单载波调制和多载波调制
数字电视2008.4.9 11:21
作者：雨之轩
什么是单载波调制和多载波调制
上海交大的ADTB-T方案和清华的DMB－T方案，双方争论的焦点就是，单载波调制性能优越还是多载波调制性能优越。因此，在这里还是有必要简单介绍一下，什么是单载波调制和多载波调制。所谓单载波调制，就是将需要传输的数据流调制到单个载波上进行传送，如：4-QAM（QPSK）、8-QAM、16-QAM、32-QAM、64-QAM、128-QAM、256-QAM或8-VSB、16-VSB等都是单载波调制。上海交大的ADTB-T方案选用的是单载波调制，在1999年50周年大庆试播的时候，上海交大的ADTB-T方案采用的是8-VSB数字调制，到后来才改为16-QAM数字调制。QAM调制也叫正交幅度调制，简称正交调幅；因为正交调幅有很多种调制模式，如上面列出的就有7种，一般记为n-QAM，n表示各种调制映射到星座图上的模数。模数越低，调制和解调电路就越简单，但传输的码率也相应降低，例如：4-QAM的码率为2bit/s，而16-QAM的码率为4bit/s。一般，信号传输条件越差，选择的模式就越低，例如：卫星通信只能选择QPSK，而有线电视可选64-QAM和128-QAM，甚至256-QAM；对于地面电视广播，信号发送一般选8-QAM、16-QAM、32-QAM，最高只能选到64-QAM。正交调幅就是把一序列需要传送的数字信号（2进制码）分成两组，并分别对两组数字信号进行幅度编码，使之变成幅度不同的调制信号，即I信号和Q信号，然后用I信号和Q信号分别对两个频率相同，但相位正好相差的两个载波进行调幅，最后再把两路调制过的信号合成在一起进行传送。由于在调制之前已经对输入信号进行过幅度编码，因此，这种调制也称为正交数字幅度调制。我国的HDTV如选用MPGE-2编码，最高传送码率大约为20M bit/s，如果选用16-QAM调制模式，其频谱利用率是每赫芝传送4位数据，即码率为4bit/s。由此可知其载波最高频率约为6MHz，经高频调制后采用残留边带发送，其载频带宽大约为7点多MHz。所谓多载波调制，就是将信道分成若干正交子信道，将高速数据信号转换成并行的低速子数据流，然后调制到在每个子信道上进行传输。如：n-COFDM，其中n为子载波数目。清华的DMB－T方案选用的是多载波调制，在DMB－T方案中采用3780-COFDM调制方式。多载波调制也叫编码正交频分复用调制。就多载波调制中的各个载波而言，其调制的工作原理与n-QAM单载波调制的工作原理基本相同，只是把需要传送的数据分成很多组（这里为3780组），然后每组再分成两组，通过幅度编码以后便可生成两组I信号和Q信号，而后用3780组I信号和Q信号分别对3780个频率各不相同的载波进行正交调制，最后把所有的调制信号合在一起进行传送。
ADTB-T和DMB-T的优、缺点
上面我们简单介绍了单载波调制和多载波调制的工作原理，下面我们进一步来分析单载波调制和多载波调制的优、缺点。根据上面分析，采用16-QAM单载波调制，其最高码率为24Mbit/s，载波频率为6MHz；如果选用多载波调制，在码率同样为24Mbit/s的情况下，采用3780-OFDM多载波调制，对于3780个载波平均下来，每个载波平均传送的码率大约只有6.3Kbit/s，这样，哪怕每个载波都选用QPSK调制，其载波的最高频率还是可以选得很低；如果选用16-QAM或64-QAM调制，其载波的最高频率还可以进一步降低。但这是在没有考虑解码以及图像信号处理需要时间的理想情况，实际并不是这样。一方面，在数字电视机中，选用的载波频率也不能太低，因为，数字信号传送的速度一定要大于图像信号处理的速度，这样，最后输出信号才不会产生间断。例如，我国HDTV的行扫描频率大约为32KHz，如果不考虑MPEG解码电路以及图像信号处理电路对输入信号处理所需要的时间，那么，多载波的最低频率就不能低于32KHz，否则，行扫描电路就会出现没有信号可扫描的情况，图像显示就会出现间断。因此，MPEG解码电路以及图像信号处理电路对数字信号传送速度也有同样的要求。另一方面，多载波解调制对数字信号进行分批处理时候，每次都需要等3780个载波传送的数据全部到齐以后，才能一次性地对数据进行处理，即需要对信号进行并转串处理；因此，其解调制过程消耗的时间相对来说比较长，其最低频率也就不能取得很低。另外，多载波调制一般都不采用残留边带发送，因此，调制后的频带宽度相对于残留边带发送来说大约要宽一倍。综合以上因素，就平均而言，多载波的平均频率相对来说可以低一些，但载波的最高频率与单载波的频率相对来说，并不会相差很大。载波频率低的最大好处就是，可以降低信号传送过程中的多经反射干扰（即图像重影效应）。下面我们分三种情况来分析：比如单载波频率为6MHz，其周期为0.17us，两个正交载波相差1/4个周期（90度），为0.0425us；由于电磁波的速度约等于光速，即每微妙为300米，那么，频率为6MHz的载波对应于一个周期所传播的距离就是51米，即波长为51米；半个周期为25.5米（半波长），1/4个周期为12.75米（1/4波长）。如果反射体的路经距离正好与电视接收点相差12.75米（或1/4波长的奇数倍），即电视接收机相当于同时收到两个信号，一个是主信号，另一个是反射信号，两个调制载波信号的相位正好相差90度（1/4波长）；这样，两个调制载波信号互相叠加以后，不但会改变原来信号的相位，同时也会改变信号的幅度，结果相当于I和Q两路信号互相串扰，并且，当两个信号叠加之后的相位差越接近90度时，即反射信号越强，干扰就越严重；在这种情况下，数字电视接收机的调制解调电路可能无法正常解码。如果反射体的路经距离正好与电视接收点相差半个波长（25.5米，或半个波长的奇数倍），则两个调制载波信号的相位正好相差180度（半波长），由于正交调制的两路信号（I和Q）都是对载波的半波进行幅度调制的，因此，两路调制过的信号合成之后就相当于是对载波的1/4波进行调制；当原信号正、负半周是对称时，则两个信号互相叠加的结果会使接收信号减弱，相当于电视接收机接收灵敏度降低；当原信号正、负半周不是对称时，则两个信号互相叠加的结果会使接收信号失真，相当于两路信号（I和Q）互相串扰，与两个调制载波信号的相位相差90度时没有多大区别。
如果反射体的路经距离正好与电视接收点相差1个波长（51米，或1个波长的整数倍），两个信号的相位正好相差360度（1个波长）；当原信号正、负半周为对称时，则两个信号互相叠加的结果会使接收信号加强，相当于电视接收机接收灵敏度提高；当原信号正、负半周不是对称时，则两个信号互相叠加的结果会使接收信号失真，相当于两路信号（I和Q）互相串扰，与两个调制载波信号的相位相差90度时没有多大区别。由此可见，只要接收到两个信号（主信号和反射信号）的相位角相差正好是90度（1/4波长）的整数倍，对单载波正交调制信号造成的干扰最严重；对于其它相位差同样也会产生干扰，只是干扰程度相对来说没有90度时那么严重。假设多载波的最高频率只有3MHz，即为单载波频率的二分之一，相对来说多载波的波长比较长；根据两点之间的电磁场强度与距离的平方成反比的定理，可以求得，在1/4波长处是干扰最严重的地方，两者的电磁场强度相差4倍。而对所有载波平均而言，甚至可以相差几百倍，即多载波调制的多经干扰相对来说比单载波轻。但多载波调制和解调的过程都非常麻烦，多个载波经过调制后合在一起传输，解调时对其再进行分离就非常困难；因为，在高码率传送之下，它无法用滤波电路把各个调制载波信号选出来，只能采用同步分离的方法，因此，它对同步信号的相位要求非常严格，所以多个载波对相位噪音的要求比单载波高很多。如果多载波调制信号解调时各个载波信号分离不干净，就相当于多个载波之间会互相产生干扰，信噪比（S/N）就会降低。一般多载波解调电路要求信噪比（S/N）的门限值要比单载波解调电路高好几个dB（根据报道为3-4dB）。目前已经有很多方法可以降低单载波多经反射干扰，例如，采用数字延时均衡技术，即从信号中取出一部分信号经延时一个相位后再与原信号叠加，现在这种技术可以通过软件控制来实现，将来所有的数字信号接收机都可以采用这种技术。
很多人都认为，只有多载波调制才能用于移动电视接收机，而单载波调制无法实现移动接收的功能。我认为，这种想法毫无道理。比如，一辆汽车的速度是每小时100公里（28米/秒），那么，它跑1/4周期（6MHz）的时间（0.0425us）所对应的距离就是1.19×10－6米，这相当于2.3×10－8个波长；或它跑1/4波长的距离（12.75米）所对应的时间为0.46秒，相当于2710000个周期。这两个结果无论是在时间上或在距离上都没有可比性。因此，汽车速度对单载波的相位影响几乎等于零。而受影响最大的反而应该是，在0.46秒时间内，数字延时均衡电路是否能正常工作。而对于高频载波在移动接收过程中产生的多普勒效应，它只影响接收频率的偏移，这种影响对单载波调制和多载波调制都是一样的。特别值得注意的是，由于ADTB-T是单载波技术，因此，它对广电原有的发射系统能够很方便的接洽。根据资料分析，在前端数字化改造方面，交大方案的成本要比清华方案的成本节省约80%～90％，仅需要一个MPEG和ADTB-T调制器即可利用原有模拟发射机发射数字信号，而清华方案必需要整套更换成全新的数字发射机，这笔代价在边远地区还是需要斟酌的很大的一笔开销。同时，在衡量一个数字信号接收的时候，还需考虑信号的接收稳定率；由于是数字信号的属性是0和1，就是要么收到，要么收不到，这就凸现门限的意义；根据测试结果，DMB-T的接收门限比DVB-T低，可ADTB-T的接收门限比DMB-T还要低，这就是为什么采用ADTB-T的发射系统其覆盖范围比DMB-T的发射系统的覆盖范围更广阔的原因，因为其门限低，采用ADTB-T接收机的灵敏度要比DMB-T接收机的灵敏度高3-4dB，因此，其能够在更远的距离上接收弱信号。
另外，上交大单载波系统在组建单频网（SFN）时，对发射机时钟频率的精度和稳定度的要求仅为E-9。这同任何多载波系统相比，要低三个数量级，因此，其工程造价较低。在发射功率方面相比，上交大单载波系统的发射机平均功率是多载波系统的二分之一，其标定功率则是后者的五分之一。即：在同样的覆盖范围之内，为了实现高数据率的固定接收，上交大方案需要1kW的平均发射功率，则其发射机的标定功率需要4kW，因为其峰均比（PAR）接近6dB。而对于多载波系统（以欧洲标准为代表）而言，如果要覆盖相同的地区，则其平均发射功率需要2.0-2.5kW。这是因为：多载波系统与单载波系统相比，载噪比（C/N）门限值要增加3-4dB。其次，其发射机的标定功率需要20-25kW，因为其峰均比（PAR）接近10dB。选用单载波系统将来还可以把地面接收和有线接收同用一个高频头和解码器，因为，目前有线电视采用的调制方式基本上都是采用64-QAM，而地面传输一般都采用16-QAM，将来也可以选用64-QAM。上面这些分析，对老百姓来说，不一定会感兴趣；但老百姓感兴趣的是，怎么样能买到既便宜又好用的电视机。相比之下，交大方案数字电视接收机的生产成本大约要比清华方案的生产成本低20%～30%。这很清楚，如果由老百姓自己来选择的话，他们一定会知道自己应该选择什么样的数字电视接收机。
【认识基带EoC、MoCA、Wi-Fi over Coax】
STB硬件 2009-04-14 22:27:17 阅读441 评论0 字号：大中小
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认识E thernet Over Coax技术
如何
将以太数据信号IP DATA和有线电视信号TV RF在同一根同轴电缆里共缆传输
？
主要可分为基带传输、调制传输、2.4GHz扩展应用三类
技术
，
从
中可分出很多具体技术，
主流的有以下几种：
基带 E oC( Ethernet Over Cable ) 、 MoCA （ Multimedia over Coax) 、 Wi-Fi over Coax ；后两种
主要是将以太网络信号经过调制解调等复杂处理后通过同轴电缆传输。尽管有人也称之为“Ethernet over Coax”，但是与前面所述的有着非常大的差别，这些技术在同轴电缆上传输的信号不再保持以太网络信号的帧格式，严格从技术的角度来说是不可称之为 “EOC”的，
三种用户接入技术虽然技术原理和实现方式不同，但总体思路普遍都是广播电视业务通过同轴电缆传输，双向数据业务广泛使用IP协议实现。
区别来讲， EoC是基于以太网的用户接入技术， MoCA、 Wi-Fi 是基于家庭网络的用户接入技术；还有 HomePlug、HomePNA，PLC，UCLink 等几类技术，但目前关注厂家很少。
下面做一下分析：
1、基带EoC技术：
无源EoC （Ethernet over Coax）技术基于IEEE 802.3相关的一系列协议，也就是把以太网信号在同轴电缆上的一种传输技术。原有以太网络信号的帧格式和MAC层都没有改变，最大的改变是：从双极性（差分）信号（便于双绞线传输）转换成单极性信号（便于同轴电缆传输）。3月份北京CCBN 2007的很多展台都有展出，同轴电缆带内频率是0～1000MHz，有线电视系统工作于5～860MHz，其中，5～65MHz用于上行通道。以太网是基带传输系统，以10Mbit/s（10BASE-T）速率传输时，以太网信号的功率谱主要集中在0.5～15 MHz范围内，这就为在同轴电缆网络中建立以太网提供了频率资源的可能。采用基带传输，一般使用0~30MHz以下的低频段，必须使用星形同轴网络，传输的速率一般不超过8M，另一个问题就是噪声（星形集中结构容易形成噪声积累叠加），网络质量受链路质量和噪声影响严重；但是技术简单，成本较低，目前已经有多个厂家可以提供相关产品。
代表厂家上海傲蓝
；
2、WiFi over Coax：
采用802.11b标准，采用高频段2.5GHz，在Cable上承载，可移频至950M，占用20M频宽，可为用户提供108MHz的物理层速率；比较多，
比起MO CA来讲，速率低，
但
成本低。
代表厂家北京六合万通
；
3、MOCA：正宗的基于同轴电缆的家庭网络技术，美国Verizon已经在使用这个技术，目前主要产品有Entropic Communication的C.Link。MoCA扫描频率与原广电的频率分开，是从800MHz到1500MHz，其每一个频段50MHz，可以支持 31个用户62个用户，共享高达270M的物理带宽。与EOC技术相比较，MOCA技术的主要特点是：调制速率最高，达270Mbps，但带宽为共享（270Mbps/N 个用户）；能够通过分支分配器，但工作频率过高，有过大的衰减，需要更换优质的分支分配器和电缆，对网络的适应能力较弱；抗干扰能力较强：为多载波的 OFDM有源调制方式；家庭中也需要一个有源设备（MOCA Modem），成本最高；1个主机Modem带31个MOCA Modem，技术复杂，芯片价格高，成本高；
标准化程度：只有一个联盟协议。
代表厂家
深圳市捷能科技，成都新光
。
总结
：
用什么技术在Coax上同时双向传送数据和视频信号？目前国内外运营商和厂家是如何解决的呢？各个技术又有各自的优缺点，应根据实际需求选择解决方案，进而选择基于各类技术的产品。 1）除基带EoC技术之外，其他都需要在用户端安装有源设备，这在成本上会有所提高，但网络性能会大大提升；基带EoC技术只能基于星形的同轴网络，改造室内网络结构工作量也很大（大部分地方的HFC室内布线结构为树型串接），其他各项技术可以支持树形网络；基带EoC技术都采用低频段来传输数据，噪声干扰仍然是一个问题，调制可以缓解但并不能完全解决。2）WiFi over Coax和MoCA技术采用的频率较高，可以解决噪声和干扰问题但在使用时可能需要更换原网络的分支分配器以支持这一频段（原来支持5MHz-1GHz频段分配器不能很好的支持对于800-1500MH z的带宽，从而使传输性能下降，通过上面可以知道 WiFi over Coax通过降频可以从2 .5GHz下移至950MHz工作，MOCA的工作频段也是在800~1500MHz,都处在原来器件的临界点）
。3）总体看来，MoCA技术和WiFi over Coax技术也许更有发展前景，其中MoCA由于本来就是基于同轴电缆网络进行设计的，标准比较成熟，比WiFi over Coax能提供较高带宽，同时，由于其中
采用了动态带宽管理，使得其带宽利用率也比较高，与PON网络的带宽共享机制相似，MoC A与PON技术的结合可以是广电网路建设的一个方向，但目前成本较高
【关于DVB-T产品的TIME SHIFT功能说明】
发表于 2008/11/14 15:01:07
DVB-T的TIME SHIFT同普通电视机的TIME SHIFT实际上是完全一样的功能。
这是一种特别地针对电视信号的功能，由于电视信号是一种单向的点对面的广播，消费者只能收看即时的信号。过去时间的信息立即丢失。
在计算技术发达的今天，工程上设计了一种方式，将电视节目内容，录制在硬盘或者其他大容量的存储器上，消费者可以暂时离开电视，一定时间回来后，可以从离开的位置通过内部的重播来完整低收看节目，这样的功能就是TIME SHIFT。
这样，在具有TIME SHIFT的设备中，一定具有一个大容量的存储器，一般来说需要硬盘来完成，同时，系统要有处理和控制信号、管理的能力。
存储器的空间大小，决定了离开时间的多少，同时也影响存储器的使用寿命，这个在产品设计时要充分注意。
在TIME SHIFT系统中，设备有如下三种工作状态：
现场即时收看模式：这是传统设备的模式，存储系统不工作。
现场收看录制模式：在启动TIME SHIFT后，系统即从启动的时间开始启动录制。
回放和录制模式：消费者经过一定时间后，从已经录制的信息内观看节目，同时后台继续录制节目。
以上三种模式如下图所示：
设计时，要注意不同模式屏幕上应该有不同的提示符号。
我的主观评论：
TIME SHIFT是一个麻烦的功能，使用者需要至少掌握一个操作程序，最好要明白原理，这样，对使用者有一定的心理压力，难以在普通消费者中获得认同。
TIME SHIFT使用过程中，会对硬盘等重复操作，对硬件的寿命有一定的压力，对设备制造商是一个挑战。
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创芯大讲堂
创芯人才网
发表于 2011-1-7 17:26:09
