数字电视广播原理与应用.ppt

第7章数字基带传输与数字调制 7 1数字基带传输 7 1 1引言7 1 2数字基带信号的常用码型和功率谱7 1 3使用伪随机序列扰码7 1 4无码间干扰基带传输 图7 1所示的为基带传输系统的基本结构框图 它由信道信号形成器 传输信道 接收滤波器和取样判决器几部分组成 7 1 1引言 图7 1基带传输系统基本结构框图 7 1 2数字基带信号的常用码型和功率谱 确定码型 不同表示形式的基带信号 时必须考虑到以下几个方面 1 对于传输频带低端受限的信道 传输信号码型的频谱中不应包含直流或低频成分 1 码型选择原则 2 应尽量减小码型频谱中的高频成分 既可节省传输频带 提高频谱利用率 又可减少有线信道电缆内不同线对之间的信号串扰 3 接收端易于从串行的基带信号中提取位定时信息 再生出准确的时钟信号供数据判决使用 4 便于实时监测传输系统中的信号传输质量 能监测出码流中错误的信号状态 5 信道中发生误码时要求所选码型不致造成误码扩散 或称误码蔓延 6 码型变换过程不受信源统计特性 信源中各种数字信息的概率分布 的影响 即码型变换对任何信源具有透明性 1 二元码二元码中基带信号的脉冲波形只有两种幅度 即高电平 H 和低电平 L 图7 2所示的为两种二元码波形 2 码型分类及其特点 图7 2二元码波形示例 三元码中 数字基带信号的幅度取值有 1 0和 1三种电平 图7 3 a 所示的为一个示例 2 三元码 双二进制码 三进制码 图7 3三元码波形示例 多元码码型具有多种电平的幅度取值 如果以m个比特组成一个字 则对应地有2m元码的码型 m 2时构成四元码 如图7 4所示 3 多元码 图7 4多元码波形示例 多元码是以误码率可能增高的代价来换取频谱利用率的提高的 图7 5中 1 为基带信号的信息码元 2 为位定时信号 脉宽T代表1比特的宽度 升降沿代表每比特定时的开始 图7 5中 3 为单极性不归零 NRZ 码 图7 5中 5 为单极性归零 RZ 码 区别在于码元 1 的高电平持续时间 T 2 其余时间返回0电平 低电平 而码元 0 一直处于0电平 3 二元码的种类和特点 图7 5中 6 为单极性传号差分 NRZ M 码 其特点是以位定时信号边沿时刻有电平跳变表示 1 无电平跳变表示 0 图中 7 为单极性空号差分 NRZ S 码 其特点是以位定时信号边沿时刻有电平跳变表示 0 无跳变表示 1 图7 5几种常用的二元码波形图 图7 5中 8 为双相码 也称曼彻斯特码或调频码 其特点是无论码元 1 或 0 每一码元比特的边缘都有电平跳变 图7 5中 9 为密勒码 Miller M 它是双相码的一种变型 1 用码元周期中央出现跳变 而其前后沿不出现跳变 来表示 对码元 0 则有两种处理情况 单个 0 时码元周期内不出现跳变 连 0 时在相邻的 0 交界处出现跳变 密勒码的特点在于 不但无直流成分和保留有定时信息 而且基带上限频率明显降低 仅为双相码的一半 它的最大脉冲宽度为两个码元周期 这不但使功率谱相对集中 而且利用该特点可以检测传输误码 图7 5中 10 为密勒平方码 M2 它是密勒码的变型 其区别在于无论 1 还是 0 当连续出现的相同码元超过2时省去最后一个比特上的电平跳变 即对于 1 省去其中央电平跳变 对于 0 省去其最后一个码元 0 的前沿跳变 图7 6所示的为几种二元码的功率谱密度曲线 4 二元码的功率谱 图7 6几种二元码的功率谱 上述各种码型可从基本的NRZ码转换产生 并可以从一种码型转换成另一种码型 5 码型转换 m序列是最常用的一种伪随机二进制序列 它是最长线性反馈移存器序列的简称 是带线性反馈的移存器所产生的周期最长的序列 图7 8示出一个4级反馈移存器m序列发生器电路 图中的线性所馈遵从下式的递归关系式 7 1 3使用伪随机序列扰码 图7 84级移存器m序列发生器电路 m序列具有下列特定的性质 1 均衡性 2 游程分布 3 移位相加 mod2 特性 4 伪噪声特性 2 m序列的性质 数据加扰原理是以m序列为基础的 一般的加扰电路构成如图7 10所示 3 数据序列的加扰和解扰 图7 10加扰电路的一般形式 解扰电路的一般形式如图7 11所示 它的输入序列是 bk m序列发生器与编码端的完全一样 输出序列为 ck 图7 11解扰电路的一般形式 加解扰的优点在于 对于会包含有连 1 连 0 的数据序列 经过PRBS产生的m序列进行模2和后 将变为伪随机型的数据序列 从而使其功率谱较适合于传输信道的特性 并且接收端容易从数据流中提取出时钟信号 4 加解扰的优点和缺点 至于缺点 一是加扰码传输中发生单个误码时会影响到接收端相继的n个码元的正确解扰 造成误码蔓延 或称误码增值 二是如果输入的数据序列很特殊 与m序列作模2和时可能正好形成不良的包含长 1 长 0 的加扰序列 当然这种概率非常小 由于优点胜过缺点 所以在实际的数字信号基带传输中普遍地对串行数据流施加了加扰处理 采用15级移存器的PRBS对数据序列作模2和 电路如图7 12所示 5 实用的加扰电路 图7 1215级移存器的PRBS加扰电路 1 基带传输系统的基本特点 7 1 4无码间干扰基带传输 图7 13基带传输系统典型方框图 这里 要讨论的就是关于码间干扰及其消除问题 至于随机噪声和时基抖动的影响 属于另外的讨论范围 当然 应做到随机噪声尽量小 再生时钟尽量稳定和准确 2 无码间干扰的基带传输特性 发送滤波 传输信道和接收滤波的复频率特性分别为G C 和R 因此 整个系统的传输特性H 为H G C R 经过传输信道和接收滤波后 输出信号r t 有下列的波形序列式中 h t 为H 的冲激响应 r t 馈入取样判决电路 由该电路确定an的取值 恢复出接收的信号序列s t 理想上 无误码时s t 应等于发送序列s t 现在来讨论 对于冲激响应为h t 的H G C R 什么样的H 可使r t 信号成为无码间干扰的输出波形 所谓无码间干扰 即是对在每一时刻kT上对h t 进行取样时 应存在下列关系式就是说 除了k 0能得到取样值h t 1外 在其他取样点上h t 均为0 无码间干扰时的基带传输特性应满足下式 凡是能满足式 7 15 的基带传输系统均可消除码间串扰 这个准则称为奈奎斯特第一准则 其物理意义在于 将传输函数H 沿 轴以2 T为间隔 n 0 1 2 切开 然后分段平移到 T T 区间内进行相加 结果形成一条水平直线 也即是常数值 这时式 7 14 成立 实现了无码间干扰传输 1 理想低通型图7 15所示的为实际的 无负频率的理想低通特性及其冲激响应h t 的波形 3 无码间干扰传输的实现方法 图7 15理想低通及其冲激响应 图7 16中 0的传输函数H 就是理想低通特性的情况 其h t 有较大的衰减振荡拖尾 当0 1时 余弦滚降特点H 可表示成下式 2 升余弦滚降特性 相应的冲激响应h t 为 图7 16升余弦滚降特性及其冲激响应曲线 1 DVB S系统中的发送滤波 2 DVB C系统中的发送滤波 4 无码间干扰传输的参数实例 1 理想低通型图7 15所示的为实际的 无负频率的理想低通特性及其冲激响应h t 的波形 3 无码间干扰传输的实现方法 7 2 1概述7 2 22ASK和MASK7 2 32PSK和2DPSK7 2 4QPSK和DQPSK7 2 5MPSK和MQAM调制7 2 6Offset QAM调制 OQAM调制 7 2 7MVSB调制7 2 8COFDM调制 7 2数字调制 数字调制是由数据流对高频载波进行调制 对于正弦高频载波 也有调幅 调频和调相三种基本调制方式 并可以派生出多种其他调制方式 但数据流调制中不再以高频脉冲作为载波使用 7 2 1概述 数字调制信号也称为键控信号 可使高频载波受到幅度键控 ASK 频移键控 FSK 或相移键控 PSK 这三种调制方式即对应于模拟调制中的调幅 调频和调相 图7 17所示的为ASK FSK和PSK的简单例子 图7 17数字调制的三种键控方式 调制信号是二进制的数字值 另一方面 为了提高高频载波的调制效率 也常采用多进制信号进行高频调制 使一定的已调波高频带宽内能包含更高的码率 高频载波的调制效率可以用每赫 Hz 已调波带宽内可传输的码率 bit s 来标记 故单位为bit s Hz 图7 18ASK和FSK信号接收系统方框图 图7 18所示的为ASK和FSK二进制数字调制信号的接收系统框图 与ASK和FSK不同 PSK属于相干性数字调制 接收机中要借助一个本机振荡电路和一个鉴相器与接收载波的基准相位进行锁相 产生出稳定的 正确相位的参考载波实现对已调波的解调 1 2ASK 7 2 22ASK和MASK 通常 2ASK有两种调制方法 如图7 19所示 图7 192ASK的两种调制方法 MASK表示多电平 M个电平 的ASK 比如将串行数据流经并行变换后形成k路的并行比特数据流 再进行D A转换和ASK 则成为2k M电平的ASK K 2时为4ASK 如图7 20所示 2 MASK 图7 204ASK调制的框图和波形 1 2PSK BPSK 调制2PSK是二进制相移键控 也可记作BPSK 由二进制数据 1和 1对载波进行相位调制 2PSK可以表示成下式 7 2 32PSK和2DPSK 式中 g t 是持续时间为Ts的矩形脉冲 an的取值服从下列关系式这里 当数据为0时an 1 当数据为1时an 1 于是有 已调相波通常采用星座图来表示调制结果 2PSK的一种星座图如图7 21中的两个 点所示 但也可以是两个 点的星座图e0 t sin ct 图7 212PSK调制的星座图 2DPSK是利用前后相邻比特码元已调波的相对相位值来表示调制信号的数字信息的 2 2DPSK BDPSK或DBPSK 图7 22所示的为2PSK和2DPSK的调制电路方框图 其中 图7 22 a 是产生2PSK信号的键控法电路方框图 图7 22 c 是产生2DPSK信号的键控方框图 图7 22 b 是产生2DPSK信号的模拟调制方框图 图7 222PSK和2DPSK调制电路方框图 2PSK信号的解调必须采用相干解调方法 接收端所需的与发送端基准载波同频同相的参考载波的获得是个关键问题 图7 23所示的为2PSK的一种解调电路 其中 图7 23 a 为总体框图 图7 23 b 为图7 23 a 中的参考载波恢复电路细节 VCO为压控振荡器 3 2PSK解调 图7 232PSK解调电路方框图 差分译码的逻辑电路框图如图7 24 b 所示 4 2DPSK解调 图7 242DPSK相位比较法解调电路 图7 24 b 中 ak为译码器得到的NRZ原码 绝对码 bk为差分码 相对码 bk 1为延时一位的bk序列 图7 23 a 和图7 24 a 的解调原理属于极性比较法解调 由参考载波对已调相波进行极性比较 得出已调相波的解调数据 2DPSK信号的另一种解调方法是差分相干解调 其方框图如图7 25所示 图7 25差分相干解调电路 1 QPSK 4PSK 调制在相移键控 PSK 调制中 最常用的是四相相移键控 4PSK或QPSK 和差分四相相移键控 4DPSK或DPSK 方式 本小节中介绍QPSK调制器的构成 如图7 26所示 它可以看成是两个2PSK综合构成的 QPSK调制器实际上由正交平衡调制器组成 7 2 4QPSK和DQPSK 图7 26QPSK调制器电路框图 据此 a b码元的调制波组合可形成表7 3中4种绝对相位的QPSK信号 并能用图7 27所示的已调相波星座图表示 参见图7 27中的四个 点 图7 27QPSK调制的星座图 表7 3双码元与载波相位 关于QPSK信号的解调 由于QPSK信号可看成是两个正交2PSK信号的合成 所以可采用2PSK信号的解调方法进行解调 即由两个2PSK相干解调器构成解调电路 其组成方框图如图7 28所示 2 QPSK信号解调 图7 28QPSK解调电路方框图 现在 再讨论DQPSK信号的产生 DQPSK与QPSK相比较 是以前后符号间调相波的相位差来反映当前调制符号的数据的 所以 其调制电路中在串 并变换之后要经过差分编码处理 而后再进行QPSK调制 具体方框图如图7 29所示 3 DQPSK调制 图7 29DQPSK调制器电路方框图 双比特差分编码的方法有两种 一种是自然码编码 另一种是反射码 格雷码 编码 DQPSK信号的解调方法与2DPSK信号解调方法类似 也有极性比较法和相位比较法两种方式 由于DQPSK信号可以看作由两路2DPSK信号组合构成 因此解调时也能按两路2DPSK信号进行分别的解调 图7 30 a 和 b 所示的分别是上述两种解调方法的电路框图 图7 30 a 为极性比较法解调电路 图7 30 b 为相位比较法解调电路 4 DQPSK解调 图7 30DQPSK信号的解调电路方框图 差分译码器的作用与发送端的差分编码器相反 它将相对码c d转换成绝对码a b 四相调制 QPSK和DQPSK 与二相调制 2PSK和2DPSK 相比较 四相信号是以两个比特组成一个符号 在相同的已调相波频带下 其信息速率比二相信号高一倍 因此 四相调制比二相调制的高频调制效率 bit s Hz 高一倍 在电话通信和卫星电视广播等适于应用PSK调制的传输信道中 一般都采用四相移相调制 5 四相调制与二相调制的比较 另一方面 在抗干扰能力上 由于四相移相调制的已调波相位间隔为90 小于二相移相调制的相位间隔180 因此其抗相位噪声的能力低于二相移相调制 因此 一些通信系统中在视 音频数据信息采用四相移相调制的同时 对于数据流正确接收十分重要的同步信息采用了二相移相键控调制方式 1 MPSK 多进制相移键控 调制前面介绍过MASK 多进制幅度键控 即以多种符号电平 1 3 5 对sin ct或cos ct载波进行幅度调制 这时的星座图是在水平轴 I轴 载波为sin ct时 或垂直轴 Q轴 载波为cos ct时 上呈线状分布的若干个 M个 矢量端点 7 2 5MPSK和MQAM调制 而在四相移相键控调制时 如图7 31所示 其已调载波的星座图是均匀分布在同一圆周上的4个点 容易想象到 可以进一步采用MPSK 多进制相移键控 调制 图7 318PSK调制电路框图和星座图 为了进一步提高频谱利用率 可以采用16PSK调制 其星座图如图7 32 a 所示 图7 3216PSK和16QAM调制星座图 MQAM信号的已调载波矢量可充分利用整个调制平面 在相同的平均载波功率下对于相同的M值可使MQAM的抗干扰能力强于MASK和MPSK 图7 32 b 所示为16QAM信号的星座图 并假设圆周半径r与图7 32 a 的相同 故两者有相同的峰值功率 2 MQAM 图7 3316QAM调制器电路框图 16QAM调制电路的方框图如图7 33所示 输入的串行数据流经过串 并变换器分成两路双比特流b1b2和b3b4 它们分别由数 模变换器把4种数据组合 00 01 11 10 变换成4种模拟信号电平 3 1 1 3 上 下支路的模拟输出分别调制载波信号sin ct和cos ct 然后通过加法器使两个已调波相加 得到合成的调相波信号16QAM输出 根据上面的取值规定 可得出表7 6所示的b1b2 b3b4值与图7 32 b 中I轴 同相轴 值 Q轴 正交轴 值间的关系 表7 6b1b2 b3b4值与I Q值的关系 按表7 6 可进一步画出16QAM星座图中星座点与b1b2b3b4四比特数据之间的关系 如图7 34所示 MQAM调制方式中除了常用的16QAM外 还有4QAM 32QAM 64QAM 128QAM和256QAM等 其中 4QAM实际与4PSK是等效的 星座图上都是4个星座点 全部可能的MQAM M 4 16 32 64 128 256 的星座图综合如图7 35所示 图7 3416QAM星座点与码元的关系 图7 35MQAM调制的各种星座图 从图7 32 a 和 b 所示的星座图看 16PSK与16QAM的载波调制矢量都有16个端点 因而也有相同的高频载波带宽效率 bit s Hz 但在抗干扰能力上是有差别的 dMPSK为dMPSK 2sin 180 M 3 MQAM与MPSK的比较 而对于MQAM 若M 2k中k为偶数 则其相应的最小距离dMQAM为式中 M L2 L为星座图上星座点在水平轴和垂直轴上的投影点数目 图7 36的右半部分所示的是MQAM信号解调器的方框图 其电路处理是调制器的逆过程 由恢复的参考载波对已调波进行同步解调 解调的信号经低通滤波后受到L 1种电平的阈值判决 得到两路码率为Rb 2的二进制序列 再通过并 串变换器形成一路码率为Rb的二进制序列 图7 36MQAM的调制器和解调器框图 7 2 6Offset QAM调制 OQAM调制 OQAM调制原理可克服QAM调制的上述缺点 它先将I Q两路数字信号通过偏置取样合成一路信号 再经由滤波器 例如升余弦平方根滚降RRC滤波器 变换为模拟基带信号并实施中频调制 将中频QAM信号传输至高频信道上 这种I Q信号的数字合成其后面只用一个低通滤波器 可消除两个低通滤波器特性不一致的问题 另外 对I Q信号作偏置取样与合成时两路信号的取样时钟来自同一源 相位精度高 没有正交偏差问题 偏置取样使I Q信号合成一路数字信号的方框图如图7 37 a 所示 I Q样本的输出序列如图7 37 b 所示 图7 37I Q信号的偏置取样和合成 图7 37 a 中 开关K1和K2分别选通输入数据中的I Q信号 由K1选通I的奇样本 K2选通Q的偶样本 参见图7 37 b 并且 I和Q样本交替地变换正负号 所以 输入升余弦平方根滚降滤波器即正交样本序列为I1 Q2 I3 Q4 I5 Q6 I7 Q8 从频域 时域的信号变换看 I1 I3 I5 I7 将变换成I t sin ct Q2 Q4 Q6 Q8 将变换成Q t cos ct 参见图7 38 因此 从时域看 式 7 36 的信号对应于图7 38中两个波形的合成 而这正是MQAM的信号表示式u t I t sin ct Q t cos ct 7 37 也就是 式 7 36 实现了MQAM的全数字调制 图7 38OQAM中信号的频域 时域关系 1 MVSB调制原理一般地 调制框图如图7 39所示 7 2 7MVSB调制 图7 39MASK调制器原理方框图 输入数据的码率为Rbbit s时经串 并变换成k路数据后 每路数据的码率为Rb kbit s 再由数 模变换器变换成2k M电平的数据 与载波cos ct相乘而形成MASK已调波 在传送信号中尚需再传送一个低电平的 被抑制的基准载波信息 它称为导频信号 这时 具体可将传送的上边带向下侧展宽一些 使包含进载波分量 就像目前的模拟电视信号广播中应用的残留边带调制 VSB 方式一样 因此 此种MASK调制传输方式在数字电视的应用中称为MVSB调制 在高斯白噪声下 它们也具有相同的误码率特性 如图7 40所示 图7 40VSB和QAM调制的误码性能因此 从频谱利用率和抗干扰能力上看 X VSB与X2 QAM特性相当 2 MVSB和MQAM的比较 在电路构成上 两者是有差别的 VSB比QAM简单些 硬件复杂度低 另外 VSB中依靠导频信号使接收端恢复出参考载波 虽然保证了载波的恢复 但一定程度上消耗了一部分数据信号功率 导频信号能量太小时则容易受噪声的干扰 在QAM调制信号传送中 没有导频信号 可最大限度地利用高频功率 并且这种方式在通信系统中早已得到应用 技术比较成熟 2 COFDM调制的基本原理为了解决高速率数据在通过开路通道传输时因多径效应引入的码间干扰问题 采取的一种方法是在规定的高频带宽B内均匀安排以N 2r个子载波 同时将高码率的串行数据流经串 并变换器分路成N个并行支路 使支路的码率相应地大为降低 然后由N路符号 每符号由2 4或6比特组成 分别对N个子载波进行调制 4PSK 16QAM或64QAM 再将各路已调波混合 便可得到总带宽为B 频分复用的FDM信号 7 2 8COFDM调制 正交指各个载波的信号频谱是正交的 即各个载波的频谱间虽有重叠部分 但解调时利用正交性可正确解调每个载波的调制符号 因为其他载波的频谱值正对应于函数 sinx x中的零点 图7 41中 输入数据流经串 并和D A 数 模 变换后 Ij和Qj数值为 1 3或 5 调制正交载波后得到相应的星座图 各路已调波经相加后复用成最终的OFDM信号输出 接收端对此OFDM信号的解调是调制的逆过程 解调器的原理框图如图7 42所示 图7 41OFDM调制器原理方框图 图7 42OFDM信号解调器原理方框图 按照上述的OFDM调制解调原理和图7 41和图7 42所示的框图 在发送端和接收端都需要有N个等级差频率的振荡器 而N值可能是两千多甚至八千多 显然难以实际做到 因此 实现OFDM调制和解调需通过数学运算的帮助 具体是利用了IDFT 离散傅立叶反变换