数字调制与信号处理

        数字调制解调技术是使传输数字信号特性与信道特性相匹配的一种数字信号处理技术。数字调制一般指调制信号是数字的，而载波是连续波的调制方式。调制的过程就是按调制信号的变化规律去改变载波某些参数的过程。若正弦振荡的载波用Nsin(2M+°)来表示，使其幅度，、频率/或相位。随调制信号而变化，从而就可在载波上进行调制。

按照基带数字信号对载波的振幅、频率和相位等不同参数所进行的调制，可把数字调制方式分为3种基本类型：幅度调制、频率调制和相位调制。

(1)数字幅度调制又称为幅移键控(amplitudeshiftkeying,ASK),即载波的振幅随着调制信号而变化，如数字信号“1”用有载波输出表示，数字信号“0”用无载波表示，如图4.2中的(a)所示。

(2)数字频率调制又称为频移键控(frequencyshiftkeying,FSK),即载波的频率随着调制信号而变化，如数字信号“1”用频率/表示，数字信号“0”用频率无表示，如图4.2(b)所示。FSK是利用两个频率相差△/的正弦信号，进行二进制信号传输。V称为频差，与载波频率尤相比，它是很小的。实际应用中，常常用频差比来说明频差的大小，一般把频差比定义为调制指数。

(3)数字相位调制又称为相移键控(phaseshiftkeying,PSK),即载波的初始相位随着调制信号而变化，如数字信号“1”对应于相位180°,数字信号“0”对应于相位0。，如图4.2中的(c)所示。PSK是利用载波的不同相位来传递数字信息的，而振幅和频率保持不变。

       数字幅度调制、数字频率调制和数字相位调制，这3种数字调制方式是数字调制的基础。然而，这3种数字调制方式都存在某些不足，如频谱利用率低、抗数字信号多径衰落能力差、功率谱衰减慢、带外辐射严重等。为了改善这些不足，近几十年来人们陆续提出一些新的数字调制技术，以适应各种新的通信系统的要求。现代数字调制技术主要有正交调幅(quadrature amplitude modulation,QAM)调制、四相移相键控(quaternaryPSK,QPSK)、正交频分复用(orthogonal  frequency-divisionmultiplexing,OFDM)调制、高斯最小频移键控(Gaussian minimum frequency-shiftkeying,GMSK)>无载波振幅/相(carrier amplitude phaseCAP)调制、离散多载波(discretemultitone,DMT)调制等。

4.3.1正交调幅调制

       QAM调制是数字信号的一种调制方式，在调制过程中，同时以载波信号的幅度和相位来代表不同的数字比特编码，把多进制与正交载波技术结合起来，进一步提高频带利用率。

       QAM是一种将两种调幅信号汇合到一个信道的方法，因此会双倍扩展有效带宽。QAM被用于脉冲调幅，特别是应用在无线网络。

       QAM信号有两个相同频率的载波，但是相位相差90。。一个信号称为I信号，另一个信号称为Q信号。从数学角度讲，一个信号可以表示成正弦，另一个信号可以表示成余弦。两种被调制的载波在发射时已被混合。到达目的地后，载波被分离，数据被分别提取然后和原始调制信息相混合。

       QAM是用两路独立的基带信号对两个相互正交的同频载波进行抑制载波双边带调幅，利用这种已调信号的频谱在同一带宽内的正交性，实现两路并行的数字信息的传输。该调制方式通常有二进制  QAM(4QAM)、四进制QAMO6QAM)、八进制QAM(64QAM)、…对应的空间信号矢量端点分布图称为星座图(图4.3),分别有4、16、64、…个矢量端点。

4.3.2四相移相键控

QPSK调制是利用载波的4种不同相位来表征输入的数字信息，由于4种相位可代表4种数字信息，为此，在四相调制输入端，通常要对输入的二进制码序列进行分组，将每2个信息数字（码元）编为一组，这样就可能有00、01、10>114种组合，每种组合代表一个四进制符号，然后用4种不同的载波相位去表征它们。也就是每一种载波相位代表2个比特信息，称为双比特码元。

 

       信号的相移键控又分为绝对相移和相对相移两种。绝对相移是用未调载波的相位作为基准的调相，即是用控制载波振荡不同相位的绝对值来传递数字信息的。而对相对移相来说，每个码元的载波相位不是以固定的未调载波相位作为基准，而是以相邻的前一个码元的载波相位为基准来确定其相位的取值，即利用载波相位的相对变化来传递信息的，也称为差分相移键控（differentialphaseshiftkeying,DPSK）。考虑到接收抑制载波的双边带信号不能用包络法解调，只能用相干载波，又由于接收机中恢复的相干载波的相位存在不确定性，即相位模糊及信号传输过程中引起的相位抖动，常常使接收机无法正确判断接收码元的极性。为了解决这个问题，在实际中主要采用相对移相制。可以说，只是在实现相对移相之后才真正克服了由于相位不确定性引起的反向工作现象，从而使PSK在实际的通信系统中得到了广泛应用。

4.3.3正交频分复用调制

       OFDM是由多载波调制发展而来。OFDM技术是多载波传输方案的实现方式之一，它的调制和解调是分别基于IFFT（Inversefastfouriertransform,逆向快速傅里叶变换）和FFT来实现的，是实现复杂度最低、应用最广的一种多载波传输方案。

       OFDM主要思想是，将信道分成若干正交子信道，将高速数据信号转换成并行的低速子数据流，调制到每个子信道上进行传输。正交信号可以通过在接收端采用相关技术来分开，这样可以减少子信道之间的相互干扰。每个子信道上的信号带宽小于信道的相关带宽，因此每个子信道上可以看成平坦性衰落，从而可以消除码间串扰，而且由于每个子信道的带宽仅仅是原信道带宽的一小部分，信道均衡变得相对容易。

 

OFDM中的各个载波是相互正交的，每个载波在一个符号时间内有整数个载波周期，每个载波的频谱零点和相邻载波的零点重叠，这样便减小了载波间的干扰。由于载波间有部分重叠，所以它比传统的FDMA提高了频带利用率。OFDM系统频谱如图4.4所示。

 

       OFDM先把需要传输的数字信号序列划分为DO、D4、D8……DI、D5、D9……D2、D6、D10……D3、D7、D11……这样4个子序列（此处子序列个数仅为举例，不代表实际个数），然后将第一个子序列的元素依次调制到频率乩上并发送出去，第二个子序列的元素依次调制到频率凡上并发送出去，第三个子序列的元素依次调制到频率F3上并发送出去，第四个子序列的元素依次调制到频率F4上并发送出去。3、%刊、耳这4个频率满足两两正交的关系。

4.3.4高斯最小频移键控

       GMSK调制技术是从MSK（minimumshiftkeying,最小偏移键控）调制的基础上发展起来的一种数字调制方式，其特点是在数据流送交频率调制器前先通过一个Gauss滤波器（预调制滤波器）进行预调制滤波，以减小两个不同频率的载波切换时的跳变能量，使相同的数据传输速率时频道间距可以变得更紧密。由于数字信号在调制前进行了Gauss预调制滤波，调制信号在交越零点不但相位连续,而且平滑过滤，因此GSMK调制的信号包络稳定、频谱紧凑、误码特性好、可有效降低邻道干扰，提高非线性功率放大器的效率，在数字移动通信中得到了广泛的应用。

        MSK调制是恒包络调制方式的一种，能够产生包络恒定、相位连续的调制信号。其带宽窄，频谱主瓣能量集中，旁瓣滚降衰减快，频带利用率高，在现代通信中得到了广泛的应用。

        MSK又称快速频移键控，是一种特殊的二元频移键控。用不同频率的载波来表示1和0就是FSK。在频率（或数据）变化时，一般的FSK信号的相位是不连续的，所以高频分量比较多。如果在码元转换时刻FSK信号的相位是连续的，称为连续相位的FSK信号（CPFSK）oCPFSK信号的有效带宽比一般的FSK信号小，MSK就是一种特殊的CPFSKo除了相位连续以外，MSK信号还要求满足：1码和0码的波形正交（有利于降低误码率）、频移最小（有利于减小信号带宽，提高对信道的频带利用率）。

        MSK信号解调方法有两类：相干解调和非相干解调。

        相干解调需要进行载波同步（即提取载波），如果频率为和无的载波是用两个振荡电路分别产生的，则该FSK信号就包含有方和方的独立频率成分，若/和互距离比较大，载波同步容易实现。而对于CPFSK信号，它是用一个VCO（voltagecontrolledoscillator,压控振荡器）电路产生的，一般不能进行载波同步。而MSK信号是一种比较特殊的CPFSK信号，其1码和0码相差半个周波，可以设法提取载波信号，因此可采用相干解调方法进行解调。

        非相干解调方法不需要产生本地载波，电路比较简单，容易实现，但抗噪性能相对较差。常用的非相干解调方法有包络检波法和过零点检测法。过零点检测法的基本原理是根据FSK信号过零率的大小来检测已调信号中的频率变化。而包络检测法需要滤去FSK信号中的一个频率，使之变为两路ASK信号。由于MSK信号1码和0码的载波频率间距很小，采用包络检测法或过零点检测法会对误码性能产生不利影响，对于MSK信号的非相干解调一般采用差分检测法。

4.3.5无载波振幅/相位调制

       CAP调制技术是以QAM调制技术为基础发展而来的，可以说它是QAM技术的一个变种。输入数据被送入编码器，在编码器内，力位输入比特被映射为k=2m个不同的复数符号An=an+jbn,由K个不同的复数符号构成农CAP线路编码。编码后an和bn被分别送入同相和正交数字整形滤波器，求和后送入D/A转换器（digitaltoanalogconverter,数模转换器），最后经低通滤波器信号发送出去。

4.3.6离散多载波调制

        DMT调制技术的主要原理是将频带（0〜1.104MHz）分割为256个由频率指示的正交子信道（每个子信道占用4kHz带宽），输入信号经过比特分配和缓存，将输入数据划分为比特块，经TCM（trellis-codedmodulation,网格编码调制）编码后再进行512点离散傅里叶逆变换（inverseDFT,IDFT）将信号变换到时域。这时比特块将转换成256个QAM子字符，随后对每个比特块加上循环前缀（用于消除码间干扰），经D/A变换器和发送滤波器将信号送上信道，在接收端则按相反的次序进行接收解码。