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

賈天慶

（吉林省廣播電視技術(shù)中心臺，吉林 長春 130000）

隨著數(shù)字電視技術(shù)的飛速發(fā)展,數(shù)字電視開始進入我們的生活。要高質(zhì)、高效的傳送數(shù)字電視信號,就離不開調(diào)制,可以說調(diào)制方式是數(shù)字電視技術(shù)的一個重要組成部分。下面就數(shù)字電視信號傳輸中的多載波調(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)信號轉(zhuǎn)換成并行的低速子數(shù)據(jù)流，然后調(diào)制到在每個子信道上進行傳輸。就多載波調(diào)制中的各個載波而言，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(diào)制，最后把所有的調(diào)制信號合在一起進行傳送。

2 數(shù)字電視信號傳輸中的多載波調(diào)制技術(shù)

電視信號的數(shù)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(zhuǎn)換成以二進制碼表達的數(shù)字電視信號。在70年代至80年代,科學家們已經(jīng)研制出各種數(shù)字電視設(shè)備,如數(shù)字幀同步機、數(shù)字制式轉(zhuǎn)換器、數(shù)字錄像機、數(shù)字降噪器等。之后又實現(xiàn)了在電視臺內(nèi)的數(shù)字電視處理與傳輸,除了信號源及發(fā)射端外,在電視臺內(nèi)幾乎實現(xiàn)了全數(shù)字的處理。數(shù)學分量等手段的采用大大提高了電視臺節(jié)目的制作質(zhì)量。但遺憾的是,電視臺內(nèi)的數(shù)字電視信號還得轉(zhuǎn)換成模擬電視信號進行調(diào)制發(fā)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(chǎn)生弊病的直接原因就是傳送數(shù)字電視信號時信號調(diào)制問題,具體就是信號的編碼、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)制是指用一個信號去調(diào)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(diào)信號占據(jù)了信道的所有帶寬。在單載波調(diào)制技術(shù)中,調(diào)制信號改變載波的三個特征:振幅、頻率和相位。在數(shù)字調(diào)制技術(shù)中,相應地表現(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)流分解成若干個低速比特流,并且用這些比特流去并行調(diào)制若干個子載波,即在頻域?qū)⒔o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(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用(FDM)調(diào)制。多載波調(diào)制的主要優(yōu)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(tǒng)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(shù)。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?shù)膹秃闲盘柕姆椒?。其?按信號所占頻率區(qū)分的復用,稱為頻分復用(FDM);而按時間區(qū)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(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)量常達幾百,在實際應用中不可能像傳統(tǒng)FDM系統(tǒng)中那樣使用N個振蕩器和鎖相環(huán)陣列進行相干解調(diào)。直到 S.B.Weinstein提出用離散付立葉變換(DFT)實現(xiàn)OFDM 的方法,簡化了系統(tǒng)實現(xiàn),才使得OFDM技術(shù)實用化。其核心思想是將通常在載頻實現(xiàn)的頻分復用過程轉(zhuǎn)化為基帶數(shù)字預處理。在實際應用中,DFT的實現(xiàn)一般可運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雜問題,在保持多載波優(yōu)點的同時,使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)大大簡化。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,在每個子信道上使用一個子載波進行調(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(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(diào)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(tǒng)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(nèi)發(fā)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(xù)時間 (即多徑回波的最大延時),根據(jù)卷積的性質(zhì)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(nèi)進行積分就可以了。對于OFDM 系統(tǒng)的DFT實現(xiàn)形式來說,上述方法等效于在發(fā)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(huán)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(shù)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(tǒng)的頻譜效率降低。對于一個確定延時的多徑信道,系統(tǒng)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(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(tǒng)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(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,還要考慮移動性、網(wǎng)絡規(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)采用正交頻分復用方法調(diào)制多數(shù)載波,能夠提高數(shù)字電視信號傳輸系統(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)外級聯(lián)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(shù)字電視(HDTV)地面?zhèn)鬏斚到y(tǒng)的研究熱點之一。

[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:東北師范大學出版社,2002.P173-176.