【正文】 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。 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 。 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。 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 。同理可證明 64QAM中， 64=26，則它的頻譜利用系數(shù)為6b/(s 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。 滾降系數(shù) α=。 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 。相位混淆程度與星座有關(guān)。根據(jù)差分編碼原理，不難看出，碼變換器的輸出 IkQk與輸入 AkBk符合表 。而兩個(gè)最高位正好確定它所處象限的位置。當(dāng) φ=90176。整個(gè)系統(tǒng)基于 LSI Logic公司生產(chǎn)的 L64767 QAM 編碼芯片。 (3) 只需要一個(gè)數(shù) /模轉(zhuǎn)換器。 每一個(gè)輸入信號(hào)都是差分對(duì)的形式，所以先進(jìn)行差分處理，使數(shù)據(jù)由雙極性變換為單極性。 14 151 xx??第 7章 數(shù)字電視調(diào)制和解調(diào) (3) QAM調(diào)制。 第 7章 數(shù)字電視調(diào)制和解調(diào) (5) D/A變換電路。這種 I、 Q信號(hào)的數(shù)字合成比傳統(tǒng)的 QAM調(diào)制少用了一個(gè)D/A變換器，這樣可消除兩個(gè) DAC鎖相不穩(wěn)定造成的影響，提高了系統(tǒng)性能。 第 7章 數(shù)字電視調(diào)制和解調(diào) I、 Q兩路數(shù)據(jù)抽取樣值的過程及 I、 Q抽取樣值的合成過程詳見圖 。 如圖 ，串行數(shù)據(jù)以每組 3 bit輸入到串 /并轉(zhuǎn)換器中，經(jīng)串 /并轉(zhuǎn)換以后，送入 D/A中，由數(shù)字信號(hào)變?yōu)槟M信號(hào)，然后送入調(diào)制器進(jìn)行幅度調(diào)制，調(diào)制后的信號(hào)最后經(jīng)殘留邊帶濾波后，則完成了殘留邊帶的調(diào)制過程。Hz) () 第 7章 數(shù)字電視調(diào)制和解調(diào) 2. 16VXB的實(shí)現(xiàn)原理 16VSB原理與 8VSB基本相同，只是串行數(shù)據(jù)流以 4 bit為一組送入 D/A變換器中。 專門為克服由多普勒頻率擴(kuò)散而引起的時(shí)間選擇性衰落的信道交織編碼技術(shù) 。這樣，在 k信道和(L＋ k)信道中的基帶信號(hào)在載波頻率 fk上進(jìn)行抑制載波的調(diào)幅，這里： fk＝ f1＋ (k－ 1)f0 (1≤k≤L) f0代表波特率 1/T。 11sfTN t? ??第 7章 數(shù)字電視調(diào)制和解調(diào) 將式 ()和式 ()代入式 ()得 () 其中： () 為 X(t)的低通復(fù)包絡(luò)。解決的方法是延長符號(hào)的持續(xù)時(shí)間或增加載波數(shù)量，使失真變得不是那么明顯。圖 OFDM時(shí)域原理示意圖。 第 7章 數(shù)字電視調(diào)制和解調(diào) 圖 OFDM歸一化功率譜 第 7章 數(shù)字電視調(diào)制和解調(diào) 5. OFDM的等效頻域表示 (1) 數(shù)學(xué)表達(dá)式。 圖 OFDM頻域等效框圖 第 7章 數(shù)字電視調(diào)制和解調(diào) 為了便于物理實(shí)現(xiàn)，將式 R=H (b) OFDM幀 第 7章 數(shù)字電視調(diào)制和解調(diào) 實(shí)際應(yīng)用中，經(jīng)常將 Ks個(gè) OFDM符號(hào)組合為一個(gè) OFDM幀，其幀長為 () 而 即 OFDM的符號(hào)周期 應(yīng)為理論周期 Ts加上插入的保護(hù)間隔 Tg 。音頻信息比特率是 384 kb/s。頻域交織的作用是使相鄰格狀編碼的信號(hào)點(diǎn)在時(shí)間上分開，以便突發(fā)干擾點(diǎn)的噪聲相對(duì)均勻，使其分散在不同格狀編碼點(diǎn)，而不是集中在連續(xù)的幾個(gè)信號(hào)點(diǎn)上超出 TCM解碼的能力。 第 7章 數(shù)字電視調(diào)制和解調(diào) 復(fù)雜的 FFT的輸入數(shù)據(jù)也僅僅為 572個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，被調(diào)制在不同的載波上，剩余的載波都被調(diào)制上零數(shù)據(jù)。 (5) 解調(diào)：在接收方，每一個(gè) OFDM載波上的數(shù)據(jù)能夠通過 FFT處理器解調(diào)。假定采用統(tǒng)一的帶寬，增加有效的碼元長度和保護(hù)間隔同增加 FFT的載波數(shù)可以達(dá)到一樣的效果。 第 7章 數(shù)字電視調(diào)制和解調(diào) (7) 結(jié)論：在 QPSKOFDM傳輸試驗(yàn)中，得到了如下的結(jié)論：這里我們采用的是在 9 MHz 帶寬中采用 572個(gè)載波和 2 μs的間隔。這些“保護(hù)間隔”會(huì)占用一部分帶寬，通常 COFDM的載波數(shù)量越多，對(duì)于給定的最大反射延時(shí)時(shí)間，傳輸容量損失就越小。 11fT N t? ???第 7章 數(shù)字電視調(diào)制和解調(diào) 圖 OFDM系統(tǒng)帶寬 第 7章 數(shù)字電視調(diào)制和解調(diào) 因?yàn)?fN－ 1－ f0=(N－ 1)Δf，又有 ，所以 由于 N個(gè)子載波用 MQAM調(diào)制， MQAM的頻譜利用率為lbM，因此， OFDM系統(tǒng)的頻譜利用率為 () 11fT N t? ??? ? ?101 1 111Nf f N N t N t?????? ? ? ? ?????22l og l og112MMBt tN? ????? ????????第 7章 數(shù)字電視調(diào)制和解調(diào) 對(duì)于各子載波滿足正交性且各子載波的頻譜為嚴(yán)格的帶限頻譜的 OFDM系統(tǒng)，有 ， 所以 ?？傊?，設(shè)計(jì)者應(yīng)根據(jù)傳輸信道的具體特性來合理選擇數(shù)字調(diào)制方式，以便更有效地利用信道資源，消除各種噪聲干擾。在每一種情況下，符號(hào) Z的MSB由字節(jié) V的 MSB所取代。 (4) 同步離散多音調(diào)制 (SDMT)。 (8) 支持城域覆蓋。 75 試證明 OFDM系統(tǒng)的頻譜利用率為 l b l b112MMBttN??????????????第 7章 數(shù)字電視調(diào)制和解調(diào) 76 畫出 16QAM數(shù)字電視信號(hào)調(diào)制框圖，計(jì)算它的頻譜利用系數(shù)理論值，并說明整個(gè)計(jì)算過程。 lb1MN? ?? ??第 7章 數(shù)字電視調(diào)制和解調(diào) 711 為什么要把 QAM星座圖變成 π/2旋轉(zhuǎn)不變星座圖？ 712 請(qǐng)分別畫出 64QAM調(diào)制的均勻星座和非均勻星座圖，并解釋各有什么作用。 79 試證明 16VSB的頻譜利用系數(shù)為 b/(s表 。 (4) 兼容 ATM技術(shù) 。因?yàn)?16VSB中每個(gè)符號(hào)需 4 bit信息，所以一個(gè)字節(jié)可映射成兩個(gè)符號(hào)。例如， 16QAM數(shù)字調(diào)制器輸入的一個(gè)符號(hào)數(shù)據(jù)量為 4 bit， 32QAM為 5 bit， 64QAM為 6 bit， 8VSB為 3 bit, 16VSB為4 bit等。 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) 第 7章 數(shù)字電視調(diào)制和解調(diào) 在進(jìn)行數(shù)字傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)時(shí)，調(diào)制方式的選擇依賴于所采用的傳輸信道特性。 第 7章 數(shù)字電視調(diào)制和解調(diào) 7. OFDM的頻譜利用率 接下來分析 QAMOFDM的頻譜利用率。 第 7章 數(shù)字電視調(diào)制和解調(diào) (8) 歐洲 DVB標(biāo)準(zhǔn)的 COFDM： 歐洲 DVBT數(shù)字電視開路標(biāo)準(zhǔn)采用了正交頻分復(fù)用調(diào)制 (OFDM)。體積小和低功耗是實(shí)際應(yīng)用中要考慮的主要因素，因此必須盡量將數(shù)字處理部分集成到大規(guī)模集成電路上。信源的比特率要在傳輸容量與信源的質(zhì)量之間找到一個(gè)平衡點(diǎn)。碼元的數(shù)據(jù)通過低通基帶濾波，經(jīng)過 D/A 轉(zhuǎn)換，再通過正交調(diào)制轉(zhuǎn)換到中頻帶，然后通過頻率轉(zhuǎn)換裝置在射頻帶傳播。每一個(gè) OFDM載波采用什么樣的調(diào)制方法關(guān)鍵是看其抵抗傳播狀況的能力。在 Mb/s的比特率情況下，糾錯(cuò)僅僅在信源編碼中由 RS碼提供。下面對(duì)圖 圖部分加以說明。 Hn為 n個(gè)子載波信道的復(fù)衰落系數(shù) 。 S為信源矩陣， S=(S1S2… ) T。 ③ N越大，實(shí)際發(fā)送的并行碼元信號(hào)周期 Tp(≥NTs)就越長，抗符合間串?dāng)_ (ISI)的能力也就越強(qiáng)。當(dāng)保護(hù)間隔大于信道脈沖響應(yīng)或多徑延遲時(shí)，就可以消除符號(hào)間的干擾。當(dāng) N=2m(m為正整數(shù) )時(shí)，可用快速算法，實(shí)現(xiàn)極其簡單。我們把這種多載波正交調(diào)制稱做 OFDM調(diào)制。 第 7章 數(shù)字電視調(diào)制和解調(diào) 圖 。在實(shí)際的移動(dòng)通信中，多徑干擾根據(jù)其產(chǎn)生的條件大致可分為以下三類：第一類多徑干擾：是由于快速移動(dòng)的用戶附近物體的反射形成的干擾信號(hào)，其特點(diǎn)是在信號(hào)的頻域上產(chǎn)生 Doppler(多普勒 )擴(kuò)散而引起的時(shí)間選擇性衰落。 VSB比單邊帶 SSB帶寬多一部分，因此其頻譜利用率降低。 8VSB的格狀編碼器、預(yù)編碼器、符號(hào)映射器如圖 。 π π( ) ( ) c os ( ) sin22u k I k k Q k k? ? ? ??? ? ? ? ?? ? ? ?πc os2 k??????πsin2 k第 7章 數(shù)字電視調(diào)制和解調(diào) 由此數(shù)字式調(diào)制過程即相當(dāng)于交替對(duì) I、 Q兩路數(shù)據(jù)抽取樣值，并隔組求反，組成一個(gè)輸出序列，送至 D/A變換器，轉(zhuǎn)換成模擬 MQAM信號(hào)，即完成了此全數(shù)字調(diào)制處理。 (6) LC濾波電路。輸入數(shù)據(jù)率為符號(hào)時(shí)鐘，轉(zhuǎn)換器以 4倍符號(hào)率對(duì)信號(hào)進(jìn)行過抽樣。隨機(jī)碼的 。 可以接收外部 MPEG數(shù)據(jù)流，也可以用其內(nèi)部的偽隨機(jī)碼源產(chǎn)生一個(gè)比特流用于測試。整個(gè)系統(tǒng)可以接收來自 MPEG2傳輸編碼器或衛(wèi)星接收機(jī)的輸入數(shù)據(jù)，輸出的數(shù)據(jù)經(jīng)調(diào)諧電路可直接送到有線電視傳輸系統(tǒng)中。表 中第 Ⅰ 象限星座點(diǎn)到星座圖中其它象限的轉(zhuǎn)換關(guān)系。、或 270176。 1111( ) ( ) ( ) ( )( ) ( ) ( ) ( )k k k k k k k k kk k k k k k k k kI A B A I A B A A B B Q A B B I????? ? ? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ??第 7章 數(shù)字電視調(diào)制和解調(diào) 圖 接收端碼的卡諾圖 第 7章 數(shù)字電視調(diào)制和解調(diào) 正如圖 ，改變兩個(gè) MSB(即 a1和 b1)并根據(jù)表 所示的規(guī)則，旋轉(zhuǎn) q個(gè) LSB可將象限 Ⅰ 中的星座點(diǎn)轉(zhuǎn)換到象限 Ⅱ 、Ⅲ 、 Ⅳ 中。相移時(shí)，這樣勢(shì)必造成后面譯碼的差錯(cuò)。對(duì)于 QAM調(diào)制而言，傳輸信息量越高，抗干擾能力越低。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。請(qǐng)讀者注意區(qū)分這兩個(gè)圖中坐標(biāo)的不同刻度。 256QAM的頻譜利用系數(shù)為 8 b/(s (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。 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。Hz)。 Su(f)為正交幅度調(diào)制信號(hào)的功率譜密度 。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。 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。各種比率卷積碼在收縮過程中傳輸和不傳輸?shù)谋忍匾姳?。 M＝ 4時(shí)，即 QPSK的頻譜利用率為 2 b/(s每個(gè)分量都用二進(jìn)制序列分別進(jìn)行鍵控。 高速移動(dòng)性，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。 00xx????第 7章 數(shù)字電視調(diào)制和解調(diào) 可見， BPSK信號(hào)相干解調(diào)的過程實(shí)際上是輸入已調(diào)信號(hào)與本地載波信號(hào)進(jìn)行極性比較的過程，故常稱為極性比較法解調(diào)。 圖 (b)是產(chǎn)生 BPSK信號(hào)的鍵控法框圖。 下面介紹雙相移相鍵控的原理和實(shí)現(xiàn)方法。 例 設(shè)數(shù)字電視速率為 8 Mb/s，選用 QPSK調(diào)制 (頻譜利用系數(shù)理論值為 2 b/(sHz)，信 從例 ，采用的調(diào)制方式相同(64QAM)，但壓縮標(biāo)準(zhǔn)不同 (MPEG MPEG2)，調(diào)制出來的信號(hào)帶寬就不同 ( MHz、 MHz)。 第 7章 數(shù)字電視調(diào)制和解調(diào) 2. 數(shù)字電視反向傳輸采用的調(diào)制