数字调制教学课件PPT.ppt

数字调制 南京邮电大学信息工程系 余兆明 一、为什么要进行数字调制 ndtv&hdtv在卫星、地面广播、hfc网络上进行多路传 输时,为提高频谱利用率,必须进行数字调制。 n(1)例: 设hdtv未经压缩时的数据为663.5mbit/s,经数据 压缩后为31.8mbit/s(压缩比为20.8:1),又设采用8vsb 数字调制,此时的频谱利用系数为(5.3bit/s)/hz,则调制后 信号的带宽为(31.8mbit/s)/(5.3bit/s)/hz=6mhz 。 这说明在6mhz模拟带宽范围内可传一路数字hdtv信号 。 n(2).例:设有一主级图像质量(mpml)的dtv信号,其速率 为8.448mbit/s(相当于目前演播室的pal图像质量),同样 采用8vsb数字调制,则经调制后信号的带宽为 (8.448mbit/s)/ (5.3bit/s)/hz=1.6mhz 。在 400mhz带宽的传输线路中可传输的节目数为 400mhz/1.6mhz=250套节目。 二、数字电视信号经调制后的几项性能 1.采用不同压缩标准的数字电视信号,选用同一种调制情 况下，调制后信号的带宽不同。 例(1): 设经mpeg-1标准压缩后的数字电视信号速率为2mbit/s,经64 -qam调制后(频谱利用系数理论值为 ),则经调制后信号的带宽为 例(2): 设经mpeg-2标准压缩后的数字电视信号速率为8mbit/s,经 64qam调制后(频谱利用系数理论值为 ),则经调制后信号的带 宽为 从例(1)、例(2)可以看出，采用的调制方式相同(64qam),但压缩标 准不同(mpeg-1、mpeg-2),调制出来的信号带宽不同 (0.33mhz,1.33mhz)。 2. 同一种速率的数字电视信号，选用同一种调制但 频谱利用系数不同情况下，调制后信号的带宽不同 。 例(3): 设经mpeg-2标准压缩后的数字电视信号速率为 8mbit/s,经8-vsb (频谱利用系数值为 )调制后,信号 带宽为: 例(4): 设数字电视速率仍为8mbit/s, 经16-vsb (频谱利 用系数值为 )调制后,信号带宽为: 。 从例(3)、例(4)可以看出，采用的调制方式相同(vsb), 但频谱利用系数不同( 、 ),调制出来的信号带 宽不同(1.5mhz,1.13mhz)。 3.同一种速率的数字电视,选用不同的调制方式， 调制后信号的带宽不同 例(5): 设数字电视速率为8mbit/s,选用qpsk调制(频谱利用系数理论值为 时 ， 调制后信号带宽为: 例(6): 设数字电视速率仍为8mbit/s,选用ofdm-64qam调制(频谱利用系数理论值为 )时，调制后信号带宽为: 从例(5)、例(6)可以看出，数字电视信号的速率相同(8mbit/s),但调制方 式不同(qpsk、ofdm-64qam),调制出来的信号带宽不同 (4mhz,1.33mhz)。 4. 数字电视信号经数字调制后，相当于模拟信号，可以在模拟 信道中传输 经压缩后的数字电视信号速率是以mbit/s为单位,再经 数字调制后信号的单位变成了mhz,mhz单位是惯用的 模拟信号带宽单位。所以，可以说数字电视信号经数 字调制后，相当于模拟信号，可以在模拟信道中传输 。 三、dtv中几种数字调制技术的谱分析 n五种调制方式 : n 1.四相移相键控调制(qpsk: quadrature phase- shift keying) n2.多电平正交幅度调制(m-qam:quadrature amplitude modulation) n3.正交频分复用调制(ofdm: orthogonal frequency division multiplexing) n4.多电平残留边带调制(vsb: vestigial band) n5.扩频调制 1.qpsk的谱分析 cos0t sin0t输出 二进制输入 iq 带通滤波 振荡器 90相移 d/a d/a (1)去除不传送的比特过程称为收缩 q i i=0 q=1 i=1 q=1 i=0 q=0 i=1 q=0 连续比特 流 i q x y卷积编码器 收缩 (puncturing)基带形成qpsk调制 (2)各种转发器带宽及相应的码率 bw (-3db) (mhz) bw (-1db) (mhz) r bw/ r=1.28 (mbaud) r qpsk+1/2 (mbit/s) r qpsk+2/3 (mbit/s) r qpsk+3/4 (mbit/s) r qpsk+5/6 (mbit/s) r qpsk+6/7 (mbit/s) 54486422389518583648680 46411359331442497550580 40360312288384432480504 36324281259346389432454 33297258238317356396416 30270234216288324360376 27243211194259292324340 26234203187250281312328 2.mqam的分析 3.几种数字调制信号的功率谱密度 f/fs64qam 1/41/2 16qam qpsk 1/6 0.5 1.0 (1)qam数字调制器 (2) qam系统星座图 改变两个msb（即ik 和 qk ）并根据表中所示的规则 ，旋转q个lsb可将相限1中的星座点转换到相限2、3 、4中。 相限msbslsbs 旋转 1000 210+ /2 311+ p 401+ 3/2 (3)/2旋转不变qam星座的获得 n在数字电视信号传输中，接收端的相干载波是从发送信号中提取 的，由于信号集的布局不同，它可以在不同程度上产生相位不定 度（phase ambiguity）。相位混淆程度与星座有关。当提取的相 干载波发生90、180、270，这样势必造成后面译码的差错 。解决这个问题的主要途径是将差分的概念应用到qam调制中去 ，使星座信号点的角度取决于相对差值，而不受直接与角度的绝 对值挂钩。这种不受相干载波相位混淆qam星座称为旋转不变的 qam星座。 n为获得/2旋转不变的qam星座图,每个符号的两个最高有效位进 行差分编码。根据差分编码原理，不难看出，码变换器的输出 ikqk与输入akbk符合下表所示的逻辑关系。 前一输入双比特本时刻输入输出数据 ak-1bk-1akbkikqk 000000 0101 1111 1010 010010 0100 1101 1011 110011 0110 1100 1001 100001 0111 1110 1000 可得到卡诺图 ： 因此由上图可得两个msb位的差分编码如下逻辑式所示 ： qam调制中两个最高位进行差分编码 (4)16qam调制符合/2的旋转不变原则的星座图 q 11 01 10 00 10 11 00 01 0010 01 11 0100 11 10 i ikqk=00ikqk=10 ikqk=01ikqk=11 a1b1a1b1 a1b1a1b1 a a 正如图所示，改变两个msb（即a1 和b1 ）并根据 表中所示的规则，旋转q个lsb可将相限1中的星座 点转换到相限2、3、4中。也即用差分编码得到的 两个最高位来规定信号矢量所处的象限，而其余 比特用来规定每个象限中信号矢量的配置，并使 这种配置呈现出/2的旋转对称性。这样，就可以 消除相位模糊度对解调的影响。从图可以清楚地 看出，星座图中如果移去两个最高位不考虑，则 相邻两个相限的配置呈现出/2的旋转对称性。而 两个最高位正好确定它所处相限的位置。如图可 以看出,a1b1的矢量安排满足/2的旋转不变的原则 ，结果恢复载波的相位无论是00、900、1800、 或2700，解调输出的矢量代码将保持不变。=00 时，根据图中a点与i轴位置译出其代码为11。当 =900时,恢复载波与q轴同相，此时a点与q轴的 位置关系相当于a点和i轴的位置关系，解出的代 码仍为11。可以判定解调得到与a1b1相位模糊度无 关。图表示的是16qam调制符合/2的旋转不变原 则的星座图。 (5)64qam星座图 (6)dvb-c在catv网中应用实例 有用比特率r mpeg-2 tv （mb/s） 总比特率r 包括rs （mb/s） 电 缆 符 号 率 （mbaud） 占 用 的 带 宽 (mh) 调制方式 38.1 31.9 25.2 41.34 34.61 27.34 6.89 6.92 6.84 7.92 7.96 7.86 64-qam 32-qam 16-qam 31.672pdh34.3676.877.9032-qam 18.9 16.0 12.8 25.52 17.40 13.92 3.42 3.48 3.48 3.93 4.00 4.00 64-qam 32-qam 16-qam 9.610.441.742.0064-qam 8.08.71.742.0032-qam 6.46.961.742.0016-qam 4.无正交相位差正交幅度调制(offset-qam) offset-qam调制原理分析 设发信mqam波形可表示为： 模数a/d变换器的抽样速率为,则相应上式可用下述离散化形式表达： 如果假设在每一周期中仅取4个等间隔样点，即，则有： 可以表示为1，0，1，0，抽样序列 可以表示为0,+1,0,-1,抽样序列 样本序列即变成为以下形式 ： +q+i -q -i -q +q +i q抽样 sint cost 时钟 i 抽样 -i i,q合成 t t t t t 幅度 a) b) c) d) e ) 5.qam的频谱利用率分析 n设输入的二进制速率为10mbit/s，24电平转换的输入为 2.5mbit/s， 由信息论知识可得，1hz最高可传输pcm信号2bit，所以它的基带信号最 高频率为(2.5/2)mhz。根据平衡调制原理，见图可作如下数字分析，设 本振频率为f0，调制信号频率为，进行平衡调幅时，调幅后的输出信号 为 : 所以带宽为 2，从上面分析，2.5/2mhz时，则 22.5 mhz 。即10mbit/s的二进制数，经16qam调制后的模拟信号带宽为2.5 mhz，则频谱利用率为: 所以16qam调制理论上的频谱利用系数为 6.ofdm调制 n在无线传输系统，特别是电视广播系统中，由于城市建筑群或其 它的复杂的地理环境，发送的信号经过反射，散射等传播路径后 ，到达接收端的信号往往是多个幅度和相位各不相同的信号的叠 加，使接收到的信号幅度出现随机起伏变化，形成多径衰弱。引 起信号的频率选择性的衰减，导致信号畸变。在实际的移动通信 中，多径干扰根据其产生的条件大致可分为以下三类：第一类多 径干扰:是由于快速移动的用户附近物体的反射形成的干扰信号， 其特点是在信号的频域上产生doppler(多普勒)扩散而引起的时间 选择性衰落。第二类多径干扰：它是由于远处山丘与高大建筑物 反射形成的干扰信号，其特点是信号在时域和空间角度上发生了 扩散，从而引起相对应的频率选择性衰落和空间选择性衰落。第 三类多径干扰：由基站附近的建筑物和其他物体的反射而形成干 扰信号，其特点是严重影响到达天线的信号入射角分布，从而引 起空间选择性衰落。 (1)多载频调制原理框图 (2)ofdm信号频谱 (3)多载频到单载频的解决方案 nofdm调制常要几百或上千个载频，这给实际应用带来极大困难 ，weinstein提出了一种利用离散付里叶变换(dft)来实现ofdm 。使多载波概念变成单载波概念来处理