试论多进制数字调制技术及其应用

　　数字电视必须使用3项关键技术：提高传输频带利用率的多进制数字调制技术、对电视图像及伴音进行压缩编码的技术和提高数字电视传输可靠性的纠错编码等信道编码技术。现在广泛使用的数字调制技术，如幅度键控（ASK）、移相键控（PSK）和移频键控（FSK）等，因传输效率低而无法满足数字电视和移动通信等高要求的现代通信系统。本文介绍了抗干扰性能强、误码性能好、频谱利用率高的多进制数字调制技术及其应用。

　　1 常用多进制数字调制技术及应用

　　1.1 QPSK（四相相移键控）技术及应用

　　（1）QPSK技术

　　在相移键控(PSK)技术中，通过改变载波信号的相位来表示二进制数0、1，而相位改变的同时，最大振幅和频率则保持不变。例如，可以用两种不同相位的正弦信号分别表示0和1，用0°相位表示0，用180°相位表示1，这种PSK技术称为二相位PSK或2-PSK，信号之间的相位差为180°。

　　同样，可以用4种不同相位的正弦信号分别表示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。这样每种相位的正弦信号可以表示两位二进制信息，信号之间的相位差为90°，这种PSK技术称为四相位PSK或QPSK，由于4个相位与四进制的4个符号相对应，也称四进制PSK调制。因每种相位的正弦信号可以表示两位二进制信息，与2-PSK相比，其编码效率提高了1倍。

　　以此类推，当不同相位的载波数为8、16……时,分别称为8-PSK（八进制PSK）、16-PSK（十六进制PSK）……，理论上，不同相位差的载波越多，可以表征的数字输入信息越多，频带的压缩能力越强，可以减小由于信道特性引起的码间串扰的影响，从而提高数字

　　通信的有效性。但在多相调制时，相位取值数增大，信号之间的相位差也就减小，传输的可靠性将随之降低，因而实际中用得较多的是四相制（4-PSK）和八相制（8-PSK）。

　　（2）QPSK的应用

　　QPSK广泛应用于数字微波通信系统、数字卫星通信系统、宽带接入与移动通信及有线电视的上行传输。在卫星数字电视传输中普遍采用的QPSK调谐器可以说是当今卫星数字电视传输中对卫星功率、传输效率、抗干扰性以及天线尺寸等多种因素综合考虑的最佳选择。欧洲与日本的数字电视首先考虑的是卫星信道，采用QPSK调制，我国也出现了采用QPSK调制解调的卫星广播和数字电视机。

　　要实现卫星电视的数字化，必须在卫视传输中采用高效的调制器和先进的压缩技术，因为我国现行的PAL制彩色电视是采用625行/50场，其视频带宽5 MHz，根据4∶2∶2的标准，625行/50场的亮度信号(Y)的取样频率为13.5 MHz，每个色差信号(R-Y)和(B-Y)的取样频率均为6.75 MHz。当Y，(R-Y)，(B-Y)信号的每个取样为8 bit量化时，电视信号经数字化后的亮度信号码率为13.5×8=108 Mbps，色度信号的码率为6.75×8×2=108 Mbps，总码率为色亮码率之和，即216 Mbps，在现有的传输媒介中要传送这样宽带的数字电视信号是不可能的

　　采用四相相移键控(QPSK)调制之后，可把传输的带宽降到100 MHz左右，再使用电视图像及伴音压缩编码技术，常用MPEG-2（运动图像压缩编码标准），可以把数字电视信号中包含的冗余信息去除，即在保证接收端电视图像质量的前提下，采用数字视频压缩技术，可以降低传送码率，使传送带宽减少，实现多路传输。目前，已经可以做到把216 Mbps速率的数字电视信号压缩到5 Mbps，使原来只能传送1路模拟电视的36 Mbps卫星转发器，现在可同时传送5路数字电视信号。这样，数字信号经码率压缩技术处理后，信号传输容量会得到数倍甚至数十倍的增加。

　　康佳ST2989型彩电就是一种卫视数字彩色电视机，它既能接收地面广播和有线电视信号，又能接收卫星转发的以QPSK(正交相移键控调制)数字方式传送的未加密的卫星信号DVB。卫视接收单元电路采用QPSK解调、MPEG-2视音频解压的卫星数字视频广播(DVB-S)接收机的方案。

　　1.2 QAM（正交幅度调制）技术及应用

　　(1) QAM技术

　　正交幅度调制（QAM）是一种矢量调制，它将输入比特先映射（一般采用格雷码）到一个复平面（星座）上，形成复数调制符号，然后将符号的I、Q分量（对应复平面的实部和虚部）采用幅度调制，分别对应调制在相互正交（时域正交）的两个载波（cos wt和sin wt）上。这样与幅度调制（AM）相比，其频谱利用率提高1倍。QAM是幅度、相位联合调制的技术，它同时利用了载波的幅度和相位来传递信息比特，因此在最小距离相同的条件下可实现更高的频带利用率，目前QAM最高已达到1 024QAM（1 024个样点）。样点数目越多，其传输效率越高，例如具有16个样点的16-QAM信号，每个样点表示一种矢量状态，16-QAM有16态，每4位二进制数规定了16态中的一态，16-QAM中规定了16种载波和相位的组合，16-QAM的每个符号和周期传送4比特。

　　（2）QAM应用

　　QAM调制主要用在有线数字视频广播和宽带接入等通信系统方面。

　　QAM调制方式的多媒体高速宽带数据广播系统采用DVB-C有线数字视频广播标准，代表着数字化发展方向，有16QAM、32QAM、64QAM、128QAM、256QAM之分，数字越大，频带利用率越高，但同时抗干扰能力也随之降低。采用64QAM调制方式，可在传统的8 MHz模拟频道带宽上传输约40 Mbps数据流，可在一个标准PAL通道上传输4~8套数字电视节目，它的末端用户可以是计算机，也可以是带数字机顶盒的电视机。QAM在安全授权方面比QPSK调制方式更可靠，完全能满足海量信息传输的需要，其传输速率更高，通道还可优化。

　　QAM目前还被广泛用于ADSL调制技术，在QAM调制中，发送数据在比特/符号编码器内被分成速率各为原来1/2的两路信号，分别与一对正交调制分量相乘，求和后输出。接收端完成相反过程，正交解调出两个相反码流，均衡器补偿由信道引起的失真，判决器识别复数信号并映射回二进制信号。采用QAM调制技术，信道带宽至少要等于码元速率，为了定时恢复，还需要另外的带宽，一般要增加15%左右。与其他调制技术相比，QAM调制技术具有充分利用带宽、抗噪声强等特点。

　　1.3 VSB（残留边带调制）技术及应用

　　(1)VSB技术

　　残留边带调制（VSB）是一种幅度调制法（AM），它是在双边带调制的基础上，通过设计适当的输出滤波器，使信号一个边带的频谱成分原则上保留，另一个边带频谱成分只保留小部分（残留）。该调制方法既比双边带调制节省频谱，又比单边带易于解调。在残留边带调制方式中，根据调制电平级数的不同，VSB可分为4-VSB，8-VSB，16-VSB等，其中的数字表示调制电平级数。如8-VSB，表示有8种调制电平，即+7，+5，+3，+1，-1，-3，-5，-7等8种电平（和八进制的8个符号相对应），这样每个调制符号可携带3比特信息。16-VSB，32-VSB的工作原理与此类似。

　　（2）VSB的应用

　　由于VSB抗多径能力差，在移动接收方面，即使采用4-VSB，其效果也不令人满意。但残留边带调制的优点是技术成熟，便于实现，对发射机功放的峰均比要求低。上海交通大学、浙江大学等高校和研究所自主研制和完成了我国第一套完整的含基于单载波VSB技术和多载波COFDM(编码的正交频分复用调制)技术两种传输方案的HDTV地面广播传输系统，已实现了我国数字高清晰度电视系统技术的整体重大突破，率先攻克了单载波调制技术无法在数字电视地面广播传输方面同时实现固定/移动接收这一核心技术难题，解决了数字高清晰度电视系统的7项重大关键技术。

　　1.4 COFDM（正交频分复用）调制技术及应用

　　正交频分复用是一种多载波调制方式。编码的正交频分复用就是将经过信道编码后的数据符号分别调制到频域上相互正交的大量子载波上，然后将所有调制后信号叠加(复用),形成OFDM时域符号。

　　由于正交频分复用采用大量（N个）子载波的并行传输，在相等的传输数据率下,OFDM时域符号长度是单载波符号长度的N倍,这样其抗符号间干扰（ISI）的能力可显著提高，从而减轻对均衡的要求。

　　由于OFDM符号是大量相互独立信号的叠加，从统计意义上讲，其幅度近似服从高斯分布，这就造成OFDM信号的峰均功率比高，从而提高了对发射机功放线性度的要求，降低了发射机的功率效率。

　　目前,欧洲数字电视地面传输标准DVB-T中采用的就是COFDM。由于COFDM调制抗动态多径干扰能力强，使得其既可用于地面传输固定接收，也可用于便携和移动接收。在我国数字电视地面广播上海试验区，公交920路进行的测试表明，即使在城区多径丰富的地区，接收效果也良好。

　　1.5 各种多进制调制技术的比较

　　表1列出了各种数字调制技术频谱利用率的理论值和实用值。表2为4种典型数字调制技术实现的难易比较。

　　表1数字调制技术频谱利用率(单位：bit/s/Hz)

　　调制技术理论值实用值

    QPSK21.4

    16QAM43.3

    32QAM24.3

    64QAM65.3

    128QAM76.1

    256QAM86.6

    1024QAM106.6

    OFDM-16QAM43.3

    8VSB5.3

    16VSB7.1

　　表2 QPSK、QAM、VSB、OFDM数字调制技术实现难易比较

　　调制技术实现难易单频组网能力应用地区实现复杂度

    QPSK易有欧洲、日本、中国易

    QAM易无美国相对复杂

    VSB易无美国易

    OFDM可以有欧洲复杂

　　2 数字调制新技术

　　2.1 离散小波多音调制(DWMT)

　　DWMT是一个基于小波传输的多载波调制技术，它将传输频带分成几百个频谱相互独立的信道，将数据调制在各子信道上，经过小波变换处理，取得时频域的分离，以减少码间干扰和信道间干扰。多载波系统能灵活地、最大限度地利用信道，例如：对信噪比较高的子信道可采用传输效率高的调制技术(64QAM)，信噪比较低的子信道采用抗干扰能力强的调制技术(QPSK)，而对信噪比低于门限的子信道则不用，这样可避免窄带干扰。DWMT针对不同的子信道质量(如按SNR)来选择调制方式，从而使它比单载波调制技术(QPSK、QAM或VSB)有更高的传输效率。DWMT无需保护时间，也使频带利用率得以提高，频带管理灵活。由于整个频带被分成许多子信道，使得DWMT能支持各种速率业务和多种访问协议，这对HFC网络是特别重要的。DWMT抗干扰能力强，能采用关闭子信道方式来避开窄带干扰的子信道。

　　2.2 同步离散多音调制(SDMT)

　　SDMT技术一般由两项技术组成：DMT（离散多音调制）和TDD（时分双工）。

　　(1)DMT传输

　　DMT采用大量(典型值为256)正交幅度调制（QAM）信号，因此DMT信道由256个子信道组成，每一个被调制在不同的中心频率上，每一个具有同样的带宽，称之为多音调制。DMT接收机对每个音接收的信号质量进行监测，如果发现某一个或几个音的质量（信噪比）下降，接收机就计算出一个修改后的比特分配方案，使接收的误差性能有所改进。接收机把这种比特分配向发射机报告，以便由发射机实现改进后的比特分配。这种由接收机反馈给发射机的信息是通过一个可靠的周期性的低速控制信道进行的，频率越高，衰减越大，则子信道就分配较少比特，传送较少的信息，哪个子信道的信噪比（S/N）越高，则分配越多的比特，反之则越少，甚至被关闭。

　　（2）SDMT

　　SDMT是由DMT和TDD（也称乒乓传输）组成。在使用VDSL宽带接入技术时，电缆中的线路均被锁定于同一个网络时钟上（即同一电缆中的所有线路在同一时间上“乒”和“乓”），SDMT系统支持在不同时间周期的用同一频段的上行和下行传输。SDMT为VDSL提供了许多好处：首先，下行和上行码率之比可以灵活；其次，减少了数字信号处理的复杂性。

　　2.3 S-OFDM调制

　　目前，数字电视地面广播(DTTB)已达到可实现阶段，世界上已经公布的DTTB传输标准主要有3种：ATSC，DVB-T，ISDB-T，基于对这3个地面数字电视系统的深入研究，借鉴并吸收了这些年来国际国内数字电视技术方面的经验和教训，清华大学提出了一个基于TDS-OFDM调制技术的地面数字电视广播传输协议——地面数字多媒体电视广播(Terrestrial Digital Multimedia Television Broadcasting，DMB-T)传输协议。

　　该系统的核心就是采用了时域同步正交频分复用(Time Domain Synchronous Orthogonal FrequencyDivisionMultiplex，IDS-OFDM)调制技术，其频谱利用率可高达4 bit/s/Hz。因此，每个频道有效净荷的信息传输码率在8 MHz的带宽下可高达33 MB/s。其物理信道帧结构如图1所示。

　　图1下行传输协议的分级帧结构

　　帧结构是分级的，一个基本帧结构称为一个信号帧。帧群定义为255个信号帧，其第一帧定义为帧群头。帧群中的信号帧有唯一的帧号，标号从0~254，信号帧号被编码到当前信号帧的帧同步序列中。超帧定义为一组帧群，帧结构的顶层称为超帧群。超帧被编号，从0到最大帧群号。超帧号(SFN)与超帧群号(SFGN)一起被编码到超帧的第一个帧群头中。SFGN被定义为超帧群发送的日历日期，超帧群以一个自然日为周期进行周期性重复，它被编码为下行线路超帧群中一个超帧的第一个帧群头中的前两个字节。在北京时间00∶00∶00AM，物理信道帧结构被复位并开始一个新的超帧群。一个信号帧由两部分组成：帧同步和帧体。帧同步和帧体的基带符号率相同，规定惟7.56 MB/s。帧同步信号采用沃尔什编码的随机序列，以实现多基站识别。帧同步包含前同步、帧同步序列和后同步。对于一个信号帧群中的不同的信号帧，有不同的帧同步信号，所以，帧同步能作为一个特殊信号帧的帧同步特征而用于识别。帧同步采用BPSK调制以得到稳定的同步。

　　由于采用了IDS-OFDM调制技术，DMB-T协议不仅适用于传统的电视节目(视频码流)广播，也适用于提供其他多媒体信息传输服务，特点是：与现有电视广播的传输频率兼容，满足HDTV广播要求的高数据码率，邻近的电视台可以使用相同的频率广播相同的内容（支持蜂窝单频网），卓越的移动接收能力使人们在乘坐汽车和火车时能得到可靠及时的多媒体信息服务，在各种条件和环境下纠错接收能力强，建网成本和运营成本低等。

　　另外，DMB-T技术支持“移动接收”使它成为理想的无线解决方案；支持“突发数据”使它能够处理短数据或消息；支持“蜂窝网”使它能够扩展，满足未来更大的容量需求。