浅谈广播电视卫星信号的数字调制解调技术

引言

调制就是利用基带信号对载波波形的某些参数进行控制,使这些参量随基带信号的变化而变化。解调是调制的逆过程,即从已调制的信号中恢复出原来调制信号。根据被调制的是模拟还是数字信号,调制技术分为模拟调制和数字调制两类。目前广播电视卫星广泛使用数字调制方式,随着通信业务信息量迅速膨胀,通信速度已经越来越不适应发展的要求,因此多进制数字调制应运而生,当信道频带受限时可以使信息传输率增加,从而提高频带利用率。本文先从基本原理说起,继而对当前使用的数字调制方式分别进行介绍,再探讨分析其解调时所需同步载波的提取方法。

广播电视

卫星数字调制技术基本原理

在广播电视卫星系统中,由于收发两端的中频滤波器使得信道具有带限的特性,又由于发射机的高功率放大器以及转发器中的行波管放大器(TWTA)都是非线性部件,使得信道具有非线性的特性,因而该信道是典型的带限和非线性,这就要求所用的调制方式具有包络恒定和具有最小的功率谱占有率。由于数字相位调制(PSK)具有包络恒定和较高的功率效率,所以在广播电视卫星系统中常使用PSK的调制方式。

PSK一般可分为“绝对移相”和“相对移相”。“绝对移相”是利用不同的相位去表示数据信息,而“相对移相”则利用载波的相对相位去表示数字信息,即利用前后码元载波相位的相对变化来表示数据信息。

数字相位调制的原理是利用载波相位的变化来传送数据信息,即用二进制的数字信号去改变载波的相位来实现频谱的搬移。两个频率相同的载波同时开始振荡,这两个频率同时达到正最大值,同时达到零值,同时达到负最大值,它们处于“同相”状态;如果其中一个开始得迟了一点,就可能不相同了。如果一个达到正最大值时,另一个达到负最大值,则称为“反相”。一般把信号振荡一次(一周)作为360度。如果一个波比另一个波相差半个周期,我们说两个波的相位差180度,也就是反相。当传输数字信号时,“1”码控制发0度或180度相位,“0”码控制发180度或0度相位,载波的初始相位就有了移动,也就带上了信息。

广播电视卫星数字调制方式简述

在广播电视卫星中,数字相位调制随着相位调制阶数的增加,可以提高频带的利用率,但会带来抗干扰能力的降低,同时解调器的复杂性也会随之增大,所以目前广播电视卫星广泛使用二进制相移键控(BPSK/2DPSK)、四进制相移键控(QPSK/QDPSK)和八进制相移键控(8PSK/8DPSK)的数字调制方式。

1、二进制相移键控

1)BPSK

BPSK是利用载波的两种不同相位来表征输入的数字信息。由“0”和“1”表示的二进制调制信号通过电平转换后,变成由“1”和“1”表示的双极性NRZ(不归零)信号,然后与载波相乘,即可形成BPSK信号。BPSK信号的调相和解调方框图见图1所示。

BPSK信号是以一个固定初相的未调载波为参考的,因此在解调的时候必须要有与之同频同相的同步载波,如果同步不完善,存在相位偏差,就容易造成错误判决,产生相位模糊,造成反向工作,克服相位模糊对解调的影响最常用而又有效的办法是采用2DPSK。

2)2DPSK

在2PSK信号中,相位变化是以未调载波的相位作为参考基准的,由于它是利用载波相位的绝对数值来传送数字信号,因而又称绝对调相。而2DPSK不是利用载波相位的绝对数值传送数字信号的,是用前后码元的相对相位变化来传送数字信息,因此2DPSK也叫二进制差分相移键控。实现2DPSK调相最常用的方法是先对数字基带信号进行差分编码,即由绝对码转换成相对码,然后再进行绝对调相。2DPSK跟BPSK相比,只是在BPSK调制器之前加了一个差分编码器。2DPSK信号调相和解调方框图见图2所示。

在2DPSK中,数字信息是用前后码元已调信号的相位变化来表示的,因此用有相位模糊的载波进行相干解调时并不影响其相对关系,虽然解调得到的相对码完全是0、1倒置的,但经差分译码后得到的绝对码不会发生任何倒置现象,从而克服了载波相位模糊的问题。但2DPSK的系统误码性能比BPSK要差一些,设备复杂性也相应增加。

2、四进制相移键控

1)QPSK

四相相移调制是利用载波的四种不同相位来表征输入的数字信息。调制器输入的数据是二进制数字序列,为了能和四进制的载波相位配合起来,则需要把二进制数据变换为四进制数据,这就是说需要把二进制数字序列中每两个比特分成一组,共有四种组合,即00,01,10,11,其中每一组称为双比特码元。每一个双比特码元是由两位二进制比特组成,它们分别代表四进制四个符号中的一个符号。QPSK中每次调制可传输2个比特,这些比特是通过载波的四种相位来传递的。QPSK信号( /4体系)调相和解调方框图见图3所示。

由图3可知,QPSK 调制器可以看成由两个BPSK 调制器并行组合构成。输入的串行二进制信息序列经串并变换,分成两路速率减半的序列。双极性非归零信号I(t)和Q(t)分别对 和 进行调制,相加后即得到QPSK信号。此时正交的两路信号幅度相等,称此种调制为平衡正交相移键控方式。QPSK信号中同样包含着相邻调制点相位为180°的突变可能,这种相位跳变会引起包络起伏,当通过非线性部件后,使已经滤除的带外分量又被恢复出来,导致频谱扩展,增加对相邻波道的干扰。跟BPSK一样,可通过采用相对调相来克服相位的跳变。

2)QDPSK

QDPSK是利用前后相邻码元的载波相位的相对变化来传送数字信号,把数字信息序列经差分编码变换为差分码之后再进行绝对调相,QDPSK信号调相与QPSK信号调相的区别也在于增加了一个码变换器,也可以看作是两路2DPSK信号的合成。QDPSK( /2体系)信号调相和解调方框图见图4所示。

3、八进制相移键控

1)8PSK

8PSK是利用载波的八种不同相位来表征数字信息。它把输入的二进制信号序列经过串并变换,每次把一个三比特的码组映射为一个符号的相位,通过载波的八种相位来进行传递。输入的二进制串行比特序列进行串并变换形成并行的三信道输出(I为同相信道,Q为正交信道,A为控制信道)。在I、A信道中的两个比特进入2/4转换器,在同相路就产生两个四电平基带信号I(t);在Q、Ā信道中的两个比特进入2/4转换器,在正交路也产生两个四电平基带信号Q(t)。I(t)和Q(t)分别再对 和 进行调制,相加后即得到8PSK 信号。8PSK信号( /4体系)调相解调方框图见图五所示。同样,8PSK也存在相位模糊的问题,可通过采用8DPSK来解决。

2)8DPSK

8DPSK也是利用前后相邻码元的载波相位的相对变化来传送数字信号,把二进制数字信息序列经串并变换和差分编码变换为差分码后再进行绝对调相。8DPSK调制器由码变换器和8PSK调制构成。8DPSK信号( /4体系)调相解调方框图见图6所示。

4、二/四/八进制相移键控的比较

广播电视卫星数字调制技术从二进制相移键控调制发展到四进制相移键控调制和八进制相移键控调制,它们的比较情况见表1。

倍频提取同步载波的方法初探

数字调制系统的性能是由解调方式决定的,在解调中要恢复出相干载波,这个相干载波应与调制的载波在频率上同频,在相位上保持某种同步关系。下面分别对二、四和八进制相移键控调制信号提取同步载波的方法进行初探:

1、二进制相移键控的倍频数学描述

二进制相移键控的数学公式可以表示为:

其中

g(t)为单个矩形脉冲,脉宽Ts,为载波频率为初始相位。

由上式可以看出,互有正负且幅度相等,所以BPSK/2DPSK信号不含载频分量,是载波抑制的信号。其二倍频后为:

由上式可以看出,经过二倍频后BPSK/2DPSK信号出现, 含有二倍频2分量。

2、四进制相移键控的倍频数学描述

四相相移键控信号的数学公式可以表示为:

其中

由上式可以看出,QPSK/QDPSK信号不含载频分量,是载波抑制的信号。其二倍频后为:

由上式可以看出,QPSK/QDPSK信号二倍频后仍然是载波抑制的信号,不含有载波二倍频分量。其四倍频后为:

由上式可以看出,经过四倍频后QPSK/QDPSK信号出现了载波的四倍频分量 。

3、八进制相移键控的倍频数学描述

八进制相移键控信号的数学公式可以表示为:

其中

上式可以看出,8PSK/8DPSK信号不含载频分量,是载波抑制信号。其二倍频后为:

由上式可以看出,8PSK/8DPSK信号经过二倍频后仍然是载波抑制的信号,不含有二倍频分量。其四倍频后为:

由上式可以看出,8PSK/8DPSK信号经过四倍频后仍然是载波抑制的信号,不含有四倍频分量。其八倍频后为:

由上式可以看出,8PSK/8DPSK信号经过八倍频后出现了载波的八倍频分量 。

4、小结

通过对上述信号的倍频分析,可以得出:BPSK/2DPSK信号频谱是载波抑制信号,二倍频谱出现载波分量,经过分频器后可获得同步载波;QPSK/QDPSK信号频谱、二倍频谱都是载波抑制信号,四倍频谱出现载波分量,经过分频器后可获得同步载波;8PSK/8DPSK信号频谱、二倍频谱、四倍频谱都是载波抑制信号,八倍频谱出现载波分量,经过分频器后可获得同步载波。

结束语

在未来的卫星应用系统中,高数据率传输是发展方向。随着无线电频率资源的日益紧张,目前广泛使用的QPSK调制方式已越来越显示出它的局限性,因此8PSK调制作为一种新型的频谱效率较高的调制方式,已逐步应用在现在的卫星系统上,比如亚洲四号(122.0°E,12401V7200)已采用DVB-S2和8PSK来进行信号调制传输。将来,我们还能结合其他新的信道编码技术,如LDPC、BCH等和更高阶的16APSK、32APSK等调制技术来应用到广播电视卫星传输中。

【参考资料】

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