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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()数字调制技术第第7章章数字电视调制和解调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数字电视调制的种类7.1.1 为什么要进行数字调制为什么要进行数字调制随着人们对电视图

2、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

3、(压缩比为20.81)，又设采用8-VSB数字调制，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

4、(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

5、正交幅度调制(Multilevel Quadrature Amplitude Modulation，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

6、移动接收的条件。美国采用多电平残留边带调制(Multilevel Vestigial Side 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

7、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。例例7.1.3 设经MPEG

8、-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例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

9、宽就不同。例例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，信号的带宽为第7章数字电视调制和解调例例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

10、的情况下，调制后信号的带宽不同。例例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章数字电视调制和解调例例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

11、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 7.2 BPSK调制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“

12、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;

13、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，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 7.2.3 BPSK星座映射第7章数字电视调制和解调 BPSK信号属于DS

14、B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

15、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

16、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

17、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列分别进行键控。功率谱

18、公式为 (7.3.1)式中：Ss(f)为功率谱; A为信号幅度; f0为载频; Ts为矩形脉冲宽度。 QPSK的功率谱密度如图7.3.2所示。第7章数字电视调制和解调图 7.3.2 QPSK的功率谱密度第7章数字电视调制和解调 MPSK的频谱利用率为lb M b/(sHz)。M4时，即QPSK的频谱利用率为2 b/(sHz)。QPSK在实际应用中往往还与其它处理电路相连接，使其功能更加完善。如图7.3.3所示，下面我们作进一步分析。从图7.3.3可以看出，在QPSK调制之前有卷积编码、收缩及基带形成处理。第7章数字电视调制和解调内码使用卷积编码，这一系统允许使用不同比特收缩卷积码(P

19、unctured Convolutional Codes)，但都基于1/2卷积码，其约束长度K7。使用这种方法可以使使用者根据数码率来选择相应的误码纠正的程度。从图7.3.3中可以看到，串行比特流先按1/2卷积编码成X、Y，然后经去除不传送的比特(这一过程称为收缩(Puncturing)。各种比率卷积码在收缩过程中传输和不传输的比特见表7.3.1。该系统使用卷积格雷码QPSK调制，但不使用差分编码而使用绝对比特映射，其星座图见图7.3.3。第7章数字电视调制和解调第7章数字电视调制和解调图 7.3.3 卷积格雷码QPSK调制第7章数字电视调制和解调 QPSK调制使用具备完全映射的传统

20、格雷码(无差错编码)。信号空间位映射如图7.3.3所示。在调制前，I和Q信号要进行升余弦平方根滤波，滚降系数应是0.35，其形状由下式定义：(当|f|fN(1+)时)(当fN(1-)|f|fN(1+)时)式中：滚降系数=0.35; ，是Nyquist频率，Ts为矩形脉冲宽度。图7.3.4提供了调制器输出端信号频谱。第7章数字电视调制和解调图 7.3.4 基带频域表示的调制器输出信号频谱第7章数字电视调制和解调下面对QPSK 误码性能进行分析。连接在IF环中的QPSK调制解调器应满足表7.3.2给出的系统中IF环BER和Eb/No的性能要求。第7章数字电视调制和解调注： Eb指的是

21、R-S编码前的有用位率，包括由于外部编码(10 lg(188/204)=-0.36 dB)所造成的调制器、解调器共造成0.8 dB的衰减和噪声带宽的增加。No指的是出现的噪声误码。准无误(QEF)是指每小时传输少于一个未纠误码，对应于MPEG-2解复用器输入BER=1010到1011。第7章数字电视调制和解调表7.3.2给出了系统中IF环的各项性能指标。表7.3.2(标准的)调制器输出信号的频谱图7.3.4 给出了调制器输出信号频谱的模板，同时也给出了Nyquist调制滤波器的硬件实现的可能掩模板。图7.3.4 和图7.3.5中的点A到S的特性有一一对应的关系。对于滤波器频率响应，假设输

22、入信号为理想的Dirac Delta信号，信号周期Ts=1/Rs=1/(2fN), 在矩形波输入的情况下，则要进行适当的x/sinx校正。图7.3.5 给出了Nyquist 调制滤波硬件实现的群迟延。图7.3.4和图7.3.5 是以国际卫星地球站标准(IESS)308 号为基础的，不同的滚降系数有不同的修正。第7章数字电视调制和解调图 7.3.5 调制滤波器的群迟延第7章数字电视调制和解调传输系统首先对突发的误码进行离散化，然后加入R-S外纠错码保护，内纠错码是可以根据发射功率、天线尺寸以及码率进行调节变化的。例如，一个36 MHz带宽的卫星转发器采用3/4的卷积码可以达到的码率是39

23、 Mb/s，这一码率可以传送56路高质量电视信号。各种转发器带宽及相应的码率见表7.3.3。第7章数字电视调制和解调第7章数字电视调制和解调 7.4 MQAM调制调制1. QAM的功率谱分析的功率谱分析QAM(正交幅度调制)是一种节省频带的数字调幅方法，在2400 b/s以上的中、高速调制中常被采用，广泛应用于有线电视的下行传输及HDTV的地面广播传输中。QAM有较高的频带利用率，同时有较高的信噪比。 MQAM的调制器框图如图7.4.1所示。第7章数字电视调制和解调图 7.4.1 MQAM的调制器框图第7章数字电视调制和解调几种正交幅度调制信号的平均功率谱密度如下： 16QAM信

24、号： (7.4.1)64QAM信号： (7.4.2)第7章数字电视调制和解调式中：为平均功率谱密度; Su(f)为正交幅度调制信号的功率谱密度; Esm为幅度最大码元的平均能量; Ts为矩形脉冲宽度; f0为载频频率。将16QAM、64QAM的平均功率谱密度和QPSK的平均功率谱密度一起画在图7.4.2中。从图中可以看出，QPSK的频谱利用率为2 b/(sHz), 16QAM的频谱利用率为4 b/(sHz), 64QAM的频谱利用率为6 b/(sHz)。QAM的调制器的实际框图如图7.4.3所示。经压缩的MPEG数字视频信号被送入数据接口电路，再经能量扩散送入R-S纠错电路，经数据交织再

25、送入MQAM数据映射，分两路输出，分别经数字滤波、D/A变换，再经模拟低通滤波送入正交平衡调制电路，输出为中频信号，最后变为射频信号送往线路中。第7章数字电视调制和解调图 7.4.2 几种数字调制信号的功率谱密度第7章数字电视调制和解调图 7.4.3 QAM数字调制器第7章数字电视调制和解调 2. 16QAM频谱利用系数和频谱利用系数和16QAM星座图星座图1) 16QAM频谱利用系数下面从理论上分析16QAM频谱利用系数，如图7.4.4所示。第7章数字电视调制和解调图 7.4.4 16QAM第7章数字电视调制和解调图7.4.4中LPF是滚降滤波器。二进制串行数据输入以后，以

26、4 bit为一组，分别取出2 bit送入上、下两个2-4电平转换器，再分别送入调制器1、2进行幅度调制，调制后的信号线性相加，得到16QAM的输出信号。如果输入二进制数的速率为fa，则送到2-4电平转换的速度为fa/4。a1、a2、b1、b2的真值表见表7.4.1。第7章数字电视调制和解调第7章数字电视调制和解调经过2-4电平转换后，可得到1、3、1、3四个电平，则调制器1输出四个信号为3 sin0t、1 sin0t、1 sin0t、3 sin0t; 调制器2输出四个信号为3 cos0t、 1 cos0t、3 cos0t、1 cos0t。线性相加后，可得到16QAM星座图。图7.4.5

27、所示为16QAM 正交调幅法形成16QAM信号的过程。16QAM调制信号中各个16QAM调制器电平状态所对应的Q电平及I电平由表7.4.2表示。第7章数字电视调制和解调图 7.4.5 16QAM信号的形成过程第7章数字电视调制和解调第7章数字电视调制和解调 2) QAM的频谱利用率分析下面分析16QAM信号的带宽情况。设输入的二进制速率为10 Mb/s，2-4电平转换的输入为，由信息论知识可得，1 Hz最高可传输PCM信号2 bit，所以它的基带信号最高频率为2.5/2 MHz。根据平衡调制原理，对图7.4.6可作如下数学分析，设本振频率为f0，调制信号频率为，进行平衡调幅时，调幅后

28、的输出信号为(7.4.3)第7章数字电视调制和解调图 7.4.6 平衡调幅(a) 平衡调幅; (b) 平衡调幅频谱第7章数字电视调制和解调所以带宽为 2。从上面分析可知，2.5/2 MHz时，则 22.5 MHz。即10 Mb/s的二进制数，经16QAM调制后的模拟信号带宽为2.5 MHz，则频谱利用率为(7.4.4)所以16QAM调制理论上的频谱利用系数为4 b/(sHz)，即16=24。同理可证明64QAM中，64=26，则它的频谱利用系数为6b/(sHz); 128QAM的频谱利用系数为7 b/(sHz); 256QAM的频谱利用系数为8 b/(sHz); 而QPSK调制相当于4

29、QAM，所以它的频谱利用系数应为2 b/(sHz)。第7章数字电视调制和解调 3. 64QAM系统星座图系统星座图图7.4.7所示为64QAM调制的星座图，这种星座图经常使用。从图7.4.7可以看出，I、Q轴坐标是以等比级数排列的，所以我们称它为均匀星座图。相反，图7.4.8所示的星座图称为非均匀星座图。非均匀星座图在采用双重纠错方案的传输系统中经常使用。请读者注意区分这两个图中坐标的不同刻度。第7章数字电视调制和解调图 7.4.7 64QAM均匀星座图第7章数字电视调制和解调图 7.4.8 64QAM非均匀星座图第7章数字电视调制和解调在进行64QAM调制前，I和Q信号将先进行

30、升余弦平方根滚降滤波。滚降系数为0.15。下式定义了理论上的升余弦平方根滚降滤波：H(f)=1 (当|f|fN(1+)时) (7.4.6)(当fN(1)|f|fN(1+)时) (7.4.7) (7.4.8)式中：fN是奈奎斯特频率; 滚降系数 =0.15; Ts为矩形脉冲宽度。第7章数字电视调制和解调 4. 64QAM 奈奎斯特基带滤波器的特性奈奎斯特基带滤波器的特性图7.4.9给出了用最简单的硬件实现奈奎斯特滤波器的模板。这个模板不仅考虑了数字滤波的设计极限，也顾及了来自系统模拟处理部件的人为因素(例如，D/A转换、模拟滤波器等)。滤波器同带内的带内纹波rm值将提高到0.85fN，同时在奈

31、奎斯特频率中fN将降低0.4 dB。滤波器阻带抑制将高于43 dB。在fN之内滤波器应保持群迟延波动值0.1Ts(ns)的线性相位。其中Ts=1/Rs为符号间隔。第7章数字电视调制和解调图 7.4.9 奈奎斯特滤波器的模板第7章数字电视调制和解调奈奎斯特滤波器的模板参数详见表7.4.3。第7章数字电视调制和解调第7章数字电视调制和解调数字有线电视采用与卫星同样的MPEG-2压缩编码的传输流。由于传输媒介采用的是同轴线，与卫星传输相比外界干扰小，信号强度相对高些，所以前向纠错码保护中可以取消内码编码。调制方式改成 64QAM方式，有时也可以采用 16QAM、32QAM或更高的 1

32、28QAM、256QAM。对于 QAM调制而言，传输信息量越高，抗干扰能力越低。在一个8 MHz 标准电视频道内，如果使用 64QAM，则所传输的数据速率为 38.5 Mb/s。DVB-C在CATV网中的应用实例见表7.4.4。第7章数字电视调制和解调第7章数字电视调制和解调 7.5 /2旋转不变旋转不变QAM星座的获得星座的获得在数字电视信号传输中，接收端的相干载波是从收到的发送信号中提取的，由于信号集的布局不同，它可以在不同程度上产生相位不定度(phase ambiguity)。相位混淆程度与星座有关。当提取的相干载波发生90、180、270相移时，这样势必造成后面译码的差错。解决这

33、个问题的主要途径是将差分的概念应用到QAM调制中去，使星座信号点的角度取决于相对差值，而与角度的绝对值不直接挂钩。这种不受相干载波相位混淆的QAM星座称为/2旋转不变的QAM星座。为获得/2旋转不变的QAM星座图，每个符号的两个最高有效位进行差分编码。根据差分编码原理，不难看出，码变换器的输出IkQk与输入AkBk符合表7.5.1所示的逻辑关系。第7章数字电视调制和解调第7章数字电视调制和解调根据表7.5.1可得到卡诺图，如图7.5.1所示。因此由图7.5.1可得两个MSB位的差分编码如下：注：上述逻辑式中“”表示异或(EXOR)，“”表示逻辑或(OR)，“”表示逻辑与(AND)，上

34、画线表示反转。第7章数字电视调制和解调图 7.5.1 接收端码的卡诺图第7章数字电视调制和解调正如图7.5.2所示，改变两个MSB(即a1和b1)并根据表7.5.1中所示的规则，旋转q个LSB可将象限中的星座点转换到象限、中。也即用差分编码得到的两个最高位来规定信号矢量所处的象限，而其余比特用来规定每个象限中信号矢量的配置，并使这种配置呈现出/2的旋转对称性。这样，就可以消除相位模糊度对解调的影响。从图 7.5.3 可以清楚地看出，星座图中如果移去两个最高位不考虑，则相邻两个象限的配置呈现出/2 的旋转对称性。而两个最高位正好确定它所处象限的位置。如图7.5.3所示，a1b1的矢量安排

35、满足/2的旋转不变的原则，第7章数字电视调制和解调结果恢复载波的相位无论是0、90、180、或270，解调输出的矢量代码将保持不变。当=0时，根据图中A点与I轴的位置关系，译出其代码为11。当=90时，恢复载波与Q轴同相，此时A点与Q轴的位置关系相当于A点和I轴的位置关系，解出的代码仍为11。可以判定解调得到与a1b1相位模糊度无关。图 7.5.3 表示的是16QAM调制符合/2的旋转不变原则的星座图。表7.5.2表示了图 7.5.3 中第象限星座点到星座图中其它象限的转换关系。32QAM、64QAM调制符合/2的旋转不变原则的星座图见图7.5.4和图7.5.5。第7章数字电视调制和解

36、调图 7.5.2 QAM调制中两个最高位进行差分编码第7章数字电视调制和解调图 7.5.3 16QAM调制符合/2的旋转不变原则的星座图第7章数字电视调制和解调第7章数字电视调制和解调图 7.5.4 32QAM调制符合/2的旋转不变原则的星座图第7章数字电视调制和解调图 7.5.5 64QAM调制符合/2的旋转不变原则的星座图第7章数字电视调制和解调 7.6 Offset-QAM 数字调制技术数字调制技术1. Offset-QAM调制电路框图调制电路框图QAM调制广泛应用于数字有线电视网传输中。在此，介绍一种高精度数字QAM调制系统的硬件电路设计。整个系统基于LSI Log

37、ic公司生产的L64767 QAM 编码芯片。L64767 QAM 编码芯片是一个专用于卫星电视接收系统的高集成化器件，具有QAM调制数字信号处理的全部功能。将数字卫星接收下来的信号经QPSK数字解调后，再送入L64767进行QAM数字调制，调制后的信号可以送往数字有线电视网中。第7章数字电视调制和解调以这一芯片为基础，加上输入信号预处理电路、I/Q合成电路、D/A变换电路，就构成了基带数字QAM调制系统。整个系统可以接收来自MPEG-2传输编码器或卫星接收机的输入数据，输出的数据经调谐电路可直接送到有线电视传输系统中。Offset-QAM调制电路框图见图7.6.1。第7章数字电视调制和

38、解调图 7.6.1 Offset-QAM调制电路框图第7章数字电视调制和解调该QAM全数字调制系统具有以下特点：(1) 可以对MPEG数据流进行16、32、64、128或256QAM调制，也即调制系数是可以选择的。(2) 对于I、Q信号进行数字式合成。(3) 只需要一个数/模转换器。(4) I、Q合成后直接连到中频。(5) 可以下载QAM调制所需的奈奎斯特滤波系数。(6) 在滤波系数下载后，整个系统自行工作。可以接收外部MPEG数据流，也可以用其内部的伪随机码源产生一个比特流用于测试。第7章数字电视调制和解调由图7.6.1可见，整个系统可分为以下几个部分：(1) 输入差分处理。这是Q

39、AM全数字调制系统的输入部分，DVB兼容的信号通常来源于QPSK解调器或MPEG视频源。MPEG数据流可以是字节并行或比特串行格式。每一个输入信号都是差分对的形式，所以先进行差分处理，使数据由双极性变换为单极性。第7章数字电视调制和解调 (2) 伪随机码源。这一模块要求执行两个功能：切换输入源到QAM调制器，完成输入的重同步，产生伪随机数据用于测试。当没有外部数据输入时，由伪随机码源PRBS产生周期性的伪随机码，用于系统测试QAM调制器的性能。随机码的生成多项式为。当有外部数据输入时，对输入数据整形后送至后续的QAM数字调制器电路中。因此，这一模块将包括一个数据源选择电路，而内、外数据源

40、选择的控制信号由微处理器电路提供。本实验用一片CPLD来编程实现这些功能。第7章数字电视调制和解调 (3) QAM调制。QAM调制模块基于L64767芯片，它接收来自卫星或PRBS的数据，并对输入的数据进行QAM调制所要求的一切数字信号处理过程，其输出是两路相互正交的10 bit信号I和Q。(4) I/Q合成电路。I/Q合成电路将QAM数字调制器L64767输出的10 bit的I和Q信号合成为一路码流。输入数据率为符号时钟，转换器以4倍符号率对信号进行过抽样。将I、Q信号数字合成可以改善系统性能，并降低成本。因为传统的合成信号的方法要用两个DAC，分别对I、Q两路信号进行D/A变换，然后再将

41、两路模拟信号叠加。这样，如果两个DAC没有完全匹配, 将产生相位失真, 导致接收端误比特率增加。第7章数字电视调制和解调 (5) D/A变换电路。10 bit的DAC电路将数字I、Q合成信号变换成模拟信号。DAC本身是一个非线性器件，所以还要应用补偿电路进行补偿。本系统是在DAC之后使用模拟放大电路来进行补偿的。(6) LC滤波电路。LC滤波电路是一个带通滤波器，可以消除数/模转换过程中产生的高频谐波分量。滤波器要设计成在整个滤波范围内的群迟延为线性，因为任何非线性滤波都将导致信号失真。第7章数字电视调制和解调 2. Offset-QAM调制原理分析调制原理分析从L64767输出的信号是两

42、路10 bit的I、Q数字信号，首先就要把这两路数字信号合为一路信号，再对一路合成数字信号进行模/数转换，将其变为模拟MQAM 信号，经调谐发送至信道。这种I、Q信号的数字合成比传统的QAM调制少用了一个D/A变换器，这样可消除两个DAC锁相不稳定造成的影响，提高了系统性能。第7章数字电视调制和解调设发信MQAM波形可表示为u(t) T=I(t)cos(2fct)+Q(t)sin(2fct)A/D变换器的抽样速率为fs, 则相应上式可用下述离散化形式表达：u(k) T=I(k)cos(2fc/fsk)+Q(k)sin(2fc/fsk) (0k+) (7.6.1)如果假设在每一周期中仅取4个

43、等间隔样点，即fs=4fc，则有 (7.6.2) 而可以表示为1，0，1，0，抽样序列，可以表示为0，+1，0，1，抽样序列，相应同相及正交样本序列构成的u(k)样本序列即变成为以下形式： I1，Q2，I3，Q4，I5，Q6，I7，Q8，。第7章数字电视调制和解调由此数字式调制过程即相当于交替对I、Q两路数据抽取样值，并隔组求反，组成一个输出序列，送至D/A变换器，转换成模拟MQAM信号，即完成了此全数字调制处理。由以上分析，设计I、Q合成的电路即只要交替对L64767输出的I、Q两路数据抽取样值，并隔组求反，组成一个输出序列，就可将I、Q两路数字信号合成为一路。本系统I、Q合成电路的

44、设计仍是用一片EPM7128实现。而对I、Q两路数字信号抽取样值并隔组求反的操作，用VHDL语言编程可轻易实现。第7章数字电视调制和解调 I、Q两路数据抽取样值的过程及I、Q抽取样值的合成过程详见图7.6.2。从该图可以看出，正交调制的精度，即严格的/2关系，由对I、Q信号进行抽样来确保。而抽样时钟的精度可以做得很高，也就是确保了严格的正交关系，从某种意义上来说消除了相位模糊度，数字解调时不会造成误码，也即抗误码能力很强。第7章数字电视调制和解调图 7.6.2 I、Q两路数据抽取样值的过程及I、Q抽取样值的合成过程详图第7章数字电视调制和解调 7.7 M-VSB(残留边带残留边带)数字

45、调制技术数字调制技术1. 8-VSB的实现原理的实现原理美国地面广播采用8-VSB数字调制。8-VSB的格状编码器、预编码器、符号映射器如图7.7.1所示。ATSC标准系统的 VSB传输模式采用 2/3(R=2/3)的格状编码(具有一个未编码比特)，也即采用1/2的卷积编码，将一个输入码编码为两个输出比特，而另一个输入比特则保持未编码(见图7.7.1中X1输入，两个Z0、Z1输出)。第7章数字电视调制和解调图 7.7.1 8-VSB格状编码器、预编码器、符号映射器第7章数字电视调制和解调数字调制采用的信号波形是 8电平(3 bit)一维的星座，采用相对简单的(短的) 4状态格状编码器。

46、长的格状编码会造成较长的突发差错并需要更多的交织过程。如图7.7.2所示，串行数据以每组3 bit输入到串/并转换器中，经串/并转换以后，送入D/A中，由数字信号变为模拟信号，然后送入调制器进行幅度调制，调制后的信号最后经残留边带滤波后，则完成了残留边带的调制过程。第7章数字电视调制和解调图 7.7.2 8-VSB实现框图第7章数字电视调制和解调假设输入的串行数据流速率为10 Mb/s，因此D/A变换器的输入速率为(10/3)Mb/s。由信息论知识可得，1 Hz最高可传输PCM信号2 bit，所以它的基带信号最高频率为(7.7.1)由平衡调制原理知，调制后的信号带宽为(7.7.2)第7

47、章数字电视调制和解调若只考虑单边带(SSB)滤波，则SSB的频谱利用率为(7.7.3) 残留边带滤波器的频率特性如图7.7.3所示。第7章数字电视调制和解调图 7.7.3 残留边带滤波器的频率特性第7章数字电视调制和解调从图7.7.3可以看出，VSB让一个边带全部通过，而另一个边带只残留了一部分余迹。VSB比单边带SSB带宽多一部分，因此其频谱利用率降低。降低量由滚降系数决定，=fr/fH。一般，滚降系数取值为0.10.25，它表示残留边带占信号带宽的多少。这里，我们取为0.12，则可得8-VSB的频谱利用率为660.125.3 b/(sHz) (7.7.4)第7章数字电视调制和

48、解调 2. 16-VXB的实现原理的实现原理16-VSB原理与8-VSB基本相同，只是串行数据流以4 bit为一组送入D/A变换器中。进行与上面相似的分析，可得16-VSB的频谱利用率为(取滚降系数为0.11) 880.117.1 b/(sHz) (7.7.5)第7章数字电视调制和解调 7.8 OFDM数字调制技术数字调制技术1. OFDM调制的引出调制的引出在无线传输系统，特别是电视广播系统中，由于城市建筑群或其它复杂的地理环境，发送的信号经过反射、散射等传播路径后，到达接收端的信号往往是多个幅度和相位各不相同的信号的叠加，使接收到的信号幅度出现随机起伏变化，形成多径衰弱。信号频率选择性的

49、衰减，会导致信号畸变。在实际的移动通信中，多径干扰根据其产生的条件大致可分为以下三类：第一类多径干扰：是由于快速移动的用户附近物体的反射形成的干扰信号，其特点是在信号的频域上产生Doppler(多普勒)扩散而引起的时间选择性衰落。第7章数字电视调制和解调第二类多径干扰：是由于远处山丘与高大建筑物反射形成的干扰信号，其特点是信号在时域和空间角度上发生了扩散，从而引起相对应的频率选择性衰落和空间选择性衰落。第三类多径干扰：是由于基站附近的建筑物和其它物体的反射而形成的干扰信号，其特点是严重影响到天线的信号入射角分布，从而引起空间选择性衰落。第7章数字电视调制和解调为了克服这三类多径干扰

50、而引起的三种不同的选择性衰落，人们绞尽脑汁想尽了一切办法，如：专门为克服由角度扩散而引起的空间选择性衰落的分集接收技术; 专门为克服由多普勒频率扩散而引起的时间选择性衰落的信道交织编码技术; 专门为克服由多径传播的时延功率谱的扩散而引起频率选择性衰落的Rake接收技术等。现在采用多载波传输的方式，来研究如何克服由多径传播的时延功率谱的扩散而带来的频率选择性衰落。多载波传输的概念出现于20世纪60年代。第7章数字电视调制和解调图7.8.1是一种多载频调制原理框图。设有L个载波，并有L个比特，每个比特对应一个载波进行正交调制，调制以后的频谱可示于图7.8.2。图7.8.1中2L个子通道以1/T

51、波特率同步工作。其中，第1L个子通道的输入数据延迟T/2。这样，在k信道和(Lk)信道中的基带信号在载波频率fk上进行抑制载波的调幅，这里： fkf1(k1)f0 (1kL)f0代表波特率1/T。因此，相邻的载波频率以波特率相间。这样，第k个和第(kL)个信号形成第k级的QAM信号。满足奈奎斯特准则的滤波器G()不论在发送端或接收端都相同。我们把这种多载波正交调制称做OFDM调制。第7章数字电视调制和解调图 7.8.1 OFDM系统的一种实现方案第7章数字电视调制和解调图 7.8.2 OFDM信号频谱第7章数字电视调制和解调 2. 多载频到单载频的解决方案多载频到单载频的解决方案

52、OFDM调制常要几百或上千个载频，这给实际应用带来了极大困难，Weinstein提出了一种利用离散傅里叶变换(DFT)来实现OFDM的方法使多载波概念变成单载波概念来处理，这大大地简化了处理电路。设OFDM信号发射周期为0，T，在一个周期内传输的N个符号为(C0，C1，CN1)，Ck为复数。因为第k个载波，所以合成的OFDM信号为 (7.8.1)第7章数字电视调制和解调在一般OFDM系统中，fk选择为fk=fc+kf (7.8.2)式中，fc为系统的发射载波，f为子载波间的最小间隔，一般取(7.8.3) ts为符号序列(C0，C1，CN1)的时间间隔，显然，T=Nts。第7章数字电视调制

53、和解调将式(7.8.2)和式(7.8.3)代入式(7.8.1)得(7.8.4)其中：(7.8.5)为X(t)的低通复包络。第7章数字电视调制和解调如以为抽样频率对s(t)抽样，0，T内共有个样值，则(7.8.6)可见，以fs对s(t)抽样所得的N个样值Sn正是Ck的逆傅氏变换。因此OFDM系统可以这样来实现：在发送端，先由Ck的IDFT(离散傅里叶反变换)求得Sn，再经过一低通滤波器即得所需的OFDM信号s(t); 在接收端，先对s(t)抽样得到Sn，再对Sn求DFT(离散傅里叶变换)即得Ck。当N=2m(m为正整数)时，可用快速算法，实现极其简单。这样，把多载波概念转换成基带数字信号

54、处理，实际调制时只釆用单载波，如图 7.8.3 所示。第7章数字电视调制和解调图 7.8.3 OFDM数字调制与解调(a) OFDM数字调制; (b) OFDM数字解调第7章数字电视调制和解调 3. 消除码间干扰的措施消除码间干扰的措施由于OFDM信号的频谱不是严格限带，多径传输引起线形失真，使得每个子信道的能量扩散到相邻信道，从而产生符号间的干扰。解决的方法是延长符号的持续时间或增加载波数量，使失真变得不是那么明显。然而由于载波容量，多普勒效应以及DFT大小的限制，这种方法很难实现。另一种防止符号间干扰的方法是周期性地加入保护间隔，在每个OFDM符号前面加入信号本身周期性的扩展。符号总

55、的持续时间Ttotal=T, 是保护间隔，T是有用信号的持续时间。当保护间隔大于信道脉冲响应或多径延迟时，就可以消除符号间的干扰。由于加入保护间隔会导致数据流量增加，因此通常小于T/4。带有保护间隔的OFDM的时频表示中，信号频域重叠，在时域通过保护间隔分开，这种结构符合电视广播信道的特性，如图7.8.4所示。第7章数字电视调制和解调图 7.8.4 采用保护间隔的OFDM的时频表示第7章数字电视调制和解调 4. OFDM的时域表示的时域表示 (1) OFDM时域原理示意图。图7.8.5所示为OFDM时域原理示意图。(2) OFDM时域原理解释。输入为高速串行信息数据码元1，2，N，经过

56、串并的S/P变换后为N路低速码元，再分别调制在N个正交子载波上，最后在时域波形上相加合并发送至信道。实际发送的并行码元信号周期TpNTs，即大于串行信息码元周期的N倍，而为给定信号带宽的B中所选用的子载波数。 N越大，实际发送的并行码元信号周期Tp(NTs)就越长，抗符合间串扰(ISI)的能力也就越强。同时OFDM信号的功率谱也就越逼近理想低通特性。第7章数字电视调制和解调图 7.8.5 OFDM时域原理示意图第7章数字电视调制和解调图7.8.6所示为N=16的OFDM信号功率谱密度图，图中纵坐标为归一化频率。为了比较，图中也给出了BPSK的归一化功率谱密度。第7章数字电视调制和解

57、调图 7.8.6 OFDM归一化功率谱第7章数字电视调制和解调 5. OFDM的等效频域表示的等效频域表示(1) 数学表达式。由前面OFDM的时域表示，我们可以直接给出相应的等效频域表达式，即矩阵表达式为R=HS+N (7.8.7)其中： R为接收信号矩阵，R=(R1R2)T; H为信道矩阵，反映信道的复衰落系数，H为KcKc，则Kc为并行子系统(子载波)数; S为信源矩阵，S=(S1S2 )T; N为叠加性高斯白噪声(AGWN)，N=(N1N2 )T (7.8.8)第7章数字电视调制和解调信道矩阵H由于采用了Kc个正交子载波，则有(7.8.9) H为一对角线矩阵，而对角线上的元素H

58、n(n=1，2，Kc)表示每个子信道的平坦衰落系数。第7章数字电视调制和解调 (2) OFDM系统的频域表示。根据以上数学分析，OFDM系统频域等效框图如图7.8.7所示。图 7.8.7 OFDM频域等效框图第7章数字电视调制和解调为了便于物理实现，将式R=HS+N改写为频域的变量表达式，即Rn=HnSn+Nn(n=1，2，Kc) (7.8.10)其中： Rn表示频域接收信号序列中第n个值; Sn为信源信号序列中第n个值; Hn为n个子载波信道的复衰落系数; Nn为第n个子信道的AWGN。OFDM符号和OFDM帧的时频结构直观表示如图7.8.8所示。第7章数字电视调制和解调图 7.

59、8.8 OFDM符号和OFDM帧的时频结构(a) OFDM符号; (b) OFDM帧第7章数字电视调制和解调实际应用中，经常将Ks个OFDM符号组合为一个OFDM帧，其帧长为(7.8.11)而即OFDM的符号周期应为理论周期Ts加上插入的保护间隔Tg 。其中max表示最大延时。第7章数字电视调制和解调 6. OFDM调制实际电路举例调制实际电路举例OFDM-OBL在800 MHz带宽的应用证明了数字开路广播系统用OFDM调制方案的可行性。OFDM-OBL试验的一般结构如图7.8.9所示，其技术规格见表7.8.1。下面对图7.8.9各框图部分加以说明。第7章数字电视调制和解调第7章数

60、字电视调制和解调 (1) 信源编码：视频编码包括离散余弦(DCT)编码、运动补偿和霍夫曼编码等。音频压缩技术采用MPEG的层2。编码后的视频数据信息比特率是从7.146 Mb/s到15.066 Mb/s。音频信息比特率是384 kb/s。信源编码器的输出数据是包含视频和音频数据的一系列数据流，它和R-S(240，225)纠错码有相同的数据。信源输出数据速率有8.32 Mb/s、12.64 Mb/s、16.48 Mb/s。第7章数字电视调制和解调 (2) 纠错：信源数据经过长度为T的卷积纠错，当信源的比特率为8.34 Mb/s和12.64 Mb/s时，卷积码的速率分别为它的1/2和3/4。在1

61、6.48 Mb/s的比特率情况下，纠错仅仅在信源编码中由R-S码提供。卷积编码(TCM)后，在频域和时域内对每一个OFDM帧进行数据交织。因为电视直播传输需要有一个稳定的信源播送，所以交织起到非常关键的作用。时域交织器跟在R-S编码器之后，在R-S码间进行时域交织，将TCM解码后的连续误码分散到不同的R-S码字中，使其不超过R-S码的纠错能力。频域交织的作用是使相邻格状编码的信号点在时间上分开，以便突发干扰点的噪声相对均匀，使其分散在不同格状编码点，而不是集中在连续的几个信号点上超出TCM解码的能力。频域交错提高了TCM对同频干扰的抵抗能力，因为它将使同频干扰严重的载波分量分散开。第7章数字

62、电视调制和解调 (3) 调制：经过不同的编码和格雷映射，频域的数据通过IDFT处理转换到时域，其中DFT的载波数是1024个。为了获得较强的抗多径衰落的能力，OFDM的每一个载波采用DQPSK调制方法，并且每个载波的相位是正交的。每一个OFDM载波采用什么样的调制方法关键是看其抵抗传播状况的能力。如果传播状况变化得很快，则采用不同的调制方法比采用单一的调制方法更可取。因此在移动的数字传播条件下，对每一个OFDM载波，既可采用同样的调制方法也可采用不同的调制方法，如QPSK和QAM。因为在信源数据的传播中，多径延迟传播比地面广播系统短，又因为FFT的载波数量是1024个，在频域内基带滤波需要多余

63、的带宽，因此有效的符号长度为64 s。第7章数字电视调制和解调复杂的FFT的输入数据也仅仅为572个数据点，被调制在不同的载波上，剩余的载波都被调制上零数据。这时的带宽是9MHz，并且功率谱密度的形状是矩形。加入的保护间隔也是IFFT输出数据的一部分，我们能够从基带的OFDM码元中获得样值。考虑到中继的距离短，接收方的定向天线、传播能力和传播环境等因素，保护间隔的长度为2 s。码元的数据通过低通基带滤波，经过D/A 转换，再通过正交调制转换到中频带，然后通过频率转换装置在射频带传播。第7章数字电视调制和解调 (4) 帧结构：一个OFDM帧包含1000个码元，其中4个是同步码元(1个0码元

64、、1个扫描码元和2个参考码元)。同步位包含帧时钟、码元时钟、FFT样点时钟以及其它的时钟。它是通过探测0码元和扫描码元来确定的。(5) 解调：在接收方，每一个OFDM载波上的数据能够通过FFT处理器解调。只要多径的延迟没有超出保护间隔的长度，载波上的数据就能够被正确地解调。由于频率交织，每一个载波上的相位旋转在FFT处理前通过相位旋转装置进行了补偿，同时A/D变换装置的输入通过自动增益控制进行了优化。第7章数字电视调制和解调 (6) 实际应用：因为数字广播系统的音频和视频编码朝着国际上统一的标准发展，所以数字开路广播链路的信源编码采用统一的标准。信源的比特率要在传输容量与信源的质量之间找到一

65、个平衡点。OBL中的OFDM的有效码元的长度要考虑传播路径的延时和时变衰减。同时这个参数还取决于硬件的限制。如FFT载波的个数和大规模集成电路处理的速度。假定采用统一的带宽，增加有效的码元长度和保护间隔同增加FFT的载波数可以达到一样的效果。硬件技术的发展对OFDM装置性能的改善起着重要的作用。保护间隔的长度大于最大的多径延迟是可取的，但是在OBL中保护间隔的长度不能取得太长。因为在OBL中，即使在保护间隔内，也会有短延迟的多径信号和严重第7章数字电视调制和解调的错误出现，所以有必要确定保护间隔的长度，以避免冗余码不能进行充分的纠错。体积小和低功耗是实际应用中要考虑的主要因素，因此必须尽量

66、将数字处理部分集成到大规模集成电路上。传统情况下，在大规模的电视直播传输中需要大量的接收基站和定向天线。当应用OFDM-OBL时，可以减少基站的数量并应用非定向的天线。由于它的良好的抗多径传播的性能，OFDM调制方案还能够形成单一频率网络。第7章数字电视调制和解调 (7) 结论：在QPSK-OFDM传输试验中，得到了如下的结论：这里我们采用的是在9 MHz 带宽中采用572个载波和2 s的间隔。数字OBL采用OFDM调制方案在多径延迟条件下能保持稳定的传播。在OBL中采用OFDM，对移动信源不必采用跟踪的定向天线，取而代之的是非定向天线和较少的接收基站，就可以在多径环境中取得优良的性能。可以

67、预料到，OFDM调制方案可以改善移动信源电视广播传播的操作，并且在大规模的传播中简化中继网络。第7章数字电视调制和解调 (8) 欧洲DVB标准的COFDM：欧洲DVB-T数字电视开路标准采用了正交频分复用调制 (OFDM)。在这种调制方式内，可以分成适用于小范围的单发射机运行的2k载波方式，适用于大范围多发射机的8k载波方式。在进行OFDM之前，往往还采用内码编码(卷积编码)。这样，编码和调制合起来又称为COFDM，COFDM调制方式将信息分布到许多个载波上面，这种技术曾经成功地运用到了数字音、视频广播DAB上面，用来避免传输环境造成的多径反射效应，其代价是引入了传输“保护间隔”。这些“

68、保护间隔”会占用一部分带宽，通常 COFDM的载波数量越多，对于给定的最大反射延时时间，传输容量损失就越小。但是总有一个平稳点，增加载波数量会第7章数字电视调制和解调使接收机复杂性增加，破坏相位噪声灵敏度。由于COFDM调制方式的抗多径反射功能，它可以潜在地允许在单频网中的相邻网络的电磁覆盖重叠，在重叠的区域内可以将来自两个发射塔的电磁波看成是一个发射塔的电磁波与其自身反射波的叠加。但是如果两个发射塔相距较远，发自两塔的电磁波的时间延迟比较长，系统就需要较大的保护间隔。第7章数字电视调制和解调 7. OFDM的频谱利用率的频谱利用率接下来分析QAM-OFDM的频谱利用率。设串行数据流

69、的符号周期为t，各子载波间的最小间隔为f。为提高频谱利用率，一般取(串行传输的符号被分成长度为N的段)。OFDM系统的总带宽为B=fN1f0+2，其中fk(0kN1)为第k个子载波，为子载波的单边带宽，如图7.8.10所示。第7章数字电视调制和解调图 7.8.10 OFDM系统带宽第7章数字电视调制和解调因为fN1f0=(N1)f，又有，所以由于N个子载波用MQAM调制，MQAM的频谱利用率为lbM，因此，OFDM系统的频谱利用率为 (7.8.12)第7章数字电视调制和解调对于各子载波满足正交性且各子载波的频谱为严格的带限频谱的OFDM系统，有，所以。但在实际中, (为滚降系数)

70、第7章数字电视调制和解调相应的频谱利用率为 (7.8.13) 在OFDM系统中，要想获得较高的频谱利用率，应选择较大的N值，同时应尽可能使滚降系数小一些。第7章数字电视调制和解调 7.9 QPSK、MQAM、M-VSB 、OFDM小结小结以上针对数字电视传输系统中常用的几种数字调制方式的功率谱特性及其频谱利用率进行了数学分析，表7.9.1列出了各种数字调制技术频谱利用率的理论值和实用值。表7.9.2 为4种典型数字调制技术实现的难易比较。第7章数字电视调制和解调第7章数字电视调制和解调第7章数字电视调制和解调在进行数字传输系统的设计时，调制方式的选择依赖于所采用的传输信道特性

71、。例如，CATV上行信道存在漏斗效应，卫星信道的天电干扰较严重，应选择抗干扰能力较强、但频谱利用率不高的QPSK技术; 在地面无线传输中，多径效应较为严重，可采用抗多径干扰显著的OFDM技术; 而在CATV下行信道中，干扰较小，可采用频谱利用率较高的QAM技术。总之，设计者应根据传输信道的具体特性来合理选择数字调制方式，以便更有效地利用信道资源，消除各种噪声干扰。第7章数字电视调制和解调 7.10 字节到符号的映射字节到符号的映射此处的字节指的是传输流中每个字节的数据，通常每个字节的数据量永远不变，为8 bit。符号指的是送到数字调制器去的一组数据，一般是并行送出的，每组数据称做一个符号。

72、采用的数字调制的方法不同，一个符号所包含的比特数目就不相等。例如，16QAM数字调制器输入的一个符号数据量为4 bit，32QAM为5 bit，64QAM为6 bit，8-VSB为3 bit, 16-VSB为4 bit等。针对不同的数字调制方法，要把字节(8 bit)数据映射成一个一个符号，再进行数字调制。第7章数字电视调制和解调在卷积交织后，字节到符号的映射要精确地执行。在调制系统中，映射依赖于比特边缘。在每一种情况下，符号Z的MSB由字节V的MSB所取代。相应地，下一个符号的有效位将被下一个字节的有效位取代。在2m-QAM调制中，处理器将从k比特映射到n个符号，如： 8k=nm (7.

73、10.1) 图7.10.1中以64QAM (其中m=6，k=3 and n=4)为例说明了处理过程。第7章数字电视调制和解调图 7.10.1 用于64QAM的字节到m比特符号的转换第7章数字电视调制和解调美国有线电视网曾采用过16-VSB数字调制，在调制之前要进行字节到符号的映射，它的映射方式如图7.10.2所示。因为16-VSB中每个符号需4 bit信息，所以一个字节可映射成两个符号。第7章数字电视调制和解调图 7.10.2 16-VSB映射器第7章数字电视调制和解调 7.11 反向信道反向信道(上行信道上行信道)数字调制技术数字调制技术1. 上行信道调制上行信道调制上行信道

74、主要用于用户的点播数据传输，对信号的调制方式有以下4种:(1) 四相移相键控(QPSK)调制;(2) 离散小波多音调制(DWMT);(3) 同步码分多址(S-CDMA)调制;(4) 同步离散多音调制(SDMT)。第7章数字电视调制和解调 2. 回传信道协议回传信道协议IEEE802.14 Cable TV LAN MAC/PHY 提出的媒体访问控制(MAC)协议，必须满足如下要求： (1) 能满足恒定比特速率(CBR)、变比特速率(VBR)和可用比特速率(ABR)业务的动态带宽分配要求; (2) 兼容IEEE802.X协议; (3) 支持物理层技术的升级; (4) 兼容ATM技术; (5)

75、支持对称和非对称传输; (6) 信道容量大; (7) 接入延时低; (8) 支持城域覆盖。第7章数字电视调制和解调世界各国提出许多MAC协议，归结起来可分为两大类：分布式协议和集中式协议。在分布式协议中没有集中控制器，例如载波侦听冲突检测(CSMA/CD)和R-ALOHA协议。集中式协议提供了更好的定时机制来避免冲突，如IBM公司的MLAP(MAC水平接入协议)、亚特兰大科技公司的XDQRAP(扩展分布式排队随机接入协议)、AT&T贝尔实验室的ADAPt(自登记)协议、佐治亚理工学院的CPR(集中式优先级预约)协议、TDMA(时分多址)协议、 PCUP(流水线循环上行)协议等。表7.1

76、1.1列出了它们之间的性能比较。第7章数字电视调制和解调第7章数字电视调制和解调习习题题7-1 通信系统中学过哪些数字调制技术？ 7-2 为什么OFDM数字调制的抗干扰性强？7-3 简述OFDM数字调制原理。为什么它能提高频谱利用率？请举例作定量分析。7-4 采用数学方法证明可将多载频的OFDM调制变成单载频调制。7-5 试证明OFDM系统的频谱利用率为第7章数字电视调制和解调 7-6 画出16QAM数字电视信号调制框图，计算它的频谱利用系数理论值，并说明整个计算过程。7-7 画出64QAM数字电视信号调制框图，计算它的频谱利用系数理论值，并说明整个计算过程。7-8 试证明8-V

77、SB的频谱利用系数为5.3 b/(sHz)。7-9 试证明16-VSB的频谱利用系数为7.1 b/(sHz)。7-10 试证明OFDM-MQAM的频谱利用率为注：为滚降系数(一般为0.10.15); N为子载波数。第7章数字电视调制和解调 7-11 为什么要把QAM星座图变成/2旋转不变星座图？7-12 请分别画出64QAM调制的均匀星座和非均匀星座图，并解释各有什么作用。7-13 说明64QAM调制如何获得/2旋转不变的星座图。7-14 下行信道有哪几种数字调制方法？每种方法的特点是什么？7-15 上行信道有哪几种数字调制方法？每种方法的特点是什么？7-16 比较QPSK、16QAM、64QAM星座图，解释随着各象限星座点数的增加抗干扰能力越差的原因。第7章数字电视调制和解调 7-17 解释在获得了行/2旋转不变星座图的情况下为什么能消除相位模糊度。7-18 为什么要进行字节到符号的映射？如何完成16-VSB调制前的字节到符号的映射？7-19 解释Offset-QAM调制具有很强的抗相位模糊度的原因。7-20 在数字有线电视网中，为什么反向信道调制比正向调制要求具有更强的抗干扰性？

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