常用多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制技術(shù)基礎(chǔ)

　　1 常用多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制技術(shù)及應(yīng)用

　　1.1 QPSK(四相相移鍵控)技術(shù)及應(yīng)用

　　(1)QPSK技術(shù)

　　在相移鍵控(PSK)技術(shù)中，通過改變載波信號(hào)的相位來表示二進(jìn)制數(shù)0、1，而相位改變的同時(shí)，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(hào)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(shù)稱為二相位PSK或2-PSK，信號(hào)之間的相位差為180°。

　　同樣，可以用4種不同相位的正弦信號(hào)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(hào)可以表示兩位二進(jìn)制信息，信號(hào)之間的相位差為90°，這種PSK技術(shù)稱為四相位PSK或QPSK，由于4個(gè)相位與四進(jìn)制的4個(gè)符號(hào)相對(duì)應(yīng)，也稱四進(jìn)制PSK調(diào)制。因每種相位的正弦信號(hào)可以表示兩位二進(jìn)制信息，與2-PSK相比，其編碼效率提高了1倍。

　　以此類推，當(dāng)不同相位的載波數(shù)為8、16……時(shí),分別稱為8-PSK(八進(jìn)制PSK)、16-PSK(十六進(jìn)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(qiáng)，可以減小由于信道特性引起的碼間串?dāng)_的影響，從而提高數(shù)字通信的有效性。但在多相調(diào)制時(shí)，相位取值數(shù)增大，信號(hào)之間的相位差也就減小，傳輸?shù)目煽啃詫㈦S之降低，因而實(shí)際中用得較多的是四相制(4-PSK)和八相制(8-PSK)。

　　(2)QPSK的應(yīng)用

　　QPSK廣泛應(yīng)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(dòng)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(diào)諧器可以說是當(dāng)今衛(wèi)星數(shù)字電視傳輸中對(duì)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(diào)制，我國也出現(xiàn)了采用QPSK調(diào)制解調(diào)的衛(wèi)星廣播和數(shù)字電視機(jī)。

　　要實(shí)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(diào)制器和先進(jìn)的壓縮技術(shù)，因?yàn)槲覈F(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(biāo)準(zhǔn)，625行/50場的亮度信號(hào)(Y)的取樣頻率為13.5 MHz，每個(gè)色差信號(hào)(R-Y)和(B-Y)的取樣頻率均為6.75 MHz。當(dāng)Y，(R-Y)，(B-Y)信號(hào)的每個(gè)取樣為8 bit量化時(shí)，電視信號(hào)經(jīng)數(shù)字化后的亮度信號(hào)碼率為13.5×8=108 Mbps，色度信號(hào)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(hào)是不可能的。

　　采用四相相移鍵控(QPSK)調(diào)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(shù)，常用MPEG-2(運(yùn)動(dòng)圖像壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn))，可以把數(shù)字電視信號(hào)中包含的冗余信息去除，即在保證接收端電視圖像質(zhì)量的前提下，采用數(shù)字視頻壓縮技術(shù)，可以降低傳送碼率，使傳送帶寬減少，實(shí)現(xiàn)多路傳輸。目前，已經(jīng)可以做到把216 Mbps速率的數(shù)字電視信號(hào)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(zhuǎn)發(fā)器，現(xiàn)在可同時(shí)傳送5路數(shù)字電視信號(hào)。這樣，數(shù)字信號(hào)經(jīng)碼率壓縮技術(shù)處理后，信號(hào)傳輸容量會(huì)得到數(shù)倍甚至數(shù)十倍的增加。

　　1.2 QAM(正交幅度調(diào)制)技術(shù)及應(yīng)用

　　(1) QAM技術(shù)

　　正交幅度調(diào)制(QAM)是一種矢量調(diào)制，它將輸入比特先映射(一般采用格雷碼)到一個(gè)復(fù)平面(星座)上，形成復(fù)數(shù)調(diào)制符號(hào)，然后將符號(hào)的I、Q分量(對(duì)應(yīng)復(fù)平面的實(shí)部和虛部)采用幅度調(diào)制，分別對(duì)應(yīng)調(diào)制在相互正交(時(shí)域正交)的兩個(gè)載波(cos wt和sin wt)上。這樣與幅度調(diào)制(AM)相比，其頻譜利用率提高1倍。QAM是幅度、相位聯(lián)合調(diào)制的技術(shù)，它同時(shí)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(shí)現(xiàn)更高的頻帶利用率，目前QAM最高已達(dá)到1024QAM(1 024個(gè)樣點(diǎn))。樣點(diǎn)數(shù)目越多，其傳輸效率越高，例如具有16個(gè)樣點(diǎn)的16-QAM信號(hào)，每個(gè)樣點(diǎn)表示一種矢量狀態(tài)，16-QAM有16態(tài)，每4位二進(jìn)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(gè)符號(hào)和周期傳送4比特。

　　(2)QAM應(yīng)用

　　QAM調(diào)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(diào)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(biāo)準(zhǔn)，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(shí)抗干擾能力也隨之降低。采用64QAM調(diào)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(gè)標(biāo)準(zhǔn)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(jì)算機(jī)，也可以是帶數(shù)字機(jī)頂盒的電視機(jī)。QAM在安全授權(quán)方面比QPSK調(diào)制方式更可靠，完全能滿足海量信息傳輸?shù)男枰?，其傳輸速率更高，通道還可優(yōu)化。

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

　　1.3 VSB(殘留邊帶調(diào)制)技術(shù)及應(yīng)用

　　(1)VSB技術(shù)

　　殘留邊帶調(diào)制(VSB)是一種幅度調(diào)制法(AM)，它是在雙邊帶調(diào)制的基礎(chǔ)上，通過設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)妮敵?a href="http://www.wenjunhu.com/tags/濾波器/" target="_blank">濾波器，使信號(hào)一個(gè)邊帶的頻譜成分原則上保留，另一個(gè)邊帶頻譜成分只保留小部分(殘留)。該調(diào)制方法既比雙邊帶調(diào)制節(jié)省頻譜，又比單邊帶易于解調(diào)。在殘留邊帶調(diào)制方式中，根據(jù)調(diào)制電平級(jí)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(diào)制電平級(jí)數(shù)。如8-VSB，表示有8種調(diào)制電平，即+7，+5，+3，+1，-1，-3，-5，-7等8種電平(和八進(jìn)制的8個(gè)符號(hào)相對(duì)應(yīng))，這樣每個(gè)調(diào)制符號(hào)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(yīng)用

　　由于VSB抗多徑能力差，在移動(dòng)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(diào)制的優(yōu)點(diǎn)是技術(shù)成熟，便于實(shí)現(xiàn)，對(duì)發(fā)射機(jī)功放的峰均比要求低。上海交通大學(xué)、浙江大學(xué)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(shù)和多載波COFDM(編碼的正交頻分復(fù)用調(diào)制)技術(shù)兩種傳輸方案的HDTV地面廣播傳輸系統(tǒng)，已實(shí)現(xiàn)了我國數(shù)字高清晰度電視系統(tǒng)技術(shù)的整體重大突破，率先攻克了單載波調(diào)制技術(shù)無法在數(shù)字電視地面廣播傳輸方面同時(shí)實(shí)現(xiàn)固定/移動(dòng)接收這一核心技術(shù)難題，解決了數(shù)字高清晰度電視系統(tǒng)的7項(xiàng)重大關(guān)鍵技術(shù)。

　　1.4 COFDM(正交頻分復(fù)用)調(diào)制技術(shù)及應(yīng)用

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

　　由于正交頻分復(fù)用采用大量(N個(gè))子載波的并行傳輸，在相等的傳輸數(shù)據(jù)率下,OFDM時(shí)域符號(hào)長度是單載波符號(hào)長度的N倍,這樣其抗符號(hào)間干擾(ISI)的能力可顯著提高，從而減輕對(duì)均衡的要求。

　　由于OFDM符號(hào)是大量相互獨(dú)立信號(hào)的疊加，從統(tǒng)計(jì)意義上講，其幅度近似服從高斯分布，這就造成OFDM信號(hào)的峰均功率比高，從而提高了對(duì)發(fā)射機(jī)功放線性度的要求，降低了發(fā)射機(jī)的功率效率。

　　目前,歐洲數(shù)字電視地面?zhèn)鬏敇?biāo)準(zhǔn)DVB-T中采用的就是COFDM。由于COFDM調(diào)制抗動(dòng)態(tài)多徑干擾能力強(qiáng)，使得其既可用于地面?zhèn)鬏敼潭ń邮?，也可用于便攜和移動(dòng)接收。在我國數(shù)字電視地面廣播上海試驗(yàn)區(qū)，公交920路進(jìn)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(jìn)制調(diào)制技術(shù)的比較

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

　　表1數(shù)字調(diào)制技術(shù)頻譜利用率(單位：bit/s/Hz)

　　調(diào)制技術(shù)理論值實(shí)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

　　8VSB 5.3

　　16VSB 7.1

　　表2 QPSK、QAM、VSB、OFDM數(shù)字調(diào)制技術(shù)實(shí)現(xiàn)難易比較

　　調(diào)制技術(shù)實(shí)現(xiàn)難易單頻組網(wǎng)能力應(yīng)用地區(qū)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜

　　QPSK易有歐洲、日本、中國易

　　QAM易無美國相對(duì)復(fù)雜

　　VSB易無美國易

　　OFDM可以有歐洲復(fù)雜