第7章--数字调制...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 DTV 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 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 2 例 设有一主级图像质量 MP ML 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 五种调制方式 1 四相移相键控调制 QPSK Quadraturephase shiftkeying 2 多电平正交幅度调制 M QAM QuadratureAmplitudeModulation 3 正交频分复用调制 OFDM OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing 4 多电平残留边带调制 VSB VestigialBand 5 扩频调制 1 QPSK的谱分析 1 去除不传送的比特过程称为收缩 2 各种转发器带宽及相应的码率 2 MQAM的分析 3 几种数字调制信号的功率谱密度 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 3 2旋转不变QAM星座的获得 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 phaseambiguity 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 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 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 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 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 5 QAM的频谱利用率分析 设输入的二进制速率为10Mbit s 2 4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2 2 5MHz 即10Mbit s的二进制数 经16QAM调制后的模拟信号带宽为2 5MHz 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 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 OFDM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 这大大地简化了处理电路 设OFDM信号发射周期为 在一个周期内传输的N个符号为 C0 C1 CN 1 CK为复数 因为第k个载波 所以合成的OFDM信号为 在一般OFDM系统中 fk选择为fk fc k fc为系统的发射载波 为子载波间的最小间隔 一般取 ts为符号序列 C0 C1 CN 1 的时间间隔 显然 T Nts X t 的低通复包络为 所以 为抽样频率对S t 采样 内共有 个样值 可见 以fs对S t 抽样所得的N个样值 正是 的逆付氏变换 4 消除码间干扰的措施 5 OFDM的频谱利用率 为各子载波间的最小间隔 取 总带宽为 MQAM的频谱利用率为 7 残留边带调制 M VSB 假设输入的串行数据流速率为10Mbit s 因此D A变换器的输入速率为 10 3 Mbit s 当二进制数 0 1 等概率时 它的基带信号最高频率为 由平衡调制原理知 调制后的信号带宽为 我们取 为0 12 若只考虑单边带 SSB 滤波时 SSB的频谱利用率为 0 5 fH frfHfH fr f 幅度 数字多电平调制频谱利用率 单位 bit s Hz QAM VSB OFDM三种数字调制技术实现难易比较 8 反向信道 上行信道 数字调制技术 上行信道主要用于用户的点播数据传输 对信号的调制方式有四种 1 四相相移键控 QPSK 2 离散小波多音调制 DWMT 3 同步码分多址 S CDMA 4 同步离散多音调制 SDMT 9 高效数字调制 超窄带传输的原理与应用 为了克服噪声影响 必须加大发射功率 即以能量为代价 根据Shannon著名的信道容量公式 求出 若C W 100bit s Hz 则Eb N0 1 268 1028 281dB 带宽与能量 若C W 100bit s Hz 则Eb N0 1 268 1028 281dB 信号C 带宽 W 传统方法 设法使表示逻辑 0 1 的载波波形不同 载波调制超窄带高效调制是传统方法在观念上的新突破信号的传输码率在数值上可以等于通信的载频 C 实现超窄带的关键就是尽量缩减已调载波的带宽 W 可变相移键控 VPSK 甚小移键控 VMSK 甚小边带键控 VMSK 超频谱调制 USM 1 高效调制的基本思路 超窄带调制 超窄带 UNB UltraNarrowBand UltraSpectralModulation 1 可变相移键控 VPSK VariablePhaseShftingKeying 2 增强型VPSK3 甚小移键控 VMSK VeryMinimumShftingKeying4 PRK PhaseReversalKeying5 甚小边带键控 VMSK Very minimumShftingKeying6 超频谱调制 USM UltraSpectralModulation 2 超窄带的实际进展 美国的公开展示时间 2000年9月22日地点 麻省伯林顿的Marriot酒店出席者 MIT 加州大学 林肯实验室 DARPA 陆军CECOM 海军实验室 空军实验室 Mitre Cisco 通用动力 大西洋贝尔 Symmetry通信等公司效果 30kHz带宽标准电台传T1码率 频带利用率超过50bits s Hz 据称90 120b s Hz的频带利用率也已实现 可得诺贝尔奖的技术 对传统通信的理论 观念和应用产生了巨大的冲击 1 2000 9 29美国人H R Walker演示在30Hz的带宽中传了1 544Mbps数据 2 美TransPacificNetworks公司将3 2Mbps提高到12Mbps 3 Photron公司由576kbps提高到6Mbps 15bps Hz 32768 QAM 6bps Hz 64QAM 3 东大的超窄带方案 原始VMSK信号基于矩形波或三角波调宽 再滤波成形若直接产生 最像 正弦波的调制信号 理论带宽应最窄关键思路使已调信号和与正弦信号之间的波形差异最小得到 最小波形差键控 VWDK 调制 T为信号波形的周期 也是信息的符号宽度和码元宽度f 1 T为信号波形的频率 在数值上也等于码元的传输速率 其波形可以用如下的公式来表示 a 0 95时VWDK时域波形 去除了二次谐波 a 0 95时VWDK功率谱的理论值与FFT计算值 LDPC编码的VWDK a 0 95 在AWGN信道的BER性能 a 0 95时VWDK时域波形 去除了所有的高次谐波 VWDK调制波形 频谱的优化a 0 95a 0 90 波形优化后的VWDK在AWGN信道的BER性能 4 超窄带与超宽带的比较 UWB与UNB是通信的两个极端特例UWB 能量受限型信道 扩频通信体制UNB 带宽受限型信道 缩频 通信体制在理论上UWB 具有信息论的坚实支撑UNB 尚未形成共识 需对仙侬公式重新认识与拓展由基带调制又 回归 到载波调制在应用领域上UWB 适于中短距高速接入 尤其近距离最佳UNB 可以各种距离高速通信 有线也行 7类线 在技术实现和硬件制作上与低通型UWB相比 UNB无需特殊器件与带通型UWB相比 UNB更容易 IC芯片已出现至少天线 馈线简单在多用户方面UWB CDMA SDMAUNB TDMA FDMA SDMA 容量可能 可以更大 在复杂信道的传输性能上UWB 远距离 UNB 理论上只面对平坦衰落 实际上待研究在兼容现有通信系统与设备方面UWB 一般需要另起炉灶UNB 通常更具 亲和力 只要有载频即可RF IF接入在研究态势的把握上UWB 美军方 解冻 的技术 已形成较大的 采掘面 UNB 矿苗 刚刚露头 淘金者 还不多 容易原创 5 超窄带的信息论解释 带宽的定义发射机 接收机 信道 噪声关键是空中辐射信号的频谱宽度国家无线电管理局 美国FCC的规定要综合考虑频段 功率 带外衰减等UNB均呈现出 旗杆 茅草 式的频谱不难满足美国FCC的 60dB带外衰减要求仍需从载频两旁的频谱 茅草 中恢复有用信息超窄带的辩证法或 诡辩 回顾仙侬信道容量公式的推导过程前提 带宽为 0 W 时宽为T AWGN信道求解下列极限 假定 各子信道功率分配相等且受到信号总能量限制时 仙侬得到该信道的容量公式 深究仙侬推导过程中两个 W 的含义第一个由并联子信道的个数而来第二个出自对信号总能量的划分为避免混淆 我们用 B 代替第二个 W 或 为单位带宽所传输的信息速率 即频带利用率 在理想情况下B W rb C 所以UNB需要极高的功率 对于仙侬公式的拓展注意到理想低通在物理上不可实现工程带宽为W的滤波器 其实际利用带宽为rWr可粗略看成所考虑信道 滤波器带宽的矩形系数则可将仙侬的信道容量公式拓展为 并非超窄带的高效调制 突破 了信息论的信道容量限 而是物理上可实现的带宽 突破 了导出信道容量公式时所用的理想的矩形带宽 得到高效调制是有代价的 滤波器 信道带宽的非理想会造成信号采样时频谱混叠 引入额外干扰使得理论上的信道容量和实际中的解调性能降低降低的程度取决于混叠功率Pg与噪声功率Pn之比我们已证明 解调器往往需要按rW来确定采样频率 结果表现为过采样得到了增益否则 超过W的信号频谱分量在采样后就会混叠为频带W内的干扰用Pg表示其平均功率 则考虑实际采样后 6 UNB对传统观念的反思 基带调制的得与失便于分析线性变频时带通与低通的等效易于处理频率低 容易数字实现码率和频带利用率难以提高表面上MQAM等的调制效率可随M加大而提高可以达到2Baud Hz的理论极限 包括利用OFDM 但是上变频不增加码率 抑制载频的得与失节约发射功率能量利用率高便于隐蔽增加系统复杂度接收机需要重新恢复载波 影响快速同步对码型有限制 有时仍需插入 导频 发端要扰码 收端要解扰可能要增加一次上 下变频 也有损耗 扰码导致频谱能量扩散信源编码后码流中或多或少仍有残余的相关性信道编码本身就是引入相关性或冗余度影响解调性能的进一步提高 不便于利用条件概率 7 可能的应用 带宽受限型信道的通信提速高速 超高速短波高速数据传输 传图像等 短波 超短波电台的提速微波通信 卫星通信扩容 美国已有应用 水下通信长波电台超声波传输高速电力线传输美国正开发针对亚洲电力市场的UNB遥测设备 高速接入超高速DSL超高速上网MODEM红外鼠标 键盘 遥控器等数字电视系统增容CATV电缆增容 美国增加一倍 新一代DVB C机顶盒DVB S调制器 机顶盒目前北美卫星为20个转发器 10个频道 200个频道美国正试验扩容到10 10 10 100 1100个频道 模 数混合广 电复合的新体制设想广播 电视载频 副载波上调制高速附加信息构成多模式 多功能的全新产品以目前MW SW波段的模拟AM广播为例大功率的载波本身不含任何信息音频范围约为 50 5000Hz双边带调幅后在载频处有 50Hz的空闲带宽对载波先UNB数字调制再DSB模拟调幅控制载频 50Hz的带外衰减在 60dB以下若按目前中国标准的465kHz中频可有465kbps码率普通收音机包络检波收听正常的模拟广播节目高档收音机解调465kbps码流可看H 264 AVS电视 新一代移动通信 B3G 4FG 标准设想多媒体时代的正反向非对称要求新一代手机与固定终端的要求相似下行需要高速下载视频流上行只是话音 短信和低速控制信息下行用UNB体制的TDMA FDMA基站增加功率要比手机更容易手机采用UNB解调要比增加天线更容易FDMA采用多信道或OFDM上行仍可延用CDMA美国公司希望政府支持 专利多国覆盖 突发通信 瞬时 高速 抗截获 根据对国外HF频段侦察 干扰技术的分析窄带信号长度小于50ms就不易被截获小于110ms就不易被定向 定位对VHF UHF频段 信号长度还应更短抗干扰 抗截获要求在毫秒级完成信息的突发传输希望在通信信号的持续瞬间有尽可能高效的调制 传输效率VWDK的类似正弦波与突发通信的窄脉冲包络天然绝配设采用VWDK调制 码率为载波频率即使在HF频段且脉冲宽度只有1ms 则采用10MHz载频 一个 突发 内也能传送1250字节的数据或625个汉字 足以满足大多数紧急通信或最低限度通信的要求远远超过目前国内约100 200ms只能传十几个汉字的最好水平 通信与雷达的结合把突发通信利用已相参化的脉冲雷达系统来实现即使由于技术原因只能在30MHz的雷达中频上实现在10 s脉冲宽度内有300bit也能传几十个汉字足以利用 高速短信 的方式在单脉冲内完成