3.4 数字信号的调制传输
3.4.1 基本概念
通信的最终目的是远距离传递信息。虽然基带数字信号可以在传输距离不远的情况下直接传送，但如果要进行远距离传输时，特别是在无线信道上传输时，则必须经过调制将信号频谱搬移到高频处才能在信道中传输。为了使数字信号在有限带宽的高频信道中传输，必须对数字信号进行载波调制。如同模拟信号的频带传输时一样，传输数字信号时也有三种基本的调制方式：振幅键控（ASK）、频移键控（FSK）和相移键控（PSK）。它们分别对应于利用载波（正弦波）的幅度、频率和相位来承载数字基带信号，可以看作是模拟线性调制和角度调制的特殊情况。
理论上数字调制与模拟调制在本质上没有什么不同，它们都属于正弦波调制。但是，数字调制是源信号为离散型的正弦波调制，而模拟调制则是源信号为连续型的正弦波调制，因而，数字调制具有由数字信号带来的一些特点。这些特点主要包括两个方面：第一，数字调制信号的产生，除把数字的调制信号当作模拟信号的特例而直接采用模拟调制方式产生数字调制信号外，还可以采用键控载波的方法。第二，对于数字调制信号的解调，为提高系统的抗噪声性能，通常采用与模拟调制系统中不同的解调方式。
3.4.2 振幅键控（ASK）
1．2ASK的调制原理
振幅键控是正弦载波的幅度随数字基带信号而变化的数字调制，即源信号为“1”时，发送载波，源信号为“0”时，发送0电平。 所以也称这种调制为通、断键控（OOK）。当数字基带信号为二进制时，也称为二进制振幅键控（2ASK）。2ASK信号的调制方法有模拟幅度调制方法和键控方法两种，如图3-18所示。
图3-18 2ASK信号的调制方法
2ASK信号是数字调制方式中最早出现的，也是最简单的，但其抗噪声性能较差，因此实际应用并不广泛，但经常作为研究其它数字调制方式的基础。
2．2ASK的时域特征
2ASK信号的时域表示式为：
其中， s( t )为随机的单极性矩形脉冲序列， an是经过基带成型处理之后的脉冲序列。
2ASK信号的时域波形如图3-19所示。
图3-19 2ASK信号的时域波形
3．2ASK信号的解调
与调幅信号相似，2ASK信号也有两种基本的解调方式：非相干解调（包络检波法）和相干解调（同步检测法）。2ASK系统组成分别如图3-20所示。
图3-20 2ASK信号的解调方法
3.4.3 频移键控（FSK）
1．2FSK的调制原理
在二进制数字调制中，若正弦载波的频率随二进制基带信号在 和 两个频率点间变化，则产生二进制移频键控信号（2FSK信号）。2FSK信号的产生，可以采用模拟调频电路来实现、即利用一个矩形脉冲对载波进行调制；也可以采用数字键控的方法来实现、即利用受控的矩形脉冲序列控制的开关电路对两个独立的频率源进行选通。如图3-21所示。
图3-21 2FSK信号的调制方法
2FSK方式在数字通信中的应用较为广泛。在话音频带内进行数据传输时，CCITT建议在低于1200bit/s时使用。在微波通信系统中也用于传输监控信息。
2．2FSK的时域特征
2FSK信号的时域表达式为
其中， 
是 an的反码， 
和
是第 n个码元的初始相位。可见，2FSK信号由两个2ASK信号相加构成的。
2FSK信号的时域波形如图3-22所示。
图3-22 2FSK信号的时域波形
3．2FSK信号的解调
二进制频移键控信号的解调方法很多，有模拟鉴频法和过零检测法，有非相干解调方法也有相干解调方法。采用非相干解调和相干解调两种方法的原理如图3-23所示。其解调原理是将二进制频移键控信号分解为上下两路二进制振幅键控信号，分别进行解调，通过对上下两路的抽样值进行比较最终判决出输出信号。这里的抽样判决器是判断哪一个输入样值大，因此可以不设置门限值。
图3-23 2FSK信号的解调方法
3.4.4 相移键控（PSK）
1．2 PSK的调制原理
在二进制数字调制中，当正弦载波的相位随二进制数字基带信号离散变化时，则产生二进制移相键控(2PSK)信号。通常使用信号载波的 0°和 180°相位分别表示二进制数字基带信号的“1”和“0”。2PSK信号的产生也有模拟调相法和键控法两种，如图3-24所示。
图3-24 2PSK信号的调制方法
相移键控在数据传输中，尤其是在中速和中高速（2400-4800bit/s）的数据传输中得到了广泛的应用。相移键控有很好的抗干扰性，在有衰落的信道中也能获得很好的效果。本节主要介绍二相相移键控，在实际应用中还有四相、八相及十六相相移键控。
2．2 PSK的时域特征
2PSK信号的时域表达式为：
在一个码元持续周期Ts 内观察时，
2PSK信号的时域波形如图3-25所示。
图3-25 2PSK信号的时域波形
3．2 PSK信号的解调
2PSK信号的解调通常都是采用相干解调法与极性比较法，解调器原理图如图3-26所示。在解调过程中需要用到与接收的2PSK信号同频同相的相干载波。
图3-26 2PSK信号的解调方法
4．差分相移键控（2DPSK）信号
绝对相移键控信号只能采用相干解调法接收，而在相干接收过程中由于本地载波的载波相位很可能是不准确的，因此解调后所得的数字信号的符号也容易发生颠倒，这种现象称为相位模糊。这是采用绝对相移键控的主要缺点，因此绝对相移键控在实际中已很少采用。解决的方法即是使用相对（差分）相移键控(DPSK)调制。
二进制差分相位键控（2DPSK）采用前后相邻码元的载波相对相位变化来表示数字信息。假设前后相邻码元的载波相位差为 ，可定义一种数字信息与 之间的关系为
则数字码元序列与2DPSK信号的码元相位关系如表3-1所示。
表3-1 数字码元序列与2DPSK信号的码元相位关系
其信号波形如图3-27所示。
图3-27 2DPSK信号的波形
2DPSK信号的实现方法可以采用：首先对二进制数字基带信号进行差分编码，将绝对码表示二进制信息变换为用相对码表示二进制信息，然后再进行绝对调相，从而产生二进制差分相位键控信号。
2DPSK信号可以采用相干解调方式。其解调原理是：对2DPSK信号进行相干解调，恢复出相对码，再通过码反变换器变换为绝对码，从而恢复出发送的二进制数字信息。在解调过程中，若相干载波产生180°相位模糊，解调出的相对码将产生倒置现象，但是经过码反变换器后，输出的绝对码不会发生任何倒置现象，从而解决了载波相位模糊的问题。
