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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協會2003年年會電視技術論文評比二等獎2003年度全省廣播電視優秀科技論文三等獎
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，本文就對ASK、FSK、PSK、QAM等數字調制方法進行詳細的介紹。
1934年美國學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代應該說已經開始了，但是數字通信的高速發展卻是20世紀70年代以來的事情。隨著時代的發展，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，而且還有傳真機和計算機等數據終端。現有的傳輸媒介電纜、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，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，所以數字調制完全可以理解為像報務員用開關電鍵控制載波的過程，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元素進行最充分的利用時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模型。所以常用的數字調制技術有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合調制的QAM技術，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，為某些專門應用環境提供了強大的工具。近年來，四維調制等高維調制技術的研究也得到了迅速發展，并已應用于高速MODEM中，為進一步提高傳輸效率奠定了基礎。總之，數字通信所能夠達到的傳輸效率遠遠高于模擬通信，調制技術的種類也遠遠多于模擬通信，大大提高了用戶根據實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路進行傳輸，如音頻市話、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現頻譜的搬移，如果載波是正弦波，則稱為正弦波或連續波調制。把二進制信號調制在正弦波上進行傳輸，其目的除了進行頻率匹配外，也可以通過頻分、時分、波分復用的方法使信源和信道的容量進行匹配。
2、為什么要進行調制
首先，由于頻率資源的有限性，限制了我們無法用開路信道傳輸信息。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，基帶信號是無法在無線信道或光纖信道上進行長距離傳輸的。為了進行長途傳輸，必須對數字信號進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行傳輸（即載波傳輸），調制后的基帶信號稱為通帶信號，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節，是在復接器后增加了一個調制器，在分接器前增加一個解調器而已。
3、映射
信息與表示和承載它的信號之間存在著對應關系，這種關系稱為"映射"，接收端正是根據事先約定的映射關系從接收信號中提取發射端發送的信息的。信息與信號間的映射方式可以有很多種，不同的通信技術就在于它們所采用的映射方式不同。實際上，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正是由其映射方式區分的，其性能也是由映射方式決定的。
一個數字調制過程實際上是由兩個獨立的步驟實現的：映射和調制，這一點與模擬調制不同。映射將多個二元比特轉換為一個多元符號，這種多元符號可以是實數信號（在ASK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，每兩個比特被轉換為一個四進制的符號，對應著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程中，實現了頻帶壓縮。應該注意的是，經過映射后生成的多元符號仍是基帶數字信號。經過基帶成形濾波后生成的是模擬基帶信號，但已經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改變正弦波的幅度、相位和頻率來傳送信息。其基本原理是把數據信號寄生在載波的某個參數上：幅度、頻率和相位，即用數據信號來進行幅度調制、頻率調制和相位調制。數字信號只有幾個離散值，這就象用數字信號去控制開關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為鍵控。數字調制分為調幅、調相和調頻三類，最簡單的方法是開關鍵控，"1"出現時接通振幅為A的載波，"0"出現時關斷載波，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傳送二進制符號，就是頻移鍵控（FSK）的方法，當"1"出現時是低頻，"0"出現時是高頻。這時其頻譜可以看成碼列對低頻載波的開關鍵控加上碼列的反碼對高頻載波的開關鍵控。如果"0"和"1"來改變載波的相位，則稱為相移鍵控（PSK）。這時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附近進行。一般來說，PSK系統的性能要比開關鍵控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。此項調制技術應用較為廣泛，所以本文對PSK進行詳細的介紹。
數字調相：如果兩個頻率相同的載波同時開始振蕩，這
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