调制解调技术

例如，压缩编码率和信道编码率传输是数字电视系统实现的重要的技术，调制/解调技术作为信道编码率传输技术的重要的部分，在数字电视机的领域中是非常重要的。 数字高清电视的图像信息速率接近1Gb/s。 在实际的信道传输中，除了采用有效的源压缩编码技术、先进的信道编码技术以外，采用有效的数字调制技术以提高每单位带宽的数据传输率也是极为重要的。数字电视信号经由源代码和信道代码，面对信号传输，传输目的是最大限度地提高数字电视的占有率，从而根据数字电视信道的特征，对地面信道、卫星信道和有线信道进行代码调制，然后进行传输。 调制技术可以分为模拟调制技术和数字调制技术，其主要的不同在于，模拟调制器或者连续地调制载波信号的某一参数，在接收侧连续地评估载波信号的调制参数，数字调制器表示在载波信号的某一离散状态下所传输的信息，并且，在接收侧，载波信号的某一参数表示在接收侧，载波信号的某一离散状态下所传输的信息数字电视系统传输的是数字电视信号，应采用高速数字调制技术，提高频谱利用率，进一步提高抗噪能力，满足数字高清电视系统传输的要求。 对应模拟调制系统的振幅调制、频率调制与调制，数字调制系统也有振幅调制(ASK )、频移调制(FSK )、相移调制(PSK ) 3种方式，其中相移调制方式具有抗噪声性强、占有频带窄的特征，广泛用于数字设备正交幅度调制(QAM )通过同时数字调制载波幅度和相位的复合调制方法进一步提高信号传输率，并且实际上已经广泛应用。调制方式大致可分为二进制调制方式和多阶调制方式，但前者存在用二进制数字信号调制载波振幅、频率或相位、后者用二进制数字信号调制载波的振幅、频率或相位这样的主要差异对于多进制数字调制信号的调制参数，在一个符号间隔内具有多个可能的值，并且根据Nyquist第一参考，对于二进制情况，每个1Hz带宽发送最多2b/s的信息，而对于多进制情况，当r=2D并且一个波形对应于d个二进制符号时，每个1Hz带宽最多2b/s 然而，如果干扰电平相同，则多电平判断相比于两个电平更容易发生错误，并且因此，多进制调制的抗噪声性能降低。 简要总结如下，多进制调制与二进制调制比较具有以下特点对于相同的符号传输速率，多进制系统的信息传输速率明显高于二进制系统，例如，四进制是二进制的两倍，而八进制是二进制的三倍在相同的信息率中，由于多进制码元的传输率低于二进制，因此其持续时间大于二进制，即，增大码元宽度时，码元能量增加，并且可以降低由于信道特性而引起的码间干扰的影响由于在干扰水平相同的情况下相邻码组的相移差减小，所以多级判定比2级容易出错，即，干扰能力下降，并且，多级接收也比2级复杂。高速数字调制技术一般用于混合光纤同轴电缆传输系统，主要有QPSK调制、QAM调制、OFDM调制、VSB调制、扩频调制等5种，目前数字电视传输系统中采用的调制技术主要是正交相移键控调制(QPSK ) 例如，在欧洲DVB系统中，数字卫星广播(DVB-S )采用OPSK、数字有线广播(DVB-C )采用QAM、数字地面广播(DVB-T )采用码正交频分复用调制(COFDM )。在数字电视传输系统中，为了选择不同的调制方案，必须考虑传输信道特性。 具体而言，由于有线广播的上行信道具有漏斗效应，卫星广播的电波干扰严重，因此在必须选择电波干扰能力强、频谱利用率低的QPSK技术的地面广播中，由于多路径效应非常大，因此必须采用抗多路径干扰的OFDM技术，另一方面，有线广播的下行信道必须采用抗多路径干扰的OFDM技术总之，应该实现以下目的：根据数字电视的传输信道的特性来选择适当的数字调制方案，有效地利用信道资源并消除各种噪声干扰。 下面给出了不同多进制数字调制技术频谱利用率的理论值和实用值，可以为数字电视传输系统的设计提供参考。数字调制技术基本原理数字基带信号包含丰富的低频成分，传输信道的频率特性通常是有限的，即，由于存在上下限频率，并且如果超过该限制，则不能实现有效的数据传输，因此，数字基带信号的频谱特性与信道频谱特性不一致，通过传输信道直接传输通常，传输之前应该处理数字基带信号，减少其低频分量和高频分量，将能量集中在中频上，或者采用数字调制技术进行频谱移动，以对应于传输信道的更高频谱范围的要求。数字调制技术通常包括三个基本的载波调制方案，即，幅度键(ASK )、频率键(FSK )和相位键(PSK )，其是调制载波上的数字基带信号并将该数字基带信号转换为适于信道传输的数字带宽信号以实现频谱移动性的技术。ASK、FSK、PSK的性能比较从带宽考虑，若码元间隔为正数，则ASK以及PSK的带宽大致为2/T，但由于FSK系统的带宽是ASK或PSK的大致3倍左右，因此从带宽利用率的观点来看，从FSK不优选的错误率的观点来看，绝对相干接收PSK的噪声耐受性最好接着是相干解调部码型变换PSK、差动相干DPSK、接着是相干PSK、非相干FSK、相干ASK、非相干ASK考虑针对信道变化的抗性，FSK、PSK对信道特性的变化不敏感，对信道变化的抗性较强，但ASK系统的最佳判定阈值为A/2，与接收输入信号的振幅关联，因此ASK性能最差。相干PSK和DPSK以及非相干PSK已经在当前广泛使用，其中相干PSK和DPSK主要用于高速数据传输。数字电视QPSK调制技术为了提高频谱利用率，通常采用多进制调制方式，通过提高单位带宽的利用率，能够降低编码率，减少信道带宽。 通过使用m进制数字基带信号来分别调制载波的幅度、频率和相位，可以生成诸如MASK、MFSK和MPSK之类的多进制载波的数字调制信号，其中，四相相位调制(QPSK )、正交幅度调制(QAM )和残留边带调制(VSB )包括opsk (quadrature-phase shiftkeying，正交相移键控)是规定四种载波相位的相位调制技术，利用QPSK，可以针对每个调制发送两个信息比特，并且这些信息比特在载波的四种相位上被发送，解调器是星座图和接收到的载波信号QPSK信号是四个状态信号，四个相位分别表示二进制(00，01，10，11 )的四种状态，QPSK信号的相位分别有/2相移系数和/4相移系数两种形式，图4-45中表示其信号矢量图。QPSK是一种恒定包络二维角度调制技术，包括两个子载波(即，同相和正交子载波)，一个子载波本身是同相的，一个正交子载波指的是相位旋转90度的子载波，并且，作为恒定包络调制，QPSK信号的平均功率是恒定的，并且幅度衰减不受影响，即，幅度失真在QPSK中产生错误代码QPSK调制在现实中采用正交幅度调制方式，其产生原理图示于图4-46中。 如从图4-46可以看出的，串行输入的二进制码ABCD每两位数据分成一组进行串并转换后将其双方输出，一方是a，另一方是b。 在这种情况下，符号宽度加倍，并且每一个符号进行极性转换，将一个极性代码转换为双极性代码，将该双极性代码与载波相乘以形成正交双边带宽信号，并且加法器输出是QPSK信号。 为了在/2相移系统中生成QPSK信号，可以将载波相移/4并且将其添加到乘法器。数字电视调制技术QPSK信号基本上是两个正交2PSK信号的组合，这等效于两个电平的正交幅度调制，并且因此，QPSK信号的相干解调方法将所得到的a和b两个分量分别在两个正交相干载波中进行解调，随后执行并-串转换，以及串行转换，其中QPSK是数字微波通信系统、-数字卫星通信系统和数字电视有线广播上行通信中最常用的单载波传输方式，具有强抗噪声能力，电路实现比较简单，DVB数字电视卫星广播(DVB-S )系统中QPSK数字电视QAM调制技术QAM (正交幅度调制)是一种幅度、相位联合调制的技术，同时利用载波的幅度和相位来传输信息比特，因此，可以在最小距离相同的条件下，将很多星座点集合在QAM星座图中，并且可以实现更高的带宽利用率如图4-49中所示，4QAM和16QAM的星座图当前QAM的星座点最多可达到256QAM。QAM信号使用正交载波，分别使用双边带抑制载波幅度调制(DSB )形成双向的数字基带信号，相互正交的两个分量分别以ASK方式独立地传输数字信号。 在原始数字信号是二进制信号的情况下，将二进制信号转换成m电平的多信号，进行正交调制，最后进行相加并输出。 如图4-50所示，QAM信号的原理图由序列a1、端口2、ak构成，y(t )是序列b1、b2、bk的两组相互独立的二进制信号，通过2/m转换器而转换成m电平信号x(t )和y(t )QAM也是二维调制技术，可以采用正交振幅调制方式，因此QAM信号可以用正交相干解调方法进行解调，其原理图是如图4-52所示的，进行解调，输出双向独立的多电平基带信号，最后，根据多电平码元和二进制码元的关系，进行原始的二进制调制与PSK相比，QAM是一种带宽利用率高、信噪比也高、节省带宽的数字振幅调制方法，但是由于其受到载波振幅失真的影响，所以比PSK的可靠性更低。 QAM在2400 b/s以上中，经常用于高速调制，广泛应用于数字有线电视的下行传输及HDTV地面广播，在DVB数字电视有线广播(DVB-C )系统中采用了QAM调制技术。数字电视VSB调制技术残留边带调制(VSB，Vestigial Band )是双边带宽调制(DSB )和单边带宽调制(SSB )的折中，不是抑制一个边带的全部，而是逐渐地截断发送边带在载波频率附近被抑制的部分，通过发送边带的残留部分正确地补偿发送边带在载波频率附近的部分，接收机(t )。 在基于数字基带信号的载波的残留边带调制中，数字基带信号首先被转换为多电平信号后进行调制，4VSB是4电平(-3，- 1，1，3 )调制，各符号表示2比特信息，8VSB和16VSB分别是8电平以下使用VSB在6 MHz信道中进行调制时，根据奈奎斯特理论，6 MHz的带宽信道可以传输最多12 Mbaud的多变量信息，但是实际上只能传输10.7 Mbaud。 为了传送43 Mb/s的信息率，每个码元必须使用传送43/10.7=4比特的二进制信息，即16 VSB调制技术。 在6 MHz信道的情况下，10.7 Mbaud的信息分别使用4 VSB、8 VSB和16 VSB调制，编码率达到21.5 Mb/s、32 Mb/s和43 Mb/s。 将频谱利用率定义为b/s/Hz，如果使用4 VSB、8 VSB和16 VSB调制，则频谱利用率分别为21.5/6、32/6和43/6 (即，4.58 b/s/Hz、5.33 b/s/Hz和7.17b/s/Hz )。 也就是说，4VSB、8VSB和16 VSB可以分别是4 b/s/Hz、6 b/s/Hz和8 b/s/Hz。现在将介绍8-vsb和16VSB调制技术，8-vsb的实现原理如图4-54所示。 如从图4-54可以看出，在每组的3比特中，串行数据通过串/并转换器被输入，然后被传递给D/A，从数字信号转换为无线模拟信号，在调制器中发送该无线模拟信号，进行幅度调制，调制后的信号最后在剩馀边带上进行滤波，之后，剩馀服务器虽然16VSB的实现原理与8VSB基本相同，但是以4位组将串行数据流传输至D/A转换器。 VSB技术广泛应用于数字电视调制系统，美国ATSC大联盟数字高分辨率电视地面广播系统采用8VSB调制技术(图4-55所示)，有线广播系统采用16VSB或QAM调制技术。 ATSC DTV系统中的两种VSB编码调制方案的参数如表4-5所示。数字电视OFDM调制技术OFDM (正交频分复用)即正交频分复用调制是数字调制技术，用于欧洲数字电视系统中的数字调制技术，以通过延长传输符号周期来有效地克服多路径干扰OFDM包括频率上等间隔的多个子载波(设置有n个子载波)，用于调制每个载波或者将串行传输的符号序列划分成长度为n的段，并且该段中的n个符号通过调制每个n个子载波来相互发送。 因此，OFDM是将符号周期延长n倍且提高针对多路径干扰的抵抗性的并行调制技术。调制技术分为单载波调制(SCM )技术和多载波调制(MCM )技术。 前者用高比特率信号调制单载波，后者用低比特率信号调制多个载波。 OFDM是多载波调制技术，而VSB是单载波调制技术。 在图4-56中示出了OFDM系统的一种实现方式。 根据图4-56可知，OFDM系统中的每一子载波一般采用MQAM调制方案。 OFDM系统的调制解调器的基本原理是快速傅立叶变换和快速傅立叶变换，如图4-57所示。OFDM (编码正交频分复用)即编码正交频