2.4 數字信號的頻帶傳輸
數字傳輸系統分為基帶傳輸系統和頻帶傳輸系統。基帶傳輸是指基帶信號直接在信道上傳輸的方式。頻帶傳輸是指基帶信號經過調制后，將基帶信號的頻帶搬移到適合在信道傳輸的頻帶上，然后在信道上傳輸的方式。頻帶傳輸系統也稱為數字調制系統。
數字調制與模擬調制都屬于正弦波調制，即載波均為高頻正弦波，所不同的是數字調制的調制信號是數字信號，而模擬調制的調制信號是模擬信號。數字調制過程可用鍵控法（即相當于電鍵開關控制的方法）實現，由基帶信號對載波的振幅、頻率及相位進行調制，得到三種最基本的數字調制方式：幅度鍵控（ASK）、移頻鍵控（FSK）及移相鍵控（PSK）。
2.4.1 二進制幅度鍵控信號的調制與解調
用基帶數字信號對高頻載波信號的幅度進行控制的方式稱為幅度鍵控，也稱為數字調幅，簡記為ASK。2ASK（二進制數字調幅）的實現方法如圖2.31（a）所示。它利用二進制數字信號D（t）控制開關的通與斷。當D（t）=1時，開關接通，載波信號通過開關電路輸出；D（t）=0時，開關斷開，載波信號不能通過開關電路輸出，即輸出為零。fm（t）輸出波形如圖2.31（b）所示。收信端可根據fm（t）信號的幅度有無還原為1碼或0碼的原基帶信號。這種調制方法雖然在數字調制中出現最早、實現最簡單，但由于它抗噪聲能力較差，所以在數字通信中用得不多。
圖2.31 二進制幅度鍵控（2ASK）信號的產生及波形示例
2ASK信號的解調，可以用相干解調或非相干解調（包絡檢波）實現，相干解調和非相干解調原理框圖如圖2.32所示。與模擬信號的解調不同的是，在解調數字信號的電路中，要設置抽樣判決器。
圖2.32 2ASK信號解調
2.4.2 二進制移頻鍵控信號的調制與解調
用基帶數字信號對高頻載波信號的頻率進行控制的方式稱為移頻鍵控，也稱為數字調頻，簡記為FSK。二進制數字調頻（2FSK）的實現方法如圖2.33（a）所示。高頻載波信號有兩個f1（t）和f2（t），兩者頻率分別為f1和f2。當數字信號D（t）=1時，開關電路輸出f1（t）；當數字信號D（t）=0時，開關電路輸出f2（t），從而將二進制的數字信號轉換為兩個不同頻率的載頻信號。fm（t）輸出波形如圖2.33（b）所示。收信端可根據收到的信號頻率f1或f2還原為1碼或0碼的原基帶信號。這種調制方式簡單，抗干擾能力強，但占用頻帶寬。
圖2.33 二進制移頻鍵控（2FSK）信號的產生及波形示例
2FSK信號的解調借用了2ASK信號的解調電路，所以也有相干解調和非相干解調兩種方式，如圖2.34（a）、圖2.34（b）所示。
圖2.34 2FSK系統解調原理框圖及波形
考慮到成本等綜合因素，在2FSK系統中也很少使用相干解調。以圖2.33（b）非相干解調原理框圖為例，畫出了各點波形，如圖2.33（c）所示。圖中的抽樣判決電路是一個比較器，在判決時刻對上下兩支路低通濾波器送出的信號電平進行比較，如果上支路輸出的信號大于下支路，判為“1”碼；反之，判為“0”碼。
解調2FSK信號還可以用鑒頻法、過零檢測法及差分檢波法等。
過零檢測法的基本思想是，利用不同頻率的正弦波在一個碼元間隔內過零點數目的不同，來檢測已調波中頻率的變化，其波形如圖2.35所示。
在圖2.35中，限幅器將接收序列整形為矩形脈沖，送入微分整流器，得到尖脈沖（尖脈沖的個數代表了過零點數）。因為在一個碼元間隔內尖脈沖數目的多少直接反映著載波頻率的高低，所以只要將其展寬為具有相同寬度的矩形脈沖，經低通濾波器濾除高次諧波后，兩種不同的頻率就轉換成了兩種不同幅度的信號（見圖中f點的波形），送入抽樣判決器即可恢復原信息序列。
圖2.35 2FSK信號的過零檢測波形
2.4.3 二進制移相鍵控信號的調制與解調
用基帶數字信號對高頻載波信號的相位進行控制的方式稱為移相鍵控，也稱為數字調相，簡記為PSK。二進制數字調相（2PSK）的實現方法如圖2.36（a）所示。當D（t）=1時，f（t）通過開關直接輸出；D（t）=0時，f（t）經反相器反相輸出。若f（t）的初始相位為0°，則輸出fm（t）的波形如圖2.36（b）所示。收信端可根據收到信號相位的不同還原為原基帶信號。這種以載波的不同相位直接表示相應數字信息的相位鍵控，通常稱為絕對移相方式。
圖2.36 二進制移相鍵控（2PSK）信號的產生及波形示例
采用絕對移相方式時，由于發送端是以某一相位作為基準，所以在接收端也必須有這樣一個固定的基準相位作為參考。如果參考相位發生變化，則恢復的數字信息就會發生錯誤，從而造成錯誤的接收。如上述信號，若參考相位由0°變為π后，接收的信息就會變為011001。為解決絕對調相的問題，常用相對移相方式，簡記為DPSK。
相對調相是利用載波信號的相對相位關系表示數字信號的1或0，其參考相位是相鄰的前一個碼元的相位，而不是以固定的相位作為參考。二進制相對調相信號波形如圖2.37所示。當D（t）=1時，載波信號相位相對于前一個碼元相位變化180°；當D（t）=0時，載波信號相位相對于前一個碼元相位不變。收信端可根據收到的前后碼元信號相位的變化情況進行比較后恢復成原來的二進制基帶信號。因為DPSK在抗噪聲性能及相對頻帶利用率方面比FSK優越，所以廣泛用于數字通信中。
圖2.37 2DPSK波形示例
2DPSK信號的解調有兩種方案。
① 在PSK相干解調電路抽樣判決器的后面加差分譯碼（以抵消在調制器輸入端差分編碼的影響），解調電路及各點波形如圖2.38所示。由圖可見，經差分譯碼后恢復的原數據序列中不存在倒相問題。
圖2.38 2DPSK相干解調原理框圖及波形
②DPSK解調的另一方案是差分相干解調，它將DPSK接收信號與自身延時一個碼元間隔后的信號按位相乘。相乘結果反映了前后碼元的相對相位關系，經低通濾波后再抽樣判決就可直接恢復出原信息序列。差分相干解調原理框圖及各點波形如圖2.39所示。圖中抽樣判決器的判決原則：抽樣值大于0時判“0”，抽樣值小于0時判“1”。
圖2.39 DPSK差分相干解調原理框圖及波形
比較這兩種解調方案，它們的解調波形雖然一致，都不存在相位倒置問題，但差分相干解調電路中不需要本地參考載波和差分譯碼，是一種經濟可靠的解調方案，得到了廣泛的應用。需要注意的是，調制端的載波頻率應設置成碼元速率的整數倍。
2.4.4 正交移相鍵控（QPSK）
為了減少傳輸信號的頻帶，提高頻帶利用率，在工程中常采用QPSK信號。
QPSK（QuadraturePSK，正交移相鍵控）又稱為四相鍵控（4-PSK），它是用載波的四種相位狀態對應兩位二進制信息碼的組合，即00、01、10和11。QPSK可看成是載波相互正交的兩個2PSK信號之和。
QPSK有兩種系統，一種是已調波相位φi取為π/2的整數倍，即φi與二進制信息的對應關系為0°→00、90°→01、180°→11、270°→10，稱為π/2系統的QPSK；另一種是已調波相位φi取為π/4的奇數倍，即φi與二進制信息的對應關系為45°→00、135°→01、225°→11、315°→10，稱為π/4系統的QPSK。QPSK調制器原理電路及其相位如圖2.40所示。
圖2.40 QPSK調制器原理電路及相位
由圖2.40可以看出，基帶碼元經串并轉換電路之后分成兩個支路，每個支路再分別按2PSK的方式進行調制。但兩個支路的相位不同，它們互為正交，即相位相差90°。一個稱為同相支路，即I支路；另一個稱為正交支路，即Q支路。兩個支路分別調制后，再將調制后的信號合并相加就得到了QPSK。
由于QPSK調制方法比較兼顧功率效率和頻譜效率，因此目前多用于衛星系統中。
2.4.5 最小頻移鍵控（MSK）和高斯最小頻移鍵控（GMSK）
MSK是一種能夠產生恒定包絡，連續相位信號的調制，稱為最小頻移鍵控，是2FSK的一種特殊情況，它具有正交信號的最小頻差，在相鄰符號交界處相位保持連續。MSK占用的帶寬較寬，不適合寬帶傳輸，因此在信道間隔較小的情況下，鄰道干擾要求較高時，MSK不能滿足要求，通常采用GMSK調制。
GMSK是一種提高MSK性能的簡便調制技術，其框圖如圖2.41所示。
圖2.41 GMSK形成示意圖
GMSK在MSK之前，增加一次濾波后再進行MSK調制。經高斯濾波器后形成的高斯脈沖包絡無陡峭邊沿，基帶波形的相位連續性得到了進一步提高，波形更加平滑，相鄰信道干擾進一步降低，適用于窄帶的移動通信中。
在實際的數字移動通信（GSM）中所采用的調制方式GMSK是通過在載波頻率上增加或減少67.708kHz來表示“0”和“1”的，其數據比特率被選擇為正好是頻偏的4倍，這可以減小頻譜的擴散，增加信道的有效性。
GMSK已確定為歐洲第一代移動通信的標準調制方式。