Базовые методы одночастотной модуляции в системах ЦТВ

В технике цифрового телевизионного вещания важное место принадлежит выбору метода модуляции несущей цифровым информационным сигналом. Процесс модуляции обеспечивает согласование скорости С цифрового потока данных с характеристиками канала связи. Это тем более важно, что внедрение цифрового телевидения происходит в условиях, когда существует развитая сеть аналогового телевещания, предлагающая потребителям радиоканалы с полосами пропускания П, равными 6, 7 или 8 МГц (для наземного телевидения), 27 или 36 МГц (для спутникового телевидения) и 8 или 9 МГц (для кабельного телевидения). Задача, таким образом, состоит в том, чтобы путем выбора оптимального метода модуляции адаптировать доступный радиоканал с известной полосой пропускания П для передачи одной или нескольких ТВ программ в цифровом формате.

Цифровые форматы композитного и компонентного видеосигналов, рассмотренные в главе 2, соответствуют скоростям передачи данных, которые не могут быть обеспечены существующими стандартными радиоканалами связи. Проблема в настоящее время разрешается путем развития двух встречных направлений теории и техники связи:

- совершенствование методов и средств сжатия цифровых видео- и аудиосигналов;

- разработка эффективных методов модуляции, обеспечивающих увеличение скорости передачи цифровых данных.

Существуют две группы методов модуляции – одночастотные и многочастотные. Наиболее распространены одночастные методы, среди которых базовыми (простейшими) являются амплитудная модуляция АМ, частотная ЧМ и фазовая ФМ. Отметим, что применительно к цифровым сигналам вместо термина «модуляция» иногда используется термин «манипуляция». Например, фазовая манипуляция

Эффективность модуляции оценивают с помощью величины , которая называется удельной скоростью передачи цифровых данных или спектральной эффективностью и рассчитывается по формуле

, (6.1)

где С – максимальная скорость передачи данных по каналу связи; П – ширина полосы частот канала.

Проведем расчет для случая АМ. Пусть на вход канала связи поступает двухуровневый (одноразрядный; ) цифровой сигнал с частотой дискретизации . Скорость передачи данных, вычисляемая по формуле (2.18), составит

. (6.2)

Верхнюю граничную частоту спектра для такого сигнала определим по формуле, известной из аналогового телевидения

, (6.3)

где – длительность элемента, равная периоду дискретизации.

. (6.4)

При двухполосной амплитудной модуляции несущей сигналом с шириной спектра 0 – требуемая полоса пропускания радиоканала составит

. (6.5)

Сопоставив выражения (6.1) – (6.5), получим в результате

. (6.6)

Увеличить вдвое спектральную эффективность АМ можно путем подавления одной из боковых полос амплитудно-модулированного радиосигнала (способ АМ ПБП).

Разновидностью амплитудной модуляции является балансная модуляция (БМ), для которой справедливы соотношения (6.5) и (6.6). При этом БМ обеспечивает лучшие энергетические характеристики радиоканала, так как передатчик не излучает мощность на несущей частоте, которая не содержит полезной информации.

Для наглядного графического отображения процесса модуляции цифровыми сигналами используют так называемые сигнальные созвездия (или звездные диаграммы), каждая точка в которых соответствует одному из возможных расположений конца вектора модулированной несущей на векторной диаграмме. Число точек сигнального созвездия М равно

,

где n – разрядность манипуляционного кода модулятора. Для простейших (базовых) видов модуляции , . На рис. 6.2 приведены звездные диаграммы для двух случаев АМ. При амплитудно-импульсной модуляции (АИМ) с пассивной паузой при передаче нулевого значения цифрового сигнала несущая обращается в 0. В случае БМ биполярными импульсами при передаче 0 несущая, не изменяя амплитуды, получает инверсию фазы: . В случае б на рис. 6.2 вдвое увеличивается расстояние между точками сигнального созвездия, что означает двукратное увеличение помехоустойчивости в канале связи. Из сказанного очевидно, что БМ двухуровневым цифровым сигналом одновременно является и амплитудной и фазовой. В литературе для этого вида модуляции используются два эквивалентных обозначения: 2 – АМ или 2 – ФМ.

Рис. 6.2. Звездные диаграммы для АМ: а – классическая АИМ; б – БМ ( - форма модулирующих сигналов)

Спектральную эффективность при ЧМ определим, используя известные данные спутникового канала аналогового телевидения: МГц; девиация частоты МГц. Используя формулу Карсона

,

определяем МГц. Далее определяем частоту дискретизации для цифрового сигнала с МГц:

МГц.

Затем, используя выражения (6.1) и (6.2), получим результат

.

Данные анализа двухуровневых методов модуляции сведены в табл. 6.3.

Сведения, приведенные в таблице, позволяют сделать ряд выводов:

- ЧМ не применяется в системах ЦТВ из-за низкой спектральной эффективности;

- простейшие виды АМ (без подавления несущей) также не применяются в ЦТВ из-за низкой энергетической эффективности;

- современные многопозиционные методы модуляции для систем ЦТВ разработаны на основе БМ, которая имеет максимальную спектральную энергетическую эффективность по сравнению с другими простейшими видами.

Таблица 6.3

Спектральная эффективность простейших методов модуляции