单位文秘网 2021-10-06 08:11:03 点击: 次
摘要:数字电视已进入我们生活,同模拟电视相比它有很大的变化。本篇简要阐述数字电视信号的处理方式,尤其是利用OFDM针对数字电视中色度副载波的调制技术问题,进行了讨论。最后对数字电视的技术要点作了介绍。
关键词:数字电视 调制技术OFDM
一、引 言
采用数字压缩技术传输卫星数字电视节目以来,数字电视在中国已经历l5个春秋。数字电视从无到有,从卫星数字电视到有线数字电视,最终解决数字电视地面传输,完成广播电视技术系统整体平移[1]。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。
二、理论与实例
由于彩色电视信号比较复杂,由多种信号组成,具体传输时需要比较复杂的技术,所以
我们对兼容制的彩色电视信号的组成、传输特性进行一下介绍。
2.1 彩色电视的兼容制传送
2.1.1 电视系统的兼容
电视系统的兼容可分为正向和逆向两种兼容,所谓正向兼容是指黑白电视机既能接收黑白电视信号,也能接收彩色电视信号而重现正常的黑白图像;逆向兼容是指彩色电视机在接收彩色电视信号时,能重现正常的彩色图像,而且在接收黑白电视信号时,能重现正常的黑白图像。为实现亮度与色度信号的频谱交错,要求将两个色差信号调制在一个合适的副载波上,然后叠加形成色度信号。对色差信号的调制方式是正交平衡调幅。彩色电视信号除包括有黑白全电视信号的全部内容,还包含有经正交平衡调幅的色度信号。色同步信号的作用是恢复与发送端同频同相的副载波。彩色全电视信号主要由亮度信号、色度信号、色同步信号、复合同步信号、复合消隐信号混合在一起就构成彩色全电视信号。
2.1.2 电视信号的发送
在电视系统中,视频信号采用调幅方式,音频信号采用调频方式。视频信号和音频信号不能直接发送,需将二者分别调制在高频载波上。这两种高频载波合成为射频全电视信号,将全电视信号对载波进行调幅,调幅后的高频电视信号称为已调高频电视信号,波形的包络形状与全电视信号波形相同。
以上是我们对整个电视信号的传送以及哪些信号需要调制进行了说明,由于存在着很多不同频率的信号,所以也需要对应有准确的载波进行调制,以便达到传输信号时能够更加精确。这样就不得不需要一种技术即多载波调制技术。
2.2 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。
2.2.1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。
2.2.2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。
2.2.3 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)。
2.2..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。
2.2.5 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。
2.2.6 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。
三、结果与讨论
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。
参考文献:
[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.
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