数字电视C7ppt-PowerPointTemplat.ppt

数字电视原理与应用,PrincipleandApplicationofDigitalTelevision,主讲：张文军教授上海交通大学图像通信与信息处理研究所Email：zhangwenjun20062007学年第一学期,数字调制基础,class07,2,数字电视原理与应用,课程安排,数字调制基础,class07,3,数字电视原理与应用,数字电视基本原理,视频压缩原理第5章MPEG-2视频编码部分及其测量第4,6,11章MPEG-2音频编码部分及其测量第7章MPEG-2系统部分及其测量第3,9,10章数字调制基础第12章数字电视中的纠错编码原理补充,数字调制基础,class07,4,数字电视原理与应用,数字调制基础,1.概述,数字调制基础,class07,5,数字电视原理与应用,本章介绍数字调制基本方法，是后续DTV相关标准章节的基础知识。被传输的信息通过改变载波幅度或频率或相位的方式，叫做调制。模拟信号传输通常是AM(调幅)和FM(调频)。数字信号传输早期通常幅移键控(ASK)和频移键控(FSK)。如果采用NRZ码(不归零码non-return-to-zero)，ASK方式传输一个10Mbit/s数据流需要至少10MHz带宽。根据香农原理，对NRZ基带信号，带宽至少为数据率的一半。ASK产生两个边带，得到一个带宽为基带信号数据率的射频信号。由于需要进行信号滤波来抑制邻道干扰，实际所需带宽甚至更大。模拟电话带宽大约3kHz，起初，该信道可得到1200bit/s数据率；现在该信道可达到56kbit/s。我们已习惯于这种数据率的传真和调制解调器。更大的突破只能通过采用现代数字调制方法IQ调制。IQ调制实际上是幅度调制的一种。,1、概述,数字调制基础,class07,6,数字电视原理与应用,我们已知下列调制方法：幅度调制频率调制相位调制幅移键控(ASK)频移键控(FSK)相移键控(PSK)正交调幅(QAM)幅移和相移键控目标是降低信号传输带宽，只能通过现代数字调制方法，使得带宽数据率。调制的缺点：更容易受到噪声和干扰的影响。,1、概述,数字调制基础,class07,7,数字电视原理与应用,利用矢量方式来表示正弦信号：每个正弦信号都可以由其幅度和零相位角来准确描述，另外必须已知频率。矢量表示中t0时刻的旋转矢量，角度为零相位角，矢量长度为正弦信号的幅度。,1、概述,图12.1一个时域正弦信号的矢量表示,A=vectorlength,f=1/T,Re,Im,数字调制基础,class07,8,数字电视原理与应用,正弦信号的获得：将矢量投影到纵轴(Im)，并记录矢量顶点相对时间的位置。相应余弦信号的获得：将矢量投影到横轴(Re)。任意正弦或余弦信号的获得：对具有相同频率、期望幅度的一个正弦和一个余弦信号的合成。,1、概述,数字调制基础,class07,9,数字电视原理与应用,数字调制基础,1.概述,2.混频器,数字调制基础,class07,10,数字电视原理与应用,2、混频器Mixer,混频器是构成IQ调制器最重要的电子设备之一。混频器实际上是一个乘法器。调制信号通常利用载波被转换为IF信号，结果得到载波的两个边带。这种调制叫做抑制载波的双边带调幅制。图中所示混频器实际上是由载波控制的一个双向开关，在载频处变换调制信号的极性。对纯正弦调制信号，可得到两个谱线，分布在载频两侧，各自与载频的距离都是调制频率。同时还产生与载频距离为载波频率整数倍的高次谐波，必须通过低通滤波进行抑制。,图12.2Mixer,数字调制基础,class07,11,数字电视原理与应用,2、混频器Mixer,图12.3现代模拟双平衡混频器框图,调制信号的极性由4PIN二极管来转换载波（LO本地振荡器）信号通过一个射频变换器耦合输入，调制信号由DC耦合输入，已调制信号通过一个射频变换器耦合输出。目前的混频器通常由纯数字乘法器的形式来实现，除了量化噪声和舍入误差以外，其他性能良好。模拟混频器的重要参数：使用频率范围载频抑制幅度相对温度和时间稳定。,数字调制基础,class07,12,数字电视原理与应用,数字调制基础,1.概述,2.Mixer,3.幅度调制,数字调制基础,class07,13,数字电视原理与应用,3、幅度调制,调幅制的信息包含在载波的幅度中，调制信号对载波的幅度进行改变（调制）。图12.4是一个标准调幅器，其载波没有被抑制：正弦调制信号改变载波的幅度，影响载波的包络。调制信号和载波都是正弦信号时，已调信号的频谱在载频处有一条谱线，另外在载频两端距离为调制频率处还有两个边带。例如对1MHz载频用1kHz正弦信号进行调幅，得到已调信号的频谱为：1MHz载频处的谱线，以及1MHz1kHz处的两个边带。此时带宽为2kHz。,图12.4标准调幅器,数字调制基础,class07,14,数字电视原理与应用,3、幅度调制,如上所述，混频器可抑制载频。如果用混频器进行幅度调制，而且调制信号本身没有直流分量，则已调信号频谱中没有载频分量，只有两个边带。图12.5是由双平衡混频器实现的调幅器，已调信号频谱中除了两个边带以外，还有载频整数倍处的高次谐波边带（必须由低通滤波器抑制）。图12.5也表示了一个典型的抑制载波时域调幅信号，带宽与不抑制载频的标准调幅器相同。,图12.5抑制载频调幅器,数字调制基础,class07,15,数字电视原理与应用,数字调制基础,1.概述,2.Mixer,3.幅度调制,4.IQ调制,数字调制基础,class07,16,数字电视原理与应用,彩色电视系统的色度信号传输很长时间内采用正交调制或IQ调制：对PAL或NTSC，色度信号包含在色度载波的相位中，色饱和度或彩色亮度包含在色度载波的幅度中；已调色度载波再叠加到亮度信号上。已调色度载波由IQ调制器或正交调制器获得。,4、IQ调制,图12.6IQ调制器,I：in-phase同相Q：quadraturephase正交相位,数字调制基础,class07,17,数字电视原理与应用,IQ调制器分为I通道和Q通道：I通道混频器采用0载波相位Q通道混频器采用90载波相位I和Q互相正交矢量图中，I轴相当于实轴，Q轴相当于虚轴。数字调制器，在IQ调制器之前还接一个变换器mapper，输入待传输的数据流data(t)，输出i(t)和q(t)信号分别是I和Q混频器的调制信号，已不是数据信号，而是带符号电压值。如果i(t)0，则I混频器没有输出信号；如果q(t)0，则Q混频器没有输出信号。如果i(t)1，则I混频器输出固定幅度、0载波相位的载波信号；如果q(t)1，则Q混频器输出固定幅度、90载波相位的载波信号；I和Q已调信号再由加法器合成。,4、IQ调制,数字调制基础,class07,18,数字电视原理与应用,结果iqmod(t)是I和Q混频器输出信号之和。如果Q通道没有输出，则iqmod(t)相当于I通道输出信号；反之亦然。由于I和Q通道的输出信号是与载波同频的正弦和余弦信号，只是幅度不同，则I和Q通道输出信号的叠加可输出一个不同幅度和相位的正弦信号iqmod(t)。因此，通过改变控制信号i(t)和q(t)，可以改变iqmod(t)的幅度和相位。,4、IQ调制,数字调制基础,class07,19,数字电视原理与应用,利用IQ调制器，可以得到：纯调幅值，纯调相制，混和调幅调相制。Iqmod(t)的幅度和相位：Ai是I通道幅度；Aq是Q通道幅度。根据通常定义，I通道产生余弦分量，Q通道产生正弦分量。可以利用欧拉公式。,4、IQ调制,数字调制基础,class07,20,数字电视原理与应用,4、IQ调制,先只看I通道，Q通道的q(t)0，不产生输出信号：i(t)=1V（1V和1V交替），此时载波lo(t)只是在0和180相位间转换;通过改变I(t)的幅度，可以改变输出信号iqmod(t)的幅度。对矢量图而言，矢量从0和180之间变换，长度也发生变化；如果只有i(t)存在和变化，则矢量始终在I轴上。,图12.7IQ调制器，只有I通道,数字调制基础,class07,21,数字电视原理与应用,4、IQ调制,再假设i(t)=0,只有q(t)产生输出信号：q(t)=1V（1V和1V交替），此时iqmod(t)相当于Q通道混频器输出信号，I通道没有输出。Iqmod(t)是一个正弦信号，相位90和270通过改变q(t)的幅度可以改变iqmod(t)的幅度。矢量图中矢量沿Q轴在90和270之间变换，长度也发生变化。,图12.8IQ调制器，只有Q通道,数字调制基础,class07,22,数字电视原理与应用,4、IQ调制,再同时改变i(t)和q(t)，假设i(t)q(t)1V：I和Q通道的调制输出相加，因此载波可以在45，135，225和315之间变换。叫做正交相移键控QPSK。如果i(t)和q(t)任意取值，则iqmod(t)可以得到任意幅度和相位。,图12.9IQ调制器，I和Q通道都有,数字调制基础,class07,23,数字电视原理与应用,4、IQ调制,输入数据流data(t)通过mapper产生I通道和Q通道的两个调制信号i(t)和q(t)。Mapping表指定了data(t)如何产生i(t)和q(t)信号。对QPSK，mapping表中有两个bit（bit0和bit1）合成dibit，来控制i(t)和q(t)信号的生成。dibit为10，对应输出i(t)=-1V,q(t)=-1Vdibit为11，对应输出i(t)=+1V,q(t)=-1V,图12.10IQ调制器,数字调制基础,class07,24,数字电视原理与应用,4、IQ调制,图12.10IQ调制器,数字调制基础,class07,25,数字电视原理与应用,4、IQ调制,关键是调制器和解调器必须采用相同的mapping表。Mapper以后，码率降为一半：QPSK每个状态可以传送两个bit，两个bit合成一个dibit来定义mapper输出信号i(t)和q(t)。此时i(t)和q(t)的码率是data(t)的一半。i(t)和q(t)来调制载波，对QPSK，只是改变载波的相位。iqmod(t)相位的四个可能取值：45，135，225和315，信息就包含在载波相位中。可以按照输入码率一半的速率来切换载波相位。此时所需信道带宽可以降低一半。载波或矢量保持某个相位的时间（符号持续时间）称为“符号”符号持续时间的倒数即符号速率。所需带宽相应于符号速率。与简单的位传输相比，带宽容量扩大了一倍，得到了额外的带宽。,数字调制基础,class07,26,数字电视原理与应用,4、IQ调制,图12.11IQ调制器,实际上在QPSK之外，还使用了高阶调制方法同时改变幅度和相位，得到16QAM(quadratureamplitudemodulation)：信息包含在幅度和相位中。Mapper中有4个bit合成，一个载波能携带4bit，有16种可能的载波输出。Mapper后的码率或符号速率是输入码率的1/4，所需信道带宽减少到1/4。,16QAM,QPSK,数字调制基础,class07,27,数字电视原理与应用,4、IQ调制,通常矢量图中只表示矢量的终点，所有可能矢量位置集合的矢量图称为星座图。下图是实际QPSK,16QAM和64QAM信号的星座图，受到噪声影响，图中也显示了demapper的判别门限。每个符号传输的bit数是log2N，（N是星座图中的元素的个数）,QPSK(2bitpersymbol),16QAM(4bitpersymbol),64QAM(6bitpersymbol),数字调制基础,class07,28,数字电视原理与应用,4、IQ调制,图12.13时域中IQ调制,图12.13（QPSK）给出了原始数据流data(t)，结果载波矢量分布，以及时域中的键控载波信号iqmod(t)。每个切换状态叫做一个符号。每个切换状态的持续时间叫做符号持续时间。符号持续时间的倒数是符号速率。,数字调制基础,class07,29,数字电视原理与应用,数字调制基础,1.概述,2.Mixer,3.幅度调制,4.IQ调制,5.IQ解调,数字调制基础,class07,30,数字电视原理与应用,5、IQ解调,数字已调信号iqmod(t)同时送入I混频器（0载频相位）和Q混频器（90载频相位）。,图12.14IQ解调器,数字调制基础,class07,31,数字电视原理与应用,5、IQ解调,同时，载波和符号时钟由信号处理模块恢复。为恢复载波，输入信号iqmod(t)经过两次平方，可以由一个带通滤波器滤出四倍载频处的谱线。时钟发生器利用锁相环锁定到该频率。为确定符号中点，还必须恢复符号时钟。通过IQ混频器可获得基带信号i(t)和q(t)，在信号送入demapper以前，需要利用一个低通滤波器来消除叠加到这些信号上的载波谐波。Demapper是mapping的逆过程，对基带信号i(t)和q(t)在符号中点采样来恢复数据流data(t)。,数字调制基础,class07,32,数字电视原理与应用,5、IQ解调,第一行信号表示输入数据data(t)第二、三行表示调制端信号i(t)和q(t)第四、五行表示调整器中I/Q混频器输出的电压值I(t)和Q(t)第六行表示iqmod(t)，符号间的相位变化明显可见，幅度不变(QPSK)最后一行表示iqmod(t)相应的星座图第七、八行表示解调端数字恢复信号i(t)和q(t)，可见在基带信号上还包含两倍载频。在demapping之前，必须由低通滤波器来抑制I/Q两通道的二倍频。模拟混频器中也要由低通滤波器来滤除叠加的谐波。,data(t),i(t),q(t),I(t),Q(t),iqmod(t),i(t)demod.,q(t)demod.,Const.diagram(t),图12.15时域中IQ调制和解调,数字调制基础,class07,33,数字电视原理与应用,5、IQ解调fs/4方法,解调器经常采用fs/4方法，是低复杂度的IQ解码器。,图12.16采用fs/4方法的IQ解调器,图12.18时域fs/4解调法,已调信号iqmod(t)通过一个抗混淆低通滤波器，然后用一个A/D转换器进行采样，采样频率为4fIF，fIF为已调信号iqmod(t)的载波。一个完整的载波周期采样四次。,数字调制基础,class07,34,数字电视原理与应用,如果A/D转换器时钟与载频时钟完全同步，则旋转载波矢量的精确采样时刻见图。A/D转换器之后，有一个开关将数据流分成两个码率降为一半的码流。例如奇数采样点送入I通道，偶数采样点送入Q通道；每隔一个采样点才会送入I或Q通道，这样两个通道的速率都降为一半。两个通道中的乘法器只进行符号翻转，对采样点交替乘以1和1。,5、IQ解调fs/4方法,图12.17fs/4方法,数字调制基础,class07,35,数字电视原理与应用,5、IQ解调fs/4方法,fs/4方法的原理：如果A/D转换器保持精确四倍载频4fIF，并且A/D转换器时钟与载波时钟完全同步，则采样值交替相应于I和Q值。I和Q通道每隔一个采样值是负号，必须乘以1。基带信号i(t)和q(t)可以很容易恢复。由于i(t)和q(t)信号在每个符号变换后必须固定下来，固定的过程通过A/D转换器后的开关要延迟半个时钟周期，所以信号必须利用数字滤波器滞后来达到同步：信号q(t)进行插值（求两个采样值之间的值），插值利用FIR（finiteimpulseresponsefilter）滤波器实现。每个数字滤波器都有一个基本延迟，必须对另一通道引入相应的延迟来进行补偿，因此对I通道引入一个延迟线。在FIR滤波器和延迟线之后，可以得到被采样的同步的i(t)和q(t)信号，送入demapper。,数字调制基础,class07,36,数字电视原理与应用,5、IQ解调fs/4方法,fs/4方法复杂度低，实际应用广泛。对OFDM(orthogonalfrequencydivisionmultiplex正交频分复用)调制信号，fs/4电路直接加在FFT信号处理模块之前。许多现代数字电路都支持fs/4解调方法。,数字调制基础,class07,37,数字电视原理与应用,数字调制基础,1.概述,2.Mixer,3.幅度调制,4.IQ调制,5.IQ解调,6.IQ调制中Hilbert变换的使用,数字调制基础,class07,38,数字电视原理与应用,6、IQ调制中Hilbert变换的使用,Hilbert变换对某些数字调制方法，如OFDM和8VSB(ATSC)，非常重要。先讨论正弦和余弦信号：t0时刻，正弦信号值为0，余弦信号值为1。正弦信号相对余弦信号移位90，后面将看到正弦信号正是余弦信号的Hilbert变换。,数字调制基础,class07,39,数字电视原理与应用,6、IQ调制中Hilbert变换的使用,为理解Hilbert变换，基于正弦和余弦函数，做一些重要定义：余弦函数是偶函数，关于t0对称，cos(x)=cos(-x)正弦函数是奇函数，关于t0反对称，sin(x)=-sin(-x)余弦信号的频谱（其傅立叶变换）是纯实数，关于f0对称，虚部为0正弦信号的频谱是纯虚数，关于f0反对称，实部为0,图12.19正弦和余弦函数的频谱,数字调制基础,class07,40,数字电视原理与应用,6、IQ调制中Hilbert变换的使用,对所有实的时域信号，实部的频谱（Re(f)）都关于f0对称，虚部频谱（Im(f)）都关于f0反对称。任意实时域信号可以表示成傅立叶级数，即信号的正弦和余弦各次谐波的叠加。余弦函数是偶函数，正弦函数是奇函数。因此，上述单个正弦和单个余弦函数的特性也适应于多个正弦函数和余弦函数的和函数。,图12.20实时域信号的频谱,数字调制基础,class07,41,数字电视原理与应用,6、IQ调制中Hilbert变换的使用,Hilbert变换信号处理模块的特性：其主要目的是将正弦信号移相90，即余弦信号被转换成正弦信号，而正弦信号被转换成负余弦信号。幅度保持不变。这些特性适应于任意类型正弦信号，如任何幅度、频率和相位的正弦信号。因此也适应于任意类型时域信号的各次谐波。这些特性是由Hilbert变换的转移函数带来的，实际上只是利用了上述奇偶时域信号的对称性。,图12.21Hilbert变换的转移函数,数字调制基础,class07,42,数字电视原理与应用,6、IQ调制中Hilbert变换的使用,Hilbert变换的转移函数：所有负频率都乘以j，所有正频率都乘以j。j是1的虚平方根，为正。j21实频谱分量变为虚的，而虚频谱分量变为实的。乘以j或j可将频谱的正负部分反转。,图12.21Hilbert变换的转移函数,数字调制基础,class07,43,数字电视原理与应用,6、IQ调制中Hilbert变换的使用,对一个余弦信号做Hilbert变换可得：余弦函数有关于0对称的实频谱。如果频谱的负半边乘以j，对所有负频率可得正虚频谱。如果频谱的正半边乘以j，对所有大于0的频率可得负虚频谱。这样就得到正弦函数频谱。类似，对一个正弦信号做Hilbert变换可得：如果正弦频谱的正虚部乘以j，可得负实频谱(jj=-1)。如果频谱的负虚部乘以j，可得正实频谱(-j-j=1)。这样就得到负余弦函数