浅谈宽带接入网络的调制技术
2002中国西部地区电视技术年会优秀论文三等奖 信息时代的到来使得人们对宽带业务的需求日益强烈，因而大大推动了各种宽带接入技术的发展，当今，人们可以通过ISDN、XDSL、有线电视网络的Cable Modem以及无线技术，如局域性多点分布服务 LDMS 等多种连接途径接至家庭的网络，享受宽带服务。无论采用何种宽带接入方案，人们都希望在Internet网上传送更多的多媒体信息，视频信号的传输无疑是多媒体信息传输的核心，而如何将视频信号高效的送入传输媒体，信号调制技术是一个重要的技术基础，本文主要从宽带接入的角度，谈谈宽带数据传输最基本的问题--调制技术。
一、调制技术是宽带接入的技术基础
传输信息有两种方式：基带传输和调制传输。由信源直接生成的信号，无论是模拟信号还是数字信号，都是基带信号，其频率比较低。所谓基带传输就是把信源生成的数字信号直接送入线路进行传输，如音频市话、计算机间的数据传输等。载波传输则是用原信号去改变载波的某一参数实现频谱的搬移，如果载波是正弦波，则称为正弦波或连续波调制。
调制技术是改变一个恒定波形的各种特性，例如幅度、频率和相位，编制成为与信息一致的唯一的码。通过任何媒体（金属线、光纤或无线）的数字传输都需要使用编码方案，将数字传输信息送入传输媒体。编码方案按照各种不同的社区宽带接入方式所提供的业务速度、要求的媒体质量、抗噪声干扰和复杂程度而不同，因此对于宽带接入，可以认为调制是价格的代名词。当前调制始终是专家讨论的热点话题，许多性质相反的开发与研究方案仍然在进行中。
二、当前宽带接入使用的主要调制方案
目前，宽带接入网络系统中使用的一些重要调制方案主要有：
●开关键控（OOK）；
●2B1Q；
●正交相移键控（QPSK）；
●正交调幅（QAM）；
●离散多音（DMT）。
1、开关键控
开关键控（OOK）是用在光纤传输的直观的简单调制方案。当发射器想发送二进制的"1"，激光器打开（光被发射出去），对于二进制的"0"，激光器关闭。发送任意的二进制序列，发射机只需简单地转换它的发射激光器的开或关，显然开/关非常地快。激光器开或关的时间周期称为符号时间（见图1）：
图1 开关键控示例
每单元时间符号的数量称为符号率。当符号率非常的快（每秒数十亿个符号）保持收发同步的时钟恢复问题是一个重要的工程问题。但是相对低的符号率（每秒数千至数百万），以光纤和电子的电流状态恢复时钟便可稳定地传输。
2、2B1Q
开关键控，每个符号传送一个逻辑比特。可是用不同的符号，每个符号可传送更多的比特，例如2B1Q（2比特1组四电平码），有4级振幅（电压）用于2位编码。因为有4级，每个符号代表2比特。示意如下表：
2B1Q是幅度调制技术，在美国用于综合业务数字网（ISDN）和高数据率用户线（HDSL）业务。2B1Q的定义于1998年由美国国家标准协会（ANSI）和T.601规范。
2B1Q每个符号产生2比特，因此它和每符号传送1比特的其他调制方案相比，2B1Q能传送两倍的数据。如果希望每个符号传送更多的比特，则必须用更多的电压电平。在每个符号时间内对k比特编码，需要2k级电压电平。当速度增加时，它增加了困难，因为接收机要精确地区分很多电压电平。2B1Q频谱效率限制了它在高比特率的使用，包括社区宽带网的应用，例如视频和高速数据检索。无论如何，2B1Q在已知的调制方案中是有优势的，它价格相对低廉，抵抗电话设备中观察到的干扰能力较强，因此有很适当的使用。
3、正交相移键控
波形的其他要素，特别是相位，也能被编码信息调制。相位调制最简单的形式是不做任何幅度调制的相移键控（PSK），然而相移键控因为频谱利用率低，所以使用的并不普遍。
正交相移键控（QPSK）使用偏置90度的同一频率发送两个波，每一个波的幅度被调制。QPSK达到每符号时间2比特的适度的频谱效率，并能够运行在无线传输及有线电视上行支路等比较苛刻的环境。由于相对低的价格，QPSK广泛用在现代系统中，例如直播卫星，有线电视上行支路电缆调制解调器中。
4、正交调幅
QAM(Quadrature Amplitude Modulation)正交幅度调制技术是利用正交载波对两路信号，I信号和Q信号分别进行双边带抑制载波调幅形成的。通常有四进制QAM（16-QAM）、八进制QAM（64-QAM）等。
正交相位键控（QPSK）实际是正交调幅（QAM）的一个特例，当每一个正交信号只有2个数值时，QAM与4-PSK完全相同，系统给一个专用的名字QPSK。像正交相位键控传输一样正交调幅传输包括两个波，I波和Q波（或正交波）。I和Q在偏置90度的同一个频率上传送。正交调幅的一个变异是QAM-64。QAM-64的每个波独立地用8电平调幅，两个波结合生成64个不同的电平幅度，因此产生QAM-64的术语。
图3中给出了以16-QAM为例的星座图及电平和信号状态关系图。电平数和信号状态之间的关系为M=L2，其中L为电平数，M为信号状态。L为星座图上信号点在水平轴和垂直轴上投影的电平数。
正交调幅能引出比2B1Q更高的频谱效率，例如QAM-64每个载波调制3比特，因此每个符号调制6比特。"清洁"的线路（平直效率响应和高的信噪比）允许更高的分等级调制。
QAM-256每个载波能调制4比特，每个符号产生8比特。更高的幅度分级意味着更高的频谱效率，（bits/symbol）和每单位时间在媒体上有更多的数据。
振幅级别数目和相角数目是线路质量的函数。高质量的线路（带有平滑的频率特性和高信噪比）允许更先进、更高频谱效率（b/Hz）的调制。
各种正交调幅被示为nn QAM，其中nn是指每符号的状态数目的整数。每一符号时间的编码位数目是k，那么2k=nn。例如，如果以每符号4比特编码，结果为QAM-16；若以每符号6比特编码则产生QAM-64。
正交调幅技术在模拟电话调制解调器（V.32 和 V.34）中已经使用了很多年，它需要把很多比特通过相对窄的话音级电话线。当前QAM-16 已被建议，作为有线电视上行支路优选的调制方案。有线电视工程师协会（SCTE）已经规范了QAM-64和QAM-256作为有线电视数字传输视频调制方案。
其他与正交调幅类似的调制技术是残留边带调幅（VSB），美国用在陆上数字电视传输，还有无载波调幅/调相（CAP）用在非对称数字用户线（ADSL）调制解调器。
下图4中阐明了QAM的工作过程。为了简化I波和Q波用一半周期偏置（180度），实际上 QPSK 和 QAM 是90度偏置，但是图形没有差别。
5、离散多音
QPSK，QAM和CAP是调制技术的例子，该技术基于不同次序排列的单载波（或两个单载波的拷贝，每一个对另一个有些偏置），称为单载波技术。载波的幅度、频率和相位可以被编码信息调制，已有大量的工业和国防使用经验。
随着数字信号处理（Digital signal processing，DSP）的发展，现在多载波技术已成为可能。多载波技术使用大量带宽的集合并将其分为子波段，因此产生了多个并行的窄带通道。每一个子波段使用单载波技术，如QAM。各子波段的比特流在接收机被合在一起。多载波技术的重要例子是正交频分多路复用（orthogonal frequency division multiplexing，OFDM）和离散多音（discrete multitone，DMT）。
图5中是使用多载波调制非对称数字用户线（ADSL）的ANSI T1.413标准的例子。图中，1MHz被分为各 4kHz 的 256 个子波段。每一子波段由发送器使用单载波调制技术进行调制。接收器接收子波段并将 256 个载波数据结合在一起。
（1）、OFDM 和 DMT 的比较
OFDM 和 DMT 的区别是 OFDM 对每一个波段使用通用调制模式。也就是说，每一子波段每秒传输相同数目的比特。OFDM 使用于欧洲的无线广播数字电视。在无线广播情况下，所有子波段被假设为具有统一的噪音特征，这样通用调制技术才有意义。
（2）、CAP和DMT比较：
当前，对于ADSL，相互竞争的标准是CAP和DMT。
CAP是使用宽信道的单载波技术，DMT是使用许多窄信道的多路载波技术。多载波技术与单载波技术相比有延迟的缺陷（传输一个比特的时延）。在用于ADSL的DMT情况下，有各为4KHz的256个子波段。这就意味着甚至在线路非常好的情况下，也不可能高于4KHz频带允许的比特传递速度。
当前，在 DMT 和 CAP 这两种技术之间，关于调制技术最大的争论是在非对称数字用户
