浅析数字信号的载波调制

bsp; 调制的方法主要是通过改变正弦波的幅度、相位和频率来传送信息。其基本原理是把数据信号寄生在载波的某个参数上：幅度、频率和相位，即用数据信号来进行幅度调制、频率调制和相位调制。数字信号只有几个离散值，这就象用数字信号去控制开关选择具有不同参量的振荡一样，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，最简单的方法是开关键控，"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（FSK）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"0"和"1"来改变载波的相位，则称为相移键控（PSK）。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。收端解调通常在其中心点附近进行。一般来说，PSK系统的性能要比开关键控FSK系统好，但必须使用同步检波。除上面所述的二相位、二频率、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。下面就对ASK、FSK、PSK、QAM进行详细的介绍。

（1）PSK相移键控(Phase Shift Keying)

    QPSK调制效率高，要求传送途径的信噪比低，适合卫星广播。欧洲与日本的数字电视首先考虑的是卫星信道，采用QPSK调制。此项调制技术应用较为广泛，所以本文对PSK进行详细的介绍。

    数字调相：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，它们应处于"同相"状态；如果其中一个开始得迟了一点，就可能不相同了。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。载波的初始相位就有了移动，也就带上了信息。

(a) M-PSK

    相移就是把振幅、频率作为常量，而把相位作为变量。M-PSK信号可以用这样的一组信号来代表：

已调信号中相邻的相位间隔是2π/M。例如，2个符号（BPSK）、4个符号（4-PSK）和8个符号（8-PSK）的相位间隔分别是π、π/2、π/4。用相位矢量图方法可将M-PSK信号中的关系直观的表示出来，图1是M=2、4和8三种PSK信号的矢量图。

各个矢量的端点在矢量图中的空间分布称为星座。在图1中，由于各矢量的幅度都等于A，矢量的端点分布在以A为半径的圆上。图中用虚线表示出接收机解调器的判决范围。只要相位为θn
的矢量的相位偏离不超过以θn中心的+-π/M的范围，就能作出正确的判决。
    利用简单的三角函数式可将（1-1）式改写成如下的正交信号表示式：

    在相位图上，余弦系数ai和正弦系数bi 是分别由水平轴和垂直轴代表的，ai称为同相信号，用I(In-Phace)表示；bi 成为正交信号，用Q（Quardrature）表示。

    多相调制与二相调制相比，既可以压缩信号的频带，又可以减小由于信道特性引起的码间串扰的影响，从而提高了数字通信的有效性。但在多相调制时，相位取值数增大，信号之间的相位差也就减小，传输的可靠性将随之降低，因而，实际中用得较多的多相调制是四相制和八相制。

(b) QPSK四相相移键控(Quadrature Phase Shift Keying)

    四相相移调制是利用载波的四种不同相位差来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°，其星座图见图3。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个比特分成一组，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，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

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