M进制数字调制信号是正弦载波的幅度、频率或相位取M个不同的离散值的信号，相应地分别称作MASK、MFSK和MPSK信号。也可以把不同的调制方式结合起来，例如把MASK和MPSK结合起来，产生M进制幅度相位联合键控信号QAM。通常取，其中为正整数。
由于正弦载波参数可取M种不同的离散值，即在一个符号间隔内发送的信号波形会有M种不同的波形，因此每个信号波形可以携带比特的信息，那么比特速率就是码元速率的倍。即，为码元速率。
采用M进制调制技术的一个很重要的原因是要提高信道的频带利用率。如MASK、MPSK和MQAM都可以提高信道的频带利用率，但同时会降低系统的抗噪声性能。因此为了保证一定的误码率，其代价是需要增加发送信号功率。在信道频率资源紧张的无线信道，常常采用这种调制方式以获得高速数据传输。
相反，在MFSK调制中，信号所占带宽比较宽，频带利用率也比较低。但在保证一定误码率时所需的信噪比也比较低，因此是以频带利用率来换取信号功率效率的一种调制方法。这种调制方式适合于频率资源不受限制的场合。
6.4.1  多进制数字振幅调制系统
多进制数字振幅调制又称为多电平调制。M进制振幅调制信号中，正弦载波有M种不同的取值，每个符号间隔内发送某一种幅度的载波信号。
1. MASK信号的表达式和波形
MASK信号的表达式为
                                  (6.4-1)
式中，是数字基带信号；为的基本波形，通常是高度为1，宽度为的门函数；为M进制码的码元宽度；为幅度值，可有M种取值，即
                                               (6.4-2)
且   
                                                              (6.4-3)
的波形如图6-35所示。
2. MASK信号的产生方法
MASK信号的产生方法（调制方法）基本上与2ASK相同，即用乘法器把基带信号和正弦载波相乘就可以得到MASK信号，不同的只是基带信号由二电平变为多电平，如果基带信号仍为二进制数字序列，则首先应把二进制码转换成多进制码，再进行相乘。如图6-36所示。

 

3．MASK信号的带宽及频带利用率
MASK信号波形是由个2ASK信号相加而成，因此MASK信号的功率谱也是由个2ASK信号的功率谱叠加而成的。尽管个2ASK信号叠加后频谱结构复杂，但就信号的带宽而言，MASK信号与任一个2ASK信号的带宽是相同的，也是基带信号带宽的2倍。如果数字基带信号的基本脉冲为NRZ方波，功率谱的主瓣宽度等于基带信号的码元速率。对应的MASK信号带宽为
                                                 (6.4-4)
MASK的频带利用率为
                                                     (6.4-5)
是2ASK系统的倍。增加就可以增加频带利用率。但不能无限制地增加，因为在信号的平均发射功率一定的情况下，越大，各码元之间的电平距离越小，在相同的噪声条件下，将增加误码率。在高速数据通信中，很少单独采用MASK，通常是和相移键控结合形成QAM调制方式。

图6-35  MASK信号波形图

4．MASK信号的解调方法
接收端MASK信号可以采用相干或非相干的方法进行解调。解调后得到多电平的基带信号，可以通过码型变换还原为二进制数字序列。图6-37所示为MASK信号采用相干解调法框图。

【例6-5】若四进制代码与电平的对应关系为：，，，，画出当信码为10 11 00 00 10 10 01 10 00 00时的四进制基带信号波形和4ASK信号波形。
解：四进制基带波形和4ASK信号波形如图6-38所示

图6-38  例6-5图
6.4.2  多进制数字频率调制系统
多进制数字频率调制简称多频制，是2FSK方式的推广。它用多个频率的正弦载波分别代表不同的数字信息。
1．MFSK系统方框图

MFSK系统的组成框图如图6-39所示。图中发送端采用键控选频的方式，串/并变换和逻辑电路将输入的二进制码元序列分组（个二进制码元组成一组），并转换成多进制码（共种状态），每一个码对应于逻辑电路某个输出信号。在一个码元宽度内，当输入某组二进制数字序列时，逻辑电路将输出某个控制信号使相应的门电路打开，同时使其余门电路关闭，于是从个不同频率的正弦载波中选出相应的一个波形，经相加器相加后送出。接收端采用非相干解调方式，先通过个中心频率分别为各载频频率，，…，的带通滤波器把输入信号分离成M个2ASK信号。再经包络检波器检测，由判决器在给定时刻上比较各包络检波器输出的电压，并选出最大者作为输出。

2．MFSK信号的带宽及频带利用率
键控法产生的MFSK可以看作由个振幅相同、载频不同、时间上互不相容的2ASK信号叠加的结果，所以MFSK信号的带宽为
                                          (6.4-6)
其中，为最高载波频率，为最低载波频率，为码元速率。由此可见，MFSK信号占有较宽的频带，因而它的信道频带利用率不高。

6.4.3  多进制数字相位调制系统
多进制数字相位调制又称为多相位调制，是二相调制方式的推广。它是利用载波的多种相位（或相位差）来表征数字信息的调制方式。和二相调制相同，多相调制也分绝对移相MPSK和相对（差分）移相MDPSK两种。
1. 多相制的表示式及相位配置
设载波为，相对于参考相位的相移为，则相调制波形可表示为
                    (6.4-7)
式中，是高度为1，宽度为的门函数；为载波角频率。
                                                   (6.4-8)
令
                                          (6.4-9)
                                         (6.4-10)
且 

于是式(6.5-7)就变为
                           (6.4-11)
可见，多相制信号可等效为两个正交载波进行多电平双边带调制所得信号之和。这样，就把数字调制和线性调制联系起来，给相制波形的产生提供了依据。
在相位分配时通常在范围内等间隔划分相位，因此相邻相移的差值为
                                                           (6.4-12)
但是，用矢量表示各相移信号时，其相位偏移有两种形式。图6-40所示的就是两种相位配置的形式。

图中，虚线方向为参考相位。对绝对相移而言，参考相位为载波的初相；对差分相移而言，参考相位为前一已调载波码元的末相（当载波频率是码元速率的整数倍时，也可认为是初相）。两种相位配置形式都采用等间隔的相位差来区分相位状态，即M进制的相位间隔为。这样造成的平均差错概率将最小。其中，形式一称为体系，形式二称为体系。两种形式均分别有2相、4相和8相制的相位配置。
下面以四进制相移键控为例来分别说明多进制绝对移相（4PSK或QPSK）和多进制相对移相（4DPSK）。
2. 四进制绝对移相(4PSK或QPSK)
（1）4PSK信号的波形图
四相制是用载波的4种不同相位来表征数字信息。先将输入的二进制数字序列进行分组，将每两个比特编为一组，可以有四种不同组合(00，10，01，11)，然后用载波的四种相位来分别表示它们。由于每一种载波相位代表两个比特信息，故每个四进制波形被称为双比特码元。采用形式一相位配置的4PSK的波形图如图6-41所示。

图6-41  4PSK的波形图
（2）4PSK信号的产生方法
4PSK信号的产生方法有相位选择法、正交调制法等多种。相位选择法产生4PSK信号的原理框图如图6-42所示。

图中，四相载波发生器产生四种不同相位的载波，输入的二进制数字信息经串/并变换器输出双比特码，逻辑选相电路根据输入的双比特码，在每个码元宽度期间选择相应一种相位的载波作为输出，然后经带通滤波器滤除高频分量。这是一种全数字化的方法，适合于载波频率较高的场合。
4PSK信号也可采用正交调制的方法产生，下面以体系4PSK为例介绍这种方法。为便于讨论，令QPSK信号的振幅为。则
                                  (6.4-13)
式中
                                                    (6.4-14)
而4PSK采用体系时的相位配置如表6-4所示。
表6-4  QPSK信号的相位配置

则和、的关系如表6-5所示。
表6-5  和、的关系

由表6-3和表6-4可知，，。因此用和分别调制一对正交的载波，然后合成便能得到QPSK信号，如图6-43所示。

（3）4PSK信号的解调

由于4PSK信号可以看作两个载波正交的2PSK信号的合成，因此，对4PSK信号的解调可以采用与2PSK相类似的解调方法进行解调，其解调原理框图如图6-44所示。同相和正交二支路分别采用相干解调方式解调，得到和，再经抽样判决和并/串变换器，即可恢复原始信息。
在MPSK相干解调中，恢复载波时同样存在相位模糊问题。与二相调制时一样，对于M相调制也应采用相对移相的方法来解决相位模糊问题。
【例6-6】若4PSK系统采用体系，画出当信码为10 01 00 00 11 00 01 00时的4PSK信号波形。
解： 根据表6-4中的对应关系，00→、10→，11→，01→，4PSK信号波形如图6-45所示

图6-45  例6-6图
3. 差分四进制移相(DQPSK)
（1）DQPSK信号的波形图
和二进制的DPSK相似，DQPSK调制信号四进制码的取值与DQPSK已调信号的相位没有固定的一一对应的关系，而是和有确定的对应关系。这样就可以消除相位模糊带来的不确定性。其波形图如图6-46所示。

图6-46  DQPSK信号波形图
（2）DQPSK信号的产生方法
实现DQPSK的方法就是首先对四进制码进行差分编码，得到相对码，然后用进行绝对移相键控。对应于两种绝对移相调制方法，四进制的差分编码也有两种方法。
如果绝对移相采用相位选择法时，那差分编码用模4加，即

例如，等等。
但如果绝对移相采用正交调制时，用双比特码进行差分编码更方便。设绝对码用双比特码表示，相对码用表示，则从到的差分编码为
          
           
图6-47所示为用正交调制法产生DQPSK信号。

DQPSK正交调制的例子如表6-6所示。
表6-6  DQPSK差分编码

四进制绝对码X		1	0	2	3	0	2	1	3
四进制相对码Y	0	1	1	3	2	2	0	1	0
双比特绝对码		10	00	11	01	00	11	10	01
双比特相对码	00	10	10	01	11	11	00	10	00
QPSK相位
DQPSK相位差

从上表可以看出，绝对码只和DQPSK信号的相对相位有确定的对应关系，即。
（3）DQPSK信号的解调
DQPSK的解调可以用相干解调--－码反变换法，相干解调的过程类似于4PSK信号的解调，但相干解调后得到的将是相对码，还需经过码反变换，把相对码变换成绝对码，其规则为
          
           
最后经过并/串变换还原为原来的二进制序列。

6.4.4  正交幅度调制
由前面的分析可知，MASK和MPSK可有效提高系统的频带利用率，而且随着M的增大，频带利用率也越高，但随着M的增大，不同信号的空间距离也越小，如果信号功率不变的话，误码率就会随之而增大。正交幅度调制（QAM）就是为克服上述问题而提出的。我们可以由矢量图中信号矢量端点的分布（星座图）直观地看到，多进制振幅调制时，矢量端点在一条轴上分布，多进制相位调制，矢量端点在一个圆上分布，如图6-48所示，由图可看出两者都没有充分地利用整个平面，而正交幅度调制将矢量端点重新合理地分布，在M相同的情况下，能增加信号矢量端点间的距离，从而增强系统的抗噪声能力。
正交幅度调制就是用两个独立的多电平基带信号分别对两个正交载波进行ASK调制，然后叠加，便得到QAM信号。下面以16QAM为例说明其原理和特点。

1. 16QAM星座图

16QAM星座图有16个信号矢量端点，它们在信号平面上的位置可以有不同的安排方案。图6-49是方形安排的星座图，是一种常用的星座图案。
2. 一般表达式
由上图可看出，16QAM任意一个信号可以分解成两个正交分量，如图6-50所示。其一般表达式为
                      (6.4-15)
式中，和各有个电平，分别为和。
对比QAM信号和MPSK信号的表达式，发现它们在形式上是一样的，但MPSK的振幅是常数，而QAM的和的取值是相互独立的，其振幅不再是常数。
3. 16QAM信号的产生
由式（6.5-15）表明，16QAM信号可以用两个正交载波经4ASK调制后相加得到，其原理图如图6-51所示。
串行的二进制序列，经过串/并变换分成两路，每一路的双比特码元经过2/4电平转换得到4PAM数字基带信号，然后分别和两个正交载波相乘得到两个4ASK信号，把它们相加便得到16QAM信号。
4. 16QAM信号解调
16QAM信号的解调可以采用MASK信号的解调方法，如图6-52所示。用相干解调法解调两路ASK信号后，作4/2电平转换，经并/串变换恢复原来的二进制序列。
16QAM信号是由两路4ASK信号叠加而成,，所以其功率谱形状和ASK、PSK功率谱形状是一样的，主瓣的宽度。