广播百科 数字调制技术

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2018-01-01 广播科技

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第186期

数字调制技术：为了使数字信号在带通信道中传输，必须用数字信号对载波进行调制。在卫星数字传输中，QPSK是目前最常用的一种调制方式，它具有强的抗干扰性，在电路实现上也较为简单。为了进一步提高频谱利用率，可以采用8PSK、16APSK和32APSK等调制方式。

数字调制的一般描述

数字调制是用载波信号的某些离散状态来表示所传输的信息，和模拟调制一样，数字调制也以正弦波为载波并有调幅、调频和调相三种基本方式。在目前比较通用的术语中，把数字调制称为“键控”，就是说把所要传输的信息码元的脉冲序列看作“电键”，对载波的某些参量进行控制，因此有移幅键控 (ASK)、移频键控（FSK)和移相键控（PSK)，并可以派生出多种形式的数字键控方式。在二进制数字调制中，载波的幅度、频率或相位分别只有两种变化状态，表示为 2ASK、2FSK、2PSK。

数字已调信号可表示为载波同相分量和正交分量组合的形式，已调信号的时域表达式为：s(t)=A(t)cos[ω_ct+φ(t)]

式中，A(t)一s(t)的振幅（包络），φ(t)—s(t)的相位，ω_c一s(t)的载波频率。可将式展开为：

s(t)=[A(t)cosφ(t)]cosω_ct-[A(t)sinφ(t)]sinω_ct （式1）

=I(t)cosω_ct-Q(t)sinω_ct

式中，I(t)一同相分量，I(t)=A(t)cosφ(t)；Q(t)—正交分量，Q(t)=A(t)sinφ(t)。由于I(t)和Q(t)所包含的频率成分集中在低频，因此它们是低通信号。上式说明键控信号的通用产生方法是正交调制法，即数字信号变换成适当的基带波形、然后与两个相位正交的载波相乘后叠加。这样，键控信号就可以用基带波形I(t)、Q(t)来描述，各种调制之间的差别都反映在I(t)和Q(t)基带脉冲形式和它们之间的相对时序上。可见，式1提供了分析各种调制技术的方法。式1还可表示为复数信号实部的形式，如下式：

这说明数字调制信号也可以用向量表示，向量是复数平面的一个矢量，其幅度为信号的幅度A(t)，俯角为信号的相角φ(t)，而向量的实数分量和虚数分量就描述了调制过程。因此，各种数字调制技术都可以用向量图来描述，向量图只保留向量端点，称为星座图，如下图所示：

正交调制和解调

如上所述，键控信号的通用产生方法是正交调制法，即数字信号变换成适当的基带波形、然后与两个相位正交的载波相乘后叠加。正交调制器框图如下图所示，星座点映射是指将二进制脉冲转换为键控方式所需的I、Q分量多电平脉冲，然后I、Q分量脉冲分别进行平方根升余弦滚降滤波形成基带波形I(t)、Q(t)。

正交调制的信号是载波同相分量和正交分量的组合，因此可以用两个正交的载波分别对I和Q分量进行相干解调，产生还原的I、Q数据、然后经并/串转换将并行的I、Q数据变为二进制串行数据，原理框图如下图所示：其中LPF特性为平方根升余弦滚降特性。

相干解调就是将经带通滤波的接收信号与从接收信号中恢复出来的相干载波相乘，通过相乘产生基带信号，然后由低通滤波器输出基带信号。由上图可见，由于接收信号可表示为s(t)=I(t)cosω_ct-Q(t)sinω_ct，因此两路乘法器输出分别为：

LPF的输出分别是1/2 •I(t)和1/2 •Q(t)，最终由事先建立的规则对基带波形进行判决，由于信号在传输过程中会受到干扰，因此最佳的判决规则是将被噪声恶化的接收信号以某种方式与一组可能被发送的波形样本进行比较，接收波形与哪个发送波形样本的似然性最大，就判定这个波形是所发送的波形，这就是最大似然准则，按最大似然准则实现的接收机是最佳接收机，上述相干解调方式符合最佳接收原则。

MPSK 调制

多相移相键控MPSK是恒包络数字调制，受调载波相位有M种取值。 MPSK信号可表示为式1的形式，其中同相分量I(t)和正交分量Q(t)分别有如下形式：

式中，g（t）为成形滤波器响应波形；Ts为码元间隔；φ(n)为载波在t= nTs时刻的相位，φ(n)∈{φ_i}，φ_i=2πi/M+φ₀，φ₀为载波初始相位，i=0,1,2,…，M-1。M为载波相位数，通常M=2^L（L为正整数），上式还可表示为：

其中，x_n=cosφ(n)，y_n=sinφ(n)。

对于2PSK，M=2,若取φ₀=0°，则只有同相分量没有正交分量，载波有0°、180°两种相位状态；若取φ₀=90°，则没有同相分量只有正交分量，载波有90°、270°两种相位状态。对于QPSK，M=4，φ₀有0°和45°两种取值，当φ₀=0°时，为A方式，载波有0°、90°、180°、270°四种相位状态_；φ₀= 45°时，为B方式，载波相位有45°、135°、225°、315°四种取值。对8PSK，φ₀有0°和225°两种方式，PSK信号星座图如下图所示：

以QPSK信号为例，由于QPSK的4种不同输出相位要求有4种不同的输入条件，因此二进制输入数据必须以2bit为一组输人，双比特有4种可能的取值_：00，01，10和11。每输人一组双比特，输出相位就产生—次变化，输出变换的速率是输入比特率的一半，QPSK解调器LPF输出如下式：

因此，以B方式为例，可按下表规则进行判决，恢复双比特符号。

PSK还分为绝对调相和相对调相，绝对调相记为PSK，相对调相记为DPSK。所谓绝对调相，是利用载波的不同相位去直接传送数字信息的一种方式；而相对调相，也称差分调相，是利用前后相邻码元的载波相位的相对变化来传送数字信号的一种方式。实现相对调相最常用的方法是，把数字信息序列 (绝对码）经差分编码变换为相对码（差分码）之后再进行绝对调相。

幅度与相位结合的多进制调制52 33432 52 17602 0 0 8523 0 0:00:03 0:00:02 0:00:01 8523>

从星座图上可以直观地看到，单独使用幅度或相位携带信息不能充分利用信号平面，例如在MPSK中，虽然信号波形是两个幅度调制的正交载波的组合，但是由于受到波形具有相同能量的约束，在星座图上我们看到信道点分布在一个圆上，而MASK星座图中信号点在一条轴上分布，随着调制进制数M的增大，这些星座点之间的最小距离也随之减小，抗噪声性能也将降低。如果放宽这些信号约束条件，充分利用信号平面，将信号点重新合理分布，就可以在不减少最小距离情况下增加星座点数量，改善多进制调制的性能，这种方法就是幅度与相位联合的键控方式。下图为M=16的几种幅相联合键控的星座图：

上图（c）是话路频带内传送9600b/s的一种国际标准星座图，记作16APK。图（b)称为正交幅度调制，记作16QAM，QAM星座图通常为正方形或十字星，前者M为2的偶次方，后者为2的奇次方。由图可见，QAM方式实现简单，因此在通信系统中得到了广泛应用。图（a)可记作16APSK，与 QAM相比，该方式的正交调制实现更复杂一些，但其幅度变化较少，更适合在有非线性特性的卫星信道中使用。