Monday, December 18, 2017

数字电视调制技术

数字电视信号调制目的

图像压缩编码与信道编码传输是数字电视系统实现的关键技术,而调制解调技术作为信道编码传输技术的重要组成部分,在数字电视领域非常重要。数字高清晰度电视的图像信息速率接近1Gb/s,要在实际信道中进行传输,除应采用高效的信源压缩编码技术、先进的信道编码技术之外,采用高效的数字调制技术来提高单位频带的数据传送速率也极为重要。

数字电视信号经信源编码及信道编码后,将面临信号传输,传输目的是最大限度地提高数字电视覆盖率,根据数字电视信道特点,要进行地面信道、卫星信道、有线信道的编码调制后,才能进行传输。调制技术分为模拟调制技术与数字调制技术,其主要区别是:模拟调制是对载波信号的某些参量进行连续调制,在接收端对载波信号的调制参量连续估值,而数字调制是用载波信号的某些离散状态来表征所传送信息,在接收端只对载波信号的离散调制参量进行检测。由于在数字电视系统中传送的是数字电视信号,因此必须采用高速数字调制技术来提高频谱利用率,从而进一步提高抗干扰能力,以满足数字高清晰度电视系统的传输要求。与模拟调制系统中的调幅、调频和调相相对应,数字调制系统中也有幅度键控(ASK)、移频键控(FSK)和移相键控(PSK)三种方式,其中移相键控调制方式具有抗噪声能力强、占用频带窄的特点,在数字化设备中应用广泛。此外,正交幅度调制(QAM)是对载波振幅与相位同时进行数字调制的一种复合调制方式,可进一步提高信号传输码率,在实际中得到广泛应用。

调制方式可分为二进制调制方式与多进制调制方式两大类,其主要区别是:前者是利用二进制数字信号去调制载波的振幅、频率或相位;后者则是利用多进制数字信号去调制载波的振幅、频率或相位。多进制数字已调信号的被调参数在一个码元间隔内有多个可能取值,按照Nyquist第一准则,在二进制情况下,每1Hz 频带最高可传输2b/s信息,对于多进制,r=2D,一个波形相当于D个二进制符号,则每1Hz频带最高可传输2Db/S信息,可见频带利用率大为提高。但在干扰电平相同时,多电平判决比二电平更容易出错,因而多进制调制的抗干扰能力也随之降低。简单归纳,多进制调制与二进制调制相比较,具有以下特点:

· 在相同码元传输速率下,多进制系统的信息传输速率明显比二进制系统高,例如四进制是二进制的两倍,八进制是二进制的三倍;

· 在相同信息速率下,由于多进制码元传输速率比二进制低,因而其持续时间比二进制长,即增大码元宽度,会增加码元能量,并能减少信道特性引起的码间干扰影响;

· 多进制调制的不足是:在干扰电平相同时,由于相邻码组的相移差别减少,因而多电平判决比二电平更容易出错,即抗干扰能力降低,此外,多进制接收也比二进制复杂。

高速数字调制技术通常用于混合光纤同轴电缆传输系统中,主要有QPSK调制、QAM调制、OFDM调制、VSB调制、扩频调制五种,目前在数字电视传输系统中采用的调制技术主要包括正交相移键控调制(QPSK)、多电平正交幅度调制(MQAM)、多电平残留边带调制(MVSB)以及正交频分复用调制 (OFDM)。例如,在欧洲DVB系统中,数字卫星广播(DVB-S)采用OPSK,数字有线广播(DVB-C)采用QAM,数字地面广播(DVB-T) 采用编码正交频分复用调制(COFDM)。

在数字电视传输系统中,选择不同的调制方式必须考虑传输信道特性,具体如下:有线广播上行信道存在漏斗效应,卫星广播天电干扰严重,因此应选择抗干扰能力较强、而频谱利用率不高的QPSK技术;在地面广播中,由于多径效应非常严重,因此应采用抗多径干扰显著的OFDM技术;而在有线广播下行信道中,由于干扰较小,因而可采用频谱利用率较高的QAM技术。总之,应根据数字电视传输信道的特性来选择合适的数字调制方式,以实现有效利用信道资源、消除各种噪声干扰的目的。下面列出各种多进制数字调制技术频谱利用率的理论值与实用值,它们可为数字电视传输系统设计提供参考。

数字调制技术基本原理

数字基带信号中含有丰富的低频分量,由于传输信道的频率特性通常有限,即存在上、下限频率,超过此界限则不能进行有效数据传输,因此数字基带信号的频谱特性与信道频谱特性不匹配,不适于在传输信道中直接传送。通常在传输前要对数字基带信号进行处理,减少其低频分量与高频分量,使能量向中频集中,或者采用数字调制技术进行频谱搬移,以适应传输信道更高频谱范围的要求。

数字调制技术是指将数字基带信号调制在载波上,使其变换成适合信道传输的数字频带信号,从而实现频谱搬移,通常有三种基本的载波调制方式,即幅度键控(ASK)、频率键控(FSK)和相位键控(PSK)。

ASK、FSK、PSK性能比较
从频带宽度考虑,当码元间隔为丁时,ASK及PSK的频带宽度近似为2/T,而FSK系统带宽几乎是ASK或PSK的3倍左右,因此从频带利用率角度分析,FSK最不可取;从误码率考虑,绝对移相相干接收PSK的抗噪声性能最好,其次是相干解调——码型变换PSK、差分相干DPSK,随后依次是相干 PSK、非相干FSK、相干ASK、非相干ASK;
从抗信道变化能力考虑,FSK及PSK对信道特性变化不敏感,抗信道变化能力强,而ASK系统最佳判决门限为A/2,与接收输入信号幅度有关,故ASK性能最差。
总之,相干PSK、DPSK与非相干PSK目前使用较多,其中相干PSK、DPSK主要用于高速数据传输。

数字电视QPSK调制技术

为提高频谱利用率,通常采用多进制调制方法,以提高单位频带的利用率,从而可降低码率、减少信道带宽。利用M进制数字基带信号分别调制载波的幅度、频率和相位,可分别产生MASK、MFSK及MPSK等多进制载波数字调制信号,其中四相移相键控(QPSK)、正交振幅调制(QAM)及残留边带调制 (VSB)在多进制调制中比较常用。
OPSK(Quadrature Phase Shift Keying)是一种相位调制技术,它规定了4种载波相位,QPSK中每次调制可传输2个信息比特,这些信息比特通过载波的4种相位来传递,解调器再根据星座图及接收到的载波信号相位来判断发送端发送的信息比特。QPSK信号是一种四状态信号,对应于四种相位分别表示二进制(00,01,10,11)四种状态,QPSK信号相位有两种形式,即π/2相移系统与π/4相移系统,其信号矢量图如图4-45所示。

QPSK是一种恒定包络的二维角度调制技术,它有同相、正交两个载波,同相载波即载波本身,正交载波是指相位旋转90°的载波,作为一种恒定包络调制,QPSK信号平均功率恒定,不受幅度衰减的影响,即幅度失真不会使QPSK产生误码。QPSK调制在实现时采用正交调幅方式,其产生原理图如图 4-46所示。由图4-46可见,串行输入的二进制码ABCD…每两位分成一组经串/并变换后分两路输出,一路为A,另一路为B,此时码元宽度加倍,再分别进行极性变换,将单极性码变为双极性码,然后与载波相乘,形成正交的双边带信号,加法器输出即为QPSK信号。若要产生π/2相移系统的QPSK信号,只需把载波移相π/4后加到乘法器即可。
数字电视调制技术
由于QPSK信号实质上是两个正交的2PSK信号的合成,它等效于二电平正交调幅,因此可参照PSK信号的相干解调方法,用两个正交的相干载波分别解调得到A、B两个分量,然后经并/串变换为串行的二进制数字信号输出,QPSK解调原理图如图4-47所示。QPSK是数字微波通信系统、-数字卫星通信系统及数字电视有线广播上行通信中最常用的一种单载波传输方式,它具有较强的抗干扰能力,在电路实现上也比较简单,在DVB数字电视卫星广播(DVB-S)系统中就是采用QPSK调制技术,如图4-48所示。

数字电视QAM调制技术

QAM(Quadrature Amplitude Modulation,正交幅度调制)是幅度、相位联合调制的技术,它同时利用了载波的幅度与相位来传递信息比特,因此在最小距离相同的条件下,QAM星座图中可以容纳更多的星座点,即可实现更高的频带利用率。4QAM与16QAM星座图如图4-49所示,目前QAM星座点最高可达256QAM。

QAM信号是利用正交载波对两路数字基带信号分别进行双边带抑制载波调幅(DSB)形成,其中相互正交的两个分量可分别以ASK方式独立传输数字信号。若原始数字信号是二进制信号,则应先将二进制信号转换为m电平多进制信号,再进行正交调制,最后相加输出。QAM信号产生原理图如图4-50所示,其中工缸)由序列a1,口2,…,ak组成,y′(t)由序列b1,b2,…,bk组成,它们是两组相互独立的二进制信号,经2/m变换器变换为m电平信号 x(t)及y(t),更为详细的QAM调制器结构如图4-51所示。

QAM也是二维调制技术,可采用正交调幅方式,因而QAM信号可用正交相干解调方法解调,其原理图如图4-52所示,解调后输出两路独立的多电平基带信号,最后根据多电平码元与二进制码元间的关系,可恢复出原二进制基带信号。与PSK相比,QAM有较高的频带利用率,同时有较高的信噪比,它是一种节省频带的数字调幅方法,但由于会受到载波幅度失真的影响,因而其可靠性不如PSK。QAM在2400 b/s以上的中、高速调制中常被采用,它广泛应用于数字有线电视的下行传输及HDTV地面广播中,在DVB数字电视有线广播(DVB-C)系统中就是采用 QAM调制技术,如图4-53所示。

数字电视VSB调制技术

残留边带调制(VSB,Vestigial Band)是双边带幅度调制(DSB)与单边带幅度调制(SSB)的折中方案,它不是将一个边带全部抑制,而是使它逐渐截止,截止特性使传输边带在载频附近被抑制的部分被不传输边带的残留部分精确地补偿,因而可使接收机在解调后将两个频谱搬到一起即可无失真地恢复信号?(t)。在数字基带信号对载波的残留边带调制中,数字基带信号先变换成多电平信号再进行调制,4VSB即为4电平(-3,-1,+1,+3)调制,每个符号表示2bit信息,而8VSB及 16VSB各为8电平及16电平调制,每个符号代表3 bit及4 bit信息。

若在6 MHz信道中用VSB进行调制,按照奈奎斯特理论,一个6 MHz带宽信道最大可传送12 Mbaud的多元信息,但实际上只能达到10.7 Mbaud。为传输43 Mb/s的信息速率,每个符号要携带43/10.7=4 bit的二元信息,即必须用16 VSB调制技术。对于6 MHz信道,传送10.7 Mbaud的信息,分别采用4 VSB、8 VSB及16 VSB调制,其码率可达21.5 Mb/s、32 Mb/s及43 Mb/s。将频谱利用率定义为b/s/Hz,则采用4 VSB、8 VSB及16 VSB调制时,其频谱利用率分别为21.5/6、32/6及43/6,即达到4.58 b/s/Hz、5.33 b/s/Hz及7.17b/s/Hz。也就是说,4VSB、8VSB及16 VSB分别可达4 b/s/Hz、6 b/s/Hz及8 b/s/Hz。

下面介绍8 VSB与16VSB调制技术,8 VSB实现原理如图4-54所示。由图4-54可见,串行数据以每组3 bit输入到串/并转换器中,随后送入D/A中,由数字信号转变为漠拟信号,然后送入调制器进行幅度调制,调制后的信号最后经残留边带滤波后,则完成了残留边带的调制过程。16VSB实现原理与8VSB基本相同,只是串行数据流以4比特一组送入D/A变换器中。VSB技术在数字电视调制系统中应用广泛,在美国ATSC大联盟数字高清晰度电视地面广播系统中就是采用8VSB调制技术(如图4-55所示),而在有线广播系统中则采用16VSB或QAM调制技术。ATSC DTV系统中两种VSB编码调制方案的参数对比如表4-5所示。

数字电视OFDM调制技术

OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)即正交频分复用调制,它是通过延长传输符号周期来有效克服多径干扰的一种数字调制技术,是欧洲数字电视系统所采用的数字调制方案。OFDM由大量的在频率上等间隔的子载波构成(设有N个子载波),将各载波加以调制,也就是说,将串行传输的符号序列分成长度为N的段,将每段内的N 个符号分别调制到N个子载波上,然后一起发送。所以,OFDM是一种并行调制技术,将符号周期延长了N倍,从而提高了对多径干扰的抵抗能力。
调制技术可分为单载波调制(SCM)技术与多载波调制(MCM)技术,前者是用高码率信号调制一个单载波,后者则是用低码率信号调制多个载波,OFDM属于多载波调制技术,而VSB则属于单载波调制技术。OFDM系统的一种实现方案如图4-56所示。由图4-56可见,OFDM系统中各子载波通常采用 MQAM调制方式。OFDM系统调制解调的基本原理如图4-57所示,其中FFT与IFFT是指快速傅里叶变换与快速傅里叶逆变换。

COFDM(Coding Orthogonal Frequency Division Multiplex),即编码正交频分复用,它是OFDM与TCM的级联,属于多载波系统。COFDM是欧洲DVB地面广播的调制方法,它最早成功应用在数字音频广播(DAB,Digital Audio Broadcasting)中,后来被移植到数字电视中,COFDM调制器结构如图4-58所示。
OFDM调制技术具有很强的抗多径干扰能力,因而在数字电视系统中应用非常广泛。欧洲DVB-T与日本ISDB-T调制系统中都是采用多载波OFDM调制技术,但二者又有区别,ISDB-T是采用BST-OFDM(Band Segmented Transmission-OFDM),即分段传输的OFDM技术,它将信道分割成多个OFDM段,在每段内使用相同的载波结构。

本文内容选自:经纬的新浪博客

One comment

  1. 不错,很有收获

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