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第7章数字电视调制和解调7.1数字电视调制的种类7.2BPSK调制7.3QPSK数字调制技术7.4MQAM调制7.5π/2旋转不变QAM星座的获得7.6Offset-QAM数字调制技术7.7M-VSB(残留边带)数字调制技术7.8OFDM数字调制技术7.9QPSK、MQAM、M-VSB、OFDM小结7.10字节到符号的映射7.11反向信道(上行信道)数字调制技术习题第7章数字电视调制和解调第7章数字电视调制和解调7.1数字电视调制的种类7.1.1为什么要进行数字调制随着人们对电视图像质量的要求越来越高，数字电视(DTV)和高清晰度电视(HDTV)应运而生，HDTV不压缩时的图像信息速率接近1Gb/s。要将如此大量的信息传送至用户家中，图像压缩编码系统与传输系统是两大关键技术环节。图像压缩编码已提出了MPEG系列标准。在数字电视传输时，为提高频谱利用率，必须进行数字调制。世界上三大数字电视传输标准(ATSC、DVB、ISDB)中，信道编码方案大体相似，但在调制方式上仍有不同选择。而且，不同的传输方式(卫星、地面广播、有线)采用不同的调制方式。第7章数字电视调制和解调例7.1.1设HDTV未经压缩时的数码率为663.5Mb/s，经数据压缩后为31.8Mb/s(压缩比为20.8∶1)，又设采用8-VSB数字调制，此时的频谱利用系数为5.3b/(s·Hz)，则调制后信号的带宽为。这说明在6MHz模拟带宽范围内可传一路数字HDTV信号。例7.1.2设有MPEG-2主级图像质量(MP@ML)的信号，其速率为8.448Mb/s(相当于目前演播室的PAL图像质量)，采用64QAM数字调制，频谱利用系数理论值为6b/(s·Hz),则经调制后信号的带宽为。在500MHz带宽的传输线路中可传输的节目数为。31.8Mb/s=6MHz5.3b/(sHz)8.448Mb/s1.4MHz6b/(sHz)500MHz3571.4MHz第7章数字电视调制和解调7.1.2数字电视调制的分类数字电视调制可分为两大类：数字电视正向(下行)传输采用的调制和数字电视反向(上行)传输采用的调制。不同的传输方式采用的调制方式不同。正向传输指的是从前端向用户端传输;反向传输指的是从用户端向前端传输。在双向传输网络中才有反向传输。1.数字电视正向传输采用的调制(1)数字电视卫星传输时，由于传输的距离较远，要求采用抗干扰能力较强的调制方法。一般采用四相相移键控调制(QuadraturePhase-ShiftKeying，QPSK)。这种调制方法抗干扰能力较强，但频谱利用系数较低(理论值为2b/(s·Hz))。第7章数字电视调制和解调(2)数字电视有线传输时，由于采用光纤或同轴电缆作为传输媒介，传输条件较好，干扰较弱，一般采用多电平正交幅度调制(MultilevelQuadratureAmplitudeModulation，MQAM)方式。这种调制方法的频谱利用系数较高，抗干扰能力次于QPSK。第7章数字电视调制和解调(3)数字电视地面广播时，由于要考虑室内接收和移动接收情况，此时，室内电磁波受到严重的屏蔽衰减、墙壁之间的反射，以及天电干扰、电火花干扰;移动接收时受多普勒效应影响和信号的多径反射等，要求采用抗干扰能力极强的调制方式。欧洲采用编码正交频分多路调制(CodeOrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing，COFDM)方式，这种方式的抗干扰能力极强，它可满足移动接收的条件。美国采用多电平残留边带调制(MultilevelVestigialSideBand，M-VSB)方式，这种调制方式的频谱利用率较高，虽然它能满足美国地理条件和房屋结构情况下的室内接收，但不能满足移动接收。我国有的实验方案中提出采用偏置正交幅度调制(Offset-QAM)方式，通过实验，可满足移动接收的苛刻条件，而且频谱利用率也较高。在地面监控无线图像传输系统中，常采用扩频调制方式，该方式抗干扰能力较强，但频谱利用率较低。第7章数字电视调制和解调2.数字电视反向传输采用的调制在双向传输中，用户端的数据(如用户上网(Internet)数据、视频点播数据、计算机数据、各种计费数据等)需要传向前端，由于用户数为千家万户，千家万户的数据汇集到前端，数据中夹杂着各种噪声也一起涌向前端，形成所谓的“漏斗效应”，为克服它，必须选择抗干扰性能很强的调制方式。目前采用的主要调制方法如下：(1)四相相移键控(QPSK)调制;(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)。第7章数字电视调制和解调7.1.3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，在选用同一种调制情况下，调制后信号的带宽不同。例7.1.3设经MPEG-1标准压缩后的数字电视信号速率为2Mb/s，经64QAM调制后(频谱利用系数理论值为6b/(s·Hz)，信2Mb/s0.33MHz6b/(sHz)第7章数字电视调制和解调例7.1.4设经MPEG-2标准压缩后的数字电视信号速率为8Mb/s，经64QAM调制后(频谱利用系数理论值为6b/(s·Hz)，信从例7.1.3和例7.1.4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就不同(0.33MHz、1.33MHz)。8Mb/s1.33MHz6b/(sHz)第7章数字电视调制和解调(2)同一种速率的数字电视信号，在选用同一种调制但频谱利用系数不同的情况下，调制后信号的带宽就不同。例7.1.5设经MPEG-2标准压缩后的数字电视信号速率为8Mb/s，经8-VSB(频谱利用系数值为5.3b/(s·Hz)调制后，信号8Mb/s1.55MHz5.3b/(sHz)第7章数字电视调制和解调例7.1.6设数字电视速率仍为8Mb/s，经16-VSB(频谱利用系数值为7.1b/(s·Hz)调制后,从例7.1.5和例7.1.6可以看出，采用的调制方式相同(VSB)，但频谱利用系数不同(5.3b/(s·Hz)、7.1b/(s·Hz))，调制出来的信号的带宽就不同(1.5MHz、1.13MHz)。8Mb/s1.13MHz7.1b/(sHz)第7章数字电视调制和解调(3)同一种速率的数字电视信号，在选用不同的调制方式的情况下，调制后信号的带宽不同。例7.1.7设数字电视速率为8Mb/s，选用QPSK调制(频谱利用系数理论值为2b/(s·Hz)后，8Mb/s4MHz2b/(sHz)第7章数字电视调制和解调例7.1.8设数字电视速率仍为8Mb/s，选用OFDM-64QAM调制(频谱利用系数理论值为6b/(s·Hz)从例7.1.7和例7.1.8可以看出，数字电视信号的速率相同(8Mb/s)，但调制方式不同(QPSK、OFDM-64QAM)，调制出来的信号带宽就不同(4MHz、1.33MHz)。8Mb/s1.33MHz6b/(sHz)第7章数字电视调制和解调(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以Mb/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。第7章数字电视调制和解调7.2BPSK调制我国移动多媒体广播标准(MobileMultimediaBroadcasting)中采用了BPSK调制方式。所谓BPSK(BinaryPhaseShiftKeying)调制，就是双相移相键控调制。下面介绍双相移相键控的原理和实现方法。绝对相移是利用载波的相位(指初相)直接表示数字信号的相移方式。双相移相键控中，通常用相位0和π来分别表示“0”或“1”。第7章数字电视调制和解调BPSK已调信号的时域表达式为s2PSK(t)=s(t)cosωct(7.2.1)这里，s(t)为双极性数字基带信号，是高度为1、宽度为1的门函数;(概率为P)(概率为(1－P))(7.2.2)因此，在某一个码元持续时间内观察时，有sBPSK(t)=±cosωct=cos(ωct+φi)(7.2.3)当码元宽度为载波周期的整数倍时，BPSK信号的典型波形如图7.2.1所示。1()1st第7章数字电视调制和解调图7.2.1BPSK的典型波形图第7章数字电视调制和解调BPSK信号的调制方框图如图7.2.2所示。图7.2.2(a)是产生BPSK信号的模拟调制法框图;图7.2.2(b)是产生BPSK信号的键控法框图。第7章数字电视调制和解调图7.2.2BPSK信号的调制方框图第7章数字电视调制和解调就模拟调制法而言，BPSK信号可以看做是双极性基带信号作用下的DSB调幅信号。而就键控法来说，用数字基带信号s(t)控制开关电路，选择不同相位的载波输出，这时s(t)为单极性NRZ或双极性NRZ脉冲序列信号。BPSK映射时，每次将1个输入比特(bi，i=0，1，2，…)映射为I值和Q值，映射方式见图7.2.3，星座图中已经包括了功率归一化因子。第7章数字电视调制和解调图7.2.3BPSK星座映射第7章数字电视调制和解调BPSK信号属于DSB信号，它的解调不能采用包络检测的方法，只能进行相干解调，其方框图如图7.2.4图7.2.4BPSK信号接收系统方框图第7章数字电视调制和解调不考虑噪声时，带通滤波器BPF输出可表示为y(t)=cos(ωct+φn)式中φn为BPSK信号某一码元的初相。φn=0时，代表数字“0”;φn=π时，代表数字“1”。与同步载波cosωct相乘后，输出为(7.2.4)cncncn()cos(+)cos11=coscos(2+)22Ztttt第7章数字电视调制和解调经低通滤波器滤除高频分量，得解调器输出为(7.2.5)nnn1(0)12()cos(π)122xt第7章数字电视调制和解调根据发送端产生BPSK信号时φn(0或π)代表数字信息(“1”或“0”)的规定，以及接收端x(t)与φn的关系的特性，抽样判决器的判决准则为判为“0”判为“1”(7.2.6)其中x为x(t)在抽样时刻的值。00xx第7章数字电视调制和解调可见，BPSK信号相干解调的过程实际上是输入已调信号与本地载波信号进行极性比较的过程，故常称为极性比较法解调。由于BPSK信号实际上是以一个固定初相的未调载波为参考的，因此，解调时必须有与此同频同相的同步载波。如果同步载波的相位发生变化，如0相位变为π相位或π相位变为0相位，则恢复的数字信息就会发生“0”变“1”或“1”变“0”，从而造成错误的恢复。这种因为本地参考载波倒相而在接收端发生错误恢复的现象称为“倒π”现象或“反向工作”现象。绝对移相的主要缺点是容易产生相位模糊，造成反向工作，所以必须采取措施克服。第7章数字电视调制和解调手机电视不同于普通的移动电视，它要求：低功耗，总功耗不超过100mW;小屏幕：显示屏尺寸主要为2~4英寸;低速码流，即每个频道数据码流一般不会超过384kb/s;高速移动性，即最高移动速度要达到中国动车组火车200km/h、300km/h，甚至400km/h环境下正常观看手机电视的要求。因此，BPSK可以作为手机电视的调制方式。第7章数字电视调制和解调7.3QPSK数字调制技术采用QPSK、MQAM、M-VSB、COFDM及Offset-QAM高速数字调制技术，能有效地提高频谱利用率，提高抗干扰能力，满足数字电视系统的传输要求。下面将对它们的工作原理作简要的介绍，并在此基础上用复包络法(也称为等效基带法)对它们的功率谱进行相应的数学分析，得出这几种数字调制技术的谱特性。四相移相键控(QPSK)是目前微波、卫星及有线电视上行通信中最常采用的一种单载波传输方式，它具有较强的抗干扰性，在电路实现上也比较简单。四相移相键控等效于二电平正交调幅，它是讨论正交幅度调制的基础。QPSK是一种恒定包络