數字電視調製技術

數字電視信號調製目的

圖像壓縮編碼與信道編碼傳輸是數字電視系統實現的關鍵技術，而調製解調技術作為信道編碼傳輸技術的重要組成部分，在數字電視領域非常重要。數字高清晰度電視的圖像信息速率接近1Gb／s，要在實際信道中進行傳輸，除應採用高效的信源壓縮編碼技術、先進的信道編碼技術之外，採用高效的數字調製技術來提高單位頻帶的數據傳送速率也極為重要。

數字電視信號經信源編碼及信道編碼後，將面臨信號傳輸，傳輸目的是最大限度地提高數字電視覆蓋率，根據數字電視信道特點，要進行地面信道、衛星信道、有線信道的編碼調製後，才能進行傳輸。調製技術分為模擬調製技術與數字調製技術，其主要區別是：模擬調製是對載波信號的某些參量進行連續調製，在接收端對載波信號的調製參量連續估值，而數字調製是用載波信號的某些離散狀態來表徵所傳送信息，在接收端只對載波信號的離散調製參量進行檢測。由於在數字電視系統中傳送的是數字電視信號，因此必須採用高速數字調製技術來提高頻譜利用率，從而進一步提高抗干擾能力，以滿足數字高清晰度電視系統的傳輸要求。與模擬調製系統中的調幅、調頻和調相相對應，數字調製系統中也有幅度鍵控(ASK)、移頻鍵控(FSK)和移相鍵控(PSK)三種方式，其中移相鍵控調製方式具有抗噪聲能力強、佔用頻帶窄的特點，在數字化設備中應用廣泛。此外，正交幅度調製(QAM)是對載波振幅與相位同時進行數字調製的一種複合調製方式，可進一步提高信號傳輸碼率，在實際中得到廣泛應用。

調製方式可分為二進制調製方式與多進制調製方式兩大類，其主要區別是：前者是利用二進制數字信號去調製載波的振幅、頻率或相位；後者則是利用多進制數字信號去調製載波的振幅、頻率或相位。多進制數字已調信號的被調參數在一個碼元間隔內有多個可能取值，按照Nyquist第一準則，在二進制情況下，每1Hz 頻帶最高可傳輸2b／s信息，對於多進制，r=2D，一個波形相當於D個二進制符號，則每1Hz頻帶最高可傳輸2Db／S信息，可見頻帶利用率大為提高。但在干擾電平相同時，多電平判決比二電平更容易出錯，因而多進制調製的抗干擾能力也隨之降低。簡單歸納，多進制調製與二進制調製相比較，具有以下特點：

· 在相同碼元傳輸速率下，多進制系統的信息傳輸速率明顯比二進制系統高，例如四進制是二進制的兩倍，八進制是二進制的三倍；

· 在相同信息速率下，由於多進制碼元傳輸速率比二進制低，因而其持續時間比二進制長，即增大碼元寬度，會增加碼元能量，並能減少信道特性引起的碼間干擾影響；

· 多進制調製的不足是：在干擾電平相同時，由於相鄰碼組的相移差別減少，因而多電平判決比二電平更容易出錯，即抗干擾能力降低，此外，多進制接收也比二進制複雜。

高速數字調製技術通常用於混合光纖同軸電纜傳輸系統中，主要有QPSK調製、QAM調製、OFDM調製、VSB調製、擴頻調製五種，目前在數字電視傳輸系統中採用的調製技術主要包括正交相移鍵控調製(QPSK)、多電平正交幅度調製(MQAM)、多電平殘留邊帶調製(MVSB)以及正交頻分復用調製 (OFDM)。例如，在歐洲DVB系統中，數字衛星廣播(DVB-S)採用OPSK，數字有線廣播(DVB-C)採用QAM，數字地面廣播(DVB-T) 採用編碼正交頻分復用調製(COFDM)。

在數字電視傳輸系統中，選擇不同的調製方式必須考慮傳輸信道特性，具體如下：有線廣播上行信道存在漏斗效應，衛星廣播天電干擾嚴重，因此應選擇抗干擾能力較強、而頻譜利用率不高的QPSK技術；在地面廣播中，由於多徑效應非常嚴重，因此應採用抗多徑干擾顯著的OFDM技術；而在有線廣播下行信道中，由於干擾較小，因而可採用頻譜利用率較高的QAM技術。總之，應根據數字電視傳輸信道的特性來選擇合適的數字調製方式，以實現有效利用信道資源、消除各種噪聲干擾的目的。下面列出各種多進制數字調製技術頻譜利用率的理論值與實用值，它們可為數字電視傳輸系統設計提供參考。

數字調製技術基本原理

數字基帶信號中含有豐富的低頻分量，由於傳輸信道的頻率特性通常有限，即存在上、下限頻率，超過此界限則不能進行有效數據傳輸，因此數字基帶信號的頻譜特性與信道頻譜特性不匹配，不適於在傳輸信道中直接傳送。通常在傳輸前要對數字基帶信號進行處理，減少其低頻分量與高頻分量，使能量向中頻集中，或者採用數字調製技術進行頻譜搬移，以適應傳輸信道更高頻譜範圍的要求。

數字調製技術是指將數字基帶信號調製在載波上，使其變換成適合信道傳輸的數字頻帶信號，從而實現頻譜搬移，通常有三種基本的載波調製方式，即幅度鍵控(ASK)、頻率鍵控(FSK)和相位鍵控(PSK)。

ASK、FSK、PSK性能比較
從頻帶寬度考慮，當碼元間隔為丁時，ASK及PSK的頻帶寬度近似為2／T，而FSK系統帶寬幾乎是ASK或PSK的3倍左右，因此從頻帶利用率角度分析，FSK最不可取；從誤碼率考慮，絕對移相相干接收PSK的抗噪聲性能最好，其次是相干解調——碼型變換PSK、差分相干DPSK，隨後依次是相干 PSK、非相干FSK、相干ASK、非相干ASK；
從抗信道變化能力考慮，FSK及PSK對信道特性變化不敏感，抗信道變化能力強，而ASK系統最佳判決門限為A／2，與接收輸入信號幅度有關，故ASK性能最差。
總之，相干PSK、DPSK與非相干PSK目前使用較多，其中相干PSK、DPSK主要用於高速數據傳輸。

數字電視QPSK調製技術

為提高頻譜利用率，通常採用多進制調製方法，以提高單位頻帶的利用率，從而可降低碼率、減少信道帶寬。利用M進制數字基帶信號分別調製載波的幅度、頻率和相位，可分別產生MASK、MFSK及MPSK等多進制載波數字調製信號，其中四相移相鍵控(QPSK)、正交振幅調製(QAM)及殘留邊帶調製 (VSB)在多進制調製中比較常用。
OPSK(Quadrature Phase Shift Keying)是一種相位調製技術，它規定了4種載波相位，QPSK中每次調製可傳輸2個信息比特，這些信息比特通過載波的4種相位來傳遞，解調器再根據星座圖及接收到的載波信號相位來判斷發送端發送的信息比特。QPSK信號是一種四狀態信號，對應於四種相位分別表示二進制(00，01，10，11)四種狀態，QPSK信號相位有兩種形式，即π／2相移系統與π/4相移系統，其信號矢量圖如圖4-45所示。

QPSK是一種恆定包絡的二維角度調製技術，它有同相、正交兩個載波，同相載波即載波本身，正交載波是指相位旋轉90°的載波，作為一種恆定包絡調製，QPSK信號平均功率恆定，不受幅度衰減的影響，即幅度失真不會使QPSK產生誤碼。QPSK調製在實現時採用正交調幅方式，其產生原理圖如圖 4-46所示。由圖4-46可見，串行輸入的二進制碼ABCD…每兩位分成一組經串／並變換後分兩路輸出，一路為A，另一路為B，此時碼元寬度加倍，再分別進行極性變換，將單極性碼變為雙極性碼，然後與載波相乘，形成正交的雙邊帶信號，加法器輸出即為QPSK信號。若要產生π／2相移系統的QPSK信號，只需把載波移相π／4後加到乘法器即可。
數字電視調製技術
由於QPSK信號實質上是兩個正交的2PSK信號的合成，它等效於二電平正交調幅，因此可參照PSK信號的相干解調方法，用兩個正交的相干載波分別解調得到A、B兩個分量，然後經並／串變換為串行的二進制數字信號輸出，QPSK解調原理圖如圖4-47所示。QPSK是數字微波通信系統、-數字衛星通信系統及數字電視有線廣播上行通信中最常用的一種單載波傳輸方式，它具有較強的抗干擾能力，在電路實現上也比較簡單，在DVB數字電視衛星廣播(DVB-S)系統中就是採用QPSK調製技術，如圖4-48所示。

數字電視QAM調製技術

QAM(Quadrature Amplitude Modulation，正交幅度調製)是幅度、相位聯合調製的技術，它同時利用了載波的幅度與相位來傳遞信息比特，因此在最小距離相同的條件下，QAM星座圖中可以容納更多的星座點，即可實現更高的頻帶利用率。4QAM與16QAM星座圖如圖4-49所示，目前QAM星座點最高可達256QAM。

QAM信號是利用正交載波對兩路數字基帶信號分別進行雙邊帶抑制載波調幅(DSB)形成，其中相互正交的兩個分量可分別以ASK方式獨立傳輸數字信號。若原始數字信號是二進制信號，則應先將二進制信號轉換為m電平多進制信號，再進行正交調製，最後相加輸出。QAM信號產生原理圖如圖4-50所示，其中工缸)由序列a1，口2，…，ak組成，y′(t)由序列b1，b2，…，bk組成，它們是兩組相互獨立的二進制信號，經2／m變換器變換為m電平信號 x(t)及y(t)，更為詳細的QAM調製器結構如圖4-51所示。

QAM也是二維調製技術，可採用正交調幅方式，因而QAM信號可用正交相干解調方法解調，其原理圖如圖4-52所示，解調後輸出兩路獨立的多電平基帶信號，最後根據多電平碼元與二進制碼元間的關係，可恢復出原二進制基帶信號。與PSK相比，QAM有較高的頻帶利用率，同時有較高的信噪比，它是一種節省頻帶的數字調幅方法，但由於會受到載波幅度失真的影響，因而其可靠性不如PSK。QAM在2400 b／s以上的中、高速調製中常被採用，它廣泛應用於數字有線電視的下行傳輸及HDTV地面廣播中，在DVB數字電視有線廣播(DVB-C)系統中就是採用 QAM調製技術，如圖4-53所示。

數字電視VSB調製技術

殘留邊帶調製(VSB，Vestigial Band)是雙邊帶幅度調製(DSB)與單邊帶幅度調製(SSB)的折中方案，它不是將一個邊帶全部抑制，而是使它逐漸截止，截止特性使傳輸邊帶在載頻附近被抑制的部分被不傳輸邊帶的殘留部分精確地補償，因而可使接收機在解調後將兩個頻譜搬到一起即可無失真地恢複信號?(t)。在數字基帶信號對載波的殘留邊帶調製中，數字基帶信號先變換成多電平信號再進行調製，4VSB即為4電平(-3，-1，+1，+3)調製，每個符號表示2bit信息，而8VSB及 16VSB各為8電平及16電平調製，每個符號代表3 bit及4 bit信息。

若在6 MHz信道中用VSB進行調製，按照奈奎斯特理論，一個6 MHz帶寬信道最大可傳送12 Mbaud的多元信息，但實際上只能達到10.7 Mbaud。為傳輸43 Mb／s的信息速率，每個符號要攜帶43／10.7=4 bit的二元信息，即必須用16 VSB調製技術。對於6 MHz信道，傳送10.7 Mbaud的信息，分別採用4 VSB、8 VSB及16 VSB調製，其碼率可達21.5 Mb／s、32 Mb／s及43 Mb／s。將頻譜利用率定義為b／s／Hz，則採用4 VSB、8 VSB及16 VSB調製時，其頻譜利用率分別為21.5／6、32／6及43／6，即達到4.58 b／s／Hz、5.33 b／s／Hz及7.17b／s／Hz。也就是說，4VSB、8VSB及16 VSB分別可達4 b／s／Hz、6 b／s／Hz及8 b／s／Hz。

下面介紹8 VSB與16VSB調製技術，8 VSB實現原理如圖4-54所示。由圖4-54可見，串行數據以每組3 bit輸入到串／並轉換器中，隨後送入D／A中，由數字信號轉變為漠擬信號，然後送入調製器進行幅度調製，調製後的信號最後經殘留邊帶濾波後，則完成了殘留邊帶的調製過程。16VSB實現原理與8VSB基本相同，只是串行數據流以4比特一組送入D／A變換器中。VSB技術在數字電視調製系統中應用廣泛，在美國ATSC大聯盟數字高清晰度電視地面廣播系統中就是採用8VSB調製技術(如圖4-55所示)，而在有線廣播系統中則採用16VSB或QAM調製技術。ATSC DTV系統中兩種VSB編碼調製方案的參數對比如表4-5所示。

數字電視OFDM調製技術

OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)即正交頻分復用調製，它是通過延長傳輸符號周期來有效克服多徑干擾的一種數字調製技術，是歐洲數字電視系統所採用的數字調製方案。OFDM由大量的在頻率上等間隔的子載波構成(設有N個子載波)，將各載波加以調製，也就是說，將串行傳輸的符號序列分成長度為N的段，將每段內的N 個符號分別調製到N個子載波上，然後一起發送。所以，OFDM是一種並行調製技術，將符號周期延長了N倍，從而提高了對多徑干擾的抵抗能力。
調製技術可分為單載波調製(SCM)技術與多載波調製(MCM)技術，前者是用高碼率信號調製一個單載波，後者則是用低碼率信號調製多個載波，OFDM屬於多載波調製技術，而VSB則屬於單載波調製技術。OFDM系統的一種實現方案如圖4-56所示。由圖4-56可見，OFDM系統中各子載波通常採用 MQAM調製方式。OFDM系統調製解調的基本原理如圖4-57所示，其中FFT與IFFT是指快速傅里葉變換與快速傅里葉逆變換。

COFDM(Coding Orthogonal Frequency Division Multiplex)，即編碼正交頻分復用，它是OFDM與TCM的級聯，屬於多載波系統。COFDM是歐洲DVB地面廣播的調製方法，它最早成功應用在數字音頻廣播(DAB，Digital Audio Broadcasting)中，後來被移植到數字電視中，COFDM調製器結構如圖4-58所示。
OFDM調製技術具有很強的抗多徑干擾能力，因而在數字電視系統中應用非常廣泛。歐洲DVB-T與日本ISDB-T調製系統中都是採用多載波OFDM調製技術，但二者又有區別，ISDB-T是採用BST-OFDM(Band Segmented Transmission-OFDM)，即分段傳輸的OFDM技術，它將信道分割成多個OFDM段，在每段內使用相同的載波結構。

本文內容選自：經緯的新浪博客