数字卫星广播电视调制技术分析与研究

张旭明 宁海斌

(国家广播电影电视总局北京地球站)

【摘要】 本文介绍了目前世界范围内主要数字卫星广播电视调制技术及其工作原理，总结了典型数字卫星广播电视调制器技术指标要求，对能显著提升信道利用率的自适应编码调制技术和CCT技术进行了深入分析，并提出了应用建议。【关键字】 数字调制 MPSK MAPSK 自适应编码调制 CCT技术 1. 引言自1995年11月，中央电视台开始采用数字压缩加扰方式，通过卫星传输CCTV5/6/7/8以来，我国快速进入数字卫星广播电视时代。典型数字卫星广播电视传输系统包括节目编码、复用、信道编码、中频调制、上变频、高功率发射、卫星转发、节目接收等环节，其中中频调制环节是将广播电视信号变换为适合卫星信道传输的关键环节，深入分析研究中频调制技术对卫星上行系统的建设、运行具有重要意义。下面就对目前世界范围内主要数字卫星广播电视传输标准中频调制技术进行介绍分析。 2.常见数字调制技术及工作原理2.1 调制技术分类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。数字调制过程中处理的是数字信号,而载波有振幅、频率和相位3个变量,且二进制的信号只有高、低电平两个逻辑量,所以调制的过程可用键控的方法由基带信号对载频信号的振幅、频率或相位进行调制。最基本的调制方法有3种,即振幅键控(ASK)、频移键控(FSK)和相移键控(PSK)，在此基础上还可以派生出许多其他的形式。同时,根据所处理基带信号的进制不同可分为二进制和多进制调制。在实际应用中，通常采用多进制调制方法来提高单位频带的利用率，从而降低码率，减小信道带宽。利用M进制数字基带信号分别调制载波的幅度、频率和相位，可产生MASK、MFSK及MPSK等多进制载波数字调制信号，其中正交移相键控（QPSK）、正交幅度调制（QAM）、残留边带（VSB）、正交频分复用（OFDM）调制在多进制调制中比较常用。目前数字电视传输国际标准有四个：美国高级电视制式委员会提出的ATSC标准、欧洲数字电视广播联盟提出的DVB标准、日本综合业务数字广播组织提出的ISDB标准和中国的数字电视地面多媒体广播系统DTMB标准。四大标准中针对卫星广播电视传输技术的有ATSC-A/81（ATSC Direct-to-Home Satellite Broadcast Standard）、DVB-S、DVB-S2、ISDB-S。调制方式为QPSK、BPSK、8PSK、16APSK、16QAM、32APSK等， 其中QPSK调制技术以其抗干扰性能强、误码性能好、频谱利用率高等优点,广泛应用于数字微波通信系统、数字卫星通信系统、宽带接入、移动通信及有线电视系统之中。随着广播电视技术的发展，近年来8PSK、16APSK等高阶调制技术应用也日益广泛。目前我国中星9号直播卫星村村通、户户通所用调制技术也为QPSK方式。常见卫星传输广播电视标准及中频调制方式见表1。

表1常见卫星传输标准中频调试方式

2.2 典型调制技术工作原理2.2.1 MPSK工作原理多相移监控MPSK是恒包络数字调制，受调载波相位有M种取值。MPSK信号可表示为式（1）的形式：式中，A(t)为s(t)的振幅；Φ(t)为s(t)的相位；ωc为s(t)的载波频率。可将上式展开为：其中I(t)为同相分量，Q(t)为正交分量。对于BPSK，M=2，若取Φ(0)=0°，则只有同相分量没有正交分量，载波有0°、180°两种相位状态；若取Φ(0)=90°，则没有同相分量只有正交分量，载波有90°、270°两种状态。对于QPSK，M=4，根据CCITT建议，Φ(0)有0°、45°两种取值，当时Φ(0)=0°，为A方式，载波有0°、90°、180°、270°四种相位状态；Φ(0)=45°时，为B方式，载波有45°、135°、225°、315°四种相位状态。对于8PSK，M=8，取Φ(0)=0°，载波有0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°、315°八种相位状态。BPSK、QPSK、8PSK的星座图如图1所示。

图1 MPSK星座图

下面以QPSK为例，简单介绍MPSK信号的调制工作原理。由式（2）和QPSK相位图可知，QPSK信号可以用正交调制的方法产生，如图2所示。QPSK正交调制器由两个BPSK调制器构成，输入的串行二进制序列经过串-并变换后，分成两路数率减半的I、Q信道序列，经基带成型滤波器后形成为I(t)和Q(t)信号，然后对cosωct和sinωct（cos(ωct+π/4)或和sin(ωct+π/4)）进行BPSK调制，相加后即得到QPSK信号。除正交调制外，QPSK调制也可以采用相位选择法和脉冲插入法实现。2.2.2 M-QAM工作原理多进制正交幅度调制（M-QAM）是幅度、相位联合调制技术，它同时利用了载波的幅度与相位来传递信息，因此在最小距离相同的条件下，QAM星座图中可容纳更多的星座点，是一种频率利用率极高的数字调制方式，但受信道的限制较大，多用于地面数字微波系统、有线电视系统。因其优良特性，北美ATSC直播到户卫星广播标准（ATSC A/81）中将16-QAM列为调制方式之一，16-QAM星

图2 QPSK正交调制原理框图

座图见图3所示。QAM信号是利用正交载波对两路数字基带信号分别进行双边带抑制载波幅度调制形成。若原始数字信号是二进制信号，则应首先将二进制信号转换为M多进制信号，再进行正交调制，最后相加输出。其调制原理如图4所示。

图3 16-QAM星座图 图4 M-QAM调制工作原理

2.2.3 M-APSK工作原理APSK是一种PSK和QAM结合的调制方式。与PSK相比，二者都属于恒包络数字调制方式，但PSK相位不连续，有较大的带外功率泄露，而APSK则幅度值较少，可以有效降低非线性的影响；与QAM相比，APSK便于实现变速率调制，因而很适合根据信道及业务需要分级传输的情况。M-APSK 星座图由nR个同心圆组成，每个圆上等间隔均匀分布PSK 星座点，信号星座点x 是复数，表达式为：

其中，nR、rR 和θk分别表示第k个圆的星座点数、半径和相对相移。我们称这种APSK为n1+n2+nnR —APSK。调制信号χ是归一化能量，即E[|χ|2]=1，意味着rk半径是归一化的，以便。在DVB-S2 中，采用了|χ|=4+12APSK，|χ|=4+12+16APSK,即16APSK和32APSK分别有2和3个圆环，其星座图如图5所示。3．数字卫星中频调制器典型技术指标卫星中频调制技术的指标中用户可调节指标主要有数据速率、输出载波频率、符号率、、输出电平等；设备评价指标主要有频率调整步长、电平调整步进、输出电平精度、输出电平稳定度、杂散、载波抑制隔离、相位噪声、内部时钟稳定度、外部时钟稳定度控特性、平均无故障时间以及工作模

图5 M-APSK星座图

式等，具体如下。

表2 数字卫星中频调制器典型技术指标

4．新技术研究与运用自1994年DVB-S标准颁布以来，数字卫星传输技术有了很大的发展，新的信道编码技术、多进制调制技术、可变长编码调制、自适应编码调制技术逐渐成熟并应用，提高单位频带的利用率，提高了传输效率和传输速率。同时随着科技进步，采用滚降系数更低的平方根升余弦滚降滤波器也能明显降低载波占用带宽。4.1 自适应编码调制技术自适应编码调制（ACM）技术是一种有效的提高信道利用率的方法，它的基本思想是接收端对信道进行实时估计，并将估计的信道状态信息通过反馈信道传送给发射端,发射端再动态的改变调制方式和编码方式，从而充分的利用信道资源。通常，这种自适应传输方案都是固定Eb/N0,通过改变发送功率、或者符号传输速率、或者调制星座的大小、或者扩频码的扩频因子、或者上述的任意组合，即通过提供不同等级的差错保护编码方案和调制方案，在保证载波符号率不变的情况下，使链路的数据吞吐量始终达到当前联络状况下的最大值，自动将卫星链路余量转换为链路传输能力，以达到最佳性能匹配，显著提高系统信号传输容量和可靠性。4.2 CCT技术为减小载波占用带宽，进一步提高频带利用率，通过设计更为优良的升余弦滚将滤波器，选用更低的滚降系数，根据也能取得良好的效果。目前，比利时NEWTEC公司基于DVB标准生产的中频调制器采用了CCT（Clean Channel Technology）技术，可将滚降系数降低至0.15、0.1、0.05。与DVB-S固定滚降系数0.35相比，使用滚降系数为0.05的中频调制器，载波占用带宽能降低20%。如果传输带宽不变，则传输效率可提升超过15%。以36MHz转发器为例，采用标准DVB-S标准、FEC为3/4，滚降系数为0.35情况下，其传输的信息速率最大为38Mbps，利用CCT技术，将滚降系数调整为0.05，同等条件下其传输信息速率可达到48.8Mbps。图6是在标准DVB-S2模式下，滚降系数为0.25时与采用CCT技术，滚降系数为0.05时的频谱对比图。

图6 滚降系数降低后载波频谱示意图

该技术有三个重要特点：极低的滚降系数、降低射频边带低噪声和纯净的载波，其实现方式是平方根升余弦滚降滤波器在设计上选用低至0.05的滚降系数，从而直接增加信号传输的有效带宽；同时快速一致和清除边带旁瓣震荡，显著降低载波两肩的噪声电平，产生出一个纯净的载波，防止相邻卫星载波交叠在一起。图7为笔者实测照片。

图7 DVB-S标准、滚降系数为0.05时的中频调制信号频谱图

5.小结随着科技的进步，和大容量信息交换的需要，优良的信道编码技术和卫星广播电视调制技术必将使卫星信道传输效率不断向香农极限逼近，提高了卫星通信系统的使用效率。但在实际应用中，建议行业主管部门积极引导，不断推广应用新的卫星广播电视调制技术，减低业务传输卫星带宽成本的同时，必将推动卫星广播电视传输领域的快速发展。 参考文献1． 车晴，张文杰，王京玲. 数字卫星广播与微波技术.中国广播电视出版社2． 宫晓妍，刘建伟，杨友福.基于卫星信道的APSK调制研究.遥测遥控.第30卷第6期，2009.113． 王德嘉，QPSK调制技术的研究，重庆工商大学学报(自然科学版)，第24卷第6期，2007.124． 梁夫，门爱东，DVB-S2的调制技术，世界广播电视，2006.65． 杜思深，王晓川，杨 宁，自适应编码调制技术在通信中的应用，军事通信，现代电子技术，2006.216． 单超，张邦宁，自适应调制编码技术，第26卷第1期，2005.37． 季伟，周学军，林海涛，窦高奇，基带成形滤波器设计与实现，舰船电子工程，总第212期，2012.28． 关超达，浅谈广播电视卫星信号的数字调制解调技术，卫星电视与多媒体，2010.9 编辑：中国新闻技术工作者联合会