摘要：由于數(shù)字電視系統(tǒng)采用數(shù)字傳輸,，而在傳輸系統(tǒng)中都使用到了數(shù)字調(diào)制技術(shù)，本文就對ASK、FSK,、PSK,、QAM等數(shù)字調(diào)制方法進行詳細的介紹,。

     1934年美國學(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)字化的時代應(yīng)該說已經(jīng)開始了，但是數(shù)字通信的高速發(fā)展卻是20世紀70年代以來的事情,。隨著時代的發(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,，而且還有傳真機和計算機等數(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,。而這些系統(tǒng)都使用到了數(shù)字調(diào)制技術(shù)，本文就數(shù)字信號的調(diào)制方法作一些詳細的介紹,。

一 數(shù)字調(diào)制

     數(shù)字信號的載波調(diào)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(yīng)的設(shè)備對所要傳輸?shù)臄?shù)字信號有一定的限制，未經(jīng)處理的數(shù)字信號源不能適應(yīng)這些限制,。由于傳輸信道的頻帶資源總是有限的,，因此提高傳輸效率是通信系統(tǒng)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(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)字信號只有"0"和"1"兩種狀態(tài)，所以數(shù)字調(diào)制完全可以理解為像報務(wù)員用開關(guān)電鍵控制載波的過程,，因此數(shù)字信號的調(diào)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(diào)制方式，并且可以清晰的描述與表達其數(shù)學(xué)模型,。所以常用的數(shù)字調(diào)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(diào)制的QAM技術(shù),，目前數(shù)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(diào)制技術(shù)，為某些專門應(yīng)用環(huán)境提供了強大的工具,。近年來,，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MODEM中,，為進一步提高傳輸效率奠定了基礎(chǔ),。總之,，數(shù)字通信所能夠達到的傳輸效率遠遠高于模擬通信,，調(diào)制技術(shù)的種類也遠遠多于模擬通信，大大提高了用戶根據(jù)實際應(yīng)用需要選擇系統(tǒng)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(diào)制傳輸。由信源直接生成的信號,，無論是模擬信號還是數(shù)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(shù)字信號直接送入線路進行傳輸,，如音頻市話、計算機間的數(shù)據(jù)傳輸?shù)?。載波傳輸則是用原信號去改變載波的某一參數(shù)實現(xiàn)頻譜的搬移,，如果載波是正弦波,，則稱為正弦波或連續(xù)波調(diào)制。把二進制信號調(diào)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(fù)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(diào)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(nèi)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?shù)?。為了進行長途傳輸，必須對數(shù)字信號進行載波調(diào)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(nèi)特性。所以調(diào)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(diào)制后的基帶信號稱為通帶信號,，其頻率比較高。 數(shù)字信號的載波傳輸與基帶傳輸?shù)闹饕獏^(qū)別就是增加了調(diào)制與解調(diào)的環(huán)節(jié),，是在復(fù)接器后增加了一個調(diào)制器,，在分接器前增加一個解調(diào)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(yīng)關(guān)系,，這種關(guān)系稱為"映射"，接收端正是根據(jù)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,。

     一個數(shù)字調(diào)制過程實際上是由兩個獨立的步驟實現(xiàn)的：映射和調(diào)制,，這一點與模擬調(diào)制不同。映射將多個二元比特轉(zhuǎn)換為一個多元符號,，這種多元符號可以是實數(shù)信號（在ASK調(diào)制中）,，也可以是二維的復(fù)信號（在PSK和QAM調(diào)制中）,。例如在QPSK調(diào)制的映射中，每兩個比特被轉(zhuǎn)換為一個四進制的符號,，對應(yīng)著調(diào)制信號的四種載波,。多元符號的元數(shù)就等于調(diào)制星座的容量。在這種多到一的轉(zhuǎn)換過程中,，實現(xiàn)了頻帶壓縮,。應(yīng)該注意的是,，經(jīng)過映射后生成的多元符號仍是基帶數(shù)字信號,。經(jīng)過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(diào)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(diào)制信號,。

4、調(diào)制方法

     調(diào)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(shù)據(jù)信號寄生在載波的某個參數(shù)上：幅度、頻率和相位,，即用數(shù)據(jù)信號來進行幅度調(diào)制,、頻率調(diào)制和相位調(diào)制。數(shù)字信號只有幾個離散值,，這就象用數(shù)字信號去控制開關(guān)選擇具有不同參量的振蕩一樣,，為此把數(shù)字信號的調(diào)制方式稱為鍵控。數(shù)字調(diào)制分為調(diào)幅,、調(diào)相和調(diào)頻三類,，最簡單的方法是開關(guān)鍵控，"1"出現(xiàn)時接通振幅為A的載波,，"0"出現(xiàn)時關(guān)斷載波,，這相當(dāng)于將原基帶信號（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傳送二進制符號,，就是頻移鍵控（FSK）的方法,，當(dāng)"1"出現(xiàn)時是低頻，"0"出現(xiàn)時是高頻,。這時其頻譜可以看成碼列對低頻載波的開關(guān)鍵控加上碼列的反碼對高頻載波的開關(guān)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(xiàn)相位的跳變,。但在間隔中部保留了相位信息。收端解調(diào)通常在其中心點附近進行,。一般來說,，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。除上面所述的二相位,、二頻率,、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)鬏敳捎肅OFDM（編碼正交頻分復(fù)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(diào)制效率高,，要求傳送途徑的信噪比低,，適合衛(wèi)星廣播。歐洲與日本的數(shù)字電視首先考慮的是衛(wèi)星信道,，采用QPSK調(diào)制,。此項調(diào)制技術(shù)應(yīng)用較為廣泛，所以本文對PSK進行詳細的介紹,。

     數(shù)字調(diào)相：如果兩個頻率相同的載波同時開始振蕩,，這兩個頻率同時達到正最大值，同時達到零值,，同時達到負最大值,，它們應(yīng)處于"同相"狀態(tài)；如果其中一個開始得遲了一點,，就可能不相同了,。如果一個達到正最大值時，另一個達到負最大值,，則稱為"反相",。一般把信號振蕩一次（一周）作為360度。如果一個波比另一個波相差半個周期,，我們說兩個波的相位差180度,，也就是反相。當(dāng)傳輸數(shù)字信號時,，"1"碼控制發(fā)0度相位,，"0"碼控制發(fā)180度相位。載波的初始相位就有了移動,，也就帶上了信息,。

(a) M-PSK

     相移就是把振幅,、頻率作為常量，而把相位作為變量,。M-PSK信號可以用這樣的一組信號來代表：

已調(diào)信號中相鄰的相位間隔是2π/M,。例如，2個符號（BPSK）,、4個符號（4-PSK）和8個符號（8-PSK）的相位間隔分別是π,、π/2、π/4,。用相位矢量圖方法可將M-PSK信號中的關(guān)系直觀的表示出來,，圖1是M=2、4和8三種PSK信號的矢量圖,。

各個矢量的端點在矢量圖中的空間分布稱為星座,。在圖1中,，由于各矢量的幅度都等于A,，矢量的端點分布在以A為半徑的圓上。圖中用虛線表示出接收機解調(diào)器的判決范圍,。只要相位為θn

的矢量的相位偏離不超過以θn中心的+-π/M的范圍,，就能作出正確的判決。

     利用簡單的三角函數(shù)式可將（1-1）式改寫成如下的正交信號表示式：

     在相位圖上,，余弦系數(shù)ai和正弦系數(shù)bi 是分別由水平軸和垂直軸代表的,，ai稱為同相信號，用I(In-Phace)表示,；bi 成為正交信號,，用Q（Quardrature）表示。

     多相調(diào)制與二相調(diào)制相比,，既可以壓縮信號的頻帶,，又可以減小由于信道特性引起的碼間串?dāng)_的影響，從而提高了數(shù)字通信的有效性,。但在多相調(diào)制時,，相位取值數(shù)增大，信號之間的相位差也就減小,，傳輸?shù)目煽啃詫㈦S之降低,，因而，實際中用得較多的多相調(diào)制是四相制和八相制,。

(b) QPSK四相相移鍵控(Quadrature Phase Shift Keying)

     四相相移調(diào)制是利用載波的四種不同相位差來表征輸入的數(shù)字信息,，是四進制移相鍵控。QPSK是在M=4時的調(diào)相技術(shù),，它規(guī)定了四種載波相位,，分別為45°,，135°，225°,，275°,，其星座圖見圖3。調(diào)制器輸入的數(shù)據(jù)是二進制數(shù)字序列,，為了能和四進制的載波相位配合起來,，則需要把二進制數(shù)據(jù)變換為四進制數(shù)據(jù)，這就是說需要把二進制數(shù)字序列中每兩個比特分成一組,，共有四種組合,，即00，01,，10,，11，其中每一組稱為雙比特碼元,。每一個雙比特碼元是由兩位二進制信息比特組成,，它們分別代表四進制四個符號中的一個符號。QPSK中每次調(diào)制可傳輸2個信息比特,，這些信息比特是通過載波的四種相位來傳遞的,。解調(diào)器根據(jù)星座圖及接收到的載波信號的相位來判斷發(fā)送端發(fā)送的信息比特。

     數(shù)字調(diào)制用"星座圖"來描述,，星座圖中定義了一種調(diào)制技術(shù)的兩個基本參數(shù)：1）信號分布,；2）與調(diào)制數(shù)字比特之間的映射關(guān)系。星座圖中規(guī)定了星座點與傳輸比特間的對應(yīng)關(guān)系,，這種關(guān)系稱為"映射",，一種調(diào)制技術(shù)的特性可由信號分布和映射完全定義，即可由星座圖來完全定義,。

     用ai,，bi二維平面上的點來表示，如圖3所示,。QPSK是一種二維調(diào)制技術(shù),，其中水平軸ai稱為同相軸，垂直軸bi稱為正交軸,，分別對應(yīng)于星座圖上的I和Q坐標,。同相載波指載波本身，正交載波指相位旋轉(zhuǎn)90度的載波,。QPSK調(diào)制在實現(xiàn)時是采用正交調(diào)幅的方式,，某星座點在I坐標上的投影去調(diào)制同相載波的幅度，在Q坐標上的投影去調(diào)制正交載波的幅度，然后將兩個調(diào)幅信號相加就是所需的調(diào)相信號,。實際上色度信號的調(diào)制就是正交振幅調(diào)制,，只不過是用連續(xù)信號去調(diào)制兩個正交載波而已。"I"是波形的"同相"成分,，"Q"是正交成分,。IQ調(diào)制既能有效傳輸信息，也能適應(yīng)數(shù)字制式,。IQ調(diào)制器實際建立了AM,、FM和PM。它的工作為：當(dāng)您用一個波形調(diào)制載波時,，您可把調(diào)制信號作為矢量來處理,。它有實部和虛部，或同相（I）和正交（Q）部分?，F(xiàn)在制作一個鎖定至載波的接收器,，您可通過讀取調(diào)制信號的I和Q部分譯解信息。在極坐標上的信息如圖4所示,。從 I/Q 平面我們能看到調(diào)制載波與未調(diào)制載波相比作了什么以及產(chǎn)生調(diào)制載波需要什么樣的基帶I和Q輸入,。

圖 4 未調(diào)制載波(a)和調(diào)制載波(b)。任意選擇的正I軸代表相對未調(diào)制載波的0°,。在(a)中,，由于調(diào)制載波是相對于未調(diào)制載波,，因此未調(diào)制載波作為沿正I軸的固定矢量出現(xiàn),。在(b)中，調(diào)制載波與未調(diào)制載波的頻率相同,，但有45°的偏移,，因此作為45°的固定矢量出現(xiàn)。

     QPSK是一種恒包絡(luò)調(diào)制,，它的信號的平均功率是恒定的,，因此不受幅度衰減的影響，也就是說幅度上的失真不會使QPSK產(chǎn)生誤碼,。

     QPSK正交調(diào)制器方框圖如圖5所示,。它可以看成由兩個BSPK調(diào)制器構(gòu)成，首先將輸入的串行二進制信息序列經(jīng)串－并變換,，變成m=log2M個并行數(shù)據(jù)流,，每一路的數(shù)據(jù)率是R/m,R是串行輸入碼的數(shù)據(jù)率。I/Q信號發(fā)生器將每一個m比特的字節(jié)轉(zhuǎn)換成一對（pn,，qn）數(shù)字,，分成兩路速率減半的序列，電平發(fā)生器分別產(chǎn)生雙極性二電平信號I(t)和Q(t),，然后對coswct和sinwct進行調(diào)制,，相加后即得到QPSK信號,。

（2）QAM 正交振幅調(diào)制(Quadrature Amplitude Modulation)

     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，正交調(diào)幅通常用在地面微波鏈路,，不用于國內(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)星是采用正交調(diào)幅,。

     PSK只利用了載波的相位,，它所有的星座點只能分布在半徑相同的圓周上。當(dāng)星座點較多時,，星座點之間的最小距離就會很密,，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之間的最小距離來衡量,，最小距離越大,，抵抗噪聲等干擾的能力越強，當(dāng)然前提是信號的平均功率相同,。當(dāng)噪聲等干擾的幅度小于最小距離的1/2時,，解調(diào)器不會錯判，即不會發(fā)生傳輸誤碼,；當(dāng)噪聲等干擾的幅度大于最小距離的1/2時,，將發(fā)生傳輸誤碼。因此PSK一般只用在8PSK以下,，常用的是BPSK和QPSK,。當(dāng)星座點進一步增加時，也即需要更高的頻帶利用率時,，就要采用QAM調(diào)制了,。在PSK中I信號和Q信號互相不獨立，為了得到恒定的包絡(luò)信號,，它們的數(shù)值是受到限制的,，這是PSK信號的基本特性。如果去掉這一限制,，就得到正交幅度調(diào)制QAM,。作為一個特例，當(dāng)每個正交信號只有兩個數(shù)值時,，QAM與4-PSK完全相同,。當(dāng)M》4時QAM的信號星座呈正方形分布，而不再像PSK那樣沿著一個固定的圓周分布。

     QAM是幅度,、相位聯(lián)合調(diào)制的技術(shù),，它同時利用了載波的幅度和相位來傳遞信息比特，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,，即可實現(xiàn)更高的頻帶利用率，目前QAM星座點最高已可達256QAM,。我們以16QAM為例來說明QAM的特性,。

如果讓ai， bi本身取不同的值,，所作的處理就是正交振幅調(diào)制(QMA：Quadrature Ampli tude Modulation),，圖6是16QAM和32QAM的星座圖。

     星座圖里的樣點數(shù)目,，例如16,，確定QAM的類型。16個樣點表示這是16-QAM信號,。星座圖里每個樣點表示一種狀態(tài),。16-QAM有16態(tài)，每4位規(guī)定16態(tài)中的1態(tài),。16QAM中規(guī)定了16種載波幅度和相位的組合,。16-QAM的每個符號或周期傳送4位比特。解調(diào)器根據(jù)星座圖及接收到的載波信號的幅度和相位來判斷發(fā)送端發(fā)送的信息比特,。QAM也是二維調(diào)制技術(shù),，在實現(xiàn)時也采用正交調(diào)幅的方式，某星座點在I坐標上的投影去調(diào)制同相載波的幅度,，在Q坐標上的投影去調(diào)制正交載波的幅度,，然后將兩個調(diào)幅信號相加就是所需的調(diào)相信號。

     由圖6可見,，在同相軸和正交軸上的幅度電平不再是2個而是4個(16QAM)和6 個(32QAM)，所能傳輸?shù)臄?shù)碼率也將是原來的4倍到5倍(不考慮滾降因子),。圖7是64QAM的星座圖,，64QAM和256QAM用于下行數(shù)字電信號的傳送。64QAM的頻帶利用率可達5bit／Hz,。但是我們并不能無限制地通過增加電平級數(shù)來增加傳輸數(shù)碼率,。因為隨著電平數(shù)的增加，電平間的間隔減小,，噪聲容限減小,， 同樣噪聲條件下誤碼增加。在時間軸上也會如此，各相位間隔減小,，碼間干擾增加,，抖動和定時問題都會使接收效果變差。16-QAM要保持和QPSK同樣的平均發(fā)射功率,，星座圖的點必須更密集,。隨著星座圖中點間距的縮小，誤碼概率會上升,，QAM雖可傳送更多的信息,，頻帶利用率高，但是QAM會受到載波幅度失真的影響,，其可靠性不如PSK,。16-QAM要獲得和QPSK同樣的糾錯碼性能，則需要更高的S/N比,。不論采用哪一種方法都意味著你必須用數(shù)據(jù)率來換取誤碼率,。

（3）ASK幅移鍵控(Amplitude shift keying)

     2ASK信號在實際中雖然很少使用，但是它是研究數(shù)字調(diào)制的基礎(chǔ),，了解2ASK就比較容易理解FSK,PSK的原理及性能,。

     幅移鍵控（ASK）相當(dāng)于模擬信號中的調(diào)幅，只不過與載頻信號相乘的是二進數(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,，信息比特是通過載波的幅度來傳遞的,。由于調(diào)制信號只有0或1兩個電平，相乘的結(jié)果相當(dāng)于將載頻或者關(guān)斷,，或者接通,，它的實際意義是當(dāng)調(diào)制的數(shù)字信號"1時，傳輸載波,；當(dāng)調(diào)制的數(shù)字信號為"0"時,，不傳輸載波。典型波形如圖8所示

     幅移鍵控的調(diào)制器可以用一個相乘器來實現(xiàn),，如圖9所示,。對于通斷鍵控信號來說，相乘器則可以用一個開關(guān)電路來代替,，調(diào)制信號為"1"時開關(guān)電路導(dǎo)通,，為"0"時開關(guān)電路切斷。二進制振幅鍵控信號由于一個信號狀態(tài)始終為零,，故又常稱為通斷鍵控信號（OOK信號）,。

（4）M-FSK 頻移鍵控（Frequency Shift Keying）

     頻移就是把振幅,、相位作為常量，而把頻率作為變量,，通過頻率的變化來實現(xiàn)信號的識別,。

在FSK中傳送的信號只有0和1兩個，而在M-FSK中則通過M個頻率代表M個符號,，即

     在數(shù)字通信系統(tǒng)中,，定性而論，傳輸效率越高,，傳輸可靠性越差,；效率越低，可靠性越高,，即提高有效性與提高可靠性是一對矛盾,，實際通信系統(tǒng)設(shè)計的任務(wù)就是在這兩者之間作綜合考慮。例如在衛(wèi)星通信中,，由于信號衰減很嚴重,，傳輸信號常淹沒在噪聲中，可靠性問題變得十分尖銳,，因此采用了QPSK調(diào)制技術(shù),。QPSK具有很強的抵抗幅度干擾的能力，但傳輸效率比較低,，僅為2bit/s/Hz,。而在數(shù)字微波通信中，由于干擾較小,，信道環(huán)境較好,，因此采用了256QAM這種高效調(diào)制技術(shù)，傳輸效率高達8bit/s/Hz,，但256QAM抗干擾的能力較差,。總之,，我們所采用的調(diào)制技術(shù)的最終目的就是使得調(diào)制以后的信號對干擾有較強的抵抗作用,，同時對相鄰的信道信號干擾較小，解調(diào)方便且易于集成,。