2.3.8 数字调制系统的比较
在选择数字调制方式时，要考虑的主要因素有频带利用率、已调信号的功率谱特性、高斯白噪声下的误码性能和设备的复杂性等，另外还应根据通信场景来考虑信道非线性、信道衰落特性、临道干扰等因素。下面从频带利用率、误码性能和设备复杂性三个方面对各种调制方式做简要的分析和比较。
1.频带利用率
频带利用率是衡量数据传输系统效率的指标，定义为单位频带内能够传输的信息速率，即η=f b/B，单位是bit/(s·Hz)(以下关于频带利用率的描述略去了单位)。其中f b为传信速率，B为该传输系统带宽(最佳接收时为接收机带宽，与信号带宽一致，其定义不唯一，这里使用最常用、最简单的谱零点带宽，即以信号功率谱的主瓣宽度为带宽)，对于采用等效的滚降低通基带波形形成的传输系统，假设其滚降系数为α。
以基带传输系统为例，二电平传输时，其频带利用率为
，理论上的最大频带利用率为2 bit/(s·Hz)(α=0时);M电平传输时，其频带利用率为
。前面我们讨论了几种调制方式的能够达到的极限频带利用率(α=0时)，例如MPSK的极限频带利用率ηmax，即多进制系统的频带利用率随M而增加，或者说在相同的信息传输速率下，可以占用较小的带宽。然而，带宽或频带利用率不是衡量的唯一指标，下面将讨论和比较不同调制方式在最佳接收时的误码性能。
2.高斯白噪声下的误码性能
在数字信号的最佳接收中，我们讨论了最佳接收准则下二进制调制方式的误码率，为了在相同的平均信号发送功率、单边功率谱密度为N 0的高斯白噪声下比较各种调制方式的抗噪声性能，表2-4列出了各种调制方式的误比特率公式，并计算了在误比特率为10-4时各种调制方式所需的E b/N 0值，其中E b为单位比特的平均信号能量，E s为单位符号的平均信号能量，且E b=E s/log2M。
由表2-4对比可见，2PSK相干解调的抗噪声性能优于2ASK和2FSK相干解调，即在相同误码率下，采用2PSK相干解调，可以降低发送信号能量;多进制调制方式与二进制调制相比，虽然提高了频带利用率，但是需要增大发送信号功率以获得所需的误码率或误比特率(图2-58是误比特率为10-6时在理想情况下，不同调制方式的频带利用率与所需E b/N 0的关系)，可见误差性能同频带利用率(带宽)性能之间需要权衡;另外，M＞4时，MQAM的性能要优于MPSK，例如16QAM比16PSK有3.8d B的E b/N 0增益，因此在频带利用率要求高的场合，QAM比较常用。
表2-4 各种数字调制方式误比特率计算公式及所需E b/N 0值(误比特率10-4)
图2-58 几种调制方式的频带利用率与E b/N 0的关系
3.设备的复杂性
除了频带利用率、误码性能，设备的复杂性也是一个重要因素，图2-59给出了各种数字调制设备复杂性的比较。
图2-59 各种数字调制方式的相对复杂性比较
小结
(a)对应于三种类型的传输信道，有三种数据信号传输的基本方法，即基带传输、频带传输及数字数据传输。
(b)奈奎斯特第一准则:若系统等效网络具有理想低通特性，其截止频率为f N时，则该系统中允许的最高码元(符号)速率为2f N，这时系统输出波形在峰值点上不产生前后码元干扰。其中，f N称为奈奎斯特频带、2f N称为奈奎斯特速率，且系统的最高频带利用率为2 Baud/Hz。
(c)对基带形成网络的要求是:
·在有效的频带范围内，频带利用率要高;
·采样点无码间干扰，或有可消除的码间干扰;
·易于实现，且对于收端定时精度要求不能太高。
(d)幅频特性满足关于C(f N，1/2)点成奇对称滚降的低通传输系统，既可以物理实现又能满足奈奎斯特第一准则的要求，而且可以降低收端定时精度的要求，这时的频带利用率为η=
，单位为Baud/Hz。最常用的是升余弦形状的幅频特性。
(e)奈奎斯特第二准则:有控制地在某些码元的采样时刻引入码间干扰，而在其余码元的采样时刻无码间干扰，就能使频带利用率达到理论上的最大值——2 Baud/Hz，同时又可降低对定时精度的要求。通常把满足奈奎斯特第二准则的波形称为部分响应波形，利用部分响应波形进行传送的基带传输系统称为部分响应系统。最常采用的是第一、四类部分响应系统。
(f)时域均衡的基本思路是利用接收波形本身来进行补偿以消除采样点处的码间干扰，常用方法是在接收滤波器后加入横截滤波器，它是由多级抽头(2N+1)迟延线、可变增益电路和求和器组成的线性系统。通过适当调整抽头加权系数Ck，可以达到消除码元干扰的目的。
(g)扰乱器的作用是在发端将发送的数据序列中存在的短周期序列、全“0”或全“1”序列，按照某种规律变换(扰乱)为长周期、“0”“1”等概率且前后独立的随机序列。
(h)数据传输系统中时钟同步是必需的。时钟同步又称为位同步、比特同步。位同步就是使收端定时信号的间隔与接收信号码元间隔完全相等，并使定时信号与接收信号码元保持固定的最佳关系。
(i)当通过带通型信道传输数据信号时，必须采用调制解调方式。调制解调的作用就是进行频带搬移，即将数据信号的基带搬移到与信道相适应的带通频带中去。基本的数字调制的方式有:数字调幅、数字调相和数字调频。
(j)以基带数据信号控制载波的幅度，称为数字调幅。若用于调制的二进制序列是单极性码，则称为非抑制载波的2ASK;若用于调制的是双极性码，则称为抑制载波的2ASK。调制后实现了双边带调制，可以取出其中一个边带进行传输，也可以取一个边带的绝大部分和另一个边带的小部分进行传输，分别称为单边带调制和残余边带调制。
(k)以基带数据信号控制载波的相位，称为数字调相。数字调相按照参考相位分为:绝对调相和相对调相。绝对调相的参考相位是未调载波相位;相对调相的参考相位是前一符号的已调载波相位。二进制绝对调相的解调存在相位不确定问题，实际中使用2DPSK。
(l)用基带数据信号控制载波的频率，称为数字调频。根据前后码元载波相位是否连续，可分为相位不连续的移频键控和相位连续的移频键控。相位不连续的2FSK信号是由两个非抑制载波的2ASK信号合成，故其功率谱密度也是两个不抑制载波的2ASK信号的功率谱密度的合成。
(m)正交幅度调制是两路正交的抑制载波的双边带调制的叠加，对MQAM系统，两路基带信号的电平数是 M，其频带利用率为η=
，单位为bit/(s·Hz)。
(n)对接收端相干载波的要求是:与发送端的载波有相同的频率和相位。相干载波的获得方法是从接收的信号中提取载波的频率和相位信息，具体有两种方法:直接从已调接收信号中提取相干载波，利用插入导频提取相干载波。
(o)最佳接收就是在信道中存在加性高斯白噪声条件下，接收端判决的误码率最小。最佳接收的准则有:最佳接收判别式(均方误差准则)和相关接收判别式。