数字调制技术的应用和发展

无线信道通常采用调制技术才能实现传输。“调制”是指通过基带信号对载波波形的某些参量进行控制，使这些参量随基带信号的变化而变化。当然，调制的目的不仅是为了满足信道传输的需要，还在于实现多路复用、完成频率分配和减小噪声干扰的影响等。在无线数字通信中，对受调载波的波形，原理上并无特殊的要求，一般选用正弦信号作为载波，这是因为它的形式简单，便于生成与接收。由于正弦信号的三个参量（幅度、频率和相位）都能携带信息，因而相应地有调幅、调频和调相三种基本调制形式，而且还可以由此派生出多种形式。数字通信一般采用数字调制，它与模拟调制的原理是相同的，两者的区别仅在于：模拟调制是对载波信号的参量进行连续调制，在解调时必须对接收信号的调制参量连续地进行估值；而数字调制是用载波信号参量的离散状态来表征所传输的数据信息，在解调时只需对载波信号的受调参量进行检测和判决。因此数字调制信号也称为键控信号。常用的数字调制方式有振幅键控（Amplitude Shift Keying，ASK）、移频键控（Frequency Shift Keying，FSK）和移相键控（Phase Shift Keying，PSK），图1-23给出了这三种信号波形的示例。

图1-23 正弦载波的三种键控波形

（1）数字幅度调制

用携带数据信息的矩形基带信号去控制正弦载波的幅度，称为幅度键控（ASK），又称通断键控（OOK）。在生成2ASK信号时，传送“1”信号，即输出正弦载波信号Acos（ω_ct+ϕ_c）；而传送“0”信号，输出为0。这相当于用一个单极性矩形基带信号（含有直流分量）与正弦载波信号相乘。所以二进制幅度键控的调制器可以用一个相乘器来实现。图1-24表示了2ASK信号的生成原理框图及波形。

图1-24 2ASK信号生成原理框图及波形

假设携带数据信息的基带信号m（t）为随机的单极性矩形脉冲序列，即

其中

那么，已调信号v_AM（t）为

对2ASK信号的解调主要有两种方法：包络检波法和相干解调法。包络检波法是利用包络检波器对幅度键控信号进行检波以恢复其基带信号。相干解调法由相乘器和低通滤波器组成，输入已调信号与相干载波信号在相乘器相乘后，再由低通滤波器过滤即可得到所需的基带信号。

（2）数字频率调制

数字频率调制是利用基带数字信号控制载波频率的变化来传输数字信息的一种调制形式。最简单的数字频率调制是二进制频移键控（2FSK）。由于它的抗噪声、抗衰落性能优于ASK，设备又不复杂，实现也较容易，所以一直被广泛应用在中、低速数据通信系统中。但是，由于在功率和频率利用率方面，传统的2FSK不及相移键控（PSK），所以在差分相移键控（DPSK）取得成功之后，就逐渐被取而代之。然而，2FSK可视为两路不同载频的ASK复合信号，具有潜在的二重频率分集作用，因此在一些衰落信道（如短波、散射信道）的传输中，仍得到了应用。近年来，数字频率调制技术有了很大的进步，特别是多进制频移键控（MFSK）、连续相位频移键控（CP-FSK）、最小频移键控（MSK），以及高斯最小频移键控（GMSK）和软化调频（TFM）等技术的发展，使得其在数字卫星通信系统和无线电信道中也得到了应用。

图1-25给出了利用频率选择法生成2FSK信号的原理框图及波形。在某一码元期间，当输入“1”时输出频率为f₁（t）为信号；反之，当输入“0”时，输出频率为f₂（t）的信号。

图1-25 2FSK信号生成原理及波形

若设携带数据信息的基带信号m₁（t）为随机的单极性矩形脉冲序列。在每一个码元期间，载频为f₁（t）和f₂（t）的正弦信号分别用来传输二进制数字“1”和“0”。此时，载频为f₁（t）的幅度键控信号的时域表达式为

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式中，T_s为码元宽度；a_n和g（t）分别满足如下关系：

由于在任一码元期间，载频f₂（t）是受{a_n}的反码序列控制的，因此它的幅度键控信号可表示为

于是，由载频为f₁（t）和f₂（t）两个幅度键控信号合成的2FSK信号可表示为

对2FSK信号的解调有相干和非相干解调两种方法。这两种方法各自还可派生出若干种具体方法。究竟选用何种解调方法，应根据发送FSK信号的形式及参数、对解调器抗干扰的要求、解调技术的可实现性和设备成本等因素综合考虑。目前，常用的是非相干解调法，虽然它的抗干扰性能不及相干解调法优越，但解调时无需从FSK信号中提取相干载波，因而实现起来比较简单。

（3）数字相位调制

数字相位调制是利用基带数字信号控制载波相位的变化来传输数字信息的一种调制形式。假设载波的相位是对一个固定参考相位而言的，以数字基带信号m（t）的“1”对应于已调信号S（t）中载波的0相位，而以m（t）的“0”对应于S（t）是载波的π相位（此假设也可反过来）。由于在这种调制过程中，已调信号的相位变化是相对于一个固定的参考相位而言的，所以称之为“绝对移相”。其信号波形如图1-26所示。

图1-26 2PSK信号波形

2PSK信号的时域表达式为

式中，ω_c为载波角频率；ϕ_n是第n个码元的载波相位；T_s为码元持续时间；g（t）为数字基带信号波形；ϕ_n是一随机变量，它只有两种可能的取值：0或π。

2PSK信号的生成方法有两种：调相法和相位选择法。用相位选择法产生2PSK信号时，应预先把所需相位的载波准备好，以便由数字基带信号来选择相应的载波输出。振荡器和反相器分别输出0和π两种不同相位的载波，输入基带信号为单脉冲序列。该电路的输出是载波相位随数字基带信号变化的调相信号。图1-27是2PSK的调制与解调框图。

图1-27 2PSK的调制与解调框图

在2PSK信号的解调系统中，同步载波恢复会有180°的相位模糊问题，对2PSK系统误码性能影响很大，所以2PSK方式在实际中很少采用。为了解决2PSK信号解调过程的反向工作问题，提出了二进制差分相位键控（2DPSK）。2DPSK方式是利用前后相邻码元的载波相位的相对变化来表示数字信息的。假设前后相邻码元的载波相位差为∆ϕ（∆ϕ定义为本码元初相与前一码元初相之差），并设数字信息与∆ϕ之间的关系为

2DPSK信号的解调方法有两种：极性比较法和相位比较法。极性比较法就是相干解调法，此方法所需的相干载波是从接收信号中提取的。因为相干解调后仍是相对码，所以最后还需经码变换器将相对码变换成绝对码。输入的2DPSK信号在相乘器中与相干载波相乘，然后经低通滤波（用积分器亦可）。当接收信号与载波同相时，滤波器输出正脉冲；否则，输出负脉冲。然后经取样判决和码元形成，便可得到相对码输出。最后通过码变换器，还原成原信息码。