單載波調(diào)制和多載波調(diào)制優(yōu)缺點(diǎn)比較

1、單載波調(diào)制和多載波調(diào)制優(yōu)缺點(diǎn)比較大家都知道，上海交大的 ADTB-T 方案和清華的 DMB-T 方案，雙方爭論的 焦點(diǎn)就是，單載波調(diào)制性能優(yōu)越還是多載波調(diào)制性能優(yōu)越。因此，在這里還是有必要簡單介紹一下，什么是單載波調(diào)制和多載波調(diào)制。所謂單載波調(diào)制，就是將需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流調(diào)制到單個載波上進(jìn)行傳送， 如： 4-QAM （QPSK 、8-QAM 、16-QAM 、32-QAM 、64-QAM 、128-QAM 、256- QAM 或 8-VSB 、16-VSB 等都是單載波調(diào)制。上海交大的 ADTB-T 方案選用的是單載波調(diào)制，在 1999 年 50 周年大慶試播 的時(shí)候，上海交大的 ADTB-T

2、方案采用的是 8-VSB 數(shù)字調(diào)制，到后來才改為 16- QAM 數(shù)字調(diào)制。QAM 調(diào)制也叫正交幅度調(diào)制，簡稱正交調(diào)幅；因?yàn)檎徽{(diào)幅有很多種調(diào)制模式，如上面列出的就有7 種，一般記為n-QAM ， n 表示各種調(diào)制映射到星座圖上的模數(shù)。模數(shù)越低，調(diào)制和解調(diào)電路就越簡單，但傳輸?shù)拇a率也相應(yīng)降低，例如： 4-QAM 的碼率為 2bit/S ，而 16-QAM 的碼率為 4bit/S 。一般，信號傳 輸條件越差，選擇的模式就越低，例如：衛(wèi)星通信只能選擇QPSK 而有線電視可選64-QAM 和 128-QAM ，甚至 256-QAM ; 對于地面電視廣播，信號發(fā)送一般選8-QAM 、16-QAM 、

3、32-QAM ，最高只能選到 64-QAM 。正交調(diào)幅就是把一序列需要傳送的數(shù)字信號（2 進(jìn)制碼）分成兩組，并分別對兩組數(shù)字信號進(jìn)行幅度編碼，使之變成幅度不同的調(diào)制信號，即I 信號和Q 信號，然后用 I 信號和Q 信號分別對兩個頻率相同，但相位正好相差的兩個載波進(jìn)行調(diào)幅，最后再把兩路調(diào)制過的信號合成在一起進(jìn)行傳送。由于在調(diào)制之前已經(jīng)對輸入信號進(jìn)行過幅度編碼，因此，這種調(diào)制也稱為正交數(shù)字幅度調(diào)制。我國的 HDTV 如選用 MPGE-2 編碼，最高傳送碼率大約為20Mbit/S ，如果選用16-QAM 調(diào)制模式，其頻譜利用率是每赫芝傳送4 位數(shù)據(jù)，即碼率為4bit/S 。 由此可知其載波最咼頻率約

4、為6MHz , 經(jīng)咼頻調(diào)制后米用殘留邊帶發(fā)送，其載頻帶寬大約1/ 7為 7 點(diǎn)多 MHz 。所謂多載波調(diào)制，就是將信道分成若干正交子信道，將高速數(shù)據(jù)信號轉(zhuǎn)換成并行的低速子數(shù)據(jù)流，然后調(diào)制到在每個子信道上進(jìn)行傳輸。如：n-COFDM , 其中 n 為子載波數(shù)目。清華的 DMB-T 方案選用的是多載波調(diào)制，在 DMB-T 方案中采用 3780-COFDM 調(diào)制方式。多載波調(diào)制也叫編碼正交頻分復(fù)用調(diào)制。就多載波調(diào)制中的各個載波而言，其調(diào)制的工作原理與n-QAM 單載波調(diào)制的工作原理基本相同，只是把需要傳送的數(shù)據(jù)分成很多組（這里為3780 組），然后每組再分成兩組，通過幅度編碼以后便可生成兩組I 信號

5、和 Q 信號，而后用 3780 組 I 信號和Q 信號分別對3780 個頻率各不相同的載波進(jìn)行正交調(diào)制，最后把所有的調(diào)制信號合在一起進(jìn)行傳送。上面我們簡單介紹了單載波調(diào)制和多載波調(diào)制的工作原理，下面我們進(jìn)一步來分析單載波調(diào)制和多載波調(diào)制的優(yōu)、缺點(diǎn)。根據(jù)上面分析，采用16-QAM 單載波調(diào)制，其最高碼率為24Mbit/S ，載波頻率為 6MHz ; 如果選用多載波調(diào)制，在碼率同樣為24Mbit/S 的情況下，采用3780-OFDM 多載波調(diào)制，對于3780 個載波平均下來，每個載波平均傳送的碼率大約只有6."3Kbit/S ，這樣，哪怕每個載波都選用 QPSK 調(diào)制，其載波的最高頻率還

6、是 可以選得很低；如果選用 16-QAM 或 64-QAM 調(diào)制，其載波的最高頻率還可以 進(jìn)一步降低。但這是在沒有考慮解碼以及圖像信號處理需要時(shí)間的理想情況，實(shí)際并不是這樣。一方面，在數(shù)字電視機(jī)中，選用的載波頻率也不能太低，因?yàn)椋瑪?shù)字信號傳送的速度一定要大于圖像信號處理的速度，這樣，最后輸出信號才不會產(chǎn)生間斷。例如，我國HDTV 的行掃描頻率大約為32KHz 如果不考慮 MPEG 解碼電路以及圖像信號處理電路對輸入信號處理所需要的時(shí)間，那么，多載波的最低頻率就不能低于 32KHz 否則，行掃描電路就會出現(xiàn)沒有信號可掃描的情況，圖像顯示就會出現(xiàn)間斷。因此， MPEG 解碼電路以及圖像信號處理電路

7、對數(shù)字信號傳送速度也有同樣的2/ 7要求。另一方面，多載波解調(diào)制對數(shù)字信號進(jìn)行分批處理時(shí)候，每次都需要等3780 個載波傳送的數(shù)據(jù)全部到齊以后，才能一次性地對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，即需要對信號進(jìn)行并轉(zhuǎn)串處理；因此，其解調(diào)制過程消耗的時(shí)間相對來說比較長，其最低頻率也就不能取得很低。另外，多載波調(diào)制一般都不采用殘留邊帶發(fā)送，因此，調(diào)制后的頻帶寬度相對于殘留邊帶發(fā)送來說大約要寬一倍。綜合以上因素，就平均而言，多載波的平均頻率相對來說可以低一些，但載波的最高頻率與單載波的頻率相對來說，并不會相差很大。載波頻率低的最大好處就是，可以降低信號傳送過程中的多經(jīng)反射干擾（即圖像重影效應(yīng)）。下面我們分三種情況來分析：比

8、如單載波頻率為6MHz , 其周期為O."17uS , 兩個正交載波相差1/4 個周期（ 90 °，為O."O425uS ; 由于電磁波的速度約等于光速，即每微妙為300 米，那么，頻率為 6MHz 的載波對應(yīng)于一個周期所傳播的距離就是51 米，即波長為51 米； 半個周期為25."5 米（半波長） ,1/4 個周期為12."75 米（ 1/4 波長）。如果反射體的路經(jīng)距離正好與電視接收點(diǎn)相差12."75 米（或1/4 波長的奇數(shù)倍） , 即電視接收機(jī)相當(dāng)于同時(shí)收到兩個信號, 一個是主信號 , 另一個是反射信號 , 兩個調(diào)制載波信號的

9、相位正好相差90°（ 1/4 波長）；這樣 , 兩個調(diào)制載波信號互相疊加以后, 不但會改變原來信號的相位，同時(shí)也會改變信號的幅度，結(jié)果相當(dāng)于I 和 Q 兩路信號互相串?dāng)_，并且，當(dāng)兩個信號疊加之后的相位差越接近時(shí)，即反射信號越強(qiáng)，干擾就越嚴(yán)重；在這種情況下，數(shù)字電視接收機(jī)的調(diào)制解調(diào)電路可能無法正常解碼。如果反射體的路經(jīng)距離正好與電視接收點(diǎn)相差半個波長（3/ 725."5 米，或半個波長的奇數(shù)倍），則兩個調(diào)制載波信號的相位正好相差180 。（半波長），由于正交調(diào)制的兩路信號（I 和 Q）都是對載波的半波進(jìn)行幅度調(diào)制的，因此，兩路調(diào)制過的信號合成之后就相當(dāng)于是對載波的1/4 波進(jìn)

10、行調(diào)制；當(dāng)原信號正、負(fù)半周是對稱時(shí)，則兩個信號互相疊加的結(jié)果會使接收信號減弱，相當(dāng)于電視接收機(jī)接收靈敏度降低；當(dāng)原信號正、負(fù)半周不是對稱時(shí)，則兩個信號互相疊加的結(jié)果會使接收信號失真，相當(dāng)于兩路信號（I和 Q）互相串?dāng)_，與兩個調(diào)制載波信號的相位相差90°時(shí)沒有多大區(qū)別。如果反射體的路經(jīng)距離正好與電視接收點(diǎn)相差1 個波長（51 米，或1 個波 長的整數(shù)倍），兩個信號的相位正好相差360 °（ 1 個波長）；當(dāng)原信號正、負(fù)半周為對稱時(shí)，則兩個信號互相疊加的結(jié)果會使接收信號加強(qiáng)，相當(dāng)于電視接收機(jī)接收靈敏度提高；當(dāng)原信號正、負(fù)半周不是對稱時(shí)，則兩個信號互相疊加的結(jié)果會使接收信號失真，

11、相當(dāng)于兩路信號（ I 和 Q）互相串?dāng)_，與兩個調(diào)制載 波信號的相位相差 90°時(shí)沒有多大區(qū)別。由此可見，只要接收到兩個信號（主信號和反射信號）的相位角相差正好是90°（ 1 /4 波長）的整數(shù)倍，對單載波正交調(diào)制信號造成的干擾最嚴(yán)重；對于其它相位差同樣也會產(chǎn)生干擾，只是干擾程度相對來說沒有90 °時(shí)那么嚴(yán)重。假設(shè)多載波的最高頻率只有3MHz , 即為單載波頻率的二分之一，相對來說多載波的波長比較長；根據(jù)兩點(diǎn)之間的電磁場強(qiáng)度與距離的平方成反比的定理, 可以求得 ,在 1/4 波長處是干擾最嚴(yán)重的地方 , 兩者的電磁場強(qiáng)度相差 4 倍。而對所有載波平均而言 , 甚至可

12、以相差幾百倍 , 即多載波調(diào)制的多經(jīng)干擾 相對來說比單載波輕。但多載波調(diào)制和解調(diào)的過程都非常麻煩 , 多個載波經(jīng)過調(diào)制后合在一起傳 輸, 解調(diào)時(shí)對其再進(jìn)行分離就非常困難；因?yàn)?, 在高碼率傳送之下 , 它無法用 濾波電路把各個調(diào)制載波信號選出來 , 只能采用同步分離的方法 , 因此 , 它對同步信號的相位要求非常嚴(yán)格，所以多個載波對相位噪音的要求比單載波高很多。如果多載波調(diào)制信號解調(diào)時(shí)各個載波信號分離不干凈，就相當(dāng)于多個載波之間會互相產(chǎn)生干擾，信噪比（S/N ）就會降低。一般多載波解調(diào)電路要求信噪比（S/N ）的門限值要比單載波解調(diào)電路高好幾個db （根據(jù)報(bào)道為3-4dB ）。目前已經(jīng)有很多方

13、法可以降低單載波多經(jīng)反射干擾，例如，采用數(shù)字延時(shí)均衡4/ 7技術(shù)，即從信號中取出一部分信號經(jīng)延時(shí)一個相位后再與原信號疊加，現(xiàn)在這種技術(shù)可以通過軟件控制來實(shí)現(xiàn)，將來所有的數(shù)字信號接收機(jī)都可以采用這種技術(shù)。很多人都認(rèn)為，只有多載波調(diào)制才能用于移動電視接收機(jī)，而單載波調(diào)制無法實(shí)現(xiàn)移動接收的功能。我認(rèn)為，這種想法毫無道理。比如，一輛汽車的速度是每小時(shí) 100 公里（ 28 米/秒），那么，它跑 1/4 周 期（6MHz ）的時(shí)間（O."O425uS ）所對應(yīng)的距離就是1. "19 X 106 米，這相當(dāng)于2. "3 X 108 個波長；或它跑 1/4 波長的距離（12.&

14、quot;75 米）所對應(yīng)的時(shí)間為0."46 秒，相當(dāng)于27100 個周期。這兩個結(jié)果無論是在時(shí)間上或在距離上都沒有可比性。因此，汽車速度對單載波的相位影響幾乎等于零。而受影響最大的反而應(yīng)該是，在0."46 秒時(shí)間內(nèi)，數(shù)字延時(shí)均衡電路是否能正常工作。而對于高頻載波在移動接收過程中產(chǎn)生的多普勒效應(yīng)，它只影響接收頻率的偏移，這種影響對單載波調(diào)制和多載波調(diào)制都是一樣的。特別值得注意的是，由于ADTB-T 是單載波技術(shù)，因此，它對廣電原有的發(fā)射系統(tǒng)能夠很方便的接洽。根據(jù)資料分析，在前端數(shù)字化改造方面，交大方案的成本要比清華方案的成本節(jié)省約80? 90%,僅需要一個 MPEG 和 A

15、DTB-T 調(diào)制 器即可利用原有模擬發(fā)射機(jī)發(fā)射數(shù)字信號，而清華方案必需要整套更換成全新的數(shù)字發(fā)射機(jī)，這筆代價(jià)在邊遠(yuǎn)地區(qū)還是需要斟酌的很大的一筆開銷。同時(shí)，在衡量一個數(shù)字信號接收的時(shí)候，還需考慮信號的接收穩(wěn)定率；由于是數(shù)字信號的屬性是0 和 1，就是要么收到，要么收不到，這就凸現(xiàn)門限的意義；根據(jù)測試結(jié)果， DMB-T 的接收門限比DVB-T 低，可 ADTB-T 的接收門限比DMB-T 還要低，這就是為什么采用ADTB-T 的發(fā)射系統(tǒng)其覆蓋范圍比DMB-T 的 發(fā)射系統(tǒng)的覆蓋范圍更廣闊的原因，因?yàn)槠溟T限低，采用ADTB-T 接收機(jī)的靈敏5/ 7度要比 DMB-T 接收機(jī)的靈敏度高3-4dB, 因

16、此，其能夠在更遠(yuǎn)的距離上接收弱信號。另外，上交大單載波系統(tǒng)在組建單頻網(wǎng)（ SFN 時(shí)，對發(fā)射機(jī)時(shí)鐘頻率的精 度和穩(wěn)定度的要求僅為 E-9。 "這同任何多載波系統(tǒng)相比，要低三個數(shù)量級，因此，其工程造價(jià)較低。在發(fā)射功率方面相比，上交大單載波系統(tǒng)的發(fā)射機(jī)平均功率是多載波系統(tǒng)的二分之一，其標(biāo)定功率則是后者的五分之一。 "即：在同樣的覆蓋范圍之內(nèi)，為了實(shí)現(xiàn)高數(shù)據(jù)率的固定接收，上交大方案需要1kW的平均發(fā)射功率，則其發(fā)射機(jī)的標(biāo)定功率需要4kW ，因?yàn)槠浞寰龋≒AR 接近6dB 。而對于多載波系統(tǒng)（以歐洲標(biāo)準(zhǔn)為代表）而言，如果要覆蓋相同的地區(qū)，則其平均發(fā)射功率需要2."0-2."5kW 。這是因?yàn)椋憾噍d波系統(tǒng)與單載波系統(tǒng)相比，載噪比（ C/N ）門限值要增加 3-4 dB 。其 次，其發(fā)射機(jī)的標(biāo)定功率需要 20-25kW ，因?yàn)槠浞寰龋?PAR 接近 10dB 。選用單載波系統(tǒng)將來還可以把地面接