常用多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制技術(shù)基礎(chǔ) - 全文

　　1 常用多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制技術(shù)及應(yīng)用

　　1.1 QPSK(四相相移鍵控)技術(shù)及應(yīng)用

　　(1)QPSK技術(shù)

　　在相移鍵控(PSK)技術(shù)中，通過改變載波信號的相位來表示二進(jìn)制數(shù)0、1，而相位改變的同時，最大振幅和頻率則保持不變。例如，可以用兩種不同相位的正弦信號分別表示0和1，用0°相位表示0，用180°相位表示1，這種PSK技術(shù)稱為二相位PSK或2-PSK，信號之間的相位差為180°。

　　同樣，可以用4種不同相位的正弦信號分別表示00、01、10和11，例如，用0°相位表示00，用90°相位表示01，用180°相位表示10，用270°相位表示11。這樣每種相位的正弦信號可以表示兩位二進(jìn)制信息，信號之間的相位差為90°，這種PSK技術(shù)稱為四相位PSK或QPSK，由于4個相位與四進(jìn)制的4個符號相對應(yīng)，也稱四進(jìn)制PSK調(diào)制。因每種相位的正弦信號可以表示兩位二進(jìn)制信息，與2-PSK相比，其編碼效率提高了1倍。

　　以此類推，當(dāng)不同相位的載波數(shù)為8、16……時,分別稱為8-PSK(八進(jìn)制PSK)、16-PSK(十六進(jìn)制PSK)……，理論上，不同相位差的載波越多，可以表征的數(shù)字輸入信息越多，頻帶的壓縮能力越強(qiáng)，可以減小由于信道特性引起的碼間串?dāng)_的影響，從而提高數(shù)字通信的有效性。但在多相調(diào)制時，相位取值數(shù)增大，信號之間的相位差也就減小，傳輸?shù)目煽啃詫㈦S之降低，因而實(shí)際中用得較多的是四相制(4-PSK)和八相制(8-PSK)。

　　(2)QPSK的應(yīng)用

　　QPSK廣泛應(yīng)用于數(shù)字微波通信系統(tǒng)、數(shù)字衛(wèi)星通信系統(tǒng)、寬帶接入與移動通信及有線電視的上行傳輸。在衛(wèi)星數(shù)字電視傳輸中普遍采用的QPSK調(diào)諧器可以說是當(dāng)今衛(wèi)星數(shù)字電視傳輸中對衛(wèi)星功率、傳輸效率、抗干擾性以及天線尺寸等多種因素綜合考慮的最佳選擇。歐洲與日本的數(shù)字電視首先考慮的是衛(wèi)星信道，采用QPSK調(diào)制，我國也出現(xiàn)了采用QPSK調(diào)制解調(diào)的衛(wèi)星廣播和數(shù)字電視機(jī)。

　　要實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星電視的數(shù)字化，必須在衛(wèi)視傳輸中采用高效的調(diào)制器和先進(jìn)的壓縮技術(shù)，因為我國現(xiàn)行的PAL制彩色電視是采用625行/50場，其視頻帶寬5 MHz，根據(jù)4∶2∶2的標(biāo)準(zhǔn)，625行/50場的亮度信號(Y)的取樣頻率為13.5 MHz，每個色差信號(R-Y)和(B-Y)的取樣頻率均為6.75 MHz。當(dāng)Y，(R-Y)，(B-Y)信號的每個取樣為8 bit量化時，電視信號經(jīng)數(shù)字化后的亮度信號碼率為13.5×8=108 Mbps，色度信號的碼率為6.75×8×2=108 Mbps，總碼率為色亮碼率之和，即216 Mbps，在現(xiàn)有的傳輸媒介中要傳送這樣寬帶的數(shù)字電視信號是不可能的。

　　采用四相相移鍵控(QPSK)調(diào)制之后，可把傳輸?shù)膸捊档?00 MHz左右，再使用電視圖像及伴音壓縮編碼技術(shù)，常用MPEG-2(運(yùn)動圖像壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn))，可以把數(shù)字電視信號中包含的冗余信息去除，即在保證接收端電視圖像質(zhì)量的前提下，采用數(shù)字視頻壓縮技術(shù)，可以降低傳送碼率，使傳送帶寬減少，實(shí)現(xiàn)多路傳輸。目前，已經(jīng)可以做到把216 Mbps速率的數(shù)字電視信號壓縮到5 Mbps，使原來只能傳送1路模擬電視的36 Mbps衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器，現(xiàn)在可同時傳送5路數(shù)字電視信號。這樣，數(shù)字信號經(jīng)碼率壓縮技術(shù)處理后，信號傳輸容量會得到數(shù)倍甚至數(shù)十倍的增加。

　　1.2 QAM(正交幅度調(diào)制)技術(shù)及應(yīng)用

　　(1) QAM技術(shù)

　　正交幅度調(diào)制(QAM)是一種矢量調(diào)制，它將輸入比特先映射(一般采用格雷碼)到一個復(fù)平面(星座)上，形成復(fù)數(shù)調(diào)制符號，然后將符號的I、Q分量(對應(yīng)復(fù)平面的實(shí)部和虛部)采用幅度調(diào)制，分別對應(yīng)調(diào)制在相互正交(時域正交)的兩個載波(cos wt和sin wt)上。這樣與幅度調(diào)制(AM)相比，其頻譜利用率提高1倍。QAM是幅度、相位聯(lián)合調(diào)制的技術(shù)，它同時利用了載波的幅度和相位來傳遞信息比特，因此在最小距離相同的條件下可實(shí)現(xiàn)更高的頻帶利用率，目前QAM最高已達(dá)到1024QAM(1 024個樣點(diǎn))。樣點(diǎn)數(shù)目越多，其傳輸效率越高，例如具有16個樣點(diǎn)的16-QAM信號，每個樣點(diǎn)表示一種矢量狀態(tài)，16-QAM有16態(tài)，每4位二進(jìn)制數(shù)規(guī)定了16態(tài)中的一態(tài)，16-QAM中規(guī)定了16種載波和相位的組合，16-QAM的每個符號和周期傳送4比特。

　　(2)QAM應(yīng)用

　　QAM調(diào)制主要用在有線數(shù)字視頻廣播和寬帶接入等通信系統(tǒng)方面。

　　QAM調(diào)制方式的多媒體高速寬帶數(shù)據(jù)廣播系統(tǒng)采用DVB-C有線數(shù)字視頻廣播標(biāo)準(zhǔn)，代表著數(shù)字化發(fā)展方向，有16QAM、32QAM、64QAM、128QAM、256QAM之分，數(shù)字越大，頻帶利用率越高，但同時抗干擾能力也隨之降低。采用64QAM調(diào)制方式，可在傳統(tǒng)的8 MHz模擬頻道帶寬上傳輸約40 Mbps數(shù)據(jù)流，可在一個標(biāo)準(zhǔn)PAL通道上傳輸4~8套數(shù)字電視節(jié)目，它的末端用戶可以是計算機(jī)，也可以是帶數(shù)字機(jī)頂盒的電視機(jī)。QAM在安全授權(quán)方面比QPSK調(diào)制方式更可靠，完全能滿足海量信息傳輸?shù)男枰?，其傳輸速率更高，通道還可優(yōu)化。

　　QAM目前還被廣泛用于ADSL調(diào)制技術(shù)，在QAM調(diào)制中，發(fā)送數(shù)據(jù)在比特/符號編碼器內(nèi)被分成速率各為原來1/2的兩路信號，分別與一對正交調(diào)制分量相乘，求和后輸出。接收端完成相反過程，正交解調(diào)出兩個相反碼流，均衡器補(bǔ)償由信道引起的失真，判決器識別復(fù)數(shù)信號并映射回二進(jìn)制信號。采用QAM調(diào)制技術(shù)，信道帶寬至少要等于碼元速率，為了定時恢復(fù)，還需要另外的帶寬，一般要增加15%左右。與其他調(diào)制技術(shù)相比，QAM調(diào)制技術(shù)具有充分利用帶寬、抗噪聲強(qiáng)等特點(diǎn)。

　　1.3 VSB(殘留邊帶調(diào)制)技術(shù)及應(yīng)用

　　(1)VSB技術(shù)

　　殘留邊帶調(diào)制(VSB)是一種幅度調(diào)制法(AM)，它是在雙邊帶調(diào)制的基礎(chǔ)上，通過設(shè)計適當(dāng)?shù)妮敵?a href="http://ttokpm.com/tags/濾波器/" target="_blank">濾波器，使信號一個邊帶的頻譜成分原則上保留，另一個邊帶頻譜成分只保留小部分(殘留)。該調(diào)制方法既比雙邊帶調(diào)制節(jié)省頻譜，又比單邊帶易于解調(diào)。在殘留邊帶調(diào)制方式中，根據(jù)調(diào)制電平級數(shù)的不同，VSB可分為4-VSB，8-VSB，16-VSB等，其中的數(shù)字表示調(diào)制電平級數(shù)。如8-VSB，表示有8種調(diào)制電平，即+7，+5，+3，+1，-1，-3，-5，-7等8種電平(和八進(jìn)制的8個符號相對應(yīng))，這樣每個調(diào)制符號可攜帶3比特信息。16-VSB，32-VSB的工作原理與此類似。

　　(2)VSB的應(yīng)用

　　由于VSB抗多徑能力差，在移動接收方面，即使采用4-VSB，其效果也不令人滿意。但殘留邊帶調(diào)制的優(yōu)點(diǎn)是技術(shù)成熟，便于實(shí)現(xiàn)，對發(fā)射機(jī)功放的峰均比要求低。上海交通大學(xué)、浙江大學(xué)等高校和研究所自主研制和完成了我國第一套完整的含基于單載波VSB技術(shù)和多載波COFDM(編碼的正交頻分復(fù)用調(diào)制)技術(shù)兩種傳輸方案的HDTV地面廣播傳輸系統(tǒng)，已實(shí)現(xiàn)了我國數(shù)字高清晰度電視系統(tǒng)技術(shù)的整體重大突破，率先攻克了單載波調(diào)制技術(shù)無法在數(shù)字電視地面廣播傳輸方面同時實(shí)現(xiàn)固定/移動接收這一核心技術(shù)難題，解決了數(shù)字高清晰度電視系統(tǒng)的7項重大關(guān)鍵技術(shù)。

　　1.4 COFDM(正交頻分復(fù)用)調(diào)制技術(shù)及應(yīng)用

　　正交頻分復(fù)用是一種多載波調(diào)制方式。編碼的正交頻分復(fù)用就是將經(jīng)過信道編碼后的數(shù)據(jù)符號分別調(diào)制到頻域上相互正交的大量子載波上，然后將所有調(diào)制后信號疊加(復(fù)用),形成OFDM時域符號。

　　由于正交頻分復(fù)用采用大量(N個)子載波的并行傳輸，在相等的傳輸數(shù)據(jù)率下,OFDM時域符號長度是單載波符號長度的N倍,這樣其抗符號間干擾(ISI)的能力可顯著提高，從而減輕對均衡的要求。

　　由于OFDM符號是大量相互獨(dú)立信號的疊加，從統(tǒng)計意義上講，其幅度近似服從高斯分布，這就造成OFDM信號的峰均功率比高，從而提高了對發(fā)射機(jī)功放線性度的要求，降低了發(fā)射機(jī)的功率效率。

　　目前,歐洲數(shù)字電視地面?zhèn)鬏敇?biāo)準(zhǔn)DVB-T中采用的就是COFDM。由于COFDM調(diào)制抗動態(tài)多徑干擾能力強(qiáng)，使得其既可用于地面?zhèn)鬏敼潭ń邮眨部捎糜诒銛y和移動接收。在我國數(shù)字電視地面廣播上海試驗區(qū)，公交920路進(jìn)行的測試表明，即使在城區(qū)多徑豐富的地區(qū)，接收效果也良好。

　　1.5 各種多進(jìn)制調(diào)制技術(shù)的比較

　　表1列出了各種數(shù)字調(diào)制技術(shù)頻譜利用率的理論值和實(shí)用值。表2為4種典型數(shù)字調(diào)制技術(shù)實(shí)現(xiàn)的難易比較。

　　表1數(shù)字調(diào)制技術(shù)頻譜利用率(單位：bit/s/Hz)

　　調(diào)制技術(shù)理論值實(shí)用值

　　QPSK 21.4

　　16QAM 43.3

　　32QAM 24.3

　　64QAM 65.3

　　128QAM 76.1

　　256QAM 86.6

　　1024QAM 106.6

　　OFDM-16QAM 43.3

　　8VSB 5.3

　　16VSB 7.1

　　表2 QPSK、QAM、VSB、OFDM數(shù)字調(diào)制技術(shù)實(shí)現(xiàn)難易比較

　　調(diào)制技術(shù)實(shí)現(xiàn)難易單頻組網(wǎng)能力應(yīng)用地區(qū)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜

　　QPSK易有歐洲、日本、中國易

　　QAM易無美國相對復(fù)雜

　　VSB易無美國易

　　OFDM可以有歐洲復(fù)雜

　　2 數(shù)字調(diào)制新技術(shù)

　　2.1 離散小波多音調(diào)制(DWMT)

　　DWMT是一個基于小波傳輸?shù)亩噍d波調(diào)制技術(shù)，它將傳輸頻帶分成幾百個頻譜相互獨(dú)立的信道，將數(shù)據(jù)調(diào)制在各子信道上，經(jīng)過小波變換處理，取得時頻域的分離，以減少碼間干擾和信道間干擾。多載波系統(tǒng)能靈活地、最大限度地利用信道，例如：對信噪比較高的子信道可采用傳輸效率高的調(diào)制技術(shù)(64QAM)，信噪比較低的子信道采用抗干擾能力強(qiáng)的調(diào)制技術(shù)(QPSK)，而對信噪比低于門限的子信道則不用，這樣可避免窄帶干擾。DWMT針對不同的子信道質(zhì)量(如按SNR)來選擇調(diào)制方式，從而使它比單載波調(diào)制技術(shù)(QPSK、QAM或VSB)有更高的傳輸效率。DWMT無需保護(hù)時間，也使頻帶利用率得以提高，頻帶管理靈活。由于整個頻帶被分成許多子信道，使得DWMT能支持各種速率業(yè)務(wù)和多種訪問協(xié)議，這對HFC網(wǎng)絡(luò)是特別重要的。DWMT抗干擾能力強(qiáng)，能采用關(guān)閉子信道方式來避開窄帶干擾的子信道。

　　2.2 同步離散多音調(diào)制(SDMT)

　　SDMT技術(shù)一般由兩項技術(shù)組成：DMT(離散多音調(diào)制)和TDD(時分雙工)。

　　(1)DMT傳輸

　　DMT采用大量(典型值為256)正交幅度調(diào)制(QAM)信號，因此DMT信道由256個子信道組成，每一個被調(diào)制在不同的中心頻率上，每一個具有同樣的帶寬，稱之為多音調(diào)制。DMT接收機(jī)對每個音接收的信號質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)測，如果發(fā)現(xiàn)某一個或幾個音的質(zhì)量(信噪比)下降，接收機(jī)就計算出一個修改后的比特分配方案，使接收的誤差性能有所改進(jìn)。接收機(jī)把這種比特分配向發(fā)射機(jī)報告，以便由發(fā)射機(jī)實(shí)現(xiàn)改進(jìn)后的比特分配。這種由接收機(jī)反饋給發(fā)射機(jī)的信息是通過一個可靠的周期性的低速控制信道進(jìn)行的，頻率越高，衰減越大，則子信道就分配較少比特，傳送較少的信息，哪個子信道的信噪比(?S/N?)越高，則分配越多的比特，反之則越少，甚至被關(guān)閉。

　　(2)SDMT

　　SDMT是由DMT和TDD(也稱乒乓傳輸)組成。在使用VDSL寬帶接入技術(shù)時，電纜中的線路均被鎖定于同一個網(wǎng)絡(luò)時鐘上(即同一電纜中的所有線路在同一時間上“乒”和“乓”)，SDMT系統(tǒng)支持在不同時間周期的用同一頻段的上行和下行傳輸。SDMT為VDSL提供了許多好處：首先，下行和上行碼率之比可以靈活;其次，減少了數(shù)字信號處理的復(fù)雜性。

　　2.3 S-OFDM調(diào)制

　　目前，數(shù)字電視地面廣播(DTTB)已達(dá)到可實(shí)現(xiàn)階段，世界上已經(jīng)公布的DTTB傳輸標(biāo)準(zhǔn)主要有3種：ATSC，DVB-T，ISDB-T，基于對這3個地面數(shù)字電視系統(tǒng)的深入研究，借鑒并吸收了這些年來國際國內(nèi)數(shù)字電視技術(shù)方面的經(jīng)驗和教訓(xùn)，清華大學(xué)提出了一個基于TDS-OFDM調(diào)制技術(shù)的地面數(shù)字電視廣播傳輸協(xié)議——地面數(shù)字多媒體電視廣播(Terrestrial Digital Multimedia Television Broadcasting，DMB-T)傳輸協(xié)議。

　　該系統(tǒng)的核心就是采用了時域同步正交頻分復(fù)用(Time Domain Synchronous Orthogonal Frequency Division Multiplex，IDS-OFDM)調(diào)制技術(shù)，其頻譜利用率可高達(dá)4 bit/s/Hz。因此，每個頻道有效凈荷的信息傳輸碼率在8 MHz的帶寬下可高達(dá)33 MB/s。

　　幀結(jié)構(gòu)是分級的，一個基本幀結(jié)構(gòu)稱為一個信號幀。幀群定義為255個信號幀，其第一幀定義為幀群頭。幀群中的信號幀有唯一的幀號，標(biāo)號從0~254，信號幀號被編碼到當(dāng)前信號幀的幀同步序列中。超幀定義為一組幀群，幀結(jié)構(gòu)的頂層稱為超幀群。超幀被編號，從0到最大幀群號。超幀號(SFN)與超幀群號(SFGN)一起被編碼到超幀的第一個幀群頭中。SFGN被定義為超幀群發(fā)送的日歷日期，超幀群以一個自然日為周期進(jìn)行周期性重復(fù)，它被編碼為下行線路超幀群中一個超幀的第一個幀群頭中的前兩個字節(jié)。在北京時間00∶00∶00AM，物理信道幀結(jié)構(gòu)被復(fù)位并開始一個新的超幀群。一個信號幀由兩部分組成：幀同步和幀體。幀同步和幀體的基帶符號率相同，規(guī)定惟7.56 MB/s。幀同步信號采用沃爾什編碼的隨機(jī)序列，以實(shí)現(xiàn)多基站識別。幀同步包含前同步、幀同步序列和后同步。對于一個信號幀群中的不同的信號幀，有不同的幀同步信號，所以，幀同步能作為一個特殊信號幀的幀同步特征而用于識別。幀同步采用BPSK調(diào)制以得到穩(wěn)定的同步。

　　由于采用了IDS-OFDM調(diào)制技術(shù)，DMB-T協(xié)議不僅適用于傳統(tǒng)的電視節(jié)目(視頻碼流)廣播，也適用于提供其他多媒體信息傳輸服務(wù)，特點(diǎn)是：與現(xiàn)有電視廣播的傳輸頻率兼容，滿足HDTV廣播要求的高數(shù)據(jù)碼率，鄰近的電視臺可以使用相同的頻率廣播相同的內(nèi)容(支持蜂窩單頻網(wǎng))，卓越的移動接收能力使人們在乘坐汽車和火車時能得到可靠及時的多媒體信息服務(wù)，在各種條件和環(huán)境下糾錯接收能力強(qiáng)，建網(wǎng)成本和運(yùn)營成本低等。

　　另外，DMB-T技術(shù)支持“移動接收”使它成為理想的無線解決方案;支持“突發(fā)數(shù)據(jù)”使它能夠處理短數(shù)據(jù)或消息;支持“蜂窩網(wǎng)”使它能夠擴(kuò)展，滿足未來更大的容量需求。