2.4 数字信号的频带传输
数字传输系统分为基带传输系统和频带传输系统。基带传输是指基带信号直接在信道上传输的方式。频带传输是指基带信号经过调制后，将基带信号的频带搬移到适合在信道传输的频带上，然后在信道上传输的方式。频带传输系统也称为数字调制系统。
数字调制与模拟调制都属于正弦波调制，即载波均为高频正弦波，所不同的是数字调制的调制信号是数字信号，而模拟调制的调制信号是模拟信号。数字调制过程可用键控法（即相当于电键开关控制的方法）实现，由基带信号对载波的振幅、频率及相位进行调制，得到三种最基本的数字调制方式：幅度键控（ASK）、移频键控（FSK）及移相键控（PSK）。
2.4.1 二进制幅度键控信号的调制与解调
用基带数字信号对高频载波信号的幅度进行控制的方式称为幅度键控，也称为数字调幅，简记为ASK。2ASK（二进制数字调幅）的实现方法如图2.31（a）所示。它利用二进制数字信号D（t）控制开关的通与断。当D（t）=1时，开关接通，载波信号通过开关电路输出；D（t）=0时，开关断开，载波信号不能通过开关电路输出，即输出为零。fm（t）输出波形如图2.31（b）所示。收信端可根据fm（t）信号的幅度有无还原为1码或0码的原基带信号。这种调制方法虽然在数字调制中出现最早、实现最简单，但由于它抗噪声能力较差，所以在数字通信中用得不多。
图2.31 二进制幅度键控（2ASK）信号的产生及波形示例
2ASK信号的解调，可以用相干解调或非相干解调（包络检波）实现，相干解调和非相干解调原理框图如图2.32所示。与模拟信号的解调不同的是，在解调数字信号的电路中，要设置抽样判决器。
图2.32 2ASK信号解调
2.4.2 二进制移频键控信号的调制与解调
用基带数字信号对高频载波信号的频率进行控制的方式称为移频键控，也称为数字调频，简记为FSK。二进制数字调频（2FSK）的实现方法如图2.33（a）所示。高频载波信号有两个f1（t）和f2（t），两者频率分别为f1和f2。当数字信号D（t）=1时，开关电路输出f1（t）；当数字信号D（t）=0时，开关电路输出f2（t），从而将二进制的数字信号转换为两个不同频率的载频信号。fm（t）输出波形如图2.33（b）所示。收信端可根据收到的信号频率f1或f2还原为1码或0码的原基带信号。这种调制方式简单，抗干扰能力强，但占用频带宽。
图2.33 二进制移频键控（2FSK）信号的产生及波形示例
2FSK信号的解调借用了2ASK信号的解调电路，所以也有相干解调和非相干解调两种方式，如图2.34（a）、图2.34（b）所示。
图2.34 2FSK系统解调原理框图及波形
考虑到成本等综合因素，在2FSK系统中也很少使用相干解调。以图2.33（b）非相干解调原理框图为例，画出了各点波形，如图2.33（c）所示。图中的抽样判决电路是一个比较器，在判决时刻对上下两支路低通滤波器送出的信号电平进行比较，如果上支路输出的信号大于下支路，判为“1”码；反之，判为“0”码。
解调2FSK信号还可以用鉴频法、过零检测法及差分检波法等。
过零检测法的基本思想是，利用不同频率的正弦波在一个码元间隔内过零点数目的不同，来检测已调波中频率的变化，其波形如图2.35所示。
在图2.35中，限幅器将接收序列整形为矩形脉冲，送入微分整流器，得到尖脉冲（尖脉冲的个数代表了过零点数）。因为在一个码元间隔内尖脉冲数目的多少直接反映着载波频率的高低，所以只要将其展宽为具有相同宽度的矩形脉冲，经低通滤波器滤除高次谐波后，两种不同的频率就转换成了两种不同幅度的信号（见图中f点的波形），送入抽样判决器即可恢复原信息序列。
图2.35 2FSK信号的过零检测波形
2.4.3 二进制移相键控信号的调制与解调
用基带数字信号对高频载波信号的相位进行控制的方式称为移相键控，也称为数字调相，简记为PSK。二进制数字调相（2PSK）的实现方法如图2.36（a）所示。当D（t）=1时，f（t）通过开关直接输出；D（t）=0时，f（t）经反相器反相输出。若f（t）的初始相位为0°，则输出fm（t）的波形如图2.36（b）所示。收信端可根据收到信号相位的不同还原为原基带信号。这种以载波的不同相位直接表示相应数字信息的相位键控，通常称为绝对移相方式。
图2.36 二进制移相键控（2PSK）信号的产生及波形示例
采用绝对移相方式时，由于发送端是以某一相位作为基准，所以在接收端也必须有这样一个固定的基准相位作为参考。如果参考相位发生变化，则恢复的数字信息就会发生错误，从而造成错误的接收。如上述信号，若参考相位由0°变为π后，接收的信息就会变为011001。为解决绝对调相的问题，常用相对移相方式，简记为DPSK。
相对调相是利用载波信号的相对相位关系表示数字信号的1或0，其参考相位是相邻的前一个码元的相位，而不是以固定的相位作为参考。二进制相对调相信号波形如图2.37所示。当D（t）=1时，载波信号相位相对于前一个码元相位变化180°；当D（t）=0时，载波信号相位相对于前一个码元相位不变。收信端可根据收到的前后码元信号相位的变化情况进行比较后恢复成原来的二进制基带信号。因为DPSK在抗噪声性能及相对频带利用率方面比FSK优越，所以广泛用于数字通信中。
图2.37 2DPSK波形示例
2DPSK信号的解调有两种方案。
① 在PSK相干解调电路抽样判决器的后面加差分译码（以抵消在调制器输入端差分编码的影响），解调电路及各点波形如图2.38所示。由图可见，经差分译码后恢复的原数据序列中不存在倒相问题。
图2.38 2DPSK相干解调原理框图及波形
②DPSK解调的另一方案是差分相干解调，它将DPSK接收信号与自身延时一个码元间隔后的信号按位相乘。相乘结果反映了前后码元的相对相位关系，经低通滤波后再抽样判决就可直接恢复出原信息序列。差分相干解调原理框图及各点波形如图2.39所示。图中抽样判决器的判决原则：抽样值大于0时判“0”，抽样值小于0时判“1”。
图2.39 DPSK差分相干解调原理框图及波形
比较这两种解调方案，它们的解调波形虽然一致，都不存在相位倒置问题，但差分相干解调电路中不需要本地参考载波和差分译码，是一种经济可靠的解调方案，得到了广泛的应用。需要注意的是，调制端的载波频率应设置成码元速率的整数倍。
2.4.4 正交移相键控（QPSK）
为了减少传输信号的频带，提高频带利用率，在工程中常采用QPSK信号。
QPSK（QuadraturePSK，正交移相键控）又称为四相键控（4-PSK），它是用载波的四种相位状态对应两位二进制信息码的组合，即00、01、10和11。QPSK可看成是载波相互正交的两个2PSK信号之和。
QPSK有两种系统，一种是已调波相位φi取为π/2的整数倍，即φi与二进制信息的对应关系为0°→00、90°→01、180°→11、270°→10，称为π/2系统的QPSK；另一种是已调波相位φi取为π/4的奇数倍，即φi与二进制信息的对应关系为45°→00、135°→01、225°→11、315°→10，称为π/4系统的QPSK。QPSK调制器原理电路及其相位如图2.40所示。
图2.40 QPSK调制器原理电路及相位
由图2.40可以看出，基带码元经串并转换电路之后分成两个支路，每个支路再分别按2PSK的方式进行调制。但两个支路的相位不同，它们互为正交，即相位相差90°。一个称为同相支路，即I支路；另一个称为正交支路，即Q支路。两个支路分别调制后，再将调制后的信号合并相加就得到了QPSK。
由于QPSK调制方法比较兼顾功率效率和频谱效率，因此目前多用于卫星系统中。
2.4.5 最小频移键控（MSK）和高斯最小频移键控（GMSK）
MSK是一种能够产生恒定包络，连续相位信号的调制，称为最小频移键控，是2FSK的一种特殊情况，它具有正交信号的最小频差，在相邻符号交界处相位保持连续。MSK占用的带宽较宽，不适合宽带传输，因此在信道间隔较小的情况下，邻道干扰要求较高时，MSK不能满足要求，通常采用GMSK调制。
GMSK是一种提高MSK性能的简便调制技术，其框图如图2.41所示。
图2.41 GMSK形成示意图
GMSK在MSK之前，增加一次滤波后再进行MSK调制。经高斯滤波器后形成的高斯脉冲包络无陡峭边沿，基带波形的相位连续性得到了进一步提高，波形更加平滑，相邻信道干扰进一步降低，适用于窄带的移动通信中。
在实际的数字移动通信（GSM）中所采用的调制方式GMSK是通过在载波频率上增加或减少67.708kHz来表示“0”和“1”的，其数据比特率被选择为正好是频偏的4倍，这可以减小频谱的扩散，增加信道的有效性。
GMSK已确定为欧洲第一代移动通信的标准调制方式。