数字通信的调制方式（转）

tomyin

数字通信的调制方式

通信的最终目的是在一定的距离内传递信息。虽然基带数字信号可以在传输距离相对较近的情况下直接传送，但如果要远距离传输时，特别是在无线或光纤信道上传输时，则必须经过调制将信号频谱搬移到高频处才能在信道中传输。为了使数字信号在有限带宽的高频信道中传输，必须对数字信号进行载波调制。如同传输模拟信号时一样，传输数字信号时也有三种基本的调制方式：幅移键控(ASK)、频移键控(FSK)和相移键控(PSK)。它们分别对应于用载波（正弦波）的幅度、频率和相位来传递数字基带信号，可以看成是模拟线性调制和角度调制的特殊情况。
理论上，数字调制与模拟调制在本质上没有什么不同，它们都是属正弦波调制。但是，数字调制是调制信号为数字型的正弦波调制，而模拟调制则是调制信号为连续型的正弦波调制。
在数字通信的三种调制方式（ASK、FSK、PSK)中，就频带利用率和抗噪声性能（或功率利用率）两个方面来看，一般而言，都是PSK系统最佳。所以PSK在中、高速数据传输中得到了广泛的应用。

1、ASK--又称幅移键控法。载波幅度是随着调制信号而变化的。其最简单的形式是，载波在二进制调制信号控制下通断， 这种方式还可称作通-断键控或开关键控(OOK) 。
l        调制方法：用相乘器实现调制器。
l        调制类型：2ASK,MASK。
l        解调方法：相干法，非相干法。
MASK，又称多进制数字调制法。在二进制数字调制中每个符号只能表示0和1(+1或-1)。但在许多实际的数字传输系统中却往往采用多进制的数字调制方式。与二进制数字调制系统相比，多进制数字调制系统具有如下两个特点： 第一：在相同的信道码源调制中，每个符号可以携带log2M比特信息，因此，当信道频带受限时可以使信息传输率增加，提高了频带利用率。但由此付出的代价是增加信号功率和实现上的复杂性。 第二，在相同的信息速率下，由于多进制方式的信道传输速率可以比二进制的低，因而多进制信号码源的持续时间要比二进制的宽。加宽码元宽度，就会增加信号码元的能量，也能减小由于信道特性引起的码间干扰的影响等。
二进制2ASK与四进制MASK调制性能的比较：
在相同的输出功率和信道噪声条件下，MASK的解调性能随信噪比恶化的速度比OOK要迅速得多。这说明MASK应用对SNR的要求比普通OOK要高。在相同的信道传输速率下M电平调制与二电平调制具有相同的信号带宽。即在符号速率相同的情况下，二者具有相同的功率谱。
虽然，多电平MASK调制方式是一种高效率的传输方式，但由于它的抗噪声能力较差，尤其是抗衰落的能力不强，因而它一般只适宜在恒参信道下采用。

2、PSK--又称相移键控法， 根据数字基带信号的两个电平使载波相位在两个不同的数值之间切换的一种相位调制方法。  
产生PSK信号的两种方法：
1)、调相法：将基带数字信号（双极性）与载波信号直接相乘的方法：
2)、选择法：用数字基带信号去对相位相差180度的两个载波进行选择。
两个载波相位通常相差180度，此时称为反向键控（PSK）。
S PSK =AS DIG (T)COS(W 0 T+O 0 ) 式中：S DIG (T)=1或-1
l        解调方法：只能采用相干解调。
l        类型：二进制相移键控（2PSK)，多进制相移键控（MPSK)。

3、FSK--又称频移键控法。FSK是信息传输中使用得较早的一种调制方式,它的主要优点是: 实现起来较容易,抗噪声与抗衰减的性能较好。在中低速数据传输中得到了广泛的应用。所谓FSK就是用数字信号去调制载波的频率。
l       调制方法：2FSK可看作是两个不同载波频率的ASK以调信号之和。
l       解调方法：相干法和非相干法。
l       类型：二进制移频键控(2FSK)，多进制移频键控(MFSK)。

在上述三种基本的调制方法之外，随着大容量和远距离数字通信技术的发展，出现了一些新的问题，主要是信道的带宽限制和非线性对传输信号的影响。在这种情况下，传统的数字调制方式已不能满足应用的需求，需要采用新的数字调制方式以减小信道对所传信号的影响，以便在有限的带宽资源条件下获得更高的传输速率。这些技术的研究，主要是围绕充分节省频谱和高效率的利用频带展开的。多进制调制，是提高频谱利用率的有效方法，恒包络技术能适应信道的非线性，并且保持较小的频谱占用率。
从传统数字调制技术扩展的技术有最小移频键控（MSK）、高斯滤波最小移频键控（GMSK）、正交幅度调制（QAM）、正交频分复用调制（OFDM）等等。

4、QAM--又称正交幅度调制法。在二进制ASK系统中，其频带利用率是1bit／s·Hz，若利用正交载波调制技术传输ASK信号，可使频带利用率提高一倍。如果再把多进制与其它技术结合起来，还可进一步提高频带利用率。能够完成这种任务的技术称为正交幅度调制（QAM）。它是利用正交载波对两路信号分别进行双边带抑制载波调幅形成的。通常有二进制 QAM，四进制QAM（16QAM），八进制QAM（64QAM），……等。

5、MSK--又称最小移频键控法。当信道中存在非线性的问题和带宽限制时，幅度变化的数字信号通过信道会使己滤除的带外频率分量恢复，发生频谱扩展现象，同时还要满足频率资源限制的要求。因此，对己调信号有两点要求，一是要求包络恒定；二是具有最小功率谱占用率。因此，现代数字调制技术的发展方向是最小功率谱占有率的恒包络数字调制技术。现代数字调制技术的关键在于相位变化的连续性，从而减少频率占用。近年来新发展起来的技术主要分两大类：一是连续相位调制技术（CPFSK），在码元转换期间无相位突变，如MSK，GMSK等；二是相关相移键控技术（COR-PSK），利用部分响应技术，对传输数据先进行相位编码，再进行调相（或调频）。 MSK（最小频移键控）是移频键控FSK的一种改进形式。在FSK方式中，每一码元的频率不变或者跳变一个固定值，而两个相邻的频率跳变码元信号，其相位通常是不连续的。所谓MSK方式，就是FSK信号的相位始终保持连续变化的一种特殊方式。可以看成是调制指数为0.5的一种CPFSK信号。
实现MSK调制的过程为：先将输入的基带信号进行差分编码，然后将其分成I、Q两路，并互相交错一个码元宽度，再用加权函数cos（πt/2Tb）和sin（πt/2Tb）分别对I、Q两路数据加权，最后将两路数据分别用正交载波调制。MSK使用相干载波最佳接收机解调。

6、GMSK--又称高斯滤波最小移频键控法。是使用高斯滤波器的连续相位移频键控，它具有比等效的未经滤波的连续相位移频键控信号更窄的频谱。 在GSM系统中,为了满足移动通信对邻信道干扰的严格要求，采用高斯滤波最小移频键调制方式（GMSK），该调制方式的调制速率为270833Kbit/sec，每个时分多址TDMA帧占用一个时隙来发送脉冲簇，其脉冲簇的速率为33．86Kbs。它使调制后的频谱主瓣窄、旁瓣衰落快，从而满足GSM系统要求，节省频率资源。