摘要：由於數字電視系統採用數字傳輸，而在傳輸系統中都使用到了數字調製技術，本文就對ASK、FSK、PSK、QAM等數字調製方法進行詳細的介紹。
1934年美國學者李佛西提出脈衝編碼調製(PCM)的概念，從此之後通信數字化的時代應該說已經開始了，但是數字通信的高速發展卻是20世紀70年代以來的事情。隨着時代的發展，用戶不再滿足於聽到聲音，而且還要看到圖像；通信終端也不侷限於單一的電話機，而且還有傳真機和計算機等數據終端。現有的傳輸媒介電纜、微波中繼和衛星通信等將更多地採用數字傳輸。而這些系統都使用到了數字調製技術，本文就數字信號的調製方法作一些詳細的介紹。
一 數字調製
數字信號的載波調製是信道編碼的一部分，我們之所以在信源編碼和傳輸通道之間插入信道編碼是因爲通道及相應的設備對所要傳輸的數字信號有一定的限制，未經處理的數字信號源不能適應這些限制。由於傳輸信道的頻帶資源總是有限的，因此提高傳輸效率是通信系統所追求的最重要的指標之一。模擬通信很難控制傳輸效率，我們最常見到的單邊帶調幅（SSB）或殘留邊帶調幅（VSB）可以節省近一半的傳輸頻帶。由於數字信號只有"0"和"1"兩種狀態，所以數字調製完全可以理解爲像報務員用開關電鍵控制載波的過程，因此數字信號的調製方式就顯得較爲單純。在對傳輸信道的各個元素進行最充分的利用時可以組合成各種不同的調製方式，並且可以清晰的描述與表達其數學模型。所以常用的數字調製技術有2ASK、4ASK、8ASK、BPSK、QPSK、8PSK、2FSK、4FSK等，頻帶利用率從1bit/s/Hz～3bit/s/Hz。更有將幅度與相位聯合調製的QAM技術，目前數字微波中廣泛使用的256QAM的頻帶利用率可達8bit/s/Hz，八倍於2ASK或BPSK。此外，還有可減小相位跳變的MSK等特殊的調製技術，爲某些專門應用環境提供了強大的工具。近年來，四維調製等高維調製技術的研究也得到了迅速發展，並已應用於高速MODEM中，爲進一步提高傳輸效率奠定了基礎。總之，數字通信所能夠達到的傳輸效率遠遠高於模擬通信，調製技術的種類也遠遠多於模擬通信，大大提高了用戶根據實際應用需要選擇系統配置的靈活性。
1、基帶傳輸
傳輸信息有兩種方式：基帶傳輸和調製傳輸。由信源直接生成的信號，無論是模擬信號還是數字信號，都是基帶信號，其頻率比較低。所謂基帶傳輸就是把信源生成的數字信號直接送入線路進行傳輸，如音頻市話、計算機間的數據傳輸等。載波傳輸則是用原信號去改變載波的某一參數實現頻譜的搬移，如果載波是正弦波，則稱爲正弦波或連續波調製。把二進制信號調製在正弦波上進行傳輸，其目的除了進行頻率匹配外，也可以通過頻分、時分、波分複用的方法使信源和信道的容量進行匹配。
2、爲什麼要進行調製
首先，由於頻率資源的有限性，限制了我們無法用開路信道傳輸信息。再者，通信的最終目的是遠距離傳遞信息。由於傳輸失真、傳輸損耗以及保證帶內特性的原因，基帶信號是無法在無線信道或光纖信道上進行長距離傳輸的。爲了進行長途傳輸，必須對數字信號進行載波調製將信號頻譜搬移到高頻處才能在信道中傳輸。最後，較小的倍頻程也保證了良好的帶內特性。所以調製就是將基帶信號搬移到信道損耗較小的指定的高頻處進行傳輸（即載波傳輸），調製後的基帶信號稱爲通帶信號，其頻率比較高。 數字信號的載波傳輸與基帶傳輸的主要區別就是增加了調製與解調的環節，是在復接器後增加了一個調製器，在分接器前增加一個解調器而已。
3、映射
信息與表示和承載它的信號之間存在着對應關係，這種關係稱爲"映射"，接收端正是根據事先約定的映射關係從接收信號中提取發射端發送的信息的。信息與信號間的映射方式可以有很多種，不同的通信技術就在於它們所採用的映射方式不同。實際上，數字調製的主要目的在於控制傳輸效率，不同的數字調製技術正是由其映射方式區分的，其性能也是由映射方式決定的。
一個數字調製過程實際上是由兩個獨立的步驟實現的：映射和調製，這一點與模擬調製不同。映射將多個二元比特轉換爲一個多元符號，這種多元符號可以是實數信號（在ASK調製中），也可以是二維的覆信號（在PSK和QAM調製中）。例如在QPSK調製的映射中，每兩個比特被轉換爲一個四進制的符號，對應着調製信號的四種載波。多元符號的元數就等於調製星座的容量。在這種多到一的轉換過程中，實現了頻帶壓縮。應該注意的是，經過映射後生成的多元符號仍是基帶數字信號。經過基帶成形濾波後生成的是模擬基帶信號，但已經是最終所需的調製信號的等效基帶形式，直接將其乘以中頻載波即可生成中頻調製信號。
4、調製方法
調製的方法主要是通過改變正弦波的幅度、相位和頻率來傳送信息。其基本原理是把數據信號寄生在載波的某個參數上：幅度、頻率和相位，即用數據信號來進行幅度調製、頻率調製和相位調製。數字信號只有幾個離散值，這就象用數字信號去控制開關選擇具有不同參量的振盪一樣，爲此把數字信號的調製方式稱爲鍵控。數字調製分爲調幅、調相和調頻三類，最簡單的方法是開關鍵控，"1"出現時接通振幅爲A的載波，"0"出現時關斷載波，這相當於將原基帶信號（脈衝列）頻譜搬到了載波的兩側。如果用改變載波頻率的方法來傳送二進制符號，就是頻移鍵控（FSK）的方法，當"1"出現時是低頻，"0"出現時是高頻。這時其頻譜可以看成碼列對低頻載波的開關鍵控加上碼列的反碼對高頻載波的開關鍵控。如果"0"和"1"來改變載波的相位，則稱爲相移鍵控（PSK）。這時在比特週期的邊緣出現相位的跳變。但在間隔中部保留了相位信息。收端解調通常在其中心點附近進行。一般來說，PSK系統的性能要比開關鍵控FSK系統好，但必須使用同步檢波。除上面所述的二相位、二頻率、二幅度系統外，還可以採用各種多相位、多振幅和多頻率的方案。在DVB系統中衛星傳輸採用QPSK，有線傳輸採用QAM方式，地面傳輸採用COFDM（編碼正交頻分複用）方式。下面就對ASK、FSK、PSK、QAM進行詳細的介紹。
（1）PSK相移鍵控(Phase Shift Keying)
QPSK調製效率高，要求傳送途徑的信噪比低，適合衛星廣播。歐洲與日本的數字電視首先考慮的是衛星信道，採用QPSK調製。此項調製技術應用較爲廣泛，所以本文對PSK進行詳細的介紹。
數字調相：如果兩個頻率相同的載波同時開始振盪，這兩個頻率同時達到正最大值，同時達到零值，同時達到負最大值，它們應處於"同相"狀態；如果其中一個開始得遲了一點，就可能不相同了。如果一個達到正最大值時，另一個達到負最大值，則稱爲"反相"。一般把信號振盪一次（一週）作爲360度。如果一個波比另一個波相差半個週期，我們說兩個波的相位差180度，也就是反相。當傳輸數字信號時，"1"碼控制發0度相位，"0"碼控制發180度相位。載波的初始相位就有了移動，也就帶上了信息。
(a) M-PSK
相移就是把振幅、頻率作爲常量，而把相位作爲變量。M-PSK信號可以用這樣的一組信號來代表：
已調信號中相鄰的相位間隔是2π/M。例如，2個符號（BPSK）、4個符號（4-PSK）和8個符號（8-PSK）的相位間隔分別是π、π/2、π/4。用相位矢量圖方法可將M-PSK信號中的關係直觀的表示出來，圖1是M=2、4和8三種PSK信號的矢量圖。
各個矢量的端點在矢量圖中的空間分佈稱爲星座。在圖1中，由於各矢量的幅度都等於A，矢量的端點分佈在以A爲半徑的圓上。圖中用虛線表示出接收機解調器的判決範圍。只要相位爲θn
的矢量的相位偏離不超過以θn中心的+-π/M的範圍，就能作出正確的判決。
利用簡單的三角函數式可將（1-1）式改寫成如下的正交信號表示式：
在相位圖上，餘弦係數ai和正弦係數bi 是分別由水平軸和垂直軸代表的，ai稱爲同相信號，用I(In-Phace)表示；bi 成爲正交信號，用Q（Quardrature）表示。
多相調製與二相調製相比，既可以壓縮信號的頻帶，又可以減小由於信道特性引起的碼間串擾的影響，從而提高了數字通信的有效性。但在多相調製時，相位取值數增大，信號之間的相位差也就減小，傳輸的可靠性將隨之降低，因而，實際中用得較多的多相調製是四相制和八相制。
(b) QPSK四相相移鍵控(Quadrature Phase Shift Keying)
四相相移調製是利用載波的四種不同相位差來表徵輸入的數字信息，是四進制移相鍵控。QPSK是在M=4時的調相技術，它規定了四種載波相位，分別爲45°，135°，225°，275°，其星座圖見圖3。調製器輸入的數據是二進制數字序列，爲了能和四進制的載波相位配合起來，則需要把二進制數據變換爲四進制數據，這就是說需要把二進制數字序列中每兩個比特分成一組，共有四種組合，即00，01，10，11，其中每一組稱爲雙比特碼元。每一個雙比特碼元是由兩位二進制信息比特組成，它們分別代表四進制四個符號中的一個符號。QPSK中每次調製可傳輸2個信息比特，這些信息比特是通過載波的四種相位來傳遞的。解調器根據星座圖及接收到的載波信號的相位來判斷髮送端發送的信息比特。
數字調製用"星座圖"來描述，星座圖中定義了一種調製技術的兩個基本參數：1）信號分佈；2）與調製數字比特之間的映射關係。星座圖中規定了星座點與傳輸比特間的對應關係，這種關係稱爲"映射"，一種調製技術的特性可由信號分佈和映射完全定義，即可由星座圖來完全定義。
用ai，bi二維平面上的點來表示，如圖3所示。QPSK是一種二維調製技術，其中水平軸ai稱爲同相軸，垂直軸bi稱爲正交軸，分別對應於星座圖上的I和Q座標。同相載波指載波本身，正交載波指相位旋轉90度的載波。QPSK調製在實現時是採用正交調幅的方式，某星座點在I座標上的投影去調製同相載波的幅度，在Q座標上的投影去調製正交載波的幅度，然後將兩個調幅信號相加就是所需的調相信號。實際上色度信號的調製就是正交振幅調製，只不過是用連續信號去調製兩個正交載波而已。"I"是波形的"同相"成分，"Q"是正交成分。IQ調製既能有效傳輸信息，也能適應數字制式。IQ調製器實際建立了AM、FM和PM。它的工作爲：當您用一個波形調製載波時，您可把調製信號作爲矢量來處理。它有實部和虛部，或同相（I）和正交（Q）部分。現在製作一個鎖定至載波的接收器，您可通過讀取調製信號的I和Q部分譯解信息。在極座標上的信息如圖4所示。從 I/Q 平面我們能看到調製載波與未調製載波相比作了什麼以及產生調製載波需要什麼樣的基帶I和Q輸入。
圖 4 未調製載波(a)和調製載波(b)。任意選擇的正I軸代表相對未調製載波的0°。在(a)中，由於調製載波是相對於未調製載波，因此未調製載波作爲沿正I軸的固定矢量出現。在(b)中，調製載波與未調製載波的頻率相同，但有45°的偏移，因此作爲45°的固定矢量出現。
QPSK是一種恆包絡調製，它的信號的平均功率是恆定的，因此不受幅度衰減的影響，也就是說幅度上的失真不會使QPSK產生誤碼。
QPSK正交調製器方框圖如圖5所示。它可以看成由兩個BSPK調製器構成，首先將輸入的串行二進制信息序列經串－並變換，變成m=log2M個並行數據流，每一路的數據率是R/m,R是串行輸入碼的數據率。I/Q信號發生器將每一個m比特的字節轉換成一對（pn，qn）數字，分成兩路速率減半的序列，電平發生器分別產生雙極性二電平信號I(t)和Q(t)，然後對coswct和sinwct進行調製，相加後即得到QPSK信號。
（2）QAM 正交振幅調製(Quadrature Amplitude Modulation)
QAM調製效率高，要求傳送途徑的信噪比高，適合有線電視電纜傳輸。在美國，正交調幅通常用在地面微波鏈路，不用於國內衛星，歐洲的電纜數字電視採用QAM調製，而加拿大的衛星是採用正交調幅。
PSK只利用了載波的相位，它所有的星座點只能分佈在半徑相同的圓周上。當星座點較多時，星座點之間的最小距離就會很密，非常容易受到噪聲干擾的影響。調製技術的可靠性可由相鄰星座點之間的最小距離來衡量，最小距離越大，抵抗噪聲等干擾的能力越強，當然前提是信號的平均功率相同。當噪聲等干擾的幅度小於最小距離的1/2時，解調器不會錯判，即不會發生傳輸誤碼；當噪聲等干擾的幅度大於最小距離的1/2時，將發生傳輸誤碼。因此PSK一般只用在8PSK以下，常用的是BPSK和QPSK。當星座點進一步增加時，也即需要更高的頻帶利用率時，就要採用QAM調製了。在PSK中I信號和Q信號互相不獨立，爲了得到恆定的包絡信號，它們的數值是受到限制的，這是PSK信號的基本特性。如果去掉這一限制，就得到正交幅度調製QAM。作爲一個特例，當每個正交信號只有兩個數值時，QAM與4-PSK完全相同。當M》4時QAM的信號星座呈正方形分佈，而不再像PSK那樣沿着一個固定的圓周分佈。
QAM是幅度、相位聯合調製的技術，它同時利用了載波的幅度和相位來傳遞信息比特，因此在最小距離相同的條件下，QAM星座圖中可以容納更多的星座點，即可實現更高的頻帶利用率，目前QAM星座點最高已可達256QAM。我們以16QAM爲例來說明QAM的特性。
如果讓ai， bi本身取不同的值，所作的處理就是正交振幅調製(QMA：Quadrature Ampli tude Modulation)，圖6是16QAM和32QAM的星座圖。
星座圖裏的樣點數目，例如16，確定QAM的類型。16個樣點表示這是16-QAM信號。星座圖裏每個樣點表示一種狀態。16-QAM有16態，每4位規定16態中的1態。16QAM中規定了16種載波幅度和相位的組合。16-QAM的每個符號或週期傳送4位比特。解調器根據星座圖及接收到的載波信號的幅度和相位來判斷髮送端發送的信息比特。QAM也是二維調製技術，在實現時也採用正交調幅的方式，某星座點在I座標上的投影去調製同相載波的幅度，在Q座標上的投影去調製正交載波的幅度，然後將兩個調幅信號相加就是所需的調相信號。
由圖6可見，在同相軸和正交軸上的幅度電平不再是2個而是4個(16QAM)和6 個(32QAM)，所能傳輸的數碼率也將是原來的4倍到5倍(不考慮滾降因子)。圖7是64QAM的星座圖，64QAM和256QAM用於下行數字電信號的傳送。64QAM的頻帶利用率可達5bit／Hz。但是我們並不能無限制地通過增加電平級數來增加傳輸數碼率。因爲隨着電平數的增加，電平間的間隔減小，噪聲容限減小， 同樣噪聲條件下誤碼增加。在時間軸上也會如此，各相位間隔減小，碼間干擾增加，抖動和定時問題都會使接收效果變差。16-QAM要保持和QPSK同樣的平均發射功率，星座圖的點必須更密集。隨着星座圖中點間距的縮小，誤碼概率會上升，QAM雖可傳送更多的信息，頻帶利用率高，但是QAM會受到載波幅度失真的影響，其可靠性不如PSK。16-QAM要獲得和QPSK同樣的糾錯碼性能，則需要更高的S/N比。不論採用哪一種方法都意味着你必須用數據率來換取誤碼率。
（3）ASK幅移鍵控(Amplitude shift keying)
2ASK信號在實際中雖然很少使用，但是它是研究數字調製的基礎，瞭解2ASK就比較容易理解FSK,PSK的原理及性能。
幅移鍵控（ASK）相當於模擬信號中的調幅，只不過與載頻信號相乘的是二進數碼而已。幅移就是把頻率、相位作爲常量，而把振幅作爲變量，信息比特是通過載波的幅度來傳遞的。由於調製信號只有0或1兩個電平，相乘的結果相當於將載頻或者關斷，或者接通，它的實際意義是當調製的數字信號"1時，傳輸載波；當調製的數字信號爲"0"時，不傳輸載波。典型波形如圖8所示
幅移鍵控的調製器可以用一個相乘器來實現，如圖9所示。對於通斷鍵控信號來說，相乘器則可以用一個開關電路來代替，調製信號爲"1"時開關電路導通，爲"0"時開關電路切斷。二進制振幅鍵控信號由於一個信號狀態始終爲零，故又常稱爲通斷鍵控信號（OOK信號）。
（4）M-FSK 頻移鍵控（Frequency Shift Keying）
頻移就是把振幅、相位作爲常量，而把頻率作爲變量，通過頻率的變化來實現信號的識別。
在FSK中傳送的信號只有0和1兩個，而在M-FSK中則通過M個頻率代表M個符號，即
在數字通信系統中，定性而論，傳輸效率越高，傳輸可靠性越差；效率越低，可靠性越高，即提高有效性與提高可靠性是一對矛盾，實際通信系統設計的任務就是在這兩者之間作綜合考慮。例如在衛星通信中，由於信號衰減很嚴重，傳輸信號常淹沒在噪聲中，可靠性問題變得十分尖銳，因此採用了QPSK調製技術。QPSK具有很強的抵抗幅度干擾的能力，但傳輸效率比較低，僅爲2bit/s/Hz。而在數字微波通信中，由於干擾較小，信道環境較好，因此採用了256QAM這種高效調製技術，傳輸效率高達8bit/s/Hz，但256QAM抗干擾的能力較差。總之，我們所採用的調製技術的最終目的就是使得調製以後的信號對干擾有較強的抵抗作用，同時對相鄰的信道信號干擾較小，解調方便且易於集成。
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