基于多载波调制技术及在数字电视信号传输中应用

贾天庆

（吉林省广播电视技术中心台，吉林 长春 130000）

随着数字电视技术的飞速发展,数字电视开始进入我们的生活。要高质、高效的传送数字电视信号,就离不开调制,可以说调制方式是数字电视技术的一个重要组成部分。下面就数字电视信号传输中的多载波调制技术做以介绍。

1 多载波调制技术介绍

所谓多载波调制，就是将信道分成若干正交子信道，将高速数据信号转换成并行的低速子数据流，然后调制到在每个子信道上进行传输。就多载波调制中的各个载波而言，其调制的工作原理与n-QAM单载波调制的工作原理基本相同，只是把需要传送的数据分成很多组（这里为3780组），然后每组再分成两组，通过幅度编码以后便可生成两组I信号和Q信号，而后用3780组I信号和Q信号分别对3780个频率各不相同的载波进行正交调制，最后把所有的调制信号合在一起进行传送。

2 数字电视信号传输中的多载波调制技术

电视信号的数字化早在1948年就提出来了,将R、G、B模拟电视信号进行取样、量化,即所谓A/D变换,就把模拟电视信号转换成以二进制码表达的数字电视信号。在70年代至80年代,科学家们已经研制出各种数字电视设备,如数字帧同步机、数字制式转换器、数字录像机、数字降噪器等。之后又实现了在电视台内的数字电视处理与传输,除了信号源及发射端外,在电视台内几乎实现了全数字的处理。数学分量等手段的采用大大提高了电视台节目的制作质量。但遗憾的是,电视台内的数字电视信号还得转换成模拟电视信号进行调制发射。接收机接收到的仍是模拟电视信号,一些弊病仍然存在。产生弊病的直接原因就是传送数字电视信号时信号调制问题,具体就是信号的编码、量化以及载波的调制技术的提高问题。下面我们就介绍一下数字电视信号传输中的多载波调制技术。

2.1 单载波调制

单载波(SFN)调制是指用一个信号去调制一个载波,并且在一个信道中只有一个载波信号,即一个已调信号占据了信道的所有带宽。在单载波调制技术中,调制信号改变载波的三个特征:振幅、频率和相位。在数字调制技术中,相应地表现为振幅键控(ASK)、频移键控(FSK)、移相键控(PSK)、正交调幅(QAM)和其它一些调整方法。

2.2 多载波调制

多载波调制 (Multi-Carrier Modulation,MCM)就是将要传输的高速数据流分解成若干个低速比特流,并且用这些比特流去并行调制若干个子载波,即在频域将给定的一个信道分成许多子信道,在每个子信道上使用一个子载波进行调制。一般子信道之间没有频谱重叠。MCM本质上可以看作是一种频分复用(FDM)调制。多载波调制的主要优点是具有抵抗无线信道时间弥散的特性。

2.3 频分复用

在一个通信系统中,一个信道所提供的带宽一般远大于传送一路信号所需带宽。如果一个信道只用于传输一路信号,将是极大的浪费,为了充分利用信道带宽,提出了信道分配复用技术。所谓的"复用",就是将许多彼此独立的信号合并为一个可在同一个信道上传输的复合信号的方法。其中,按信号所占频率区分的复用,称为频分复用(FDM);而按时间区分的复用,称为时分复用(TDM)。

2.4 正交频分复用(OFDM)

正交频分复用调制(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)是一种多载波调制技术,其子载波之间保持正交性,有重叠。由于OFDM系统中载波数量常达几百,在实际应用中不可能像传统FDM系统中那样使用N个振荡器和锁相环阵列进行相干解调。直到 S.B.Weinstein提出用离散付立叶变换(DFT)实现OFDM 的方法,简化了系统实现,才使得OFDM技术实用化。其核心思想是将通常在载频实现的频分复用过程转化为基带数字预处理。在实际应用中,DFT的实现一般可运用快速傅里叶变换算法(FFT)。经过这种转化,OFDM系统在射频部分仍可采用传统的单载波模式,避免了子载波间的交调干扰和多路载波同步等复杂问题,在保持多载波优点的同时,使系统结构大大简化。OFDM 技术的核心是,在频域将给定信道分成许多正交子信道,在每个子信道上使用一个子载波进行调制,而且各子载波并行传输。这样就可以把宽带变成窄带,解决频率选择性衰落问题。在传统的FDM 传输系统中,各个频带没有重叠,频谱利用率低。但OFDM的各个子载波是相互正交的,子载波间有部分重叠,所以它比传统的FDM提高了频带利用率。在过去几十年中,OFDM作为高速数据通信的调制方法,在数字音频广播(DAB)、地面数字视频广播 (DVB-T)、无线局域网802.11和802.16、非对称数字用户环(ADSL)和甚高速数字用户环(VDSL)等领域得到了应用。

2.5 OFDM保护间隔能抗多径干扰

OFDM子载波上的符号周期比单载波调制扩大了倍,但是仍然不能完全消除多径衰落的影响。在多载波系统中,多径回波不仅使同一载波的前后相邻符号叠加,造成符号间干扰(ISI);而且会破坏子载波间的正交性,造成载波间串扰(ICI)。这是因为多径回波使子载波的幅度和/或相位在一个积分周期内发生了变化,以至于接收信号中来自其它载波的分量在积分以后不再为0了。解决这一问题的方法是在每个符号周期上增加一段保护间隔(Guard Interval)时间,用表示。此时,实际的符号传输周期为。如图6所示,如果保护间隔大于信道冲激响应的持续时间 (即多径回波的最大延时),根据卷积的性质可知,前一符号的多径延时完全被保护间隔吸收,不会波及当前符号的有用信号周期。在接收端,只需在有用信号周期内进行积分就可以了。对于OFDM 系统的DFT实现形式来说,上述方法等效于在发射端个IDFT样点 (称为一个OFDM 周期或OFDM 符号)前增加个样点的保护间隔,这个样点通常采用OFDM周期的循环扩展。在接收端,首先要去除保护间隔,再对点有用信号进行DFT变换。只要信道冲激响应长度小于保护间隔,OFDM就不会有ISI干扰。

2.6 OFDM子载波数量的选择

与冗余码元一样,保护间隔的引入必然会导致实际系统的频谱效率降低。对于一个确定延时的多径信道,系统的实际频谱效率为因此,为了在保持信息速率的前提下提高系统的频谱效率,就必须增加,也就是增加子载波的数量。但是,子载波数量也不是越多越好。除DFT计算复杂度和硬件成本会随值增大而迅速提高外,还因为限带系统的子载波间隔与值成反比;子载波间隔越小,对时间选择性衰落和多普勒效应造成的频谱扩展及载波相位噪声越敏感,越容易失去正交性。因此,在工程应用中,需要对这些问题折衷考虑。此外,我们选择的值还应该能够分解成小基数的乘积,以便采用FFT蝶形算法。目前在地面数字电视广播系统中,子载波数量一般为2k、4k或8k。具体选择哪一种参数,除了要考虑上述因素外,还要考虑移动性、网络规划的灵活性等。

3 结语

经过上面的讨论,我们可以发现采用正交频分复用方法调制多数载波,能够提高数字电视信号传输系统性能的优越性,主要原因是由于这种OFDM信道编码和信号调制方式。因其调制系统与现行模拟频道兼容,并且利用内外级联码的形式。辅以充分的交织,对付加性噪声和脉冲噪声干扰相当有效,所以已成为当今高清晰度数字电视(HDTV)地面传输系统的研究热点之一。

[1]鲁业频.数字电视基础[M].北京:电子工业出版社,2002.P17-22.

[2]孙宁.数字电视技术[M].吉林:东北师范大学出版社,2002.P173-176.