基于多載波調制技術及在數字電視信號傳輸中應用

賈天慶

（吉林省廣播電視技術中心臺，吉林 長春 130000）

隨著數字電視技術的飛速發展,數字電視開始進入我們的生活。要高質、高效的傳送數字電視信號,就離不開調制,可以說調制方式是數字電視技術的一個重要組成部分。下面就數字電視信號傳輸中的多載波調制技術做以介紹。

1 多載波調制技術介紹

所謂多載波調制，就是將信道分成若干正交子信道，將高速數據信號轉換成并行的低速子數據流，然后調制到在每個子信道上進行傳輸。就多載波調制中的各個載波而言，其調制的工作原理與n-QAM單載波調制的工作原理基本相同，只是把需要傳送的數據分成很多組（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信號和Q信號，而后用3780組I信號和Q信號分別對3780個頻率各不相同的載波進行正交調制，最后把所有的調制信號合在一起進行傳送。

2 數字電視信號傳輸中的多載波調制技術

電視信號的數字化早在1948年就提出來了,將R、G、B模擬電視信號進行取樣、量化,即所謂A/D變換,就把模擬電視信號轉換成以二進制碼表達的數字電視信號。在70年代至80年代,科學家們已經研制出各種數字電視設備,如數字幀同步機、數字制式轉換器、數字錄像機、數字降噪器等。之后又實現了在電視臺內的數字電視處理與傳輸,除了信號源及發射端外,在電視臺內幾乎實現了全數字的處理。數學分量等手段的采用大大提高了電視臺節目的制作質量。但遺憾的是,電視臺內的數字電視信號還得轉換成模擬電視信號進行調制發射。接收機接收到的仍是模擬電視信號,一些弊病仍然存在。產生弊病的直接原因就是傳送數字電視信號時信號調制問題,具體就是信號的編碼、量化以及載波的調制技術的提高問題。下面我們就介紹一下數字電視信號傳輸中的多載波調制技術。

2.1 單載波調制

單載波(SFN)調制是指用一個信號去調制一個載波,并且在一個信道中只有一個載波信號,即一個已調信號占據了信道的所有帶寬。在單載波調制技術中,調制信號改變載波的三個特征:振幅、頻率和相位。在數字調制技術中,相應地表現為振幅鍵控(ASK)、頻移鍵控(FSK)、移相鍵控(PSK)、正交調幅(QAM)和其它一些調整方法。

2.2 多載波調制

多載波調制 (Multi-Carrier Modulation,MCM)就是將要傳輸的高速數據流分解成若干個低速比特流,并且用這些比特流去并行調制若干個子載波,即在頻域將給定的一個信道分成許多子信道,在每個子信道上使用一個子載波進行調制。一般子信道之間沒有頻譜重疊。MCM本質上可以看作是一種頻分復用(FDM)調制。多載波調制的主要優點是具有抵抗無線信道時間彌散的特性。

2.3 頻分復用

在一個通信系統中,一個信道所提供的帶寬一般遠大于傳送一路信號所需帶寬。如果一個信道只用于傳輸一路信號,將是極大的浪費,為了充分利用信道帶寬,提出了信道分配復用技術。所謂的"復用",就是將許多彼此獨立的信號合并為一個可在同一個信道上傳輸的復合信號的方法。其中,按信號所占頻率區分的復用,稱為頻分復用(FDM);而按時間區分的復用,稱為時分復用(TDM)。

2.4 正交頻分復用(OFDM)

正交頻分復用調制(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)是一種多載波調制技術,其子載波之間保持正交性,有重疊。由于OFDM系統中載波數量常達幾百,在實際應用中不可能像傳統FDM系統中那樣使用N個振蕩器和鎖相環陣列進行相干解調。直到 S.B.Weinstein提出用離散付立葉變換(DFT)實現OFDM 的方法,簡化了系統實現,才使得OFDM技術實用化。其核心思想是將通常在載頻實現的頻分復用過程轉化為基帶數字預處理。在實際應用中,DFT的實現一般可運用快速傅里葉變換算法(FFT)。經過這種轉化,OFDM系統在射頻部分仍可采用傳統的單載波模式,避免了子載波間的交調干擾和多路載波同步等復雜問題,在保持多載波優點的同時,使系統結構大大簡化。OFDM 技術的核心是,在頻域將給定信道分成許多正交子信道,在每個子信道上使用一個子載波進行調制,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。在傳統的FDM 傳輸系統中,各個頻帶沒有重疊,頻譜利用率低。但OFDM的各個子載波是相互正交的,子載波間有部分重疊,所以它比傳統的FDM提高了頻帶利用率。在過去幾十年中,OFDM作為高速數據通信的調制方法,在數字音頻廣播(DAB)、地面數字視頻廣播 (DVB-T)、無線局域網802.11和802.16、非對稱數字用戶環(ADSL)和甚高速數字用戶環(VDSL)等領域得到了應用。

2.5 OFDM保護間隔能抗多徑干擾

OFDM子載波上的符號周期比單載波調制擴大了倍,但是仍然不能完全消除多徑衰落的影響。在多載波系統中,多徑回波不僅使同一載波的前后相鄰符號疊加,造成符號間干擾(ISI);而且會破壞子載波間的正交性,造成載波間串擾(ICI)。這是因為多徑回波使子載波的幅度和/或相位在一個積分周期內發生了變化,以至于接收信號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符號周期上增加一段保護間隔(Guard Interval)時間,用表示。此時,實際的符號傳輸周期為。如圖6所示,如果保護間隔大于信道沖激響應的持續時間 (即多徑回波的最大延時),根據卷積的性質可知,前一符號的多徑延時完全被保護間隔吸收,不會波及當前符號的有用信號周期。在接收端,只需在有用信號周期內進行積分就可以了。對于OFDM 系統的DFT實現形式來說,上述方法等效于在發射端個IDFT樣點 (稱為一個OFDM 周期或OFDM 符號)前增加個樣點的保護間隔,這個樣點通常采用OFDM周期的循環擴展。在接收端,首先要去除保護間隔,再對點有用信號進行DFT變換。只要信道沖激響應長度小于保護間隔,OFDM就不會有ISI干擾。

2.6 OFDM子載波數量的選擇

與冗余碼元一樣,保護間隔的引入必然會導致實際系統的頻譜效率降低。對于一個確定延時的多徑信道,系統的實際頻譜效率為因此,為了在保持信息速率的前提下提高系統的頻譜效率,就必須增加,也就是增加子載波的數量。但是,子載波數量也不是越多越好。除DFT計算復雜度和硬件成本會隨值增大而迅速提高外,還因為限帶系統的子載波間隔與值成反比;子載波間隔越小,對時間選擇性衰落和多普勒效應造成的頻譜擴展及載波相位噪聲越敏感,越容易失去正交性。因此,在工程應用中,需要對這些問題折衷考慮。此外,我們選擇的值還應該能夠分解成小基數的乘積,以便采用FFT蝶形算法。目前在地面數字電視廣播系統中,子載波數量一般為2k、4k或8k。具體選擇哪一種參數,除了要考慮上述因素外,還要考慮移動性、網絡規劃的靈活性等。

3 結語

經過上面的討論,我們可以發現采用正交頻分復用方法調制多數載波,能夠提高數字電視信號傳輸系統性能的優越性,主要原因是由于這種OFDM信道編碼和信號調制方式。因其調制系統與現行模擬頻道兼容,并且利用內外級聯碼的形式。輔以充分的交織,對付加性噪聲和脈沖噪聲干擾相當有效,所以已成為當今高清晰度數字電視(HDTV)地面傳輸系統的研究熱點之一。

[1]魯業頻.數字電視基礎[M].北京:電子工業出版社,2002.P17-22.

[2]孫寧.數字電視技術[M].吉林:東北師范大學出版社,2002.P173-176.