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淺析數(shù)字信號的載波調(diào)制
淺析數(shù)字信號的載波調(diào)制
中國西部地區(qū)電視技術(shù)協(xié)會2003年年會電視技術(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(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�，F(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)�？傊瑪�(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"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
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