编码调制原理

1、在通信原理中把通信信号按调制方式可分为调频、调相和调幅三种。数字传输的常用调制方式主要分为：    正交振幅调制（QAM）：调制效率高，要求传送途径的信噪比高，适合有线电视电缆传输。     键控移相调制（QPSK）：调制效率高，要求传送途径的信噪比低，适合卫星广播。     残留边带调制（VSB）：抗多径传播效应好（即消除重影效果好），适合地面广播。     编码正交频分调制（COFDM）：抗多径传播效应和同频干扰好，适合地面广播和同频网广播。  

2、60; 世广数字卫星广播系统的下行载波的调制技术采用TDM QPSK调制体制。它比编码正交频分多路复用（COFDM）调制技术更适合卫星的大面积覆盖。    摘要：由于数字电视系统采用数字传输，而在传输系统中都使用到了数字调制技术，本文就对ASK、FSK、PSK、QAM等数字调制方法进行详细的介绍。    1934年美国学者李佛西提出脉冲编码调制(PCM)的概念，从此之后通信数字化的时代应该说已经开始了，但是数字通信的高速发展却是20世纪70年代以来的事情。随着时代的发展，用户不再满足于听到声音，而且还要看到图像；通

3、信终端也不局限于单一的电话机，而且还有传真机和计算机等数据终端。现有的传输媒介电缆、微波中继和卫星通信等将更多地采用数字传输。而这些系统都使用到了数字调制技术，本文就数字信号的调制方法作一些详细的介绍。一数字调制    数字信号的载波调制是信道编码的一部分，我们之所以在信源编码和传输通道之间插入信道编码是因为通道及相应的设备对所要传输的数字信号有一定的限制，未经处理的数字信号源不能适应这些限制。由于传输信道的频带资源总是有限的，因此提高传输效率是通信系统所追求的最重要的指标之一。模拟通信很难控制传输效率，我们最常见到的单边带调幅（SSB）或残留边带调幅（

4、VSB）可以节省近一半的传输频带。由于数字信号只有"0"和"1"两种状态，所以数字调制完全可以理解为像报务员用开关电键控制载波的过程，因此数字信号的调制方式就显得较为单纯。在对传输信道的各个元素进行最充分的利用时可以组合成各种不同的调制方式，并且可以清晰的描述与表达其数学模型。所以常用的数字调制技术有2ASK、4ASK、8ASK、BPSK、QPSK、8PSK、2FSK、4FSK等，频带利用率从1bit/s/Hz3bit/s/Hz。更有将幅度与相位联合调制的QAM技术，目前数字微波中广泛使用的256QAM的频带利用率可达8bit/s/Hz，八倍于2ASK或

5、BPSK。此外，还有可减小相位跳变的MSK等特殊的调制技术，为某些专门应用环境提供了强大的工具。近年来，四维调制等高维调制技术的研究也得到了迅速发展，并已应用于高速MODEM中，为进一步提高传输效率奠定了基础。总之，数字通信所能够达到的传输效率远远高于模拟通信，调制技术的种类也远远多于模拟通信，大大提高了用户根据实际应用需要选择系统配置的灵活性。1、基带传输    传输信息有两种方式：基带传输和调制传输。由信源直接生成的信号，无论是模拟信号还是数字信号，都是基带信号，其频率比较低。所谓基带传输就是把信源生成的数字信号直接送入线路进行传输，如音频市话、计算

6、机间的数据传输等。载波传输则是用原信号去改变载波的某一参数实现频谱的搬移，如果载波是正弦波，则称为正弦波或连续波调制。把二进制信号调制在正弦波上进行传输，其目的除了进行频率匹配外，也可以通过频分、时分、波分复用的方法使信源和信道的容量进行匹配。2、为什么要进行调制    首先，由于频率资源的有限性，限制了我们无法用开路信道传输信息。再者，通信的最终目的是远距离传递信息。由于传输失真、传输损耗以及保证带内特性的原因，基带信号是无法在无线信道或光纤信道上进行长距离传输的。为了进行长途传输，必须对数字信号进行载波调制将信号频谱搬移到高频处才能在信道中传输。最后

7、，较小的倍频程也保证了良好的带内特性。所以调制就是将基带信号搬移到信道损耗较小的指定的高频处进行传输（即载波传输），调制后的基带信号称为通带信号，其频率比较高。数字信号的载波传输与基带传输的主要区别就是增加了调制与解调的环节，是在复接器后增加了一个调制器，在分接器前增加一个解调器而已。3、映射    信息与表示和承载它的信号之间存在着对应关系，这种关系称为"映射"，接收端正是根据事先约定的映射关系从接收信号中提取发射端发送的信息的。信息与信号间的映射方式可以有很多种，不同的通信技术就在于它们所采用的映射方式不同。实际上，数字调制的主要

8、目的在于控制传输效率，不同的数字调制技术正是由其映射方式区分的，其性能也是由映射方式决定的。    一个数字调制过程实际上是由两个独立的步骤实现的：映射和调制，这一点与模拟调制不同。映射将多个二元比特转换为一个多元符号，这种多元符号可以是实数信号（在ASK调制中），也可以是二维的复信号（在PSK和QAM调制中）。例如在QPSK调制的映射中，每两个比特被转换为一个四进制的符号，对应着调制信号的四种载波。多元符号的元数就等于调制星座的容量。在这种多到一的转换过程中，实现了频带压缩。应该注意的是，经过映射后生成的多元符号仍是基带数字信号。经过基带成形滤波后生成

9、的是模拟基带信号，但已经是最终所需的调制信号的等效基带形式，直接将其乘以中频载波即可生成中频调制信号。4、调制方法    调制的方法主要是通过改变正弦波的幅度、相位和频率来传送信息。其基本原理是把数据信号寄生在载波的某个参数上：幅度、频率和相位，即用数据信号来进行幅度调制、频率调制和相位调制。数字信号只有几个离散值，这就象用数字信号去控制开关选择具有不同参量的振荡一样，为此把数字信号的调制方式称为键控。数字调制分为调幅、调相和调频三类，最简单的方法是开关键控，"1"出现时接通振幅为A的载波，"0"出现时关断载波，这

10、相当于将原基带信号（脉冲列）频谱搬到了载波的两侧。如果用改变载波频率的方法来传送二进制符号，就是频移键控（FSK）的方法，当"1"出现时是低频，"0"出现时是高频。这时其频谱可以看成码列对低频载波的开关键控加上码列的反码对高频载波的开关键控。如果"0"和"1"来改变载波的相位，则称为相移键控（PSK）。这时在比特周期的边缘出现相位的跳变。但在间隔中部保留了相位信息。收端解调通常在其中心点附近进行。一般来说，PSK系统的性能要比开关键控FSK系统好，但必须使用同步检波。除上面所述的二相位、二频率、二幅度系统外，还可以

11、采用各种多相位、多振幅和多频率的方案。在DVB系统中卫星传输采用QPSK，有线传输采用QAM方式，地面传输采用COFDM（编码正交频分复用）方式。下面就对ASK、FSK、PSK、QAM进行详细的介绍。（1）PSK相移键控(PhaseShiftKeying)    QPSK调制效率高，要求传送途径的信噪比低，适合卫星广播。欧洲与日本的数字电视首先考虑的是卫星信道，采用QPSK调制。此项调制技术应用较为广泛，所以本文对PSK进行详细的介绍。    数字调相：如果两个频率相同的载波同时开始振荡，这两个频率同时达到正最大值

12、，同时达到零值，同时达到负最大值，它们应处于"同相"状态；如果其中一个开始得迟了一点，就可能不相同了。如果一个达到正最大值时，另一个达到负最大值，则称为"反相"。一般把信号振荡一次（一周）作为360度。如果一个波比另一个波相差半个周期，我们说两个波的相位差180度，也就是反相。当传输数字信号时，"1"码控制发0度相位，"0"码控制发180度相位。载波的初始相位就有了移动，也就带上了信息。(a)M-PSK    相移就是把振幅、频率作为常量，而把相位作为变量。M-PSK信号可以

13、用这样的一组信号来代表：各个矢量的端点在矢量图中的空间分布称为星座。在图1中，由于各矢量的幅度都等于A，矢量的端点分布在以A为半径的圆上。图中用虚线表示出接收机解调器的判决范围。只要相位为n的矢量的相位偏离不超过以n中心的+-/M的范围，就能作出正确的判决。    利用简单的三角函数式可将（1-1）式改写成如下的正交信号表示式：    用ai，bi二维平面上的点来表示，如图3所示。QPSK是一种二维调制技术，其中水平轴ai称为同相轴，垂直轴bi称为正交轴，分别对应于星座图上的I和Q坐标。同相载波指载波本身，正交载波

14、指相位旋转90度的载波。QPSK调制在实现时是采用正交调幅的方式，某星座点在I坐标上的投影去调制同相载波的幅度，在Q坐标上的投影去调制正交载波的幅度，然后将两个调幅信号相加就是所需的调相信号。实际上色度信号的调制就是正交振幅调制，只不过是用连续信号去调制两个正交载波而已。"I"是波形的"同相"成分，"Q"是正交成分。IQ调制既能有效传输信息，也能适应数字制式。IQ调制器实际建立了AM、FM和PM。它的工作为：当您用一个波形调制载波时，您可把调制信号作为矢量来处理。它有实部和虚部，或同相（I）和正交（Q）部分。现在制作一个锁定至载波的接

15、收器，您可通过读取调制信号的I和Q部分译解信息。在极坐标上的信息如图4所示。从I/Q平面我们能看到调制载波与未调制载波相比作了什么以及产生调制载波需要什么样的基带I和Q输入。    QPSK正交调制器方框图如图5所示。它可以看成由两个BSPK调制器构成，首先将输入的串行二进制信息序列经串并变换，变成m=log2M个并行数据流，每一路的数据率是R/m,R是串行输入码的数据率。I/Q信号发生器将每一个m比特的字节转换成一对（pn，qn）数字，分成两路速率减半的序列，电平发生器分别产生双极性二电平信号I(t)和Q(t)，然后对coswct和sinwct进行调制

16、，相加后即得到QPSK信号。（2）QAM正交振幅调制(QuadratureAmplitudeModulation)    QAM调制效率高，要求传送途径的信噪比高，适合有线电视电缆传输。在美国，正交调幅通常用在地面微波链路，不用于国内卫星，欧洲的电缆数字电视采用QAM调制，而加拿大的卫星是采用正交调幅。    PSK只利用了载波的相位，它所有的星座点只能分布在半径相同的圆周上。当星座点较多时，星座点之间的最小距离就会很密，非常容易受到噪声干扰的影响。调制技术的可靠性可由相邻星座点之间的最小距离来衡量，最小距离越大，

17、抵抗噪声等干扰的能力越强，当然前提是信号的平均功率相同。当噪声等干扰的幅度小于最小距离的1/2时，解调器不会错判，即不会发生传输误码；当噪声等干扰的幅度大于最小距离的1/2时，将发生传输误码。因此PSK一般只用在8PSK以下，常用的是BPSK和QPSK。当星座点进一步增加时，也即需要更高的频带利用率时，就要采用QAM调制了。在PSK中I信号和Q信号互相不独立，为了得到恒定的包络信号，它们的数值是受到限制的，这是PSK信号的基本特性。如果去掉这一限制，就得到正交幅度调制QAM。作为一个特例，当每个正交信号只有两个数值时，QAM与4-PSK完全相同。当M4时QAM的信号星座呈正方形分布，而不再像P

18、SK那样沿着一个固定的圆周分布。    QAM是幅度、相位联合调制的技术，它同时利用了载波的幅度和相位来传递信息比特，因此在最小距离相同的条件下，QAM星座图中可以容纳更多的星座点，即可实现更高的频带利用率，目前QAM星座点最高已可达256QAM。我们以16QAM为例来说明QAM的特性。（4）M-FSK频移键控（FrequencyShiftKeying）    频移就是把振幅、相位作为常量，而把频率作为变量，通过频率的变化来实现信号的识别。在FSK中传送的信号只有0和1两个，而在M-FSK中则通过M个频率代表M个符

19、号，即在数字通信系统中，定性而论，传输效率越高，传输可靠性越差；效率越低，可靠性越高，即提高有效性与提高可靠性是一对矛盾，实际通信系统设计的任务就是在这两者之间作综合考虑。例如在卫星通信中，由于信号衰减很严重，传输信号常淹没在噪声中，可靠性问题变得十分尖锐，因此采用了QPSK调制技术。QPSK具有很强的抵抗幅度干扰的能力，但传输效率比较低，仅为2bit/s/Hz。而在数字微波通信中，由于干扰较小，信道环境较好，因此采用了256QAM这种高效调制技术，传输效率高达8bit/s/Hz，但256QAM抗干扰的能力较差。总之，我们所采用的调制技术的最终目的就是使得调制以后的信号对干扰有较强的抵抗作用，

20、同时对相邻的信道信号干扰较小，解调方便且易于集成。世界通信与信息技术的迅猛发展将引发整个电视广播产业链的变革，数字电视是这一变革中的关键环节。伴随着电视广播的全面数字化，传统的电视媒体将在技术、功能上逐步与信息、通信领域的其它手段相互融合，从而形成全新的、庞大的数字电视产业。这一新兴产业已经引起广泛的关注，各发达国家根据自己的国情，已分别制定出由模拟电视向数字电视过渡的方案和产业目标。数字电视被各国视为新世纪的战略技术。数字电视成了继电信引爆IT之后的又一大“热点”。 数字电视，是从电视节目录制、播出到发射、接收全部采用数字编码与数字传输技术的新一代电视。它具有许多优点，如：可实现双向交互业务

21、、抗干扰能力强、频率资源利用率高等，它可提供优质的电视图像和更多的视频服务(如交互电视、远程教育、会议电视、电视商务、影视点播等)。 电视数字化是电视发展史上又一次重大的技术革命。数字电视不但是一个由标准、设备和节目源生产等多个部分相互支持和匹配的技术系统，而且将对相关行业产生影响并促进其发展。 一、数字电视的基本知识 1.数字电视的概念 所谓数字电视，就是将传统的模拟电视信号经过抽样、量化和编码转换成用二进制数代表的数字式信号，然后进行各种功能的处理、传输、存储和记录，也可以用电子计算机进行处理、监测和控制。采用数字技术不仅使各种电视设备获得比原有模拟式设备更高的技术性能，而且还具有模拟技术

22、不能达到的新功能，使电视技术进入崭新时代。 2.数字电视的基本原理 在传统的模拟电视中，模拟全电视信号通过调制在无线电射频载波上发送出去。广播信道可以是地面广播、有线电视网或卫星广播。数字电视则是将电视信号进行数字化采样，其信号的数据率是很高的，演播室质量的数字化电视信号的数据率在200Mbps。要在原模拟电视频道带宽内传输如此高速率的数字信号是不可能的，因此，必须发展数据压缩技术。 实现数据压缩技术方法有两种：一是在信源编码过程中进行压缩，利用人类听觉视觉效应去除信号中的多余成分，在不影响收听收看效果的前提下尽量压缩数据率；二是改进信道编码，发展新的数字调制技术，提高单位频宽数据传送速率。在

23、信源编码方面，IEEE的MPEG专家组已发展制订了ISO/IEC11172(MPEG-1)和ISO/IEC13818(MPEG-2)两项国际标准。MPEG-1的输入视频格式为CIF352×288，主要用于CD-ROM、VCD或T1(E1)线路传输，码率为固定的1.5Mbps；MPEG-2供数字电视使用，它支持标准分辨率的169宽屏及高清晰度电视等多种格式，其码率可变，为340Mbps。 信源编码是把节目源的模拟图声信号变为数字信号，再经过MPEG-2压缩编码，形成数字信号源，并根据多个节目传输的要求，编为复用码流。MPEG-2是未来的广播电视数字压缩的国际标准。采用不同的层和级组合即

24、可满足从家庭质量到广播级质量以及将要播出的高清晰度电视质量不同的要求，其应用面很广。从进入家庭的DVD到卫星电视、广播电视微波传输都采用了这一标准。 目前，数字电视的传输途径可分为三种：数字卫星电视、数字有线电视和数字地面开路电视。这三种数字电视的信源编码方式相同，都是MPEG-2的复用数据包，但由于它们的传输途径不同，它们的信道编码也采用了不同的调制方式。例如，欧洲DVB数字电视系统中，数字卫星电视系统(DVB-S)采用正交相移键控调制(OPSK)；数字有线电视系统(DVB-C)采用正交调幅调制(QAM)；数字地面开路电视系统(DVB-T)采用更为复杂的编码正交频分复用调制(COFDM)。

25、3.数字电视的分类 数字电视可以按以下几种方式分类： (1)按信号传输方式分类：可以分为地面无线传输(地面数字电视)、卫星传输(卫星数字电视)、有线传输(有线数字电视)三类。 (2)按产品类型分类：可以分为数字电视显示器、数字电视机顶盒、一体化数字电视接收机。 (3)按清晰度分类：可以分为低清晰度数字电视(图像水平清晰度大于250线)、标准清晰度数字电视(图像水平清晰度大于500线)、高清晰度数字电视(图像水平清晰度大于800线，即HDTV)。VCD的图像格式属于低清晰度数字电视(LDTV)水平，DVD的图像格式属于标准清晰度数字电视(SDTV)水平。 (4)按显示屏幕幅型分类：可以分为4：3

26、幅型比和16：9幅型比两种类型。 (5)按扫描线数(显示格式)分类：可以分为HDTV扫描线数(大于1000线)和SDTV扫描线数(600800线)等。 4.数字电视的优点 数字电视技术与原有的模拟电视技术相比，有如下优点： (l)信号杂波比和连续处理的次数无关。电视信号经过数字化后是用若干位二进制的两个电平来表示，因而在连续处理过程中或在传输过程中引入杂波后，其杂波幅度只要不超过某一额定电平，通过数字信号再生，都可能把它清除掉，即使某一杂波电平超过额定值，造成误码，也可以利用纠错编、解码技术把它们纠正过来。所以，在数字信号传输过程中，不会降低信杂比。而模拟信号在处理和传输中，每次都可能引入新的

27、杂波，为了保证最终输出有足够的信杂比，就必须对各种处理设备提出较高信杂比的要求。模拟信号要求 S/N40dB，而数字信号只要求S/N20dB。模拟信号在传输过程中噪声逐步积累，而数字信号在传输过程中，基本上不产生新的噪声，也即信杂比基本不变。 (2)可避免系统的非线性失真的影响。而在模拟系统中，非线性失真会造成图像的明显损伤。 (3)数字设备输出信号稳定可靠。因数字信号只有"0"、"l"两个电平，"l"电平的幅度大小只要满足处理电路中可能识别出是"l"电平就可，大一点、小一点无关紧要。 (4)易于实现信号的存储，而

28、且存储时间与信号的特性无关。近年来，大规模集成电路(半导体存储器)的发展，可以存储多帧的电视信号，从而完成用模拟技术不可能达到的处理功能。例如，帧存储器可用来实现帧同步和制式转换等处理,获得各种新的电视图像特技效果。 (5)由于采用数字技术，与计算机配合可以实现设备的自动控制和调整。 (6)数字技术可实现时分多路，充分利用信道容量，利用数字电视信号中行、场消隐时间，可实现文字多工广播(Teletext)。 (7)压缩后的数字电视信号经数字调制后，可进行开路广播，在设计的服务区内(地面广播)，观众将以极大的概率实现"无差错接收"(发"0"收"0&

29、quot;，发" l"收"l")，收看到的电视图像及声音质量非常接近演播室质量。 (8)可以合理地利用各种类型的频谱资源。以地面广播而言，数字电视可以启用模拟电视?quot;禁用频道"(taboo channel)，而且在今后能够采用"单频率网络"(single frequency network)技术，例如 l套电视节目仅占用同 1个数字电视频道而覆盖全国。此外，现有的 6MHz模拟电视频道，可用于传输 l套数字高清晰度电视节目或者 4-6套质量较高的数字常规电视节目，或者 16-24套与家用 VHS录像机质量相当的数字电

30、视节目。 (9)在同步转移模式(STM)的通信网络中，可实现多种业务的"动态组合"(dynamic combination)。例如，在数字高清晰度电视节目中，经常会出现图像细节较少的时刻。这时由于压缩后的图像数据量较少，便可插入其它业务(如电视节目指南、传真、电子游戏软件等)，而不必插入大量没有意义的"填充比特"。 (10)很容易实现加密解密和加扰解扰技术，便于专业应用(包括军用)以及广播应用(特别是开展各类收费业务)。 (ll)具有可扩展性、可分级性和互操作性，便于在各类通信信道特别是异步转移模式(ATM)的网络中传输，也便于与计算机网络联通。 (12

31、)可以与计算机"融合"而构成一类多媒体计算机系统，成为未来"国家信息基础设施"(NII)的重要组成部分。 5.数字电视的相关技术 (1)数字电视广播流程及实现手段 数字电视广播，其信号流程包括制作(编辑)、信号处理、广播(传输)和接收(显示)几个过程。 目前用于数字节目制作的手段主要有：数字摄像机和数字照像相机、计算机、数字编辑机、数字字幕机；用于数字信号处理的手段有：数字信号处理技术(DSP)、压缩、解压、缩放等技术；用于传输的手段有：地面广播传输、有线电视(或光缆)传输、卫星广播(DSS)及宽带综合业务网(ISDN)、DVD等；用于接受显示的手段有：

32、阴极射线管显示器(CRT)、液晶显示器、等离子体显示器、投影显示(包括前投、背投)等。 (2)数字电视的信源编解码技术 信源编解码技术包括视频压缩编解码技术及音频压缩编解码技术。 数字电视尤其数字高清晰度电视与模拟电视相比，在实现过程中 ，最为困难的部分就是对视频信号的压缩。在1920×1080显示格式下，数字化后的码率在传输中高达995Mbit/s，这比现行模拟电视的传输信息量大得多。因而数字电视的图像不能象模拟电视的图像那样直接传输，而是要多一道压缩编码工序。 视频编码技术主要功能是完成图像的压缩，使数字电视的信号传输量由995Mbit/s减少为2030Mbit/s。视频编码计算

33、时主要有以下客观依据：(1)图像时间的相关性。视频信号由连续图像组成，相邻图像有很多相关性，找出这些相关性就可减少信息量。(2)图像空间的相关性。例如图像中有一大块单一颜色，那么不必把所有像素存贮。(3)人眼的视觉特性。人眼对原始图像各处失真敏感度不同，对不敏感的无关紧要的信息给予较大的失真处理，即使这些信息全部丢失了，人眼也可能觉察不到；相反，对人眼比较敏感的信息，则尽可能减少其失真。(4)事件间的统计特性。事件发生的概率越小，则其熵值越大，表示信息量越大，需分配较长的码字；反之，发生的概率越大，则其熵值越小，只需分配较短的码字。 与视频编解码相同，音频编解码主要功能是完成声音信息的压缩。声

34、音信号数字化后，信息量比模拟传输状态大得多，因而数字电视的声音不能象模拟电视的声音那样直接传输，而是要多一道压缩编码工序。 音频信号的压缩编码主要利用了人耳的听觉特性。(1)听觉的掩蔽效应。在人的听觉上，一个声音的存在掩蔽了另一个声音的存在，掩蔽效应是一个较为复杂的心理和生理现象，包括人耳的频域掩蔽效应和时域掩蔽效应。(2)人耳对声音的方向特性。对于2KHZ以上的高频声音信号，人耳很难判断其方向性，因而立体声广播的高频部分不必重复存贮。 国际上对数字图像编码曾制订了三种标准，主要用于电视会议的H.261，主要用于静止图像的JPMG标准，主要用于连续图像的MPEG标准。 在HDTV视频压缩编解码标准方面，美国、欧洲、日本设有分歧，都采用了MPEG-2标准。MPEG(Moving Picture Expert Group)意思是"运动图像专家组"，压缩后的信息可以供计算机处理，也可以在现有和将来的电视广播频道中进行分配。 在音频编码方面，欧洲、日本采用了MPEG-2标准；美国采纳了杜比公司(Dolby)的AC-3方案，MPEG-2为备用方案。 对于我国来说，今后信源编解码标准也会与美国、欧洲、日本一样采用MPEG-2标准。 (3)数字电视的复用系统 数字电视的复用系统是HDTV的关键部分之