數字調製

數字調製是現代通信的重要方法，它與模擬調製相比有許多優點。數字調製具有更好的抗干擾性能，更強的抗信道損耗，以及更好的安全性；數字傳輸系統中可以使用差錯控制技術，支持複雜信號條件和處理技術，如信源編碼、加密技術以及均衡等。

在數字調製中，調製信號可以表示為符號或脈衝的時間序列，其中每個符號可以有m種有限狀態，而每個符號又可採用n比特來表示。

基本介紹

• 中文名：數字調製
• 外文名：Digital Modulation
• 套用學科：通信
• 定義：用載波信號的來表征所傳送的信息

定義

用載波信號的某些離散狀態來表征所傳送的信息。

模擬圖像信號經數位化以後就形成PCM信號，也可稱作數字基帶信號。數字基帶信號可以直接在短距離內進行傳輸，如要進行長距離傳輸，必須將PCM信號進行數字調製(通常是採用連續波作為載波)，然後再將經調製後的信號送到信道上去傳輸。這種數字調製稱為連續波數字調製，其目標是實現，在有限的信道條件下，儘量提高頻譜資源的利用率，即在單位頻道(赫茲)內有效地傳輸更多的比特信息。

調製的基本概念

一般情況下，信道不能直接傳輸由信源產生的原始信號，信源產生的信號需要變換成適合信號，才能在信道中進行傳輸。將信源產生的信號變換成適合於信道傳輸的信號的過程就稱為調製。

所謂調製是指利用要傳輸的原始信號S(t)去控制高頻諧波或周期性脈衝信號的某個或幾個參量，使高頻諧波或周期性脈衝信號中的某個或幾個參量隨S(t)的變化而變化。

要傳輸的原始信號稱為調製信號或基帶信號，用S(t)表示；被調製的高頻諧波或周期性的脈衝信號起著運載原始信號的作用，因此稱為載波，用C(t)表示；調製後的信號所得到的其參量隨S(t)線性變化的信號則稱為已調信號，用 表示。

調製信號兩種，模擬信號和數位訊號。用模擬信號控制載波參量的變化，這種調製方式稱為模擬調製；用數據信號控制載波信號的參量變化，這種調製方式稱為數字調製。

主要的數字調製方式包括比較傳統的幅移鍵控(ASK)和多電平正交調幅(mQAM)，頻移鍵控(FSK)，相移鍵控(PSK)和多相相移鍵控(mPSK)。也包括近期發展起來的格線編碼調製(TCM)、殘留邊帶調製(VSB：vestigialsideband)、正交頻分復用調製(OFDM：orthogonalfrequencydivisionmultiplexing)等方法。本節以下部分將主要討論圖像通信中用得較多的mPSK，mQAM、TCM、VSB和OFDM等方法。

在具體討論這些調製方法之前，我們首先來定義和討論高頻帶通信號，因為幾乎所有的數字調製信號在頻率域都可視為一種高頻帶通信號，因此我們可以用高頻帶通信號的複數表示法來分析數字調製信號。

高頻簡諧波 ，它由三個參量決定：振幅A，角頻率 以及初相位 。根據調製信號控制的載波信號參量的不同，有三種基本的調製方式。調製信號控制載波信號的振幅A的變化，稱為調幅或幅移鍵控；調製信號控制載波信號的角頻率 的變化，稱為調頻或頻移鍵控；調製信號控制載波信號的初相位 的變化，稱為調相或相移鍵控。

按所用的載波信號來分類，調製可以分為兩大類：連續波調製和脈衝調製。連續波調製用高頻簡諧波作載波，脈衝調製用周期性脈衝信號作載波。

在無線通信中，由於信道情況十分複雜，並且頻率資源有限，要求已調信號的頻帶窄、抗干擾能力強，因此，出現了很多新的調製技術，如高斯濾波最小頻移鍵控(GMSK)、平滑調頻(TFM)、四電平調頻(4-level FM)、鎖相環四相鍵控(PLL-QPSK)等，均可以在25kHz的信道間隔內傳送16kbit/s的數位訊號，可用於移動通信的數字話音傳輸，其中GMSK已經在歐洲的蜂窩移動通信系統中得到了廣泛的套用。

隨著理論和技術的發展，調製技術得到了很大發展。通信技術從原來的模擬通信發展到數字通信；從主要以話音通信為主體的有線通信發展到現今的有線、無線並舉的多種業務並重的綜合業務通信。調製技術作為信息傳輸的基礎理論，在電信技術發展過程中起著十分重要的作用。

數字調製的分類

數字調製可以分為線性調製和非線性調製兩大類。線上性調製技術中，傳輸信號的幅度隨調製信號的變化而線性地變化。線性調製技術有較高的頻寬效率，所以非常適用於在有限頻帶內要求容納更多用戶的無線通信系統。

數字調製方法

常見的數字調製方法如：

ASK ——幅移鍵控調製，把二進制符號0和1分別用不同的幅度來表示。

FSK ——頻移鍵控調製，即用不同的頻率來表示不同的符號。如2KHz表示0，3KHz表示1。

PSK——相移鍵控調製，通過二進制符號0和1來判斷信號前後相位。如1時用π相位，0時用0相位。

GFSK——高斯頻移鍵控，在調製之前通過一個高斯低通 濾波器來限制信號的頻譜寬度 。

GMSK —— 高斯濾波最小頻移鍵控，GSM系統所用調製技術。

QAM——正交幅度調製。

DPSK——差分相移鍵控調製。

mQAM——多電平正交調幅

mPSK——多相相移鍵控

TCM——格線編碼調製

VSB——殘留邊帶調製

OFDM——正交頻分復用調製

總的來說：數字調製是把數字基帶信號變換為數字帶通信號。

數字調製中的一些技術指標

不同的調製方式，其調製特性是不同的，因此，在選擇數字調製方式時，需要用一些技術指標來描述調製的特性，如功率效率、頻寬效率、誤碼率等。

功率效率

功率效率定義為：在接收機輸入特定的誤碼機率下(如10)條件下，每比特信號能量與噪聲功率譜密度之比。其功率效率表示如圖1所示：

式中：E_b為每比特信號的能量；N₀為噪聲功能率譜密度。

功率效率描述了在低功率的情況下一種調製技術保持數字信息信號正確傳送的能力。

頻寬效率

頻寬效率定義為：在給定頻寬內每赫茲數據率吞吐量的值。設R是每秒數據率，單位是比特，B是已調信號占用的頻寬，則頻寬效率可表示如圖2所示：

頻寬效率描述了調製方案在有限的頻寬內傳輸數據的能力。一般來說，數據傳輸速率的提高意味著降低了每個數位訊號的脈衝寬度。

在噪聲條件下，頻寬效率是限制的。根據香農定理，在一個任意小的錯誤機率下，最大的頻寬效率受限於信道內的噪聲。最大頻寬效率如圖3所示：

其中C是信道容量，B是已調信號占用的頻寬，S/N是信噪比。信噪比通常用10lg(S/N)來描述，其單位為dB(分貝)。

誤碼率

由於數據信號在傳輸過程中，不可避免地會受到外界噪聲以及信道本身的傳輸性能影響，在接收方會造成一定程度的差錯。衡量數據傳輸質量的指標是誤碼率。

誤碼率(P_e)是指接收方收到的錯誤碼元個數(N_e)與傳送的總碼元個數N之比。

此外，衡量可靠性的指標還有誤字率、誤組率等。其定義方法與誤碼率相似。

有時將誤碼率、誤字率和誤組率稱為差錯率。差錯率是一個統計平均值，因此在測量或統計時，總的比特(字元、碼組)數應達到一定的數量，否則結果將失去意義。

選擇數字調製方案時考慮的因素

在數字通信系統設計中，在選擇調製方案時，經常在頻寬效率、功率效率、誤碼率等指標之間進行折衷。例如對信息信號增加差錯控制，降低了頻寬效率，但是保證了通信的可靠性，它是以頻寬效率換取了通信的可靠性。另一方面，多進制的調製方案降低了占用頻寬，但增加了所必需的接收功率，以功率效率換取了頻寬效率。

除功率效率、頻寬效率和誤碼率以外，還有一些因素也會影響數字調製技術的選擇，如對於服務於大用戶群的個人通信系統，用戶端接收機的費用和複雜度必須降低到最小，因此，經常採用檢波簡單的調製方式。

無線通信中，在各種不同的信道損耗情況下，如Rayleigh和Rician衰落及多徑時間擴散，對於解調器實現、調製方案的性能是選擇一個調製方案的關鍵因素。在干擾為主要問題的蜂窩系統中，調製方案主要考慮干擾環境中的性能。在時變信道造成的延時抖動檢測靈敏度，也是選擇調製方案時要考慮的重要因素。

通常，調製、干擾、信道時變效果和解調器詳細的性能，須通過仿真方法來對整個系統進行分析，從而決定相關的性能和最終的選擇。