【正文】 即最高移動(dòng)速度要達(dá)到中國動(dòng)車組火車 200 km/h、 300 km/h，甚至 400 km/h環(huán)境下正常觀看手機(jī)電視的要求。因此，BPSK可以作為手機(jī)電視的調(diào)制方式。 第 7章 數(shù)字電視調(diào)制和解調(diào) QPSK數(shù)字調(diào)制技術(shù) 采用 QPSK、 MQAM、 MVSB、 COFDM及 OffsetQAM高速數(shù)字調(diào)制技術(shù)，能有效地提高頻譜利用率，提高抗干擾能力，滿足數(shù)字電視系統(tǒng)的傳輸要求。下面將對(duì)它們的工作原理作簡要的介紹，并在此基礎(chǔ)上用復(fù)包絡(luò)法 (也稱為等效基帶法 )對(duì)它們的功率譜進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)學(xué)分析，得出這幾種數(shù)字調(diào)制技術(shù)的譜特性。 四相移相鍵控 (QPSK)是目前微波、衛(wèi)星及有線電視上行通信中最常采用的一種單載波傳輸方式，它具有較強(qiáng)的抗干擾性，在電路實(shí)現(xiàn)上也比較簡單。四相移相鍵控等效于二電平正交調(diào)幅，它是討論正交幅度調(diào)制的基礎(chǔ)。 QPSK是一種恒定包絡(luò)的角度調(diào)制技術(shù)，其調(diào)制器框圖如圖 。 第 7章 數(shù)字電視調(diào)制和解調(diào) 圖 QPSK調(diào)制器 第 7章 數(shù)字電視調(diào)制和解調(diào) 由圖 ， QPSK包含同相與正交兩個(gè)分量。每個(gè)分量都用二進(jìn)制序列分別進(jìn)行鍵控。功率譜公式為 () 式中： Ss(f)為功率譜 。 A為信號(hào)幅度 。 f0為載頻 。 Ts為矩形脈沖寬度。 QPSK的功率譜密度如圖 。 ? ?? ?2200si n π()2 πssssf f TATSff f T?? ?? ?????第 7章 數(shù)字電視調(diào)制和解調(diào) 圖 QPSK的功率譜密度 第 7章 數(shù)字電視調(diào)制和解調(diào) MPSK的頻譜利用率為 lb M b/(sHz)。 M＝ 4時(shí)，即 QPSK的頻譜利用率為 2 b/(sHz)。 QPSK在實(shí)際應(yīng)用中往往還與其它處理電路相連接，使其功能更加完善。如圖 ，下面我們作進(jìn)一步分析。從圖，在 QPSK調(diào)制之前有卷積編碼、收縮及基帶形成處理。 第 7章 數(shù)字電視調(diào)制和解調(diào) 內(nèi)碼使用卷積編碼，這一系統(tǒng)允許使用不同比特收縮卷積碼 (Punctured Convolutional Codes)，但都基于 1/2卷積碼，其約束長度 K＝ 7。使用這種方法可以使使用者根據(jù)數(shù)碼率來選擇相應(yīng)的誤碼糾正的程度。從圖 ，串行比特流先按1/2卷積編碼成 X、 Y，然后經(jīng)去除不傳送的比特 (這一過程稱為收縮 (Puncturing))。各種比率卷積碼在收縮過程中傳輸和不傳輸?shù)谋忍匾姳?。該系統(tǒng)使用卷積格雷碼 QPSK調(diào)制，但不使用差分編碼而使用絕對(duì)比特映射，其星座圖見圖 。 第 7章 數(shù)字電視調(diào)制和解調(diào) 第 7章 數(shù)字電視調(diào)制和解調(diào) 圖 卷積格雷碼 QPSK調(diào)制 第 7章 數(shù)字電視調(diào)制和解調(diào) QPSK調(diào)制使用具備完全映射的傳統(tǒng)格雷碼 (無差錯(cuò)編碼 )。信號(hào)空間位映射如圖 。 在調(diào)制前， I和 Q信號(hào)要進(jìn)行升余弦平方根濾波，滾降系數(shù)應(yīng)是 ，其形狀由下式定義： (當(dāng) |f|fN(1α)或 |f|fN(1+α)時(shí) ) (當(dāng) fN(1α)≤|f|≤fN(1+α)時(shí) ) 式中： 滾降系數(shù) α=。 ，是 Nyquist頻率， Ts為矩形脈沖寬度。 圖 。 120() 11 πsi n2 2 2NNHf fff ????? ? ?? ? ? ??? ?? ??? ?????Ns12f T?第 7章 數(shù)字電視調(diào)制和解調(diào) 圖 基帶頻域表示的調(diào)制器輸出信號(hào)頻譜 第 7章 數(shù)字電視調(diào)制和解調(diào) 下面對(duì) QPSK 誤碼性能進(jìn)行分析。 連接在 IF環(huán)中的 QPSK調(diào)制解調(diào)器應(yīng)滿足表 統(tǒng)中 IF環(huán) BER和 Eb/No 第 7章 數(shù)字電視調(diào)制和解調(diào) 注：① Eb指的是 RS編碼前的有用位率，包括由于外部編碼 (10 lg(188/204)= dB)所造成的調(diào)制器、解調(diào)器共造成 dB的衰減和噪聲帶寬的增加。 No指的是出現(xiàn)的噪聲誤碼。 ② 準(zhǔn)無誤 (QEF)是指每小時(shí)傳輸少于一個(gè)未糾誤碼，對(duì)應(yīng)于 MPEG2解復(fù)用器輸入 BER=10－ 10到 10－ 11。 第 7章 數(shù)字電視調(diào)制和解調(diào) 表 IF環(huán)的各項(xiàng)性能指標(biāo)。表 (標(biāo)準(zhǔn)的 )調(diào)制器輸出信號(hào)的頻譜圖 給出了調(diào)制器輸出信號(hào)頻譜的模板，同時(shí)也給出了 Nyquist調(diào)制濾波器的硬件實(shí)現(xiàn)的可能掩模板。圖 和圖 A到 S的特性有一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。對(duì)于濾波器頻率響應(yīng)，假設(shè)輸入信號(hào)為理想的 Dirac Delta信號(hào)，信號(hào)周期 Ts=1/Rs=1/(2fN), 在矩形波輸入的情況下，則要進(jìn)行適當(dāng)?shù)?x/sinx校正。圖 給出了 Nyquist 調(diào)制濾波硬件實(shí)現(xiàn)的群遲延。圖 是以國際衛(wèi)星地球站標(biāo)準(zhǔn) (IESS)308 號(hào)為基礎(chǔ)的，不同的滾降系數(shù)有不同的修正。 第 7章 數(shù)字電視調(diào)制和解調(diào) 圖 調(diào)制濾波器的群遲延 第 7章 數(shù)字電視調(diào)制和解調(diào) 傳輸系統(tǒng)首先對(duì)突發(fā)的誤碼進(jìn)行離散化，然后加入 RS外糾錯(cuò)碼保護(hù)，內(nèi)糾錯(cuò)碼是可以根據(jù)發(fā)射功率、天線尺寸以及碼率進(jìn)行調(diào)節(jié)變化的。例如，一個(gè) 36 MHz帶寬的衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器采用 3/4的卷積碼可以達(dá)到的碼率是 39 Mb/s，這一碼率可以傳送5~6路高質(zhì)量電視信號(hào)。各種轉(zhuǎn)發(fā)器帶寬及相應(yīng)的碼率見表。 第 7章 數(shù)字電視調(diào)制和解調(diào) 第 7章 數(shù)字電視調(diào)制和解調(diào) MQAM調(diào)制 1. QAM的功率譜分析 QAM(正交幅度調(diào)制 )是一種節(jié)省頻帶的數(shù)字調(diào)幅方法，在 2400 b/s以上的中、高速調(diào)制中常被采用，廣泛應(yīng)用于有線電視的下行傳輸及 HDTV的地面廣播傳輸中。 QAM有較高的頻帶利用率，同時(shí)有較高的信噪比。 MQAM的調(diào)制器框圖如圖 。 第 7章 數(shù)字電視調(diào)制和解調(diào) 圖 MQAM的調(diào)制器框圖 第 7章 數(shù)字電視調(diào)制和解調(diào) 幾種正交幅度調(diào)制信號(hào)的平均功率譜密度如下： 16QAM信號(hào)： () 64QAM信號(hào)： () ? ?? ?20sm 0si n π() 59 πsusf f TSfE f f T?? ?? ?????? ?? ?20sm 0si n π() 37 πsusf f TE f f T?? ?? ?????第 7章 數(shù)字電視調(diào)制和解調(diào) 式中： 為平均功率譜密度 。 Su(f)為正交幅度調(diào)制信號(hào)的功率譜密度 。 Esm為幅度最大碼元的平均能量 。 Ts為矩形脈沖寬度 。 f0為載頻頻率。 將 16QAM、 64QAM的平均功率譜密度和 QPSK的平均功率譜密度一起畫在圖 。從圖中可以看出， QPSK的頻譜利用率為 2 b/(sHz), 16QAM的頻譜利用率為 4 b/(sHz), 64QAM的頻譜利用率為 6 b/(sHz)。 QAM的調(diào)制器的實(shí)際框圖如圖 。經(jīng)壓縮的 MPEG數(shù)字視頻信號(hào)被送入數(shù)據(jù)接口電路，再經(jīng)能量擴(kuò)散送入 RS糾錯(cuò)電路，經(jīng)數(shù)據(jù)交織再送入 MQAM數(shù)據(jù)映射，分兩路輸出，分別經(jīng)數(shù)字濾波、 D/A變換，再經(jīng)模擬低通濾波送入正交平衡調(diào)制電路，輸出為中頻信號(hào)，最后變?yōu)樯漕l信號(hào)送往線路中。 第 7章 數(shù)字電視調(diào)制和解調(diào) 圖 幾種數(shù)字調(diào)制信號(hào)的功率譜密度 第 7章 數(shù)字電視調(diào)制和解調(diào) 圖 QAM數(shù)字調(diào)制器 第 7章 數(shù)字電視調(diào)制和解調(diào) 2. 16QAM頻譜利用系數(shù)和 16QAM星座圖 1) 16QAM頻譜利用系數(shù) 下面從理論上分析 16QAM頻譜利用系數(shù)，如圖 。 第 7章 數(shù)字電視調(diào)制和解調(diào) 圖 16QAM 第 7章 數(shù)字電視調(diào)制和解調(diào) 圖 LPF是滾降濾波器。二進(jìn)制串行數(shù)據(jù)輸入以后，以 4 bit為一組，分別取出 2 bit送入上、下兩個(gè) 24電平轉(zhuǎn)換器，再分別送入調(diào)制器 2進(jìn)行幅度調(diào)制，調(diào)制后的信號(hào)線性相加，得到 16QAM的輸出信號(hào)。如果輸入二進(jìn)制數(shù)的速率為 fa，則送到 24電平轉(zhuǎn)換的速度為 fa/4。 a a b b2的真值表見表 。 第 7章 數(shù)字電視調(diào)制和解調(diào) 第 7章 數(shù)字電視調(diào)制和解調(diào) 經(jīng)過 24電平轉(zhuǎn)換后，可得到－ － ＋ ＋ 3四個(gè)電平，則調(diào)制器 1輸出四個(gè)信號(hào)為＋ 3 sinω0t、＋ 1 sinω0t、 － 1 sinω0t、－ 3 sinω0t。 調(diào)制器 2輸出四個(gè)信號(hào)為＋ 3 cosω0t、 ＋1 cosω0t、－ 3 cosω0t、－ 1 cosω0t。線性相加后，可得到16QAM星座圖。圖 16QAM 正交調(diào)幅法形成 16QAM信號(hào)的過程。 16QAM調(diào)制信號(hào)中各個(gè) 16QAM調(diào)制器電平狀態(tài)所對(duì)應(yīng)的 Q電平及 I電平由表 。 第 7章 數(shù)字電視調(diào)制和解調(diào) 圖 16QAM信號(hào)的形成過程 第 7章 數(shù)字電視調(diào)制和解調(diào) 第 7章 數(shù)字電視調(diào)制和解調(diào) 2) QAM的頻譜利用率分析 下面分析 16QAM信號(hào)的帶寬情況。設(shè)輸入的二進(jìn)制速率為 10 Mb/s， 24電平轉(zhuǎn)換的輸入為 ，由信息論知識(shí)可得， 1 Hz最高可傳輸 PCM信號(hào) 2 bit，所以它的基帶信號(hào)最高頻率為 。根據(jù)平衡調(diào)制原理，對(duì)圖 可作如下數(shù)學(xué)分析，設(shè)本振頻率為 f0，調(diào)制信號(hào)頻率為 Ω，進(jìn)行平衡調(diào)幅時(shí)，調(diào)幅后的輸出信號(hào)為 () 10 Mb/s Mb/s4 ?0 0 011si n si n c os( ) c os( )22t t t t? ? ? ? ? ?? ? ? ? ?第 7章 數(shù)字電視調(diào)制和解調(diào) 圖 (a) 平衡調(diào)幅 。 (b) 平衡調(diào)幅頻譜 第 7章 數(shù)字電視調(diào)制和解調(diào) 所以帶寬為 2Ω。從上面分析可知， Ω＝ ，則 2Ω＝ MHz。即 10 Mb/s的二進(jìn)制數(shù)，經(jīng) 16QAM調(diào)制后的模擬信號(hào)帶寬為 MHz，則頻譜利用率為 () 所以 16QAM調(diào)制理論上的頻譜利用系數(shù)為 4 b/(sHz)，即 16=24。同理可證明 64QAM中， 64=26，則它的頻譜利用系數(shù)為6b/(sHz)。 128QAM的頻譜利用系數(shù)為 7 b/(sHz)。 256QAM的頻譜利用系數(shù)為 8 b/(sHz)。 而 QPSK調(diào)制相當(dāng)于 4QAM，所以它的頻譜利用系數(shù)應(yīng)為 2 b/(sHz)。 10Mbit/ s 4 b/( s H z ) z ??第 7章 數(shù)字電視調(diào)制和解調(diào) 3. 64QAM系統(tǒng)星座圖 圖 64QAM調(diào)制的星座圖，這種星座圖經(jīng)常使用。從圖 ， I、 Q軸坐標(biāo)是以等比級(jí)數(shù)排列的，所以我們稱它為均勻星座圖。相反，圖 星座圖。非均勻星座圖在采用雙重糾錯(cuò)方案的傳輸系統(tǒng)中經(jīng)常使用。請(qǐng)讀者注意區(qū)分這兩個(gè)圖中坐標(biāo)的不同刻度。 第 7章 數(shù)字電視調(diào)制和解調(diào) 圖 64QAM均勻星座圖 第 7章 數(shù)字電視調(diào)制和解調(diào) 圖 64QAM非均勻星座圖 第 7章 數(shù)字電視調(diào)制和解調(diào) 在進(jìn)行 64QAM調(diào)制前， I和 Q信號(hào)將先進(jìn)行升余弦平方根滾降濾波。滾降系數(shù) α為 。下式定義了理論上的升余弦平方根滾降濾波： H(f)=1 (當(dāng) |f|fN(1－ α)時(shí) ) () H(f)=0 (當(dāng) |f|fN(1+α)時(shí) ) () (當(dāng) fN(1－ α)≤|f|≤fN(1+α)時(shí) ) () () 式中： fN是奈奎斯特頻率 。 滾降系數(shù) α=。 Ts為矩形脈沖寬度。 12N Bf T?NN11 π( ) si n2 2 2ffHff ??? ? ? ??? ?? ??????第 7章 數(shù)字電視調(diào)制和解調(diào) 4. 64QAM 奈奎斯特基帶濾波器的特性 圖 。這個(gè)模板不僅考慮了數(shù)字濾波的設(shè)計(jì)極限，也顧及了來自系統(tǒng)模擬處理部件的人為因素 (例如， D/A轉(zhuǎn)換、模擬濾波器等 )。濾波器同帶內(nèi)的帶內(nèi)紋波 rm值將提高到 ，同時(shí)在奈奎斯特頻率中 fN將降低 dB。濾波器阻帶抑制將高于 43 dB。在 fN之內(nèi)濾波器應(yīng)保持群遲延波動(dòng)值 ≤(ns)的線性相位。其中Ts=1/Rs為符號(hào)間隔。 第 7章 數(shù)字電視調(diào)制和解調(diào) 圖 奈奎斯特濾波器的模板 第 7章 數(shù)字電視調(diào)制和解調(diào) 奈奎斯特濾波器的模板參數(shù)詳見表 。 第 7章 數(shù)字電視調(diào)制和解調(diào) 第 7章 數(shù)字電視調(diào)制和解調(diào) 數(shù)字有線電視采用與衛(wèi)星同樣的 MPEG2壓縮編碼的傳輸流。由于傳輸媒介采用的是同軸線，與衛(wèi)星傳輸相比外界干擾小，信號(hào)強(qiáng)度相對(duì)高些，所以前向糾錯(cuò)碼