2.4 数字信号的频带传输

当基带数字信号频率范围与信道不相匹配时，把基带数字信号进行调制后再行传输，就是数字信号的频带传输。本节在第1章所介绍的调制与解调概念的基础上，将进一步介绍多进制数字调制和复合调制的概念。

2.4.1 多进制数字调制

多进制数字调制是指利用多进制数字基带信号去调制载波信号的某个参量，如幅度、频率或相位。根据被调参量的不同，可分为多进制幅移键控（MASK）、多进制频移键控（MF-SK）和多进制相移键控（MPSK或MDPSK）。

与二进制数字调制相比，多进制数字调制提高了比特速率，增加了频带利用率。在比特速率相同的条件下，可以通过多进制数字调制降低码元速率来提高传输的可靠性。但是多进制数字调制需要多电平来表示信号的不同状态，因而在相同的噪声下，抗噪声性能低于二进制数字调制系统，需要通过增加信号功率来提高抗干扰能力，实现起来也较复杂。

1．多进制数字调幅（MASK）

MASK又称为多电平调制，它是2ASK调制方式的推广。利用图2-14a所示的四进制数字信号的振幅调制正弦载波信号后产生的波形如图2-14b所示。在一个码元期间按照调制信号振幅的大小，产生对应幅度的载波信号。码元幅度越高，载波振幅越大。图2-14b可看成是四个不同载波振幅波形的叠加，这四种振幅幅度不等、时间上不重叠。

MASK已调信号的表达式为

SMASK（t）=S（t）cos（ωct）

显然，当利用N进制的数字信号对载波调制时，MASK可以看做由时间上互不重叠的N-1个不同幅度的2ASK信号叠加而成。

MASK是一种高效调制方式，但抗干扰能力较差，一般只适宜在有线恒参信道中使用。

2．多进制数字调频（MFSK）

MFSK简称多频制，是在2FSK方式基础上的推广。MFSK用M个不同载波频率代表M种数字信息。MFSK系统的组成框图如图2-15所示。发送端采用键控选频的方式，接收端采用非相干解调方式。图2-15中实现的是二进制码元系列转换为M进制数据传输的过程。

发送端串/并变换器和逻辑电路1把输入的二进制码元序列以k=log2M位码元为一组，对应地转换成有M种状态的多进制码。每个状态分别对应一个不同的载波频率fi（i=1，…，M），来开通对应的门电路，让相应的载频发送出去，同时关闭其他门电路。相加器组合输出的就是一个M进制调频波。

解调部分由M个带通滤波器（Band Pass Filter，BPF）、包络检波器、抽样判决器以及逻辑电路2组成。各带通滤波器的中心频率分别对应发送端各个载频。当某一已调载频信号到来时，在任一码元持续时间内，只有与发送端频率相应的一个带通滤波器能收到信号，其他带通滤波器只有噪声通过。抽样判决器的任务是比较所有包络检波器输出的电压，并选出最大者作为输出，这个输出是一个与发送端载频相对应的进制数。逻辑电路2把这个进制数译成k位二进制码元，并进一步作并/串变换恢复二进制信息输出。

MFSK的主要缺点是占用较宽的信道带宽，多用于调制速率较低及多径延时比较严重的信道，如无线短波信道等。

3．多进制数字调相（MPSK）

MPSK又称多相制，是2PSK的推广。它是利用载波的多种不同相位状态来表征数字信息的一种调制方式。与二进制数字相位调制相同，多进制数字相位调制也有绝对相位调制（MPSK）和相对相位调制（MDPSK）两种。

设载波为cos（ωct），多进制数字相位调制信号可表示为

Smpsk（t）=Σng（t-nTb）cos（ωct+φn）=cos（ωct）[Σncos（φn）g（t-nTb）]-sin（ωct）[Σnsin（φn）g（t-nTb）]

式中，Σn表示以n为正整数的和；g（t）是高度为1，宽度为Tb的门函数，Tb是M进制单位码元持续时间；φn是第n个码元所对应的相位，共有M个不同取值，即

一般情况下，相邻相位均匀等分相位差，于是有Δθ=2π/M。令an=cosφn，bn=sinφn，I（t）=Σnang（t-nTb），Q（t）=Σnbng（t-nTb），于是有

Smpsk（t）=I（t）cos（ωct）-Q（t）sin（ωct） （2-8）

上式第一项称为同相分量，第二项称为正交分量。I（t）、Q（t）随着φn的变化而变化，称为多电平信号。由于cos（ωct）和sin（ωct）是正交信号，所以MPSK信号可以看成是两个正交载波信号进行的多电平调制之后所得两路MASK信号的叠加。实际中，常用正交调制的方法产生MPSK信号。

M进制数字相位调制信号还可以用矢量图来描述，图2-16画出了M=2、4、8三种相制情况下的矢量图。根据ITU-T的建议，具体相位配置有A、B两种方式。图中注明了各相位状态及其所代表的比特码元。以A方式4PSK为例，载波相位有0、π/2、π和-π/2共4种，分别对应码元00、10、11和01。图2-16中虚线为参考相位，对MPSK而言，参考相位为载波的初相。对MDPSK而言，参考相位为前一已调载波码元的初相。各相位值都是对参考相位而言的，正为超前，负为滞后。

下面以4PSK（QPSK）信号的调制与解调为例说明四进制绝对相移键控原理。

4PSK利用载波的4种不同相位来表征数字信息。由于每一种载波相位代表两个比特信息，故每个四进制码元又被称为双比特码元，习惯上把双比特的前一位用a表示，后一位用b表示。

图2-17a、b分别示出了4PSK信号的调制和解调框图。

在图2-17a中，四相载波发生器产生4PSK信号所需的4种不同相位的载波。输入的二进制数码经串/并变换器输出双比特码元a、b。按照输入的双比特码元的不同，逻辑选相电路输出相应相位的载波。例如，B方式情况下，双比特码元为00和01时，输出相位分别为π/4和3π/4的载波，即

由于4PSK信号可以看做是两个载波正交的2PSK信号的合成，因此，对4PSK信号的解调可以采用与2PSK信号类似的解调方法进行，参见1.7.4节。图2-17b是B方式4PSK信号相干解调器的组成框图。图中两个相互正交的相干载波分别检测出两个分量a和b，然后，经并/串变换器还原成二进制双比特串行数字信号。

2.4.2 复合调制与多级调制

用一个数字信号或者一个数字信号加一个模拟信号对同一载波信号的两个参数同时进行调制称为复合调制，主要目的是进一步获得信道利用率的提升。图2-18示出了一个复合调制的例子。例如，在数字微波通信中采用相移键控加模拟调频对正弦载波信号的相位和频率同时调制。相移键控调制用于传送数字主信号；而模拟调频调制用于业务模拟语音通信。

在复合调制中，经常使用的是把数字调幅和调相组合起来使用。例如多进制幅相键控（MAPK）或它的特殊形式多进制正交调幅（MQAM）等。

图2-19示出了数字绝对调相加调幅的复合调制实现的十六进制调制矢量图。该调制方案采用12个绝对相位值来表示16种状态，但为了以每个相位值代表4位二进制数，还需要在这12个相位值中选择4个相位取二值电平（图中1011、1111、0011和0111），扩展出4个同相位但不同电平值的状态。这样原来2400Baud的码元速率可以实现9600bit/s的数据传输速率。

与复合调制不同，多级调制是指把同一基带信号实施两次或更多次的调制过程。所采用的调制方式可以是相同的，也可以是不同的。图2-20展示的是多路信号经不同载波频率单边带调制后合成在一起，然后再经同一个载波信号ω统一完成二级调制的过程。