Телевизионные цифровые системы

Министерство образования и науки Российской Федерации

Уральский федеральный университет
имени первого Президента России Б. Н. Ельцина

Телевизионные цифровые сисТемы 

Учебное пособие

Рекомендовано методическим советом УрФУ
для студентов, обучающихся по направлению подготовки  
11.04.00 — Радиотехника

Екатеринбург 
Издательство Уральского университета 
2016 

УДК 621.397.13.037.372(075.8) 
ББК 32.940.2я73 
Т31 

Авторы: Н. П. Никитин, В. И. Лузин, В. И. Гадзиковский, Ю. В. Марков 

Рецензенты:
кафедра информатики Уральского государственного горного университета (зав. кафедрой канд. техн. наук, доц. А. В. Дружинин);
д‑р физ.‑мат. наук, проф. А. Д. Ивлиев (Российский государственный профессионально‑педагогический университет) 

Научный редактор — канд. техн. наук, доц. В. К. Рагозин 

На обложке использовано изображение из личного архива автора

Т31
Телевизионные цифровые системы : учебное пособие / Н. П. Никитин, В. И. Лузин, В. И. Гадзиковский, Ю. В. Марков.  — Екатеринбург : Изд‑во Урал. ун‑та, 2016.  — 108 с.
ISBN 978‑5‑7996‑1615‑1
Учебное пособие содержит теоретический материал по следующим основным 
системам цифрового телевидения: многопозиционные модуляторы, многочастотная система передачи данных OFDM, канальное кодирование, тракт цифрового наземного телевидения, тракт цифрового спутникового телевидения, тракт цифрового 
кабельного телевидения. По этим разделам также приведены примеры схем и расчетов в графических редакторах VisSim Comm и Simulinc.

Библиогр.:14 назв. Рис. 87. Табл. 2.
УДК 621.397.13.037.372(075.8) 
ББК 32.940.2я73 

ISBN 978‑5‑7996‑1615‑1
© Уральский федеральный  
      университет, 2016

Глава 1. методы цифровой модуляции 

общие требования к способам модуляции 

О

дин из основных вопросов, касающихся передачи данных с заданной 
скоростью, — распределение энергии в спектре электрического сигнала, переносящего данные, и согласование этого распределения с характеристиками канала связи. По своей природе двоичные сигналы — это последовательность прямоугольных импульсов, а для передачи таких импульсов 
без искажений требуется теоретически бесконечно большая полоса частот.
На верхнем графике (рис. 1.1) показан униполярный цифровой сигнал, 
в котором информационному логическому нулю соответствует 0, а на нижнем графике — биполярный цифровой сигнал, в котором информационному 
логическому нулю соответствует –1.

Рис. 1.1. Униполярный и биполярный цифровые сигналы 

b(t)

b0(t)

t

t

телевизионные цифровые системы

Однако реальные каналы связи могут обеспечить лишь ограниченную полосу частот, поэтому необходимо согласовывать передаваемые сигналы с параметрами каналов. Такое согласование выполняется благодаря кодированию исходных данных за счет обеспечения специальной формы импульсов, 
переносящих данные, например, путем сглаживания прямоугольной формы спектральной плотности импульса по косинусоидальному закону, а также с помощью различных видов модуляции.
Если сообщения передаются двоичными символами, то скорость передачи 
данных не может превышать значения 2 DFk бит/с или 2 бит/с на 1 Гц полосы пропускания канала связи DFk. Предел удельной скорости передачи данных с помощью двоичных символов, равный 2 (бит/с)/Гц, называется также 
барьером Найквиста. Теоретически барьер Найквиста может быть преодолен 
за счет повышения отношения сигнал/шум в канале связи до очень большого 
значения, что практически невозможно. Поэтому для повышения удельной 
скорости передачи данных (преодоления барьера Найквиста) необходимо 
перейти к многопозиционной (комбинированной) манипуляции (рис. 1.2), 
при которой каждая электрическая посылка несет более 1 бита информации.

t

QPSK

45° 

-45° 

-135° 

135° 

Рис. 1.2. Многопозиционная манипуляция 

Идея использования многопозиционных сигналов для снижения требуемой полосы пропускания линии связи заключается в разбиении сообщения 
в виде двоичной последовательности на блоки (посылки), каждый из которых 
содержит комбинации из т двоичных символов (1 или 0), количество которых т соответствует возможным состояниям выходного сигнала модулятора.

Глава 1. Методы цифровой модуляции 

сигналы с двоичной фазовой манипуляцией (BPSK) 

Двоичная фазовая манипуляция 

Мы можем получить сигналы с фазовой манипуляцией (phase shift key PSK), 
если подадим в качестве модулирующего сигнала на фазовый модулятор цифровой сигнал. Речь пойдет о двоичной фазовой манипуляции (binary phase shift 
key BPSK). Данный вид модуляции нашел очень широкое применение вследствие высокой помехоустойчивости и простоты модулятора и демодулятора. 
В отечественной литературе BPSK модуляцию обозначают как ФМн‑2.
Рассмотрим сигнал b (t) в виде последовательности импульсов цифровой 
информации, как это показано на рис. 1.1.
Подадим цифровой сигнал в качестве модулирующего сигнала 
b(t) =
( )
S
t
m
 на фазовый модулятор, как это показано на рис. 1.3 с девиацией фазы, равной π рад.

Sm (t) = b(t)

cos ( )

sin ( )

cos (ω 0t + φ 0)

S bpsk (t)

π·b(t)

Q(t)

I(t)

Рис. 1.3. Формирование BPSK сигнала на основе фазового модулятора 

Поскольку b(t) принимает только значения, равные 0 и 1, то синфазная 
I(t) и квадратурная Q(t) компоненты комплексной огибающей BPSK сигнала 

z t
I t
jQ t
( ) =
( ) +
( ), 
где 

 
I t
b t
b t
( ) =
=
=
cos(
( ))
( );
p
1
0 
(1.1) 

Q t
b t
( ) =
( )
(
) =
sin p
0 .

телевизионные цифровые системы

Тогда BPSK сигнал можно записать в виде 

 
S
t
I t
t
Q t
t
bpsk ( ) =
+
(
) ( )
+
=ј
( )cos
sin(
)
w
j
w
j
0
0
0
0
  
(1.2) 

ј=
( )
+
b t
t
0
0
0
cos(
),
w
j
 

а структурную схему модулятора можно упростить, как это показано на 
рис. 1.4.

cos (ω 0t + φ 0)

Sm (t) = b(t)
S bpsk (t)

Рис. 1.4. Упрощенная структурная схема BPSK модулятора

Эта схема точь в точь совпадает со схемой амплитудной модуляции АМ 
с подавлением несущей (DSB), при модулирующем сигнале S
t
b t
m ( ) =
0( ) . 
Поясняющие графики формирователя BPSK показаны на рис. 1.5.

Sm (t) = b0(t)

cos (ω 0t + φ 0)

S bpsk (t)

Скачок фазы на π 

Рис. 1.5. Поясняющие графики BPSK модулятора 

Глава 1. Методы цифровой модуляции 

Информация передается со скоростью Br бит/c, длительность одного импульса цифровой информации T = 1/Br. Исходный модулирующий сигнал 
S
t
b t
m ( ) =
0( )  умножается на несущее колебание cos w
j
0
0
t +
(
)  (на рис. 

j
p
0
2
= - / ),  получаем фазоманипулированный сигнал со скачком фазы на  

π рад. Такой же скачок фазы мы бы наблюдали при формировании DSB сигнала. Таким образом, BPSK модуляция — вырожденный тип фазовой манипуляции, который совпадает с балансной амплитудной модуляцией при биполярном цифровом модулирующем сигнале.

спектр и векторная диаграмма BPSK сигнала

Поскольку BPSK сигнал можно представить как DSB сигнал, то его 
спектр представляет собой перенесенный на несущую частоту спектр цифрового биполярного модулирующего сигнала b t
0( ) . На рис. 1.6 показаны 
основные соотношения спектра BPSK и параметров исходного модулирующего сигнала.

|Sbpsk (f)| , dB
2

0

-13

f 0
f

2Br

 
Рис. 1.6. Спектральные соотношения параметров BPSK сигнала 

Основной лепесток спектра мощности BPSK имеет ширину, равную удвоенной скорости передачи информации 2Br, и симметричен относительно 

телевизионные цифровые системы

несущей частоты f0 . Уровень максимального (первого) бокового лепестка 
спектра равен –13 дБ. Также можно сказать о том, что ширина боковых лепестков равна Br.
Рассмотрим векторную диаграмму BPSK сигнала. Согласно выражению (1.1), синфазная компонента I(t) комплексной огибающей BPSK сигнала равна b t
0( ) , а квадратурная компонента Q(t) = 0. При этом b t
0( )  принимает значения ±1. Векторная диаграмма BPSK сигнала показана на 
рис. 1.7.

Q(t)

I(t)

0
1

−1

−1

1

1

 
Рис. 1.7. Векторная диаграмма BPSK сигнала 

Вектор комплексной огибающей может принимать одно из двух значений: I (t) = 1 (при передаче информационного нуля) и I (t) = –1 при передаче информационной единицы.
Эта модуляция является самой помехоустойчивой из всех видов ФМн, 
то есть при использовании бинарной ФМн вероятность ошибки при приёме данных наименьшая. Однако каждый символ несет только 1 бит информации, что обусловливает наименьшую в этом методе модуляции скорость 
передачи информации.
В присутствии произвольного изменения фазы, введенного каналом связи, демодулятор не способен определить, какая точка созвездия соответствует 1, а какая — 0. В отсутствие опорного сигнала, определяющего нулевую начальную фазу, возможно возникновение обратной работы, когда 
все нули воспринимаются как единицы, а все единицы — как нули. Для 
устранения этого недостатка данные часто дифференциально кодируются до модуляции.

Глава 1. Методы цифровой модуляции 

относительная (дифференциальная) двоичная фазовая 
манипуляция (DBPSK) 

При передаче информации с использованием BPSK требуется применять 
следящие системы для демодуляции сигнала. При этом часто применяют 
некогерентные устройства приема, которые не согласованы по фазе с задающим генератором на передающей стороне и соответственно не могут отследить случайный поворот фазы в результате распространения, выходящий 
за интервал ±p / 2 . Пример рассмотрен на рис. 1.8.

Q(t)
Q(t)
Q(t)

Q(t)
Q(t)
Q(t)

I(t)
I(t)
I(t)

I(t)
I(t)
I(t)

 
Рис. 1.8. Пояснения к некогерентному приему BPSK 

Исходная векторная диаграмма BPSK (в случае с PSK сигналами векторную 
диаграмму часто называют созвездием) показана на рис. 1.8, а и 1.8, г. Большим кружком обозначено значение, соответствующее информационному 
нулю, а малым — единице. В результате распространения сигнал приобретет случайную начальную фазу, и созвездие повернется на некоторый угол. 
На рис. 1.8, б показан случай, когда поворот созвездия лежит в пределах от  
— π/2 до π/2 рад. В этом случае при некогерентном приеме все созвездие будет повернуто, как это показано стрелочками на рис. 1.8, б. Тогда после поворота созвездие займет исходное положение, и информация будет демодулирована верно (рис. 1.8, в). На рис. 1.8, д показан случай, когда поворот 

а

г

б

д
е

в

ТЕЛЕВИЗИОННЫЕ ЦИФРОВЫЕ СИСТЕМЫ

созвездия лежит в пределах от π/2 до 3π/2 рад. В этом случае при приеме созвездие также будет повернуто для горизонтального расположения, но, как 
следует из рис. 1.8, е, информационные нули и единицы будут перепутаны.
Для того чтобы устранить перепутывание информационных символов, 
используют относительную манипуляцию или, как ее еще называют, дифференциальную BPSK (DBPSK). Суть относительной манипуляции заключается в том, что кодируется не сам бит информации, а его изменение. 
Структура системы передачи данных с использованием DBPSK показана 
на рис. 1.9.

Диф. кодер

BPSK модулятор

Канал связи

BPSK модулятор

Диф. декодер

 
Рис. 1.9. Структура системы передачи данных с использованием DBPSK 

Исходный битовый поток b(t) проходит дифференциальное кодирование, 
после чего модулируется BPSK и на приемной стороне демодулируется некогерентным BPSK демодулятором. Демодулированный поток проходит дифференциальный декодер, получаем принятый поток b t
( ) .

Рассмотрим дифференциальный кодер, показанный на рис. 1.10.

 
Рис. 1.10. Дифференциальный кодер 

Суммирование производится по модулю два, что соответствует логическому XOR (исключающее ИЛИ). Обозначение z -1  означает задержку 
на один б ит информации. Пример дифференциального кодирования приведен на рис. 1.11.

x
b(t)
d(t)

z–1

v

y