常用多進制數(shù)字調制技術基礎

　　1 常用多進制數(shù)字調制技術及應用

　　1.1 QPSK(四相相移鍵控)技術及應用

　　(1)QPSK技術

　　在相移鍵控(PSK)技術中，通過改變載波信號的相位來表示二進制數(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制信息，信號之間的相位差為90°，這種PSK技術稱為四相位PSK或QPSK，由于4個相位與四進制的4個符號相對應，也稱四進制PSK調制。因每種相位的正弦信號可以表示兩位二進制信息，與2-PSK相比，其編碼效率提高了1倍。

　　以此類推，當不同相位的載波數(shù)為8、16……時,分別稱為8-PSK(八進制PSK)、16-PSK(十六進制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，可以減小由于信道特性引起的碼間串擾的影響，從而提高數(shù)字通信的有效性。但在多相調制時，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，因而實際中用得較多的是四相制(4-PSK)和八相制(8-PSK)。

　　(2)QPSK的應用

　　QPSK廣泛應用于數(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調諧器可以說是當今衛(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調制，我國也出現(xiàn)了采用QPSK調制解調的衛(wèi)星廣播和數(shù)字電視機。

　　要實現(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制器和先進的壓縮技術，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的標準，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Y，(R-Y)，(B-Y)信號的每個取樣為8 bit量化時，電視信號經數(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，常用MPEG-2(運動圖像壓縮編碼標準)，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量的前提下，采用數(shù)字視頻壓縮技術，可以降低傳送碼率，使傳送帶寬減少，實現(xiàn)多路傳輸。目前，已經可以做到把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)字信號經碼率壓縮技術處理后，信號傳輸容量會得到數(shù)倍甚至數(shù)十倍的增加。

　　1.2 QAM(正交幅度調制)技術及應用

　　(1) QAM技術

　　正交幅度調制(QAM)是一種矢量調制，它將輸入比特先映射(一般采用格雷碼)到一個復平面(星座)上，形成復數(shù)調制符號，然后將符號的I、Q分量(對應復平面的實部和虛部)采用幅度調制，分別對應調制在相互正交(時域正交)的兩個載波(cos wt和sin wt)上。這樣與幅度調制(AM)相比，其頻譜利用率提高1倍。QAM是幅度、相位聯(lián)合調制的技術，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現(xiàn)更高的頻帶利用率，目前QAM最高已達到1024QAM(1 024個樣點)。樣點數(shù)目越多，其傳輸效率越高，例如具有16個樣點的16-QAM信號，每個樣點表示一種矢量狀態(tài)，16-QAM有16態(tài)，每4位二進制數(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應用

　　QAM調制主要用在有線數(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)字視頻廣播標準，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，可在一個標準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，也可以是帶數(shù)字機頂盒的電視機。QAM在安全授權方面比QPSK調制方式更可靠，完全能滿足海量信息傳輸?shù)男枰鋫鬏斔俾矢?，通道還可優(yōu)化。

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

　　1.3 VSB(殘留邊帶調制)技術及應用

　　(1)VSB技術

　　殘留邊帶調制(VSB)是一種幅度調制法(AM)，它是在雙邊帶調制的基礎上，通過設計適當?shù)妮敵?a href="http://www.greenbey.cn/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)。該調制方法既比雙邊帶調制節(jié)省頻譜，又比單邊帶易于解調。在殘留邊帶調制方式中，根據(jù)調制電平級數(shù)的不同，VSB可分為4-VSB，8-VSB，16-VSB等，其中的數(shù)字表示調制電平級數(shù)。如8-VSB，表示有8種調制電平，即+7，+5，+3，+1，-1，-3，-5，-7等8種電平(和八進制的8個符號相對應)，這樣每個調制符號可攜帶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。但殘留邊帶調制的優(yōu)點是技術成熟，便于實現(xiàn)，對發(fā)射機功放的峰均比要求低。上海交通大學、浙江大學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技術和多載波COFDM(編碼的正交頻分復用調制)技術兩種傳輸方案的HDTV地面廣播傳輸系統(tǒng)，已實現(xiàn)了我國數(shù)字高清晰度電視系統(tǒng)技術的整體重大突破，率先攻克了單載波調制技術無法在數(shù)字電視地面廣播傳輸方面同時實現(xiàn)固定/移動接收這一核心技術難題，解決了數(shù)字高清晰度電視系統(tǒng)的7項重大關鍵技術。

　　1.4 COFDM(正交頻分復用)調制技術及應用

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

　　由于正交頻分復用采用大量(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)射機功放線性度的要求，降低了發(fā)射機的功率效率。

　　目前,歐洲數(shù)字電視地面?zhèn)鬏敇藴蔇VB-T中采用的就是COFDM。由于COFDM調制抗動態(tài)多徑干擾能力強，使得其既可用于地面?zhèn)鬏敼潭ń邮?，也可用于便攜和移動接收。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 各種多進制調制技術的比較

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

　　表1數(shù)字調制技術頻譜利用率(單位：bit/s/Hz)

　　調制技術理論值實用值

　　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