1.6 数字电视信号的调制
数字电视信号经过信源编码、复用与信道编码后，还需要调制后才能在信道中传输，信道编码部分一般安装在调制器中，信道不同调制方式也不同。
调制方式可分为二进制调制方式与多进制调制方式两大类，其主要区别是：前者是利用二进制数字信号去调制载波的振幅、频率或相位；后者则是利用多进制数字信号去调制载波的振幅、频率或相位。多进制数字已调信号的被调参数在一个码元间隔内有多个可能取值，在二进制情况下，每1Hz频带最高可传输2bit/s信息，对于多进制r=2D，一个波形相当于D个二进制符号，则每1Hz频带最高可传输2Dbit/s信息，可见频带利用率大为提高。但在干扰电平相同时，多电平判决比二电平更容易出错，因而多进制调制的抗干扰能力也随之降低。为了提高抗干扰能力，在多进制调制中采用信道编码来解决。
1.6.1 二进制数字调制基本方式
二进制数字调制基本方式有三种，分别称为幅移键控（ASK）、频移键控（FSK）和相移键控（PSK）。
1.幅移键控
幅移键控（ASK）是数字信号振幅调制中的一种典型调制方法，二进制的ASK方式又叫通断键控。图1-34a所示为单极性基带信号（矩形脉冲）对载波进行通断键控的调制器简化框图。图中的载频信号fc是由余弦波振荡器产生，乘法器用ASK调制器，实际上相当于一个门电路，1码开门，0码不开门。调制波形如图1-34b所示。
图1-34 幅移键控示意图
a）原理框图 b）调制波形图
2.频移键控
频移键控（FSK）的原理框图如图1-35a所示，调制波形如图1-35b所示。基带信号1、0码分别控制两个载频信号fc1、fc2与两个乘法器，其中一个乘法器的控制信号是经过倒相器输出的二进制基带信号。乘法器是一个门电路，FSK信号可认为是两个交替的ASK波形合成的。
图1-35 频移键控示意图
a）原理框图 b）调制波形图
3.相移键控
二进制数字信号基码对载波进行调相，分为绝对移相PSK（IPSK）和相对移相DPSK（IDSK）两种形式。
绝对移相是利用载波信号的不同相位去传输数字信号的1码和0码。图1-36a所示为一组数字基带信号。图1-36b所示为绝对调相信号波形。调相只改变载波信号的相位，而不改变其振幅和频率。在IPSK中，载波起始相位与基带码的关系是：载波0相位与对应基带信号的1码；载波π相对应基带信号的0码。
相对移相是利用载波信号相位的相对关系去传输数字信号的1码和0码。这时载波信号的相位与数字信号的1码和0码之间没有固定的对应关系，其相位变化的结果是当数字信号为1码时，载波相位移相π。当数字信号为0码时，载波相位不变。
图1-36 绝对移相PSK和相对移相DPSK的波形图
a）基带 b）绝对移相 c）相对移相
逢1码载波相位改变π，逢0码载波相位不变的IDSK的调相波形如图1-36c所示。
【知识要诀】
数信传输要调制，二进调制三方式，
振幅调制称幅移，类比频移与相移。
1.6.2 正交幅度调制
正交调幅（QAM）是利用正交载波对两路信号，I信号和Q信号分别进行双边带抑制载波调幅形成的。正交调幅是幅度调制和相位调制的结合，既调幅又调相，它同时利用载波的幅度和相位来传递数字信号。QAM是将调制符号调制到一对正交载波上，是二维调制技术。数字比特序列被分成两个序列，以16QAM为例，每4个调制比特分为两组，每组2比特，分别去调制同相正交载波，然后将两路已调信号相加发送。换句话说，16QAM可以看成是互相正交的调幅波之和，又可以视为两个4相相移键控的线性组合。组合时，要对这两个调制器的4个已调信号进行2∶1加权，其中一个调制器是另一个调制器输出幅度的2倍。图1-37所示为16QAM已调波星座图。由图1-37可以看出16QAM中16个星座点（已调波矢量端点）不在一个圆上，点间距离较远。解调时，区分相邻已调波矢量容易，故误码率低；当把坐标圆点与各矢量端点连线，可看出各已调波矢量的相位和幅度均有变化。所以说QAM方式的载波既调幅又调相。
实际商用化的QAM调制器并不只是QAM调制单元，还包括信道编码单元，其结构框图如图1-38所示。
图1-37 16QAM已调波星座图
图1-38 QAM调制器结构框图
【知识要诀】
正交幅度数调制，调幅调相要熟悉，
调信先分成两路，再经电平变换器，
两路调幅正交波，然后相加成一体。
1.6.3 四相相移键控
四相相移键控（QPSK）是一种相位调制技术，它规定了4种载波相位，QPSK中每次调制可传输2个信息比特，这些信息比特通过载波的4种相位来传递，解调器再根据星座图及接收到的载波信号相位来判断发送端发送的信息比特。QPSK信号是一种四状态信号，对应于四种相位分别表示二进制（00，01，10，11）四种状态，QPSK信号相位有两种形式，即π/2相移系统与π/4相移系统，其信号矢量图如图1-39所示。
图1-39 QPSK信号矢量图
a）π/2相移系统 b）π/4相移系统
QPSK是一种恒定包络的二维角度调制技术，它有同相、正交两个载波，同相载波即载波本身，正交载波是指相位旋转90°的载波，作为一种恒定包络调制，QPSK信号平均功率恒定，不受幅度衰减的影响，即幅度失真不会使QPSK产生误码。QPSK调制在实现时采用正交调幅方式，其产生原理框图如图1-40所示。由图1-40可知，串行输入的二进制码ABCD…每两位分成一组经串/并变换后分两路输出，一路为A，另一路为B，此时码元宽度加倍，再分别进行极性变换，将单极性码变为双极性码，然后与载波相乘，形成正交双边带信号，加法器输出即为QPSK信号。在DVB数字电视卫星广播（DVB-S）系统中就是采用QPSK调制技术。
图1-40 QPSK调制原理框图
【知识要诀】
数字调制多进制，四移键控常用的，
载波相位有四种，每种相位带信息。
1.6.4 残留边带调制
残留边带调制（VSB）是双边带幅度调制（DSB）与单边带幅度调制（SSB）的折中方案，它不是将一个边带全部抑制，而是使它逐渐截止，截止特性使传输边带在载频附近被抑制的部分被不传输边带的残留部分精确地补偿，因而可使接收机在解调后将两个频谱搬到一起即可无失真地恢复信号。在数字基带信号对载波的残留边带调制中，数字基带信号先变换成多电平信号再进行调制，4VSB即为4电平（-3，-1，+1，+3）调制，每个符号表示2bit信息，而8VSB及16VSB各为8电平及16电平调制，每个符号代表3bit及4bit信息。
8VSB实现原理框图如图1-41所示。由图1-38可见，串行数据以每组3bit输入到串/并转换器中，随后送入D/A（数字/模拟）转换器中，由数字信号转变为模拟信号，然后送入调制器进行幅度调制，调制后的信号最后经残留边带滤波后，则完成了残留边带的调制过程。16VSB实现原理与8VSB基本相同，只是串行数据流以4bit一组送入D/A转换器中，如图1-42所示。
图1-41 8VSB实现原理框图
图1-42 16VSB实现原理框图
VSB调制只利用了I/Q信号中的一个，但是它利用了残留边带的方法，所以和QAM相比，它们的频谱利用率是相同的。从误码率的角度看它们也是一样的，如图1-43所示。
图1-43 QAM、VSB的误码率特性曲线
【知识要诀】
残留边带调幅制，载波幅度变信息，
介于单、双边带中，性能可与Q（QAM）相比。
1.6.5 正交频分复用调制
正交频分复用（OFDM）即调制，是通过延长传输符号周期来有效克服多径干扰的一种数字调制技术，是欧洲数字电视系统所采用的数字调制方案。OFDM由大量的在频率上等间隔的子载波构成（设有N个子载波），将各载波加以调制，也就是说，将串行传输的符号序列分成长度为N的段，将每段内的N个符号分别调制到N个子载波上，然后一起发送。所以，OFDM是一种并行调制技术，将符号周期延长了N倍，从而提高了对多径干扰的抵抗能力。
调制技术可分为单载波调制技术与多载波调制技术，前者是用高符号率数字信号调制一个单载波，后者则是用低符号率数字信号调制多个载波。VSB属于单载波调制技术，而OFDM属于多载波调制技术。OFDM是将传送的数据分散到许多载波上，载波数目通常超过1000。这样每个载波承载的符号率就减小了。当然符号长度就相应地扩展了。这些载波上的调制符号要安排为同时发生。载波之间有个共同的、精确选择的频率间隔，其值为符号有效周期的倒数。接收机是在这个间隔内检测信号，完成解调过程的。载波间隔的这种选择保证了载波的正交性：一个载波的解调器“看不到”另外的调制，所以虽然它们的频谱有重叠，但即使没有严格的滤波，载波间也不会交扰，如图1-44所示。
OFDM调制器框图如图1-45所示。图中输入数据流经串/并变换和D/A转换后，生成与系统载波数目相同的并行符号，即基带I、Q信号。Ij和Qj数值为±1、±3或±5，调制正交载波并经相加后复用成最终的OFDM信号输出。
OFDM调制技术具有很强的抗多径干扰能力，因而在数字电视系统中应用广泛。欧洲的DVB-T与日本的ISDB-T调制系统中都是采用多载波OFDM调制技术，但两者又有区别，ISDB-T是采用分段传输的OFDM技术，它将信道分割成多个OFDM段，在每段内使用相同的载波结构。DVB-T调制系统原理图如图1-46所示。
图1-44 OFDM载波的正交性
图1-45 OFDM调制器原理框图
图1-46 DVB-T调制器系统原理框图
【知识要诀】
正交频分复用制，多个载波带信息，
载波具有正交性，多径干扰能消失。
【思考题】
1.二进制数字调制有哪几种类型？
2.QAM是通过载波的什么参数来携带数字信息的？
3.QPSK调制是通过载波的什么参数来携带数字信息的？
4.正交频分复用调制有什么特点？应用在哪种信道传输？