数字信号的载波调制与传输优化方案

实际上，大多数信道都不能直接用数字基带信号进行传输，因为一般传输通道的频率特性总是有限的，即有上、下限频率，超过此界限就不能进行有效的传输。如果数字信号流的频率特性与传输通道的频率特性很不相同，那么信号中的很多能量就会失去，信噪比就会降低，使误码增加，而且还会给邻近信道带来很强的干扰。因此，在传输前要对数字信号进行某种处理，减少数字信号中的低频分量和高频分量，使能量向中频集中，或者通过某种调制过程进行频谱的搬移。这两种处理都可以被看作是使信号的频谱特性与信道的频谱特性相匹配。

许多实际的传输信道（如光纤、微波和卫星信道），都是带通信道，只允许一定频率范围的信号在其中传输，无法传输具有低通特性的基带信号。因此，需要把基带信号调制到一定的载波上，将载波送入信道去传输，这就是数字信号的载波传输。数字信号的载波传输与基带传输的主要区别就是增加了调制与解调的环节。下面主要介绍QPSK与QAM调制技术。

1.QPSK（四相移相键控）调制技术

为提高频谱利用率，通常采用多进制调制方法，以提高单位频带的利用率，从而可降低码率、减少信道带宽。利用M进制数字基带信号分别调制载波的幅度、频率和相位，可分别产生MASK、MFSK及MPSK等多进制载波数字调制信号，其中四相移相键控（QPSK）、正交振幅调制（QAM）及残留边带调制（VSB）在多进制调制中比较常用。

QPSK是一种相位调制技术，它规定了4种载波相位，QPSK中每次调制可传输2bit信息，这些信息比特通过载波的4种相位来传输，解调器再根据星座图及接收到的载波信号相位来判断发送端发送的信息比特。QPSK信号是一种4状态信号，对应于4种相位分别表示二进制（00，01，10，11）4种状态，QPSK信号相位有两种形式，即π/2相移系统与π/4相移系统，其信号矢量图如图3-3所示。

图3-3 QPSK信号矢量图

a）π/4系统 b）π/2系统

QPSK是一种恒定包络的二维角度调制技术，它有同相、正交两个载波，同相载波即载波本身，正交载波是指相位旋转90°的载波，作为一种恒定包络调制，QPSK信号平均功率恒定，不受幅度衰减的影响，即幅度失真不会使QPSK产生误码。QPSK调制在实现时采用正交调幅方式，其产生原理框图如图3-4所示。由图3-4可见，串行输入的二进制码ABAB…每两位分成一组经串/并变换后分两路输出，一路为A，另一路为B，此时码元宽度加倍，再分别进行极性变换，将单极性码变为双极性码，然后与载波相乘，形成正交双边带信号，加法器输出即为QPSK信号。在DVB数字电视卫星广播（DVB-S）系统中就是采用QPSK调制技术。

QPSK信号是两个正交的2PSK信号的合成，所以可仿照PSK信号的相干解调方法，用两个正交的相干载波分别解调得A和B两个分量，然后串/并变换转换为串行的二进制数字信号输出。图3-5即为QPSK解调原理框图。

图3-4 QPSK调制原理框图

图3-5 QPSK解调原理框图

2.QAM（正交幅度调制）调制技术(www.xing528.com)

多相调相是靠增加载波调相的相位来提高信息的传输速率，但调相波的包络是等幅的。换句话说，已调相波矢量的端点都限制在一个圆上。正交调幅（QAM）是幅度调制和相位调制的结合，即调幅又调相。图3-6是16PSK的16QAM已调波星座图。由图3-6可以看出16QAM中16个星座点（已调波矢量端点）不在一个圆上，点间距离较远。解调时，区分相邻已调波矢量容易，故误码率低（与相同点数的PSK相比）；当把坐标圆点与各矢量端点连线，可看出各已调波矢量的相位和幅度均有变化。所以说QAM方式的载波既调幅又调相。

QAM是将调制信号调制到一对正交载波上，是二维调制技术。数字比特序列被分成两个序列，以16QAM为例，每4个调制比特分为两组，每组2bit，分别去调制同相正交载波，然后将两路已调信号相加发送。换句话说，16QAM可以看成是互相正交的调幅波之和，又可以视为两个四相相移键控的线性组合。组合时，要对这两个调制器的4个已调信号进行2∶1加权，其中一个调制器是另一个调制器输出幅度的两倍，图3-7是对两个4PSK加权的矢量示意图，其矢量端点与图3-6相同。

图3-6 16PSK的16QAM已调波星座图

a）16QAM b）16PSK

图3-8是多进制QAM调制器与解调器原理框图。通常，原始数字信号都是二进制的。如图3-8a所示，串/并转换器将速率为R_b的输入二进制序列分成两个速率为R_b/2的两电平序列，2-L电平转换器将每个速率R_b/2的两电平序列变成速率为R_b/log₂L的电平信号，L为电平数，然后分别与两个正交的载波相乘，相加后即产生M-QAM信号。

M-QAM信号的解调同样是采用正交的相干解调方法，其框图如图3-8b所示。同相的和正交的两种L电平基带信号用（L-1）个门限电平的判决器判决后，分别恢复出速率等于R_b/2的二进制序列，最后经串/并转换器将两路二进制序列合成一个速率为R_b的二进制序列。

图3-7 对两个4PSK加权的矢量示意图

a）对两个4PSK加权 b）16QAM已调波电平逻辑 c）16QAM调制的16种不同状态

图3-8 多进制QAM调制器与解调器原理框图

a）调制器 b）解调器