(gè)頻率相同的載波同時(shí)開(kāi)始振蕩，這
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