1 常用多進制數字調制技術及應用

　　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，從而提高數字通信的有效性。但在多相調制時，相位取值數增大，信號之間的相位差也就減小，傳輸的可靠性將隨之降低，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廣泛應用于數字微波通信系統、數字衛星通信系統、寬帶接入與移動通信及有線電視的上行傳輸。在衛星數字電視傳輸中普遍采用的QPSK調諧器可以說是當今衛星數字電視傳輸中對衛星功率、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。歐洲與日本的數字電視首先考慮的是衛星信道，采用QPSK調制，我國也出現了采用QPSK調制解調的衛星廣播和數字電視機。

　　要實現衛星電視的數字化，必須在衛視傳輸中采用高效的調制器和先進的壓縮技術，因為我國現行的PAL制彩色電視是采用625行/50場，其視頻帶寬5 MHz，根據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，在現有的傳輸媒介中要傳送這樣寬帶的數字電視信號是不可能的。

　　采用四相相移鍵控(QPSK)調制之后，可把傳輸的帶寬降到100 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，采用數字視頻壓縮技術，可以降低傳送碼率，使傳送帶寬減少，實現多路傳輸。目前，已經可以做到把216 Mbps速率的數字電視信號壓縮到5 Mbps，使原來只能傳送1路模擬電視的36 Mbps衛星轉發器，現在可同時傳送5路數字電視信號。這樣，數字信號經碼率壓縮技術處理后，信號傳輸容量會得到數倍甚至數十倍的增加。

　　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，16-QAM有16態，每4位二進制數規定了16態中的一態，16-QAM中規定了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字視頻廣播和寬帶接入等通信系統方面。

　　QAM調制方式的多媒體高速寬帶數據廣播系統采用DVB-C有線數字視頻廣播標準，代表著數字化發展方向，有16QAM、32QAM、64QAM、128QAM、256QAM之分，數字越大，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，可在傳統的8 MHz模擬頻道帶寬上傳輸約40 Mbps數據流，可在一個標準PAL通道上傳輸4~8套數字電視節目，它的末端用戶可以是計算機，也可以是帶數字機頂盒的電視機。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的需要，其傳輸速率更高，通道還可優化。

　　QAM目前還被廣泛用于ADSL調制技術，在QAM調制中，發送數據在比特/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，通過設計適當的輸出濾波器，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省頻譜，又比單邊帶易于解調。在殘留邊帶調制方式中，根據調制電平級數的不同，VSB可分為4-VSB，8-VSB，16-VSB等，其中的數字表示調制電平級數。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點是技術成熟，便于實現，對發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，已實現了我國數字高清晰度電視系統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字電視地面廣播傳輸方面同時實現固定/移動接收這一核心技術難題，解決了數字高清晰度電視系統的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據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，在相等的傳輸數據率下,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，從而提高了對發射機功放線性度的要求，降低了發射機的功率效率。

　　目前,歐洲數字電視地面傳輸標準DVB-T中采用的就是COFDM。由于COFDM調制抗動態多徑干擾能力強，使得其既可用于地面傳輸固定接收，也可用于便攜和移動接收。在我國數字電視地面廣播上海試驗區，公交920路進行的測試表明，即使在城區多徑豐富的地區，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種典型數字調制技術實現的難易比較。

　　表1數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

　　8VSB 5.3

　　16VSB 7.1

　　表2 QPSK、QAM、VSB、OFDM數字調制技術實現難易比較

　　調制技術實現難易單頻組網能力應用地區實現復雜

　　QPSK易有歐洲、日本、中國易

　　QAM易無美國相對復雜

　　VSB易無美國易

　　OFDM可以有歐洲復雜

　　2 數字調制新技術

　　2.1 離散小波多音調制(DWMT)

　　DWMT是一個基于小波傳輸的多載波調制技術，它將傳輸頻帶分成幾百個頻譜相互獨立的信道，將數據調制在各子信道上，經過小波變換處理，取得時頻域的分離，以減少碼間干擾和信道間干擾。多載波系統能靈活地、最大限度地利用信道，例如：對信噪比較高的子信道可采用傳輸效率高的調制技術(64QAM)，信噪比較低的子信道采用抗干擾能力強的調制技術(QPSK)，而對信噪比低于門限的子信道則不用，這樣可避免窄帶干擾。DWMT針對不同的子信道質量(如按SNR)來選擇調制方式，從而使它比單載波調制技術(QPSK、QAM或VSB)有更高的傳輸效率。DWMT無需保護時間，也使頻帶利用率得以提高，頻帶管理靈活。由于整個頻帶被分成許多子信道，使得DWMT能支持各種速率業務和多種訪問協議，這對HFC網絡是特別重要的。DWMT抗干擾能力強，能采用關閉子信道方式來避開窄帶干擾的子信道。

　　2.2 同步離散多音調制(SDMT)

　　SDMT技術一般由兩項技術組成：DMT(離散多音調制)和TDD(時分雙工)。

　　(1)DMT傳輸

　　DMT采用大量(典型值為256)正交幅度調制(QAM)信號，因此DMT信道由256個子信道組成，每一個被調制在不同的中心頻率上，每一個具有同樣的帶寬，稱之為多音調制。DMT接收機對每個音接收的信號質量進行監測，如果發現某一個或幾個音的質量(信噪比)下降，接收機就計算出一個修改后的比特分配方案，使接收的誤差性能有所改進。接收機把這種比特分配向發射機報告，以便由發射機實現改進后的比特分配。這種由接收機反饋給發射機的信息是通過一個可靠的周期性的低速控制信道進行的，頻率越高，衰減越大，則子信道就分配較少比特，傳送較少的信息，哪個子信道的信噪比(?S/N?)越高，則分配越多的比特，反之則越少，甚至被關閉。

　　(2)SDMT

　　SDMT是由DMT和TDD(也稱乒乓傳輸)組成。在使用VDSL寬帶接入技術時，電纜中的線路均被鎖定于同一個網絡時鐘上(即同一電纜中的所有線路在同一時間上“乒”和“乓”)，SDMT系統支持在不同時間周期的用同一頻段的上行和下行傳輸。SDMT為VDSL提供了許多好處：首先，下行和上行碼率之比可以靈活;其次，減少了數字信號處理的復雜性。

　　2.3 S-OFDM調制

　　目前，數字電視地面廣播(DTTB)已達到可實現階段，世界上已經公布的DTTB傳輸標準主要有3種：ATSC，DVB-T，ISDB-T，基于對這3個地面數字電視系統的深入研究，借鑒并吸收了這些年來國際國內數字電視技術方面的經驗和教訓，清華大學提出了一個基于TDS-OFDM調制技術的地面數字電視廣播傳輸協議——地面數字多媒體電視廣播(Terrestrial Digital Multimedia Television Broadcasting，DMB-T)傳輸協議。

　　該系統的核心就是采用了時域同步正交頻分復用(Time Domain Synchronous Orthogonal Frequency Division Multiplex，IDS-OFDM)調制技術，其頻譜利用率可高達4 bit/s/Hz。因此，每個頻道有效凈荷的信息傳輸碼率在8 MHz的帶寬下可高達33 MB/s。

　　幀結構是分級的，一個基本幀結構稱為一個信號幀。幀群定義為255個信號幀，其第一幀定義為幀群頭。幀群中的信號幀有唯一的幀號，標號從0~254，信號幀號被編碼到當前信號幀的幀同步序列中。超幀定義為一組幀群，幀結構的頂層稱為超幀群。超幀被編號，從0到最大幀群號。超幀號(SFN)與超幀群號(SFGN)一起被編碼到超幀的第一個幀群頭中。SFGN被定義為超幀群發送的日歷日期，超幀群以一個自然日為周期進行周期性重復，它被編碼為下行線路超幀群中一個超幀的第一個幀群頭中的前兩個字節。在北京時間00∶00∶00AM，物理信道幀結構被復位并開始一個新的超幀群。一個信號幀由兩部分組成：幀同步和幀體。幀同步和幀體的基帶符號率相同，規定惟7.56 MB/s。幀同步信號采用沃爾什編碼的隨機序列，以實現多基站識別。幀同步包含前同步、幀同步序列和后同步。對于一個信號幀群中的不同的信號幀，有不同的幀同步信號，所以，幀同步能作為一個特殊信號幀的幀同步特征而用于識別。幀同步采用BPSK調制以得到穩定的同步。

　　由于采用了IDS-OFDM調制技術，DMB-T協議不僅適用于傳統的電視節目(視頻碼流)廣播，也適用于提供其他多媒體信息傳輸服務，特點是：與現有電視廣播的傳輸頻率兼容，滿足HDTV廣播要求的高數據碼率，鄰近的電視臺可以使用相同的頻率廣播相同的內容(支持蜂窩單頻網)，卓越的移動接收能力使人們在乘坐汽車和火車時能得到可靠及時的多媒體信息服務，在各種條件和環境下糾錯接收能力強，建網成本和運營成本低等。

　　另外，DMB-T技術支持“移動接收”使它成為理想的無線解決方案;支持“突發數據”使它能夠處理短數據或消息;支持“蜂窩網”使它能夠擴展，滿足未來更大的容量需求。