地面数字电视传输技术-在线教程八(51-60)

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51. 什么是 QAM 调制 ？
在带宽有效的通信系统中，大容量信息必须通过高进制调制来传输。由信号星座图可以
直观地看出，此时如果单独使用幅度或相位携带信息，则信号星座点仅发布在一条直线或一
个圆上，不能充分利用信号平面。基于这种考虑诞生了幅度和相位相结合的调制方式——正
交幅度调制（Quadrature Amplitude Modulation，QAM），它可以在保证最小欧氏距离的前提
下尽可能多地增加星座点数目。目前M 进制QAM 调制方案广泛应用于数字视频广播，可
以在有限带宽内传输高清晰度视频信号。
下图为常见的M 进制QAM 信号星座图。从欧氏距离的角度看，下图所示的矩形星座
并不一定是最好的M 元星座点分布，也确有通信系统选择了不同的信号映射方式，例如蜂
窝形状。但是，矩形星座具有容易产生的独特优点，也很利于用正交相干方式解调。所以，
矩形星座的QAM 信号在实际应用中占了绝大部分。

从QAM 调制实现过程看，QAM 信号可以看成是两路正交的多进制调幅信号之和。另
一方面，在上图中M = 4 的QAM 调制与QPSK 调制完全等同。因此，我们也可以把QAM
信号看成多层QPSK 信号的线性组合。例如，一个16QAM 星座图可以看成由两层QPSK 调
制组成，第一层调制确定了星座点处于哪个象限，第二层调制再映射为该象限的四个星座点
之一。
MQAM调制的符号错误概率如下图所示。

52. QAM 调制有哪些变形 ？
（1）OQAM。QAM 信号也存在偏移调制方式，即OQAM。其原理和产生方法都与
OQPSK 相同，在此不需赘述。
（2）分级调制。前面讲过QAM 信号可以看成多层QPSK 信号的线性组合，这一特点
在数字视频通信中得到了应用，可以提供分级的传输服务。下图为一个典型的分级64QAM
非均匀调制星座图，该调制信号被分为两层(或称为两个优先级)，即第一层(高优先级HP)
的QPSK 信号和第二层(低优先级LP)的16QAM 信号。发射机先完成QPSK 映射，然后在
QPSK 星座点的基础上在进行一次16QAM 映射。两层映射通常来自不同的信息源，并可以
采用不同的信道编码，以提供不同等级的误码保护。接收机则可根据自身需求和客观接收条
件，选择全部接收或只接收高优先级码流。

在数字视频通信中引入分级调制是基于以下考虑：
(1) 在未来的视频通信网中，除视频信号外，还要同时传输包括文字、声音、数据、图
片等多媒体信息。而不同信息媒体，不同服务对象对传输的要求也各不相同，例如数据、文
本和图片等不连续媒体对传输误码非常敏感，但对传输速率要求不太高。声音和视频信号数
据量大，但对传输误码的敏感性要稍低一些。不同优先级的码流可以满足不同的传输要求，
比如说可以用高可靠性的HP 码流传输数据和标准清晰度电视节目，而用高数据速率的LP
码流传输高清晰度视频节目(HDTV)。
(2) 如果信号采用地面无线传输方式，则必须考虑信号覆盖问题。由于地形、发射塔的
高度和功率以及接收机天线等因素，不同级别的调制可能到达不同的服务区域。通常来说，
LP 码流用于覆盖核心服务区，但在大部分位置需要固定的屋顶指向性天线。在LP 码流覆
盖范围内，HP 码流总是有效的。它可用来为移动终端和室内天线接收机提供信号，或为LP
码流难以覆盖的低C/N 区域提供覆盖延伸。
需要说明的是，QAM 信号的分级调制是根据“多业务传输”这一特殊需求进行的变形，
从通信性能本身来讲并没有好处。由星座图不难看出，如果传输单一码流，在同等传输条件
下，分级调制需要付出比均匀星座图调制更高的功率效率。
53. 什么是残留边带调制（VSB）？
我国的模拟电视视频信号的最高频率成分为 6MHz。那么采用调幅以后，除载波以外，
上边带和下边带的宽度各为6MHz，整个调幅波的频带宽度为12MHz，这样宽的频带有一
些缺点。因此，要求压缩已调图象信号的频带。
压缩图象已调信号的频带，最易想到的方法是采用单边带传送。抑制掉一个边带，传送
另一个边带。但是对电视信号来说，采用单边带传输是不利的，主要原因是：（1）单边带传
送的信号用包络检波时，失真比较大；（2）电视信号含有 0～6MHz 的频率分量，因此，图
象已调信号的频谱中，载波附近有很密的邻近频率成分，要完全滤除下边带是很困难的；（3）
当采用单边带滤波器时，它在载频处的幅频特性变化非常陡，相应地它的相频特性的非线性
也很大，对电视图象信号是非常有害的。
因此，模拟电视信号传输不采用单边带调制，而采用残留边带（Vestigia1 Sideband
Transmission，VSB）调制。残留边带调制发送如下图所示，图中的标值是我国的国家标准，
残留部分为0.75MHz，即 0.75MHz 以下的部分用双边带发送，而 0.75MHz 至 6MHz 用
单边带发送。

54. 什么是8 电平残留边带 (8-VSB) 调制 ？
VSB 是一种模拟线性调制方法，已为现行的模拟电视广播所采用。8-VSB 调制是模拟
VSB 的数字形式，8-VSB 首先将二进制码流每三比特分为一组，形成八进制基带信号，然
后进行频谱搬移。为提高频谱效率，可以用模拟滤波器从调制信号中滤除一个边带，此时的
信号称为单边带 (SSB) 调制信号，其频谱效率等效于64QAM 信号。然而，下降沿陡峭的
单边带滤波器难以实现，所以采用带有一定滚降的残留边带滤波器Hv***(f) 滤波其中一个
边带，得到 8-VSB。
55. 什么是伪随机 (PN) 序列和m 序列 ？
伪随机序列简称PN (Pseudo-Noise) 序列，其特点是尽管序列产生器有确定的构造方法，
但序列本身具有很多类似随机序列的性质。
最常见的二进制PN 序列是最大长度线性移位寄存器序列，简称m 序列，它是由一个
线性反馈的n 级移位寄存器生成的。所谓“线性反馈”，是指反馈函数中仅包含模2 加运算
而不含非线性运算。下图是一个简单的n = 3 级m 序列产生器，其生成多项式 (即连接关


56. 什么是扩频 ？
扩频调制有很多方式，包括直接序列扩频，跳频扩频和跳时扩频等，这里仅介绍适用于
数字视频通信的直接序列扩频方式。
下图为直接序列扩频调制器框图，假设双极性的二进制信息序列速率为R(bit / s) ，其
脉冲宽度为T R b = 1 ，PN 产生器生成的PN 序列也采用双极性矩形脉冲，其宽度为c T 。习
惯上我们把 PN 序列的脉冲称为码片(chip)，其宽度远小于信息序列的脉冲宽度。
整个调制过程可分为两大步骤：首先由PN 序列和二进制信息序列相乘，称为扩频过程。由
于PN 序列的码片宽度c T 很小，相乘的结果是使发送信号的频谱大大展宽。随后，将扩频的
基带信号按常规线性调制方法发射出去。

我们也可以从频域的角度解释扩频过程。由于时域信号的相乘计算对应于频域卷积，而
我们前面曾经介绍过PN 序列的频谱近似为平坦的宽带连续谱。所以，扩频过程使窄带信息
序列通过频域卷积获得了同样近似平坦的宽谱。此时发射机输出的扩频调制信号带宽为
W = 1/Tc。我们定义带宽扩展因子为：

它表示信号经过扩频处理后的频谱扩展倍数，在实际系统中通常是一个整数。
下图显示了扩频调制抗各种干扰的原理。

57. 扩频有哪些的优点 ？
扩频调制的理论基础可以用Shannon 公式

来描述。该公式表明，为达到特定的传输能力，可以用增加带宽的方法来换取信噪比。扩频
调制的带宽比原信息序列扩大了几十至几千倍，因此获得了可观的抗干扰能力。
扩频系统在窄带和单频干扰以及各种自然干扰(如雷电，汽车火花干扰等)下，都能表现
出良好的性能。但是，扩频系统之所以备受推崇并得到广泛应用，还在与它具备一些特有的
抗干扰能力：
(1) 抗多径干扰能力
多径干扰属于乘性干扰。它是由于电波在无线传输中经过反射和散射，以至接收端由不
同幅度和时延的多路信号叠加形成了随机干涉。在常规的通信体制中，由于多径干扰产生的
频率选择性衰落和时间选择性衰落，会造成严重的符号间串扰(ISI)，使通信系统发生大量误
码，必须采用复杂的均衡技术加以克服。而对于扩频调制系统来说，由于PN 序列的自相关
特性，不同路径的信号在接收点可以看成是互相独立的。接收机只需通过相关运算找到信号
最强的“主径”，将其作为有用信号进行同步接收；其余的到达时间不同的路径，由于其PN
序列的相位与接收机本地PN 序列不同，在解扩过程后仍为宽带频谱，被作为噪声处理。更
进一步，还可以利用PN 序列的自相关性将不同路径的信号分离出来，然后再根据某种规则
将它们结合成一个有用信号，达到分集接收的效果 (例如RAKE 接收机)。
(2) 抗多址干扰能力
也称为多用户能力，这一点在数字视频通信中非常重要。在未来的数字视频通信网中，
每一个终端用户都被分配一个唯一的PN 码(暂时的或永久的)，且与其它用户的PN 码近似
正交，这样服务基站通过不同的PN 码就可以将每个用户的信号区分开。用户用自己的PN
码完成扩频并与服务基站通信，其它用户的信号将在解扩时去除。对单个用户来说，扩频通
信的频谱效率很低；但是大量用户可以同时使用一个频带且相互间不会有明显的干扰，所以
通信系统的整体频谱效率很高。同时，因为不同种类和周期的PN 序列数量惊人，非法用户
难以破解，所以也达到了“服务保密”的目的。
此外，由于扩频调制中有用信号的功率被分配到扩频频谱上，功率谱密度值很低，甚至
可以被噪声掩埋，使信号具有较强的隐蔽性。同时，PN 序列本身具有难以破解性和一定的
抗人为干扰能力，这使得扩频调制在军事通信领域大显身手。
与信道编码一样，扩频过程也可以看作是对信息序列引入冗余度，所以在工程应用中扩
频调制常常和特殊设计的信道编码相结合。
58. 什么是单载波调制 ？
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，相应地为振幅键控（ASK）、频移键控（FSK）、移相键控（PSK）、正交调幅（QAM）
和其它的一些调整方法。
59. 什么是多载波调制 ？
多载波调制（Multi-Carrier Modulation，MCM）的原理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，即在频域内将给定的一
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。
60. 什么是频分复用（FDM）？
在一个通信系统中，一个信道所提供的带宽一般远远大于传送一路信号所需要的带宽。
如果一个信道只用于传输一路信号将是极大的浪费，因此，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（Frequency
Division Multiplexing ，FDM）， 而按时间区分的复用称为时分复用（ Time Division
Multiplexing，TDM）。

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