通信中有哪些数字调制技术？

judy 在周五, 08/16/2024 - 09:31 提交

微波通信所发送的信息需要由发射机调制后发出。典型的模拟通信的调制是幅度调制(AM)和频率调制(FM)。数据通信采用相移键控调制(PSK)或频移键控调制(FSK)。

振幅键控（ASK）

在数据信号调制中也可采用幅调，这时通常称为振幅键控。振幅键控是指将数字信号“1”用一定振幅值的正弦载波来表示，而将“0”用振幅为0的正弦波来表示。振幅键控是数字调制中最早出现、且最简单的方式。由于它的抗干扰噪声能力差，故在实际数字通信中很少采用了。

图1.png

ASK可以通过乘法器和开关电路实现。具体来说，载波在数字信号“1”或“0”的控制下通或断，从而在信号为“1”的状态下传输载波，而在信号为“0”的状态下停止传输。

频移键控（FSK）

频移键控是用采用频率为ω0的载波来表示数字信号“0”，用ω0+Δω来表示数字信号“1”。FSK调制可以通过两个振荡器来实现，这两个振荡器分别产生不同的频率信号，根据输入的二进制序列进行切换。

图2.png

FSK广泛应用于需要高可靠性传输但带宽要求较低的场景，如寻呼通信系统、来电显示和公用事业计量等。

相移键控（PSK）

相移键控是指载波相位按基带数字脉冲信号的规律改变的调制方式。例如，二分相移键控(BPSK)采用0和π两个相位表示二进制数字，即数字信号“0”取0相位，数字信号“1”取π相位。

图3.png

由于相移键控方式在抗噪声性能及信道频带利用率等方面比振幅键控和频移键控优越，因而被广泛地应用于数字通信中，目前包括移动通信和卫星通信在内的微波通信，大多以这种方式传输信号。

PSK具有较强的抗噪声能力，因为相位变化不易受到信道噪声的影响。它的频谱利用率高，能够在有限的频带宽度内传输更多的信息。但是，PSK对相位同步要求高，接收端需要精确的相位同步以正确解调信号。对频率偏移也比较敏感，载波频率的微小变化可能引起较大影响。

QPSK

如果相移键控值为载波相位的四分之一周期，则称之为4分相移键控(QPSK)，其信号相位分别取0°,90°,180°和270°。QPSK的频谱效率是BPSK的两倍，因为每个符号可以携带两个比特的数据，这使得QPSK在有限的带宽内能够传输更多的信息。

图4.JPG

由于相位变化不易受到噪声的影响，QPSK在噪声环境中表现良好，因此在无线通信中非常受欢迎。尽管QPSK的接收机比BPSK复杂，但其实现仍然相对简单，适合在各种通信系统中使用。

另外，如果频移键控的发射载频与接收机中用于解调的振荡器是相干的，则称之为相干频移键控(Coherent FSK)。相干系统在相同的误码率情况下可以比非相干或差分相干系统获得较高的信噪比。在差分相干PSK中，接收机的振荡器是与PSK数据包相干的，但相干性可能在数据包之间丢失。

在通信中，除了ASK、FSK和PSK之外，还有多种数字调制技术，例如：

高斯频移键控（GFSK）：在调制之前通过高斯低通滤波器限制信号的频谱宽度，以减少带宽占用和干扰。高斯滤波最小频移键控（GMSK）：是一种改进的FSK调制技术，广泛应用于GSM系统中，具有良好的频谱效率和抗干扰能力。

正交幅度调制（QAM）：结合振幅和相位调制，通过改变载波的振幅和相位来传输数据，具有高频谱效率，广泛应用于无线通信和光纤通信。多电平正交调幅（mQAM）：QAM的扩展版本，使用多个振幅级别和相位状态，进一步提高了频谱效率。

正交频分复用调制（OFDM）：通过多个正交子载波同时传输数据，具有高频谱效率和抗多径干扰能力，广泛应用于Wi-Fi、4G和5G通信系统.

这些数字调制技术各有优缺点，适用于不同的通信场景和需求。选择合适的调制技术通常需要在频谱效率、功率效率、误码率等指标之间进行权衡。