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淺析數(shù)字信號(hào)的載波調(diào)制
淺析數(shù)字信號(hào)的載波調(diào)制
中國(guó)西部地區(qū)電視技術(shù)協(xié)會(huì)2003年年會(huì)電視技術(shù)論文評(píng)比二等獎(jiǎng)2003年度全省廣播電視優(yōu)秀科技論文三等獎(jiǎng)
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(duì)ASK、FSK、PSK、QAM等數(shù)字調(diào)制方法進(jìn)行詳細(xì)的介紹。
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年代以來(lái)的事情。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。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(hào)的調(diào)制方法作一些詳細(xì)的介紹。
一 數(shù)字調(diào)制
數(shù)字信號(hào)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?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，因此提高傳輸效率是通信系統(tǒng)所追求的最重要的指標(biāo)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(hào)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(bào)務(wù)員用開關(guān)電鍵控制載波的過(guò)程，因此數(shù)字信號(hào)的調(diào)制方式就顯得較為單純。在對(duì)傳輸信道的各個(gè)元素進(jìn)行最充分的利用時(shí)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(dá)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(dá)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(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(hào)，無(wú)論是模擬信號(hào)還是數(shù)字信號(hào)，都是基帶信號(hào)，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(hào)直接送入線路進(jìn)行傳輸，如音頻市話、計(jì)算機(jī)間的數(shù)據(jù)傳輸?shù)取］d波傳輸則是用原信號(hào)去改變載波的某一參數(shù)實(shí)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(jìn)制信號(hào)調(diào)制在正弦波上進(jìn)行傳輸，其目的除了進(jìn)行頻率匹配外，也可以通過(guò)頻分、時(shí)分、波分復(fù)用的方法使信源和信道的容量進(jìn)行匹配。
2、為什么要進(jìn)行調(diào)制
首先，由于頻率資源的有限性，限制了我們無(wú)法用開路信道傳輸信息。再者，通信的最終目的是遠(yuǎn)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(hào)是無(wú)法在無(wú)線信道或光纖信道上進(jìn)行長(zhǎng)距離傳輸?shù)�。為了進(jìn)行長(zhǎng)途傳輸，必須對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行載波調(diào)制將信號(hào)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(hào)搬移到信道損耗較小的指定的高頻處進(jìn)行傳輸（即載波傳輸），調(diào)制后的基帶信號(hào)稱為通帶信號(hào)，其頻率比較高。 數(shù)字信號(hào)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(gè)調(diào)制器，在分接器前增加一個(gè)解調(diào)器而已。
3、映射
信息與表示和承載它的信號(hào)之間存在著對(duì)應(yīng)關(guān)系，這種關(guān)系稱為"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(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，每?jī)蓚�(gè)比特被轉(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)的四種載波。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。應(yīng)該注意的是，經(jīng)過(guò)映射后生成的多元符號(hào)仍是基帶數(shù)字信號(hào)。經(jīng)過(guò)基帶成形濾波后生成的是模擬基帶信號(hào)，但已經(jīng)是最終所需的調(diào)制信號(hào)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(hào)。
4、調(diào)制方法
調(diào)制的方法主要是通過(guò)改變正弦波的幅度、相位和頻率來(lái)傳送信息。其基本原理是把數(shù)據(jù)信號(hào)寄生在載波的某個(gè)參數(shù)上：幅度、頻率和相位，即用數(shù)據(jù)信號(hào)來(lái)進(jìn)行幅度調(diào)制、頻率調(diào)制和相位調(diào)制。數(shù)字信號(hào)只有幾個(gè)離散值，這就象用數(shù)字信號(hào)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(hào)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(jiǎn)單的方法是開關(guān)鍵控，"1"出現(xiàn)時(shí)接通振幅為A的載波，"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（FSK）的方法，當(dāng)"1"出現(xiàn)時(shí)是低頻，"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"0"和"1"來(lái)改變載波的相位，則稱為相移鍵控（PSK）。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。收端解調(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。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(duì)ASK、FSK、PSK、QAM進(jìn)行詳細(xì)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(xiàng)調(diào)制技術(shù)應(yīng)用較為廣泛，所以本文對(duì)PSK進(jìn)行詳細(xì)的介紹。
數(shù)字調(diào)相：如果兩個(gè)頻率相同的載波同時(shí)開始振蕩，這
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