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数字调制技术在通信中的作用1.引言数字调制技术是现代通信领域中至关重要的技术之一。
数字调制技术通过将数字信号与载波合成为高频信号进行传输，实现了通信效率的大幅度提升。
本文将从数字调制技术的定义、原理以及应用三个方面，全面介绍数字调制技术在通信中的作用。
2.数字调制技术的定义数字调制（Digital Modulation）技术是指通过将数字信号按照一定的规律转换成为模拟信号（载波信号），然后在模拟信号上进行调制，以便在传输过程中保证数据传输的可靠性、迅速性、高效性和稳定性。
3.数字调制技术的原理数字调制技术依靠上述所述的载波信号在数字信号上进行调制，具体原理如下：3.1载波信号为了能够传输高频信号，数字调制技术在传输中必须涉及到载波信号。
载波信号是一种正弦波信号，通常的频率范围为几千赫兹到几千兆赫兹之间。
3.2数字信号传统的数字信号分为脉冲和非脉冲两种，但是在数字调制技术中，常常使用数字化的“0”和“1”代替脉冲和非脉冲，因为“0”和“1”的数字化性质使得传输信号更加稳定。
3.3调制方式数字调制技术中的调制方式根据不同的用途和需求，通常有不同的选择，通用的调制方式有以下三种：3.3.1频移键控（FSK）在FSK中，表示“0”和“1”的两个数字，分别对应两个不同的载波频率，通过这种方法，就可以同时传输两个不同的数字。
3.3.2相位键控（PSK）在PSK中，表示“0”和“1”的两个数字，分别对应两个不同的载波相位，通过这种方法，就可以传输一个数字。
3.3.3振幅键控（ASK）在ASK中，表示“0”和“1”的两个数字，分别对应两个不同的载波幅度，通过这种方法，就可以传输一个数字。
4.数字调制技术的应用数字调制技术广泛应用于现代通信的各个领域，以下将从数字电视、数字音频、数字移动通信、卫星通信四个方面来介绍。
4.1数字电视数字电视的主要特点是大容量、高清晰度、高保真性。
虽然传输中需要的带宽更大，但是通过数字调制技术的高效率传输，数字电视信号依然可以在非常短的时间内传输到用户的家中。
数字信号调制的三种基本方法
数字信号调制是数字通信中的重要技术之一，它将数字信息转换为模拟信号或数字信号，以便在信道中传输或存储。
目前，数字信号调制有三种基本方法，分别是脉冲编码调制、正交振幅调制和频移键控调制。
1. 脉冲编码调制
脉冲编码调制（Pulse Coded Modulation，PCM）是一种将模拟
信号数字化的方法，它将连续的模拟信号离散化后通过调制器进行数字信号调制。
在PCM中，原始信号通过采样、量化和编码处理后转换为数字信号。
这种方法具有简单、效率高、误差小等优点，广泛应用于电话、广播、电影、电视等领域。
2. 正交振幅调制
正交振幅调制（Quadrature Amplitude Modulation，QAM）是一种将数字信号调制为模拟信号的方法。
在QAM中，数字信号通过正交振幅调制器进行调制，将信号分为实部和虚部两个部分，再通过合并器合并成一个复杂信号。
这种方法具有高效率、抗干扰性强等优点，被广泛应用于数字电视、无线通信、卫星通信等领域。
3. 频移键控调制
频移键控调制（Frequency Shift Keying，FSK）是一种将数字
信号调制为模拟信号的方法，它通过改变信号的频率来传输数字信息。
在FSK中，数字信号通过频移键控调制器进行调制，将信号分为两个不同频率的正弦波，并通过信道传输。
这种方法具有抗噪声干扰性强、
误码率低等优点，被广泛应用于蓝牙、无线电、遥控等领域。
总之，数字信号调制是数字通信中不可缺少的技术，不同的调制方法适用于不同的应用场景，我们需要选择合适的调制方式来提高通信效率和可靠性。
ASK、FSK、PSK、QAM数字调制技术1934年美国学者李佛西提出脉冲编码调制(PCM)的概念，从此之后通信数字化的时代应该说已经开始了，但是数字通信的高速发展却是20世纪70年代以来的事情。
随着时代的发展，用户不再满足于听到声音，而且还要看到图像；通信终端也不局限于单一的电话机，而且还有传真机和计算机等数据终端。
现有的传输媒介电缆、微波中继和卫星通信等将更多地采用数字传输。
而这些系统都使用到了数字调制技术，本文就数字信号的调制方法作一些详细的介绍。
一数字调制数字信号的载波调制是信道编码的一部分，我们之所以在信源编码和传输通道之间插入信道编码是因为通道及相应的设备对所要传输的数字信号有一定的限制，未经处理的数字信号源不能适应这些限制。
由于传输信道的频带资源总是有限的，因此提高传输效率是通信系统所追求的最重要的指标之一。
模拟通信很难控制传输效率，我们最常见到的单边带调幅（SSB）或残留边带调幅（VSB）可以节省近一半的传输频带。
由于数字信号只有"0"和"1"两种状态，所以数字调制完全可以理解为像报务员用开关电键控制载波的过程，因此数字信号的调制方式就显得较为单纯。
在对传输信道的各个元素进行最充分的利用时可以组合成各种不同的调制方式，并且可以清晰的描述与表达其数学模型。
所以常用的数字调制技术有2ASK、4ASK、8ASK、BPSK、QPSK、8PSK、2FSK、4FSK等，频带利用率从1bit/s/Hz～3bit/s/Hz。
更有将幅度与相位联合调制的QAM技术，目前数字微波中广泛使用的256QAM的频带利用率可达8bit/s/Hz，八倍于2ASK或BPSK。
此外，还有可减小相位跳变的MSK等特殊的调制技术，为某些专门应用环境提供了强大的工具。
近年来，四维调制等高维调制技术的研究也得到了迅速发展，并已应用于高速MODEM中，为进一步提高传输效率奠定了基础。
总之，数字通信所能够达到的传输效率远远高于模拟通信，调制技术的种类也远远多于模拟通信，大大提高了用户根据实际应用需要选择系统配置的灵活性。
调制技术的应用随着无线通信技术的迅猛发展，调制技术成为了无线通信技术中的重要组成部分。
调制技术是将待传输信息信号与载波进行相互作用，使信息信号可以经过空气、导线等媒介传输。
在现代无线通信领域，调制技术应用广泛，如移动通信、卫星通信、航空通信、广播、电视等等。
本文将介绍调制技术的应用。
一、移动通信移动通信是无线通信领域中最为突出的应用之一，而移动通信中最为重要的调制技术是数字调制。
移动通信中常用的数字调制技术有ASK（振幅调制）、FSK（频移键控）、PSK （相移键控）和QAM（正交振幅调制）等。
数字调制技术通过使用数字信号来信号调制，可以提高信道容量，减少传输误码率，提高通信信号质量，因此其应用十分广泛。
二、卫星通信卫星通信中，调制解调器是重要的组成部分，其主要作用是将要传输的数据进行载波调制，以便于通过卫星传输。
卫星通信中常用的调制技术有BPSK（二进制相移键控）、QPSK （四进制相移键控）和8PSK（八进制相移键控）等。
这些技术具有高频谱效率和低误码率的特点，适用于土地和海洋等不同的地理环境和信息传播需求。
三、航空通信在航空通信中，调制技术逐渐发展为MF、HF、VHF/UHF等各种频段的无线电波通信系统。
调制技术的主要应用在航空导航、气象信息、空中交通管制等方面。
这些系统需要在不同频段和调制方式下进行信息传输，包括调幅、调频以及数字调制等。
这些技术可以提高通信信号的覆盖范围和传输速率，增强通信信号的可靠性和抗干扰性，提高系统的适用性和安全性。
四、广播电视广播电视是调制技术的重要应用领域之一，其主要应用的调制技术有AM（调幅）、FM （调频）和数字调制等。
广播电视中涉及到的信号类型与传输环境都各具特点，需要选择不同的调制技术来适应不同的传播需求，常规广播与电视采用调幅方式传播，而数字广播与电视采用数字调制方式传播。
广播电视的传输距离较远，信号传输可靠性要求高，调制技术在广播电视中的应用显得尤为重要。
调制和解调是现代通信系统中至关重要的过程，它们可以实现信息的传输和接收。
在数字通信中，有三种常见的调制和解调技术，分别是ask、psk和fsk。
本文将详细讨论这三种调制和解调技术的原理和应用。
一、ASK调制与解调原理1. ASK调制ASK（Amplitude Shift Keying）调制是一种将数字信号转换为模拟信号的调制技术。
在ASK调制中，数字信号被用来控制载波的振幅，当输入信号为1时，振幅为A；当输入信号为0时，振幅为0。
ASK 调制一般用于光纤通信和无线电通信系统。
2. ASK解调ASK解调是将接收到的模拟信号转换为数字信号的过程。
它通常是通过比较接收到的信号的振幅与阈值来实现的。
当信号的振幅高于阈值时，输出为1；当信号的振幅低于阈值时，输出为0。
ASK解调在数字通信系统中有着广泛的应用。
二、PSK调制与解调原理1. PSK调制PSK（Phase Shift Keying）调制是一种将数字信号转换为模拟信号的调制技术。
在PSK调制中，不同的数字信号会使载波的相位发生变化。
常见的PSK调制方式有BPSK（Binary Phase Shift Keying）和QPSK（Quadrature Phase Shift Keying）。
PSK调制在数字通信系统中具有较高的频谱效率和抗噪声性能。
2. PSK解调PSK解调是将接收到的模拟信号转换为数字信号的过程。
它通常是通过比较接收到的信号的相位与已知的相位来实现的。
PSK解调需要根据已知的相位来判断传输的是哪个数字信号。
PSK调制技术在数字通信系统中被广泛应用，特别是在高速数据传输中。
三、FSK调制与解调原理1. FSK调制FSK（Frequency Shift Keying）调制是一种将数字信号转换为模拟信号的调制技术。
在FSK调制中，不同的数字信号对应着不同的载波频率。
当输入信号为1时，载波频率为f1；当输入信号为0时，载波频率为f2。
FSK调制常用于调制通联方式线路和调制调制解调器。
数字通信——QAM和QPSK调制
一、正交振幅调制(QAM)
1.原理及应用概述
正交幅度调制（QAM）是一种矢量调制，是幅度和相位联合调制的技术，它同时利用了载波的幅度和相位来传递信息比特，不同的幅度和相位代表不同的编码符号。
因此在一定的条件下可实现更高的频带利用率,而且抗噪声能力强，实现技术简单。
因此QAM在卫星通信和有线电视网络高速数据传输等领域得到广泛应用。
QAM的调制原理：QAM将输入比特先映射（一般采用格雷码）到一个复平面上，通常，可以用星座图来描述QAM信号的信号空间分布状态。
形成复数调制符号（I，Q），然后将符号的I、Q分量（对应复平面的实部和虚部）采用幅度调制，分别对应调制在相互正交（时域正交）的两个载波cos(wt)和sin(wt)上。
输入的二进制序列经过串/并变换器输出速率 减半的两路并行序列，
再分别经过2电平到L 电平的变换，形成L 电平的基带信号。
还要经过预调制低通滤波器，形成X(t)和Y(t)，再分别对同相载波和正交载波相乘。
最后将两路信号相加即可得到QAM 信号。
QAM 调制数学原理：QAM 调制的表达式一般可表示为
()cos sin y t A wt B wt m m m =+
其中Am=dmA ，Bm=emA ，式中A 是固定的振幅大小，dm 和em 可以简单的认为是I 、Q 分量。
利用三角函数关系对上式进行变换可得
22()cos(),arctan m m m m m m m y t C wt A C A B B θθ=+⎛⎫=+= ⎪
⎝⎭
其中：m C 、m θ 分别是QAM 调制信号在一个码元区间内调制信号的振幅和相角大小。
解调器首先对收到的QAM 信号进行正交相干解调。
低通滤波器LPF 滤除乘法器产生的高频分量。
LPF 输出经抽样判决可恢复出m 电平信号x(t)和 y(t)。
因为和取值一般为±1，±3，…，±（m-l ），所以判决电平应设在信号电平间隔的中点，即Ub ＝0，±2，±4，…，±（m-2）。
根据多进制码元与二进制码元之间的关系，经m/2转换，可将电平信号m 转换为二进制基带信号x ＇(t)和y ＇(t)。
4.系统分析
由于QAM 的错误概率主要取决于信号点间的最小距离,所以需要了解信号点星座图[ 1 ] . 调制信号矢量端点在信号空间的坐标系中的分布图称为调制星座图,其中的信号矢量端点称为星象点. 常规的信号星座图为矩形和十字型,本文以矩形星座图为例,进行仿真和分析[ 2, 3 ] . 如图3和图4所示,若n 为偶数,则星座图是正方形,若n 为奇数,则星座图为长方形. 星座图上的每个点由相位和正交方向上的不同电平表示.星座图越大,则每个符号代表的比特数越多[ 1 ] [ 4 ] [ 5 ] ,但是检测电平和相位也越困难. 由图5可知:要达到与小星座图相同的QAM 性能,需要增加信道的信噪比,星座图每增大一倍,信噪比需要增加4 dB 左右.对于M = 2n 的矩形信号星座图, QAM 信号星座等效于在两个正交载波上的两个PAM 信号,/22n M = 个信号点（当n 为偶数时），M 元QAM 的错误概率为：
31[12(1()1M P Q M N M ζ
=--•-
其中,0/N ζ是平均符号信噪比( SNR).
从而M 进制的误码率为
:
21(1M P =--
可以注意到，当k 为偶数时，这个结果对2k M = 情形时精确的，而当k 为奇数时，
进制RAM 系统。
如果使用最佳距离量度进行判决的最佳判决器，可以求出任意1k ≥ 误码率的严格上线
2
112M P ⎡≤--⎢⎣
4≤
其中0
avb
E N 是每比特的平均信噪比。
二、正交相移键控（QPSK ）
1.QPSK 原理及其调制
四相相移键控（QPSK ）又名四进制移相键控，该信号的正弦载波有四个可能的离散相位状态，每个载波相位携带2个二进制符号，其信号的表示为
θi 为正弦载波的相位，有四种可能状态：θi 为π/4、3π/4、5π/4、7π/4，此初始相位为π/4的QPSK 信号的矢量图如图1所示。
图1 QPSK 信号的矢量图
)
cos()(i c i t w A t s θ+4,3,2,1=i S
T t ≤≤
下面分析QPSK 信号的产生。
将信号表达式进行改写
若θi 为π/4、3π/4、5π/4、7π/4，，则
于是，信号表达式可写成
由此可得到QPSK 调制的产生方法。
图2 QPSK 实现框图
由框图可见，两路2PSK 信号分别调至在相互正交的载波上，这也是QPSK 信号被称为正交载波调制的原因。
此外相位的映射采用格雷映射。
现在以一个二进制输入序列为为例解释串并变换是如何将二进制转化为四进制的。
令输入为1011010011，经过串并转换和映射可以得到原始信号与I 路信号和Q 路信号的关系，如图3所示.
)cos()(i c i t w A t s θ+)
sin sin cos (cos t w t w A c i c i θθ-=21
sin ;21cos ±=±
=i i θθ]sin )(cos )([2)(t w t Q t w t I A
t s c c i -=
1)(;1)(±=±=t Q t
I
图3 QPSK 调制后的I 路Q 路信号
2.QPSK 信号的平均误比特率
计算QPSK 解调的误比特率有两种方法：一是先计算误符号率（平均错判四进制符号的概率），然后再根据误符号率计算从四进制译为二进制符号的误比特率；另一种计算方法沿用2PSK 匹配滤波解调的误比特率计算公式。
下面采用第二种方法来计算。
在加性高斯白噪声信道条件下，2PSK 最佳接收的平均误比特率为
对于2PSK 而言，在QPSK 与2PSK 的输入二进制信息速率相同，二者的发送功率相同，加性噪声的单边功率谱相同的条件下，QPSK 与2PSK 的平均误比特率是相同的。
在给定二进制信息速率的条件下，QPSK 的同相支路与正交支路的四进制符号速率是二进制信息速率的一半，即Ts=2Tb 。
在给定信号总发送功率的条件下，QPSK 同相支路和正交支路的信号功率是总的发送功率的一半。
于是得到I 路和Q 路的平均错判概率为
)
(21)2(210
02N E N T A erfc P b
b b ==
由于QPSK 发端信源输出的二进制符号“1”和“0”等概率出现，二进制码元经串并变换后在同相支路和正交支路也是等概率分布的，在收端的同相和正交之路解调的输出经并串变换后的数据，其总的平均误比特率与I 路或Q 路的平均误比特率是相同的，即
其中P I 和P Q 分别是总的二进制码元出现在I 路或Q 路的概率，P I =P Q =1/2,因而QPSK 的平均误比特率为
综上所述，将QPSK 和2PSK 相比较，在两者的信息速率、信号发送功率、噪声功率谱密度相同的条件下，QPSK 和2PSK 的平均误比特率是相同的，而QPSK 功率谱主瓣宽度比2PSK 的窄一半。
3.QPSK 的实际应用
QPSK 数字电视调制器在对数据流的处理上采用能量扩散的随机化处理、RS 编码、卷积交织、收缩卷积编码、调制前的基带成形处理等，保证了数据的传输性能。
QPSK 数字电视调制器采用了先进的数字信号处理技术，完全符合DVB-S 标准，接收端可直接用数字卫星接收机进行接收。
它不但能取得较高的频谱利用率，具有很强的抗干扰性和较高的性能价格比，而且和模拟FM 微波设备也能很好的兼容。
性能特点：
①、进行原有的电视微波改造，可用30M 带宽传送5至8套DVD 效果的图像；
②、用调频微波的价格达到MMDS 的效果，实现全向发射；
③、可进行数字加密，对图象绝无任何损伤。
同时，中国的3G 制式（CDMA2000，WCDMA,TD-SCDMA ）均在下行链路上
)
(21)22)2(
(2
1
02
N E erfc N T A erfc P P b b
eQ eI ==
=eQ
Q eI I b P P P P P +=)(21
N E erfc P P P b eQ eI b =
==
参考资料
1. Simon Haykin．Communication Systems 通信系统（第四版）：电子工业出版社
2. 夏克文．卫星通信：西安电子科技大学出版社，2008
3. 电子系统设计/SEARCH/ART/QAM-1.HTM
4. 天极网/it/90/2002590.shtml
5. 电子工程世界/szds/2008/0521/article_210.html。
