数字电视原理讲义第7章数字电视调制和解调PPT课件

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1、第7章 数字电视调制和解调 7.1 数字电视调制的种类 7.2 BPSK调制 7.3 QPSK数字调制技术 7.4 MQAM调制7.5 /2旋转不变QAM星座的获得 7.6 Offset-QAM 数字调制技术 7.7 M-VSB(残留边带)数字调制技术 7.8 OFDM数字调制技术 7.9 QPSK、 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

2、晰度电视(HDTV)应运而生，HDTV不压缩时的图像信息速率接近1 Gb/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663.5 Mb/s，经数据压缩后为31.8 Mb/s (压缩比为20.81)，又设采用8-VSB数字调

3、制，此时的频谱利用系数为5.3 b/(sHz)，则调制后信号的带宽为。这说明在6 MHz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(MPML)的信号，其速率为8.448 Mb/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6 b/(sHz), 则经调制后信号的带宽为 。在500 MHz带宽的传输线路中可传输的节目数为。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

4、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(Quadrature Phase-Shift Keying，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/(sHz)。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(Multilevel Quadrature Amplitude Modulati

5、on，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(Code Orthogonal Frequency Division Multiplexing，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(Multilevel Vestigial Side

6、 Band，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

7、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2 Mb/s，经64 QAM调制后(频谱利用系数理论值为6 b/(sHz)，信号的带宽为第7章 数字电视调制和解调 例

8、7.1.4 设经MPEG-2标准压缩后的数字电视信号速率为8 Mb/s，经64QAM调制后(频谱利用系数理论值为6 b/(sHz)，信号的带宽为从例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(0.33 MHz、1.33 MHz)。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8 Mb/s，经8-VSB (频谱利用系数值为5.3 b/(sHz)调制后，信号的

9、带宽为第7章 数字电视调制和解调 例7.1.6 设数字电视速率仍为8 Mb/s，经16-VSB (频谱利用系数值为7.1 b/(sHz) 调制后, 信号的带宽为从例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(5.3 b/(sHz)、7.1 b/(sHz)，调制出来的信号的带宽就不同(1.5 MHz、1.13 MHz)。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8 Mb/s，选用QPSK调制(频谱利用系数理论值为2 b/(sHz)后， 信号的带宽为第7章

10、数字电视调制和解调 例7.1.8 设数字电视速率仍为8 Mb/s，选用OFDM-64QAM调制(频谱利用系数理论值为6 b/(sHz)后，信号的带宽为从例7.1.7和例7.1.8可以看出，数字电视信号的速率相同(8 Mb/s)，但调制方式不同(QPSK、OFDM-64QAM)，调制出来的信号带宽就不同(4 MHz、1.33 MHz)。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

11、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 7.2 BPSK调制我国移动多媒体广播标准(Mobile Multimedia Broadcasting)中采用了BPSK调制方式。所谓BPSK(Binary Phase Shift Keying)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)cosct (7.2.1)这里，s(t)为双极性数字基带信号，是高度为1、宽

12、度为1的门函数; (概率为P)(概率为(1P) (7.2.2)因此，在某一个码元持续时间内观察时，有 sBPSK(t)=cosct=cos(ct+i) (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。第7章 数字电视调制和解调 图 7.2.1 BPSK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 7.2.2 BPSK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，B

13、PSK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 7.2.3 BPSK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所示。图 7.2.4 BPSK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

14、时，带通滤波器BPF输出可表示为y(t)=cos(ct+n)式中n为BPSK信号某一码元的初相。n=0时，代表数字“0”; n=时，代表数字“1”。与同步载波cosct相乘后，输出为 (7.2.4)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)第7章 数字电视调制和解调 根据发送端产生BPSK信号时n(0或)代表数字信息(“1”或“0”)的规定，以及接收端x(t)与n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。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

15、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相位变为相位或相位变为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”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100 mW; 小屏幕：显示屏尺寸主要为24英寸; 低速码流，即每个频

16、道数据码流一般不会超过384 kb/s; 高速移动性，即最高移动速度要达到中国动车组火车200 km/h、300 km/h，甚至400 km/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 7.3 QPSK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是一种恒定包络的角度调制技术，其调制器框图如图7.3.1所示。第7章 数字电视调制和解调 图 7.3.1 QPSK调制器第7章 数字电视调制和解调 由图7.3.1可知，QPSK包含同相与正交两个分量。每个分量都用二进制序