數(shù)字調(diào)制概述

1、3.4.1 數(shù)字調(diào)制概述1934年美國(guó)學(xué)者李佛西提出脈沖編碼調(diào)制（PCM ）的概念，從此之后通信數(shù)字化的時(shí)代應(yīng)該說(shuō)已經(jīng)開始了，但是數(shù)字通信的高速發(fā)展卻是20世紀(jì)70年代以后才開始的。隨著時(shí)代的發(fā)展，用戶不再滿足于聽到聲音，而且還要看到圖像；通信終端也 不局限于單一的電話機(jī)，而且還有傳真機(jī)和計(jì)算機(jī)等數(shù)據(jù)終端。現(xiàn)有的傳輸媒介電 纜、微波中繼和衛(wèi)星通信等將更多地采用數(shù)字傳輸。1 .數(shù)字調(diào)制概述數(shù)字信號(hào)的載波調(diào)制是信道編碼的一部分，之所以在信源編碼和傳輸通道之間插入 信道編碼是因?yàn)橥ǖ兰跋鄳?yīng)的設(shè)備對(duì)所要傳輸?shù)臄?shù)字信號(hào)有一定的限制，未經(jīng)處理 的數(shù)字信號(hào)源不能適應(yīng)這些限制。由于傳輸信道的頻帶資源總是有限的

2、，因此在充 分得利用現(xiàn)有資源的前提下，提高傳輸效率就是通信系統(tǒng)所追求的最重要指標(biāo)之一。模擬通信很難控制傳輸效率，最常見到的單邊帶調(diào)幅 （SSB）或殘留邊帶調(diào)幅（VSB ）可以節(jié)省近一半的傳輸頻帶。由于數(shù)字信號(hào)只有一0和一1兩種狀態(tài)，所以數(shù)字調(diào)制完全可以理解為像報(bào)務(wù)員用開關(guān)鍵控制載波的過(guò)程，因此數(shù)字信號(hào)的調(diào)制方式一般 均為較簡(jiǎn)單的鍵控方式。常用的數(shù)字調(diào)制技術(shù)有 2ASK （Amplitude Shift Keying，幅移鍵控）、4ASK、8ASK、 BIT/SK （ Phase Shift Keying，相移鍵控）、QPSK、8PSK、2FSK、4FSK 等，頻帶禾U 用率從 1bit/s/H

3、z3bit/s/Hz。更有將幅度與相位聯(lián)合調(diào)制的QAM （ QuadratureAmplitude Modulation ,正交振幅調(diào)制）技術(shù)，目前數(shù)字微波中廣泛使用的256QAM ,其頻帶利用率可達(dá) 8bit/s/Hz , 8倍于2ASK或BIT/SK。此外，還有可采用減小相位 跳變的MSK等特殊的調(diào)制技術(shù)，為某些專門應(yīng)用環(huán)境提供了強(qiáng)大的工具。近年來(lái)，四維調(diào)制等高維調(diào)制技術(shù)的研究也得到了迅速發(fā)展，并已應(yīng)用于高速M(fèi)ODEM中，為進(jìn)一步提高傳輸效率奠定了基礎(chǔ)?？傊?，數(shù)字通信所能夠達(dá)到的傳輸效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高 于模擬通信，調(diào)制技術(shù)的種類也遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于模擬通信，大大提高了用戶根據(jù)實(shí)際應(yīng)用 需要選擇系統(tǒng)配置的靈活

4、性。2. 映射信息與表示、承載它的信號(hào)之間存在著對(duì)應(yīng)關(guān)系，這種關(guān)系稱為一映射llo接收端正是根據(jù)事先約定的映射關(guān)系從接收信號(hào)中提取發(fā)射端發(fā)送的信息的。信息與信號(hào)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(shù)字調(diào)制的主要目的在于控制傳輸效率，不同的數(shù)字調(diào)制技術(shù)正是由其映射 方式區(qū)分的，其性能也是由映射方式?jīng)Q定的。一個(gè)數(shù)字調(diào)制過(guò)程實(shí)際上是由兩個(gè)獨(dú)立的步驟實(shí)現(xiàn)的：映射和調(diào)制，這一點(diǎn)與模擬 調(diào)制不同。映射將多個(gè)二元比特轉(zhuǎn)換為一個(gè)多元符號(hào)，這種多元符號(hào)可以是實(shí)數(shù)信 號(hào)（在ASK調(diào)制中），也可以是二維的復(fù)信號(hào)（在 PSK和QAM調(diào)制中）。例如在 QPSK調(diào)制的映射中

5、，每?jī)杀忍乇晦D(zhuǎn)換為一個(gè)四進(jìn)制的符號(hào)，對(duì)應(yīng)著調(diào)制信號(hào)的4種載波。多元符號(hào)的元數(shù)就等于調(diào)制星座的容量。在這種多到一的轉(zhuǎn)換過(guò)程中，實(shí) 現(xiàn)了頻帶壓縮。3.4.2調(diào)制方式數(shù)字調(diào)制就是將數(shù)字符號(hào)變成適合于信道傳輸?shù)牟ㄐ巍Ｋ幂d波一般是余弦信號(hào)，調(diào)制信號(hào)為數(shù)字基帶信號(hào)。利用基帶信號(hào)去控制載波的某個(gè)參數(shù)，就完成了調(diào)制。調(diào)制的方法主要是通過(guò)改變余弦波的幅度、相位或頻率來(lái)傳送信息。其基本原理是把數(shù)據(jù)信號(hào)寄生在載波的上述三個(gè)參數(shù)中的一個(gè)上，即用數(shù)據(jù)信號(hào)來(lái)進(jìn)行幅度調(diào)制、頻率調(diào)制或相位調(diào)制。數(shù)字信號(hào)只有幾個(gè)離散值，因此調(diào)制后的載波參數(shù)也只有有限個(gè)值，類似于用數(shù)字信息控制開關(guān)，從幾個(gè)具有不同參量的獨(dú)立振蕩源中選擇參量，為

6、此把數(shù)字信號(hào)的調(diào)制方式稱為鍵控llo數(shù)字調(diào)制分為調(diào)幅、調(diào)相和調(diào)頻三類，分別對(duì)應(yīng)畐移鍵控II （ASK）、目移鍵控（PSK）和頻移鍵控（FSK）三種數(shù)字調(diào)制方式。在 畐移鍵控I方式中，當(dāng)一1出現(xiàn)時(shí) 接通振幅為A的載波，一0出現(xiàn)時(shí)關(guān)斷載波，這相當(dāng)于將原基帶信號(hào)（脈沖列）頻譜搬到了 載波的兩側(cè)。如果用改變載波頻率的方法來(lái)傳送二進(jìn)制符號(hào)，就是頻移鍵控I的方法，當(dāng)一1 I出現(xiàn)時(shí)是低頻，一0出現(xiàn)時(shí)是高頻。這時(shí)其頻譜可以看成碼列對(duì)低頻載波的開關(guān)鍵控加上碼 列的反碼對(duì)高頻載波的開關(guān)鍵控。如果用一0和一1來(lái)改變載波的相位，則稱為目移鍵控I0這時(shí)在比特周期的邊緣出現(xiàn)相位的跳變，但在間隔中部保留了相位信息。接收端解

7、調(diào)通常在其中心點(diǎn)附近進(jìn)行。一般來(lái)說(shuō)，PSK系統(tǒng)的性能要比開關(guān)鍵控 FSK系統(tǒng)好，但必須使用同步檢波。調(diào)制的基本原理是用數(shù)字信號(hào)對(duì)載波的不同參量進(jìn)行調(diào)制，其基本公式如下：載波 S （t）= Acos （31+ ©S （t）的參量包括：幅度 A、頻率3、初相位収調(diào)制就是要使 A、3或©隨數(shù)字基帶信號(hào) 的變化而變化。其中 ASK調(diào)制方式是用載波的兩個(gè)不同振幅表示 0和1; FSK調(diào)制方式是 用載波的兩個(gè)不同頻率表示 0和1;而PSK調(diào)制方式是用載波的起始相位的變化表示 0和1o根據(jù)傳輸信號(hào)是二進(jìn)制信號(hào)還是多進(jìn)制信號(hào)和對(duì)載波的哪個(gè)參數(shù)進(jìn)行調(diào)制，可以把數(shù)字頻帶傳輸分為：二進(jìn)制、多進(jìn)制

8、數(shù)字振幅鍵控（ASK ）二進(jìn)制、多進(jìn)制數(shù)字頻移鍵控（FSK） 二進(jìn)制、多進(jìn)制數(shù)字相移鍵控（PSK） 二進(jìn)制、多進(jìn)制差分相移鍵控（DPSK） 除上面所述的二相位、 二頻率和二幅度系統(tǒng)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(tǒng)中衛(wèi)星傳輸采用 QPSK，有線傳輸采用 QAM方式，地面?zhèn)鬏敳捎?COFDM（編碼正交頻分復(fù)用）方式。但 ASK、PSK和FSK這三種數(shù)字調(diào)制方式仍是最主要的，所 以本節(jié)要對(duì)這三種調(diào)制技術(shù)，以及上面提到的QAM調(diào)制技術(shù)分別進(jìn)行具體介紹。1. ASK 幅移鍵控（Amplitude Shift Keying ）畐移鍵控又稱為振幅鍵控I記為ASK。也有稱為開關(guān)鍵控

9、（通斷鍵控）的，所以又記 作OOK信號(hào)。ASK是一種相對(duì)簡(jiǎn)單的調(diào)制方式。幅移鍵控（ASK ）相當(dāng)于模擬信號(hào)中的調(diào)幅，只不過(guò)與載頻信號(hào)相乘的是二進(jìn)制數(shù)碼而已。 幅移就是把頻率、相位作為常量，而把振幅作為變量，信息比特是通過(guò)載波的幅度來(lái)傳遞的。 二進(jìn)制振幅鍵控（2ASK ）,由于調(diào)制信號(hào)只有 0或1兩個(gè)電平，相乘的結(jié)果相當(dāng)于將載頻 或者關(guān)斷，或者接通，它的實(shí)際意義是當(dāng)調(diào)制的數(shù)字信號(hào)為T時(shí)，傳輸載波；當(dāng)調(diào)制的數(shù)字信號(hào)為一0時(shí)，不傳輸載波。原理如圖3-24所示，其中s （t ）為基帶矩形脈沖。一般載波2. FSK 頻移鍵控(Frequency Shift Keying )所謂FSK就是用數(shù)字信號(hào)去調(diào)制

10、載波頻率，是數(shù)字信號(hào)傳輸中用的最早的一種調(diào)制方式。此方式實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較容易，抗噪聲和抗衰減性能好，穩(wěn)定可靠，是中低速數(shù)據(jù)傳輸最佳選擇。頻移就是把振幅、相位作為常量，而把頻率作為變量，通過(guò)頻率的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)的識(shí)別， 原理如圖3-26所示。在FSK中傳送的信號(hào)只有 0和1兩個(gè)，而在 M-FSK中則通過(guò)M個(gè)頻 率代表M個(gè)符號(hào)。輸出后的 2FSK波形如圖3-27所示。找波九一開芙L /S 誠(chéng) t)二辛1-Ji V 技7圖3-26 2FSK調(diào)制原理S 0 5 0+1+100+10000 I圖3-27 輸出后的2FSK波形3. PSK 相移鍵控(Phase Shift Keying)在PSK調(diào)制時(shí)，載波的

11、相位隨調(diào)制信號(hào)狀態(tài)不同而改變。如果兩個(gè)頻率相同的載波同時(shí)開 始振蕩，這兩個(gè)頻率同時(shí)達(dá)到正最大值，同時(shí)達(dá)到零值，同時(shí)達(dá)到負(fù)最大值，此時(shí)它們就處于由相I狀態(tài)；如果一個(gè)達(dá)到正最大值時(shí)，另一個(gè)達(dá)到負(fù)最大值，則稱為-反相l(xiāng)lo 一般把信號(hào)振蕩一次(一周)作為360度。如果一個(gè)波比另一個(gè)波相差半個(gè)周期，我們說(shuō)兩個(gè)波的相位差180度，也就是反相。當(dāng)傳輸數(shù)字信號(hào)時(shí)，一1碼控制發(fā)0度相位，一0I控制發(fā)180度相位。PSK相移鍵控調(diào)制技術(shù)在數(shù)據(jù)傳輸中，尤其是在中速和中高速的數(shù)傳機(jī)(2400bit/s4800bit/s)中得到了廣泛的應(yīng)用。相移鍵控有很好的抗干擾性,?在有衰落的信道中也能獲得很好的效果。我們主要討論

12、二相和四相調(diào)相，在實(shí)際應(yīng)用中還有八相及十六相調(diào)相。PSK也可分為二進(jìn)制 PSK (2PSK或BIT/SK )和多進(jìn)制PSK ( MPSK ) o在這種調(diào)制技術(shù)中， 載波相位只有0和n兩種取值，分別對(duì)應(yīng)于調(diào)制信號(hào)的 一0和-1。傳一1 一號(hào)時(shí)，發(fā)起始相京2Q2 為$ ft 0yvwvwjvwwwwm卩A A A A A A V V v V V1 / I <A fi )A A A A U JI v V V VZVWW+ t+t鏟00+100 0 0L.djffcWJFB WTTn0isunp 00wvwVA>7VVVV/圖3-29輸出后的2PSK波形在MPSK中，最常用的是四相相移鍵控

13、，即QPSK （Quadrature Phase Shift Keying ），在衛(wèi)星信道中傳送數(shù)字電視信號(hào)時(shí)采用的就是QPSK調(diào)制方式。QPSK調(diào)制器及相應(yīng)波形分別參見圖3-30所示（而2PSK的調(diào)制器及相應(yīng)波形則分別參見圖3-31所示的（a）、（ b）圖），對(duì)比可以看出，它可以看成是由兩個(gè) 2PSK調(diào)制器構(gòu)成的。輸入的串行二進(jìn)制信息序列經(jīng)串 并變換后分成兩路速率減半的序列，由電平轉(zhuǎn)換器分別產(chǎn)生雙極性二電平信號(hào)I（t）和Q（t），然后對(duì)載波 Acos2n fct和Asin2 n fct進(jìn)行調(diào)制，相加后即可得到QPSK信號(hào)。PSK信號(hào)也可以用矢量圖表示，矢量圖中通常以零度載波相位作為參考相位。

14、四相相移調(diào)制是利用載波的四種不同相位差來(lái)表征輸入的數(shù)字信息，是四進(jìn)制移相鍵控。QPSK是在M=4時(shí)的調(diào)相技術(shù)，它規(guī)定了四種載波相位，分別為 45° 135 ° 225 ° 275 °調(diào)制器輸入 的數(shù)據(jù)是二進(jìn)制數(shù)字序列，為了能和四進(jìn)制的載波相位配合起來(lái)，則需要把二進(jìn)制數(shù)據(jù)變換為四進(jìn)制數(shù)據(jù)，這就是說(shuō)需要把二進(jìn)制數(shù)字序列中每?jī)杀忍胤殖梢唤M，共有四種組合，即00, 01, 10, 11,其中每一組稱為雙比特碼元。每一個(gè)雙比特碼元是由兩位二進(jìn)制信息比特組成的，它們分別代表四進(jìn)制四個(gè)符號(hào)中的一個(gè)符號(hào)。QPSK中每次調(diào)制可傳輸2個(gè)信息比特，這些信息比特是通過(guò)載波的四種

15、相位來(lái)傳遞的。解調(diào)器根據(jù)星座圖及接收到的載波信號(hào)圖3-32的PSK信號(hào)矢量圖中畫出了 2PSK、QPSK、8PSK的矢量圖。圖 3-32中只畫出了矢圖3-32的PSK信號(hào)矢量圖中畫出了 2PSK、QPSK、8PSK的矢量圖。圖 3-32中只畫出了矢量的端點(diǎn)，省去了矢量箭頭，這樣的矢量圖也稱為星座圖II。在星座圖中，星座間的距離越 大，信號(hào)的抗干擾能力就越強(qiáng)，接收端判決再生時(shí)就越不容易出現(xiàn)誤碼。八*ff鼻01；T:Sij010OH Z 1110/ *-1；'F.yof2PSK1b)( 丿 001 *： / 丿 10'、】菠術(shù)成就夢(mèng)想 ''>101匕.*too

16、BPSK圖3-32 PSK信號(hào)矢量圖以上三種調(diào)制技術(shù)所對(duì)應(yīng)的波形比較如圖3-33所示。0 01 10u1n0 0 010ASKWVWWWfskj|LJkdll/ I f I 1 I 1 j1 J I ifI i I J 1* Tta i i ； y M P$K圖3-33 ASK、FSK和PSK波形比較4. QAM 正交振幅調(diào)制(Quadrature Amplitude Modulation )QAM (Quadrature Amplitude Modulation )就是用兩個(gè)調(diào)制信號(hào)對(duì)頻率相同、相位正交的兩個(gè)載波進(jìn)行調(diào)幅，然后將已調(diào)信號(hào)加在一起進(jìn)行傳輸或發(fā)射。在NTSC制和PAL制中形成色度

17、信號(hào)時(shí)，用的就是正交調(diào)幅方式將兩個(gè)色差信號(hào)調(diào)制到色度副載波上。QAM也可用于數(shù)字調(diào)制。數(shù)字 QAM有4QAM、8QAM、16QAM、32QAM 等調(diào)制方式。 其中，16QAM和32QAM廣泛用于數(shù)字有線電視系統(tǒng)。下面以 16QAM為例介紹其原理。圖3-34給出了 16QAM調(diào)制器框圖及星座圖。作為調(diào)制信號(hào)的輸入二進(jìn)制數(shù)據(jù)流經(jīng)過(guò)串一并變換后變成四路并行數(shù)據(jù)流。 這四路數(shù)據(jù)兩兩結(jié)合， 分別進(jìn)入兩個(gè)電平轉(zhuǎn)換器， 轉(zhuǎn)換成兩 路4電平數(shù)據(jù)。例如，00轉(zhuǎn)換成43, 01轉(zhuǎn)換成-,10轉(zhuǎn)換成1 ,11轉(zhuǎn)換成3。這兩路4電 平數(shù)據(jù)g1(t)和g2(t)分別對(duì)載波cos2 n fct和sin2 n fc進(jìn)行調(diào)制

18、，然后相加，即可得到16QAM 信號(hào)。QAM調(diào)制效率高，要求傳送途徑的信噪比高，適合有線電視電纜傳輸。在美國(guó)，正交調(diào)幅通常用在地面微波鏈路，不用于國(guó)內(nèi)衛(wèi)星，歐洲的電纜數(shù)字電視采用QAM調(diào)制，而加拿大的衛(wèi)星采用正交調(diào)幅。QAM是幅度、相位聯(lián)合調(diào)制的技術(shù)，它同時(shí)利用了載波的幅度和相位來(lái)傳遞信息比特，因此在最小距離相同的條件下，QAM星座圖中可以容納更多的星座點(diǎn)，即可實(shí)現(xiàn)更高的頻帶利用率，目前QAM星座點(diǎn)最高已可達(dá) 256QAM。PSK只利用了載波的相位，它所有的星座點(diǎn)只能分布在半徑相同的圓周上。當(dāng)星座點(diǎn)較多 時(shí)，星座點(diǎn)之間的最小距離就會(huì)很密，非常容易受到噪聲干擾的影響。調(diào)制技術(shù)的可靠性可由相鄰星座點(diǎn)之間的最小距離來(lái)衡量，最小距離越大，抵抗噪聲等干擾的能力越強(qiáng)，當(dāng)然前提是信號(hào)的平均功率相同。當(dāng)噪聲等干擾的幅度小于最小距離的1/2時(shí)，解調(diào)器不會(huì)錯(cuò)判，即不會(huì)傳輸誤碼；當(dāng)噪聲等干擾的幅度大于最小距離的1/2時(shí)，將傳輸誤碼。因此 PSK 一般只用在8PSK以下，常用的是 BIT/SK和QPSK。當(dāng)星座點(diǎn)進(jìn)一步增加時(shí)，即需要更高的 頻帶利用率時(shí)，就要采用 QAM調(diào)制。在PS