第一部分，在对话30-3中，介绍了信道容量及其对带宽和信噪比的依赖。本文讨论了各种调制方案，以及每种方案对信号处理组件的要求。

数字调制方案:本系列的第一部分展示了信噪比和带宽的限制如何限制使用脉冲幅度传输位信息的通信系统的位容量。作为一种编码数字比特的方式，脉冲幅度是当今数字通信系统中使用的许多调制方案之一;每种方法都有优点和缺点。我们在下面定义了一些更常见的调制类型，强调了它们的基本原理，并注意到影响性能的典型组件规范。在第12页列出的教科书可以提供这些调制方案的更完整的描述。

PAM——脉冲幅度调制:(前面讨论过的)对沿着信道发送的脉冲流的幅度中的位值进行编码。所需的理论带宽(以Hz为单位)至少是符号速率的1/2;实际实现使用比这更多的带宽。PAM是典型的基带调制方案:它产生的信号的频谱内容集中在直流。最简单的情况是，每个符号表示单个比特的存在或不存在，这种情况称为脉冲码调制。

由于比特值是在信号的幅度中编码的，信号路径中各分量的增益和偏置影响系统性能。使用两个以上电平的高阶调制方案在系统组件中相应地需要更好的幅度精度。偏置可以使信号偏离适当的电平阈值，在存在噪声的情况下产生误读高(或低)位的偏置倾向，应该加以控制。组件的带宽也是一个重要的考虑因素。如前所述，有限的带宽会产生不希望出现的码间干扰。滤波可用于仔细地控制传输信号的带宽，但信号处理组件不应无意地限制带宽。一般来说，元件应具有足够的带宽，使信道本身成为带宽限制因素，而不是信号处理电路。

AM -调幅:与PAM密切相关，直接调幅表示通过改变固定频率载波的振幅来传输数据，通常是指定频率f(C)的正弦波。从概念上讲，这可以通过取基本PAM信号，对其进行带限制以减少谐波含量，并将其乘以固定频率f(C)的载波来产生。其结果是一个以载波频率为中心的双向带信号，其带宽是带宽有限的PAM信号的两倍。

与PAM情况一样，必须选择信号链中的分量，以保持以载波频率f(C)为中心的频带内幅度的完整性。在这种情况下，可以根据f(C)的线性度，THD(总谐波失真)或SFDR(无杂散动态范围)性能来评估组件。对于具有许多不同幅度级的多位符号，噪声可能是元件规格中的重要考虑因素。

FM/FSK -调频/频移键控:我们已经证明了调幅方案(包括PAM)对电压噪声和失真非常敏感。或者，可以将信息编码在发送的正弦波的频率中，这样信号衰减或其他基于幅度的干扰就不会破坏恢复的数据(与AM相比，FM或o对静态和信号退化的抵抗力是众所周知的例子;类似的原理也适用于数字传输)。在每符号一位的简单二进制情况下，传输信号将在频率f(0)(“0”)和频率f(1)(“1”)之间移动，在平均值或载波频移键控(FSK)的两侧。值得注意的是，传输的信号带宽实际上在比f(0)和f(1)之间的跨度更大的带宽上传播，因为两个频率之间的转换速度会产生额外的频谱内容。为了简化接收器设计，希望符号率大大小于f(0)和f(1)之间的差;这使得频率变化更容易被检测到。

频率调制显著降低了对信号路径中幅度误差的灵敏度。由于所有有用的信息都保存在频域中，因此许多FSK接收器都具有限制器，这是一种高增益电路，用于将可变振幅正弦信号转换为更接近恒定振幅的方波，使电路对非线性分量脱敏，并使后续处理电路更容易检测信号的频率(甚至通过在给定时间间隔内计数交叉)。信号带宽至少和调幅一样重要:码间干扰仍然是由于处理带宽不足造成的。因为必须处理载波频率，所以所需的带宽可能比相同数据的PAM调制大得多。这些系统通常对定时误差(如抖动)比电压噪声更敏感。

PM/QPSK—相位调制/正交相移键控:相位和频率在数学上密切相关;实际上，相位是频率的积分(例如，频率加倍会导致相位以原来的两倍速率积累)。在PM中，信号被编码为固定频率载波信号f(c)的相位。这可以通过直接数字合成器(DDS)来实现，该合成器产生数字正弦波，其相位由控制字调制。D/A转换器将正弦波恢复为传输用。

另一个如何推导2位相位调制符号的例子可以看到两个相同频率的正弦分量:同相(I)和正交(Q)，间隔90°，如果非反转，每个表示数字“1”，如果反转(移位180°)，则表示“0”。当它们相加时，它们的和是一个具有4个不同相位的相同频率的波，间隔90°(即45°，135°，225°和315°)，对应于I波和Q波的相位。图1是一个“单位圆”或“卫星”图，图形化地表示了这些组合。体现这种相位调制原理的系统通常被称为正交相移键控(QPSK)。与调频一样，发射频谱带宽与码元速率之间的关系相当复杂。相位调制有几种变体，包括DQPSK(差分QPSK)。这些类型的调制方案在蜂窝电话等困难环境中很受欢迎，因为相位信息可以在噪声和功率放大器引入的失真存在的情况下保持。

与FSK一样，PSK系统的组件通常根据带宽和其他频域规格进行选择。限制器可用来消除幅度噪声。时序误差，包括抖动，有效地变成了“相位噪声”，使得正确解释接收到的信号变得更加困难。调制器/解调器单元可以在正交布置中实现，其中I和Q分量被分离并通过信号链的一部分分别处理。这里，I和Q路径之间的幅度和相位匹配是重要的规格，因为任何不匹配都映射到有效的相位误差。

QAM—正交调幅:回到图1,QPSK系统中载波的四个不同相位的表示，注意每个相位也有一个幅度，即I和Q幅度的矢量和;因为振幅相等，矢量和的振幅也相等。如果将I和Q的两个级别进一步量化，那么每个符号可以传输更多的比特;然后，通过将不同数量的正弦(I轴)和余弦(Q轴)加在一起，矢量和的组合将调制振幅和相位。图2a显示了使用I和Q的2位量化来实现每个符号中载波的16个唯一状态，允许每个符号传输4位。这种调制可以通过直接使用(例如直接数字合成)改变所生成载波的相位和幅度来产生。更常见的是，将载波的调幅I和Q(正弦和余弦)版本组合起来。

因此，术语正交调幅(QAM):载波的两个正交版本分别进行幅度调制，然后组合形成幅度和相位调制的结果。图2a中的图显示了I和Q的各种可能组合，称为“星座”。请注意，在概念上，非常大的星座可以用来表示每个符号的许多位，所需的带宽类似于相同符号速率的简单QPSK。星座的点表示发射信号和接收信号的期望值;但是噪声或失真会使接收到的信号偏离理想位置;如果误差较大，可能会被误认为是不同的星座点。

图2a和2b比较了16点星座(2比特I和Q)和64点星座(3比特I和Q)。在相似的传输功率水平下，6位情况下星座点的距离是前者的两倍，因此“错误阈值”是前者的1/2，对于给定的误码率，需要6 db(大约)更好的信噪比。表中显示了为实现10(-7)比特误码率，不同规模的QAM星座的典型信噪比要求。注意二进制I &可以对Q信息进行编码[例如，格雷码]，使表示相邻或附近传输信号电平的点具有相似的位模式。这样，将一个星座点错误地解释为它的邻居之一，只会损坏多比特符号的1或2位。

以下是选择用于QAM信号处理的元件的一些重要规格。带宽应足以处理载波频率，加上足够的频带内的频率，以避免引入码间干扰。载波频率处的总谐波失真(THD)是一个重要的考虑因素，因为失真往往会破坏载波中的幅度信息。应尽量减少抖动，以确保相位信息可以适当地恢复。在I和Q处理块之间的幅度和相位匹配是重要的。最后，噪声(量化和热)可能是一个重要的考虑因素，特别是对于高阶星座。在实际情况下，元器件的选择应保证信道本身是系统的限噪部分，而不是信号处理系统的元器件。QAM可以用于每个符号传输许多位，但代价是增加了对通信信道和信号处理组件中的非理想性的敏感性。

这提供了一个基本调制方案的快速回顾。这些方法的许多变化、组合和改进旨在处理特定应用的特点和各种传输技术的缺点。它们提供了频谱效率、鲁棒性和实现成本之间的权衡。

本系列的下一部分将探讨数字通信系统中遇到的多路复用方案和各种动态范围要求。

参考电路

电子通信系统-一个完整的过程，第二版，由威廉Schweber。恩格尔伍德悬崖，新泽西州:普伦蒂斯大厅 1996。对通信基础的良好基本介绍，重点是直观的理解和现实世界的例子。每页不超过一个方程式。

《数字通信》(第二版)，作者:爱德华·李和大卫·梅塞施密特。诺威尔，麻萨诸塞州:Kluwer出版社， 1994。对数字通信进行更全面和分析的处理。

无线数字通信:调制和扩频应用，作者:Kamilo Feher博士。恩格尔伍德悬崖，新泽西州:普伦蒂斯厅， 1995。对不同的无线调制方案进行了相当严格的分析，深入了解了每种方案的优缺点，并讨论了为什么要为某些标准选择特定的方案。