数字信号的载波调制

1 数字信号载波调制的目的 ? 信源编码的目的是提高信源的效率，去除冗余度。信道编码的目的主要有两点： ? (1)要求码列的频谱特性适应通道频谱特性，从而使传输过程中能量损失最小，提高信号 能量与噪声能量的比例，减小发生差错的可能性，提高传输效率。? (2)增加纠错能力，使得即便出现差错，也能得到纠正。 ? 一般传输通道的频率特性总是有限的，即有上、下限频率，超过此界限就不能进行有效的传输。如果数字信号流的频率特性与传输通道的频率特性很不相同，那么信号中的很多能量就 会失去，信噪比就会降低，使误码增加，而且还会给邻近信道带来很强的干扰。因此，在传输前要对数字信号进行某种处理，减少数字信号中的低频分量和高频分量，使能量向中频集中，或者通过某种调制过程进行频谱的搬移。这两种处理都可以被看作是使信号的频谱特性与信道的频谱特性相匹配。? 数字信号的载波调制是信道编码的一部份。有线电视宽带综合网是基于模拟环境下的数字 信号的传输，图象数字信号不是基带传输方式而是在射频通带中传输。? 为了使数字信号在带通信道中传输，必须用数字信号对载波进行调制。 传输数字信号时也有三种基本调制方式：幅度键控，频移键控和相移键控，它们分别对应于 用正弦波的幅度、频率和相位来传递数字基带信号。 本章将主要介绍得到广泛应用的几种数字调制方法。?? 　     把相继两个码元的四种组合(00，01，10，11)对应于正弦波的四个相位： ?      其中i=1，2，3，4；-T／2≤t≤T／2；? 此处可以是0、±π／2、π或 ±π／4、±3π／4，这就是四相PSK(即QPSK)。上式也可写成：? -T／2≤t≤T／2；? 相应的是0，±π／2，π的情况，这时 ()=(1，0)，(0，1)，(－1，0)，(0，－1)?     而当是±π／4，±3π／4时()=(1，1)， (－1，1)，(－1，－1)，(1，－1)? 用二维平面上的点来表示，如图5－1所示。 其中水平轴称为同相轴，垂直轴 称为正交轴。实际上色度信号的调制就是正交振幅 调制，只不过是用连续信号去调制两个正交载波而已。粗略地说，由于在一个时期内可以 传送 2比特数据，相同带宽下的数码率就提高了一倍。为了避免码间干扰，即由于通道特性而使 脉冲扩展到下一判决时刻而造成干扰，信号要按照一定的要求进行整形，使各判决点不受 相邻码的干扰，这种处理称为均衡调整。一般采用具有升余弦频谱的特性，这时信号的带宽 会略有扩展，因此在相同的带宽下所传输的数码率要略小于原传输数码率的一倍。?? 　     QSPK正交调制器方框图如图5－2所示。它可以看成由两个BSPK调制器构成，输入的串行二进制信息序列经串－并变换，分成两路速 率 减半的序列，电平发生器分别产生双极性二电平信号I(t)和Q(t)，然后对 进行调制，相加后即得到QPSK信号。图中画出了典型波形 ? QPSK调制方法常用于上、下通道交互式信息的传送。? ?3 正交振幅调制(QAM)     如果让本身取不同的值，所作的处理就是正交振幅调制(QMA：Quadrature Ampli tude Modulation)，图5－3是16QAM和32QAM的星座图。 ? 由图可见，在同相轴和正交轴上的幅度电平不再是2个而是4个(16QAM)和6 个(32QAM)，所能 传输的数码率也将是原来的4倍到5倍(不考虑滚降因子)。但是并不能无限制地通过增加电平 级数来增加传输数码率。因为随着电平数的增加，电平间的间隔减小，噪声容限减小， 同样噪声条件下误码增加。在时间轴上也会如此，各相位间隔减小，码间干扰增加，抖动和 定时问题都会使接收效果变差。图5－4是64QAM的星座图，64QAM和256QAM用于下行数字电信 号的传送。64QAM的频带利用率可达5bit／Hz。QAM调制器的一般方框图如图5－5所示。? ?     串－并变换器将速率为Rb的输入二进序列分成两个速率为的两电平序列，2－ L电平变换器将每个速率为,的两电平序列变成速 率为?M的L电平信号，然后分别与两个正交的载波相乘，相加后即产生MQAM 信号。在64QAM调制时M=64。 ? MQAM信号的解调同样可以采用正交的相干解调方法，其方框图也画在图5－5中。同相路和正交路的L电平基带信号用有(L－1)个门限电平的判决器判决后，分别恢复出速率等 于 的二进制序列，最后经并－串变换器将两路二进制序列合成一个速率为Rb的二进制序列。 ? 4 正交频分复用 　 　     数字传输中一个很大的问题是多径问题，即电视中的重影问题。如果反射信号接近一个周期 或在多个周期中心附近，会给判决带来严重的码间干扰。必须使用均衡及抽头延迟线调整等 方法减轻这种干扰。使用正交频分复用(OFDM：Orthogonal Frequency Division Multiplex ing)方法可以有效地克服反射或重影造成的影响的另一条思路，其基本方法是把原来的一个 载波变成多个载波，把高数码率信号变成低数码率信号，分别调制在每个载波上。由于数 码率大大降低，比特周期大大加长，因此反射波的影响就大为减小。由于OFDM各载波间是正 交的，因此即使各载波间有重叠部分，解调时也能利用正交性把各载波信号分开。这样就可 充分利用带宽，安排尽量多的载波。图5－6示出了OFDM的频谱，各载波间的间隔为符号周期 的倒数，任一载波在其它载波位置上的值均为(sinx／x)。数百个甚至数千个载波产生的方 法不能采用通常的锁相频率合成器，而要采用反离散付立叶变换(IDFT)来同时产生所需要数 量的载波。采用这种方法的另一个好处是，要使某个位置有或没有载波很简单，只要令相 应的数据为“1”或“0”。欧洲的DVB、HDTV以及DAB系统都采用OFDM调制方式。