基于多載波調(diào)制技術(shù)及在數(shù)字電視信號(hào)傳輸中應(yīng)用

賈天慶

（吉林省廣播電視技術(shù)中心臺(tái)，吉林 長(zhǎng)春 130000）

隨著數(shù)字電視技術(shù)的飛速發(fā)展,數(shù)字電視開始進(jìn)入我們的生活。要高質(zhì)、高效的傳送數(shù)字電視信號(hào),就離不開調(diào)制,可以說調(diào)制方式是數(shù)字電視技術(shù)的一個(gè)重要組成部分。下面就數(shù)字電視信號(hào)傳輸中的多載波調(diào)制技術(shù)做以介紹。

1 多載波調(diào)制技術(shù)介紹

所謂多載波調(diào)制，就是將信道分成若干正交子信道，將高速數(shù)據(jù)信號(hào)轉(zhuǎn)換成并行的低速子數(shù)據(jù)流，然后調(diào)制到在每個(gè)子信道上進(jìn)行傳輸。就多載波調(diào)制中的各個(gè)載波而言，其調(diào)制的工作原理與n-QAM單載波調(diào)制的工作原理基本相同，只是把需要傳送的數(shù)據(jù)分成很多組（這里為3780組），然后每組再分成兩組，通過幅度編碼以后便可生成兩組I信號(hào)和Q信號(hào)，而后用3780組I信號(hào)和Q信號(hào)分別對(duì)3780個(gè)頻率各不相同的載波進(jìn)行正交調(diào)制，最后把所有的調(diào)制信號(hào)合在一起進(jìn)行傳送。

2 數(shù)字電視信號(hào)傳輸中的多載波調(diào)制技術(shù)

電視信號(hào)的數(shù)字化早在1948年就提出來了,將R、G、B模擬電視信號(hào)進(jìn)行取樣、量化,即所謂A/D變換,就把模擬電視信號(hào)轉(zhuǎn)換成以二進(jìn)制碼表達(dá)的數(shù)字電視信號(hào)。在70年代至80年代,科學(xué)家們已經(jīng)研制出各種數(shù)字電視設(shè)備,如數(shù)字幀同步機(jī)、數(shù)字制式轉(zhuǎn)換器、數(shù)字錄像機(jī)、數(shù)字降噪器等。之后又實(shí)現(xiàn)了在電視臺(tái)內(nèi)的數(shù)字電視處理與傳輸,除了信號(hào)源及發(fā)射端外,在電視臺(tái)內(nèi)幾乎實(shí)現(xiàn)了全數(shù)字的處理。數(shù)學(xué)分量等手段的采用大大提高了電視臺(tái)節(jié)目的制作質(zhì)量。但遺憾的是,電視臺(tái)內(nèi)的數(shù)字電視信號(hào)還得轉(zhuǎn)換成模擬電視信號(hào)進(jìn)行調(diào)制發(fā)射。接收機(jī)接收到的仍是模擬電視信號(hào),一些弊病仍然存在。產(chǎn)生弊病的直接原因就是傳送數(shù)字電視信號(hào)時(shí)信號(hào)調(diào)制問題,具體就是信號(hào)的編碼、量化以及載波的調(diào)制技術(shù)的提高問題。下面我們就介紹一下數(shù)字電視信號(hào)傳輸中的多載波調(diào)制技術(shù)。

2.1 單載波調(diào)制

單載波(SFN)調(diào)制是指用一個(gè)信號(hào)去調(diào)制一個(gè)載波,并且在一個(gè)信道中只有一個(gè)載波信號(hào),即一個(gè)已調(diào)信號(hào)占據(jù)了信道的所有帶寬。在單載波調(diào)制技術(shù)中,調(diào)制信號(hào)改變載波的三個(gè)特征:振幅、頻率和相位。在數(shù)字調(diào)制技術(shù)中,相應(yīng)地表現(xiàn)為振幅鍵控(ASK)、頻移鍵控(FSK)、移相鍵控(PSK)、正交調(diào)幅(QAM)和其它一些調(diào)整方法。

2.2 多載波調(diào)制

多載波調(diào)制 (Multi-Carrier Modulation,MCM)就是將要傳輸?shù)母咚贁?shù)據(jù)流分解成若干個(gè)低速比特流,并且用這些比特流去并行調(diào)制若干個(gè)子載波,即在頻域?qū)⒔o定的一個(gè)信道分成許多子信道,在每個(gè)子信道上使用一個(gè)子載波進(jìn)行調(diào)制。一般子信道之間沒有頻譜重疊。MCM本質(zhì)上可以看作是一種頻分復(fù)用(FDM)調(diào)制。多載波調(diào)制的主要優(yōu)點(diǎn)是具有抵抗無線信道時(shí)間彌散的特性。

2.3 頻分復(fù)用

在一個(gè)通信系統(tǒng)中,一個(gè)信道所提供的帶寬一般遠(yuǎn)大于傳送一路信號(hào)所需帶寬。如果一個(gè)信道只用于傳輸一路信號(hào),將是極大的浪費(fèi),為了充分利用信道帶寬,提出了信道分配復(fù)用技術(shù)。所謂的"復(fù)用",就是將許多彼此獨(dú)立的信號(hào)合并為一個(gè)可在同一個(gè)信道上傳輸?shù)膹?fù)合信號(hào)的方法。其中,按信號(hào)所占頻率區(qū)分的復(fù)用,稱為頻分復(fù)用(FDM);而按時(shí)間區(qū)分的復(fù)用,稱為時(shí)分復(fù)用(TDM)。

2.4 正交頻分復(fù)用(OFDM)

正交頻分復(fù)用調(diào)制(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)是一種多載波調(diào)制技術(shù),其子載波之間保持正交性,有重疊。由于OFDM系統(tǒng)中載波數(shù)量常達(dá)幾百,在實(shí)際應(yīng)用中不可能像傳統(tǒng)FDM系統(tǒng)中那樣使用N個(gè)振蕩器和鎖相環(huán)陣列進(jìn)行相干解調(diào)。直到 S.B.Weinstein提出用離散付立葉變換(DFT)實(shí)現(xiàn)OFDM 的方法,簡(jiǎn)化了系統(tǒng)實(shí)現(xiàn),才使得OFDM技術(shù)實(shí)用化。其核心思想是將通常在載頻實(shí)現(xiàn)的頻分復(fù)用過程轉(zhuǎn)化為基帶數(shù)字預(yù)處理。在實(shí)際應(yīng)用中,DFT的實(shí)現(xiàn)一般可運(yùn)用快速傅里葉變換算法(FFT)。經(jīng)過這種轉(zhuǎn)化,OFDM系統(tǒng)在射頻部分仍可采用傳統(tǒng)的單載波模式,避免了子載波間的交調(diào)干擾和多路載波同步等復(fù)雜問題,在保持多載波優(yōu)點(diǎn)的同時(shí),使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)大大簡(jiǎn)化。OFDM 技術(shù)的核心是,在頻域?qū)⒔o定信道分成許多正交子信道,在每個(gè)子信道上使用一個(gè)子載波進(jìn)行調(diào)制,而且各子載波并行傳輸。這樣就可以把寬帶變成窄帶,解決頻率選擇性衰落問題。在傳統(tǒng)的FDM 傳輸系統(tǒng)中,各個(gè)頻帶沒有重疊,頻譜利用率低。但OFDM的各個(gè)子載波是相互正交的,子載波間有部分重疊,所以它比傳統(tǒng)的FDM提高了頻帶利用率。在過去幾十年中,OFDM作為高速數(shù)據(jù)通信的調(diào)制方法,在數(shù)字音頻廣播(DAB)、地面數(shù)字視頻廣播 (DVB-T)、無線局域網(wǎng)802.11和802.16、非對(duì)稱數(shù)字用戶環(huán)(ADSL)和甚高速數(shù)字用戶環(huán)(VDSL)等領(lǐng)域得到了應(yīng)用。

2.5 OFDM保護(hù)間隔能抗多徑干擾

OFDM子載波上的符號(hào)周期比單載波調(diào)制擴(kuò)大了倍,但是仍然不能完全消除多徑衰落的影響。在多載波系統(tǒng)中,多徑回波不僅使同一載波的前后相鄰符號(hào)疊加,造成符號(hào)間干擾(ISI);而且會(huì)破壞子載波間的正交性,造成載波間串?dāng)_(ICI)。這是因?yàn)槎鄰交夭ㄊ棺虞d波的幅度和/或相位在一個(gè)積分周期內(nèi)發(fā)生了變化,以至于接收信號(hào)中來自其它載波的分量在積分以后不再為0了。解決這一問題的方法是在每個(gè)符號(hào)周期上增加一段保護(hù)間隔(Guard Interval)時(shí)間,用表示。此時(shí),實(shí)際的符號(hào)傳輸周期為。如圖6所示,如果保護(hù)間隔大于信道沖激響應(yīng)的持續(xù)時(shí)間 (即多徑回波的最大延時(shí)),根據(jù)卷積的性質(zhì)可知,前一符號(hào)的多徑延時(shí)完全被保護(hù)間隔吸收,不會(huì)波及當(dāng)前符號(hào)的有用信號(hào)周期。在接收端,只需在有用信號(hào)周期內(nèi)進(jìn)行積分就可以了。對(duì)于OFDM 系統(tǒng)的DFT實(shí)現(xiàn)形式來說,上述方法等效于在發(fā)射端個(gè)IDFT樣點(diǎn) (稱為一個(gè)OFDM 周期或OFDM 符號(hào))前增加個(gè)樣點(diǎn)的保護(hù)間隔,這個(gè)樣點(diǎn)通常采用OFDM周期的循環(huán)擴(kuò)展。在接收端,首先要去除保護(hù)間隔,再對(duì)點(diǎn)有用信號(hào)進(jìn)行DFT變換。只要信道沖激響應(yīng)長(zhǎng)度小于保護(hù)間隔,OFDM就不會(huì)有ISI干擾。

2.6 OFDM子載波數(shù)量的選擇

與冗余碼元一樣,保護(hù)間隔的引入必然會(huì)導(dǎo)致實(shí)際系統(tǒng)的頻譜效率降低。對(duì)于一個(gè)確定延時(shí)的多徑信道,系統(tǒng)的實(shí)際頻譜效率為因此,為了在保持信息速率的前提下提高系統(tǒng)的頻譜效率,就必須增加,也就是增加子載波的數(shù)量。但是,子載波數(shù)量也不是越多越好。除DFT計(jì)算復(fù)雜度和硬件成本會(huì)隨值增大而迅速提高外,還因?yàn)橄迬到y(tǒng)的子載波間隔與值成反比;子載波間隔越小,對(duì)時(shí)間選擇性衰落和多普勒效應(yīng)造成的頻譜擴(kuò)展及載波相位噪聲越敏感,越容易失去正交性。因此,在工程應(yīng)用中,需要對(duì)這些問題折衷考慮。此外,我們選擇的值還應(yīng)該能夠分解成小基數(shù)的乘積,以便采用FFT蝶形算法。目前在地面數(shù)字電視廣播系統(tǒng)中,子載波數(shù)量一般為2k、4k或8k。具體選擇哪一種參數(shù),除了要考慮上述因素外,還要考慮移動(dòng)性、網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃的靈活性等。

3 結(jié)語

經(jīng)過上面的討論,我們可以發(fā)現(xiàn)采用正交頻分復(fù)用方法調(diào)制多數(shù)載波,能夠提高數(shù)字電視信號(hào)傳輸系統(tǒng)性能的優(yōu)越性,主要原因是由于這種OFDM信道編碼和信號(hào)調(diào)制方式。因其調(diào)制系統(tǒng)與現(xiàn)行模擬頻道兼容,并且利用內(nèi)外級(jí)聯(lián)碼的形式。輔以充分的交織,對(duì)付加性噪聲和脈沖噪聲干擾相當(dāng)有效,所以已成為當(dāng)今高清晰度數(shù)字電視(HDTV)地面?zhèn)鬏斚到y(tǒng)的研究熱點(diǎn)之一。

[1]魯業(yè)頻.數(shù)字電視基礎(chǔ)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2002.P17-22.

[2]孫寧.數(shù)字電視技術(shù)[M].吉林:東北師范大學(xué)出版社,2002.P173-176.