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							数字电视原理与应用
Principle and Application of Digital Television


              主讲：张文军 教授
       上海交通大学图像通信与信息处理研究所
             Email：zhangwenjun@sjtu.edu.cn
                   上海交通大学
                2006～2007学年第一学期
                              数字电视原理与应用

 课程安排


    1              2                 3

 数字电视概述      数字电视基本原理         数字电视相关标准

             视频压缩原理          •DVB-S标准及相关测量
•电视技术的发展历程   MPEG-2视频编码及测量   •DVB-C标准及相关测量
•模拟电视原理      MPEG-2音频编码及测量   •OFDM技术
•数字电视的发展     MPEG-2系统及其测量    •DVB-T标准及相关测量
             数字调制基础          •ATSC和ISDB-T标准及其
             数字电视的纠错编码原理     测量
                              •我国的数字电视标准




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                         数字电视原理与应用

 数字电视基本原理

 视频压缩原理             ——第5章
 MPEG-2视频编码部分及其测量   ——第4,6,11章
 MPEG-2音频编码部分及其测量   ——第7章
 MPEG-2系统部分及其测量     ——第3,9,10章

数字调制基础
                     ——第12章
 数字电视中的纠错编码原理       ——补充




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                   数字电视原理与应用

数字调制基础

   1.概述

   2.混频器

   3.幅度调制

   4.IQ调制

   5.IQ解调

   6.IQ调制中Hilbert变换的使用


            4      数字调制基础, class 07
                                  数字电视原理与应用

 1、概述
 本章介绍数字调制基本方法，是后续DTV相关标准章节的基础知识。

 被传输的信息通过改变载波幅度或频率或相位的方式，叫做调制。

 模拟信号传输通常是AM(调幅)和FM(调频)。

 数字信号传输早期通常幅移键控(ASK)和频移键控(FSK) 。
   如果采用NRZ码(不归零码non-return-to-zero)，ASK方式传输一个
    10Mbit/s数据流需要至少10MHz带宽。
   根据香农原理，对NRZ基带信号，带宽至少为数据率的一半。
   ASK产生两个边带，得到一个带宽为基带信号数据率的射频信号。
   由于需要进行信号滤波来抑制邻道干扰，实际所需带宽甚至更大。

 模拟电话带宽大约3kHz，起初，该信道可得到1200bit/s数据率；
  现在该信道可达到56kbit/s。我们已习惯于这种数据率的传真和调
  制解调器。
 更大的突破只能通过采用现代数字调制方法——IQ调制。
   IQ调制实际上是幅度调制的一种。
                        5        数字调制基础, class 07
                     数字电视原理与应用

1、概述
 我们已知下列调制方法：
   幅度调制
   频率调制
   相位调制
   幅移键控(ASK)
   频移键控(FSK)
   相移键控(PSK)
   正交调幅(QAM)幅移和相移键控
 目标是降低信号传输带宽，只能通过现代数字调制方法，使得带
  宽<<数据率。
 调制的缺点：更容易受到噪声和干扰的影响。




                6    数字调制基础, class 07
                                                                                数字电视原理与应用

      1、概述
      利用矢量方式来表示正弦信号：
        每个正弦信号都可以由其幅度和零相位角来准确描述，另外必
         须已知频率。
        矢量表示中t＝0时刻的旋转矢量，角度为零相位角，矢量长度
         为正弦信号的幅度。
                            u(t)                                           Im
2
                                                                                 A=vector length

1                                                                              f=1/T
                            A
                                                                                         Re
0
                                                   t

                    φ
-1                                                     Euler Formula :
                                       T
                                                       Ae( 2ft  )  re cos(2ft)  jim sin(2ft);
-2
     -6   -4   -2       0          2       4   6
                                                         图12.1 一个时域正弦信号的矢量表示
          u(t )  A sin(2t / T   );
                                                            7                   数字调制基础, class 07
                      数字电视原理与应用

 1、概述
 正弦信号的获得：
   将矢量投影到纵轴(Im)，并记录矢量顶点相对时间的位置。
 相应余弦信号的获得：
   将矢量投影到横轴(Re)。
 任意正弦或余弦信号的获得：
   对具有相同频率、期望幅度的一个正弦和一个余弦信号的合成。




                8     数字调制基础, class 07
                   数字电视原理与应用

数字调制基础

   1.概述

   2.混频器
   3.幅度调制

   4.IQ调制

   5.IQ解调

   6.IQ调制中Hilbert变换的使用


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                         数字电视原理与应用

  2、混频器Mixer
 混频器是构成IQ调制器最重要的电子设备之一。
 混频器实际上是一个乘法器。
 调制信号通常利用载波被转换为IF信号，结果得到载波的两个边带。这种调
  制叫做抑制载波的双边带调幅制。
 图中所示混频器实际上是由载波控制的一个双向开关，在载频处变换调制信
  号的极性。
 对纯正弦调制信号，可得到两个谱线，分布在载频两侧，各自与载频的距离
  都是调制频率。
 同时还产生与载频距离为载波频率整数倍的高次谐波，必须通过低通滤波进
  行抑制。




     图12.2 Mixer
                   10    数字调制基础, class 07
                             数字电视原理与应用

 2、混频器Mixer
 调制信号的极性由4PIN二极管来转换
 载波（LO本地振荡器）信号通过一个射频变换器耦合输入，调制信
  号由DC耦合输入，已调制信号通过一个射频变换器耦合输出。
 目前的混频器通常由纯数字乘法器的形式来实现，除了量化噪声和
  舍入误差以外，其他性能良好。
 模拟混频器的重要参数：
  使用频率范围
  载频抑制
  幅度相对温度和时间稳定。



            L                           RF
            O
                                 IF



                   图12.3 现代模拟双平衡混频器框图
                  11        数字调制基础, class 07
                   数字电视原理与应用

数字调制基础

   1.概述

   2.Mixer

   3.幅度调制
   4.IQ调制

   5.IQ解调

   6.IQ调制中Hilbert变换的使用


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                           数字电视原理与应用

 3、幅度调制
 调幅制的信息包含在载波的幅度中，调制信号对载波的幅度进行改
  变（调制）。
 图12.4是一个标准调幅器，其载波没有被抑制：
   正弦调制信号改变载波的幅度，影响载波的包络。
   调制信号和载波都是正弦信号时，已调信号的频谱在载频处有
    一条谱线，另外在载频两端距离为调制频率处还有两个边带。
   例如对1MHz载频用1kHz正弦信号进行调幅，得到已调信号的频
    谱为：1MHz载频处的谱线，以及1MHz±1kHz处的两个边带。
    此时带宽为2kHz。
             图12.4 标准调幅器




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                               数字电视原理与应用

   3、幅度调制
 如上所述，混频器可抑制载频。
 如果用混频器进行幅度调制，而且调制信号本身没有直流分量，则已调信号频
  谱中没有载频分量，只有两个边带。
 图12.5是由双平衡混频器实现的调幅器，已调信号频谱中除了两个边带以外，
  还有载频整数倍处的高次谐波边带（必须由低通滤波器抑制）。
 图12.5也表示了一个典型的抑制载波时域调幅信号，带宽与不抑制载频的标
  准调幅器相同。
               图12.5 抑制载频调幅器




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                   数字电视原理与应用

数字调制基础

   1.概述

   2.Mixer

   3.幅度调制

   4.IQ调制
   5.IQ解调

   6.IQ调制中Hilbert变换的使用


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         4、IQ调制
        彩色电视系统的色度信号传输很长时间内采用正交调制
         或IQ调制：
            对PAL或NTSC，色度信号包含在色度载波的相位中，色饱和度
             或彩色亮度包含在色度载波的幅度中；已调色度载波再叠加到亮
             度信号上。
            已调色度载波由IQ调制器或正交调制器获得。
                 i(t)
                  I                          I： in-phase同相
data(t) Mapper                    iqmod(t)
                                             Q：quadrature phase
                 q(t)
                  Q                              正交相位

                           90

                          IO(t)
                    图12.6 IQ调制器
                                     16         数字调制基础, class 07
                                                数字电视原理与应用

  4、IQ调制
                                         i(t)
                                         I
                                Mapper                      iqmod(t)
 IQ调制器分为I通道和Q通道：     data(t)


     I通道混频器采用0°载波相位        q(t)
                             Q
     Q通道混频器采用90°载波相位
                                                    90
     I和Q互相正交
     矢量图中，I轴相当于实轴，Q轴相当于虚轴。
                                                   IO(t)
 数字调制器，在IQ调制器之前还接一个变换器mapper，输入待传输
  的数据流data(t)，输出i(t)和q(t)信号分别是I和Q混频器的调制信
  号，已不是数据信号，而是带符号电压值。
    如果i(t)＝0，则I混频器没有输出信号；
    如果q(t)＝0，则Q混频器没有输出信号。
    如果i(t)＝1，则I混频器输出固定幅度、 0°载波相位的载波信号；
    如果q(t)＝1，则Q混频器输出固定幅度、 90°载波相位的载波信
     号；
 I和Q已调信号再由加法器合成。
                          17                    数字调制基础, class 07
                                                       数字电视原理与应用

  4、IQ调制
 结果iqmod(t)是I和Q混频器输出信号之和。
 如果Q通道没有输出，则iqmod(t)相当于I通道输出信号；反之亦然。
 由于I和Q通道的输出信号是与载波同频的正弦和余弦信号，只是幅度
  不同，则I和Q通道输出信号的叠加可输出一个不同幅度和相位的正弦
  信号iqmod(t)。
 因此，通过改变控制信号i(t)和q(t)，可以改变iqmod(t)的幅度和
  相位。
                        i(t)
                        I

               Mapper                       iqmod(t)
     data(t)



                        q(t)
                         Q


                                 90




                               IO(t)
                                       18          数字调制基础, class 07
                                               数字电视原理与应用

  4、IQ调制
 利用IQ调制器，可以得到：
                                        i(t)
   纯调幅值，                               I
   纯调相制，    data(t) Mapper                                iqmod(t)

   混和调幅调相制。
                                        q(t)
                                         Q
 Iqmod(t)的幅度和相位：
                                                 90
                                       Aq
    A  ( Ai) 2  ( Aq) 2     arctan( )
                                       Ai
   Ai是I通道幅度；Aq是Q通道幅度。                          IO(t)



 根据通常定义，I通道产生余弦分量，Q通道产生正弦分量。
  可以利用欧拉公式。

                                19             数字调制基础, class 07
                                                          数字电视原理与应用

          4、IQ调制
      先只看I通道，Q通道的q(t)＝0，不产生输出信号：
        i(t)=±1V（＋1V和－1V交替），此时载波lo(t)只是在0° 和
         180°相位间转换;
        通过改变I(t)的幅度，可以改变输出信号iqmod(t)的幅度。
        对矢量图而言，矢量从0° 和180°之间变换，长度也发生变化；
         如果只有i(t)存在和变化，则矢量始终在I轴上。
                    i(t) ＋/-1
                    I                                         Q
data(t)                                        iqmod(t)
          Mapper
                                                                  I
                   q(t)    0          0
                    Q


                                 90


                                IO(t) 图12.7 IQ调制器，只有I通道
                                          20              数字调制基础, class 07
                                                           数字电视原理与应用

          4、IQ调制
      再假设i(t)=0,只有q(t)产生输出信号：
        q(t)= ±1V（＋1V和－1V交替），此时iqmod(t)相当于Q通道混
         频器输出信号，I通道没有输出。
        Iqmod(t)是一个正弦信号，相位90° 和270°
        通过改变q(t)的幅度可以改变iqmod(t)的幅度。
        矢量图中矢量沿Q轴在90° 和270°之间变换，长度也发生变化。
                    i(t)    0
                    I

data(t)                                         iqmod(t)
                                                               Q
          Mapper

                   q(t)
                    Q      +/-1                                    I


                                   90

                                          图12.8 IQ调制器，只有Q通道
                                  IO(t)          21         数字调制基础, class 07
                                                            数字电视原理与应用

          4、IQ调制
       再同时改变i(t)和q(t)，假设i(t)＝q(t)＝±1V ：
         I和Q通道的调制输出相加，因此载波可以在45°，135°，
          225°和315°之间变换。
         叫做正交相移键控QPSK。
       如果i(t)和q(t)任意取值，则iqmod(t)可以得到任意幅度和相位。
                    i(t)
                    I      +/-1
                                                 iqmod(t)         Q
data(t)
          Mapper                                                      QPSK

                   q(t)                                               I
                    Q      +/-1


                                   90


                                  IO(t)   图12.9 IQ调制器，I和Q通道都有
                                                22          数字调制基础, class 07
                                                 数字电视原理与应用

  4、IQ调制
 输入数据流data(t)通过mapper产生I通道和Q通道的两个调制信
  号i(t)和q(t)。
 Mapping表指定了data(t)如何产生i(t)和q(t)信号。
 对QPSK，mapping表中有两个bit（bit0和bit1）合成dibit，
  来控制i(t)和q(t)信号的生成。
   dibit为10，对应输出i(t)=-1V,q(t)=-1V
   dibit为11，对应输出i(t)=+1V,q(t)=-1V
                         i(t)    +/-1
                         I
     data(t)                                  iqmod(t)
               Mapper

                        q(t)
                         Q       +/-1

                                        90


                                      IO(t)
                               图12.10 IQ调制器
                                        23      数字调制基础, class 07
                                                               数字电视原理与应用

        4、IQ调制
Bit 1         Bit 0        I           Q
  0             0         +1           +1                                      Q
  0             1         -1           +1                                           00
                                                                   01
  1             0         -1           -1
                                                                                      QPSK
  1             1         +1           -1
                                                                                         I
                                                                   10               11
                               i(t)   +/-1
                               I

    data(t)                                             iqmod(t)
                 Mapper

                           q(t)
                            Q         +/-1
                                                                        Spectrum

                                              90                                    BW
                                                                           f                 f
                                                                               LO
                                             IO(t)
                                         图12.10 IQ调制器
                                                  24          数字调制基础, class 07
                             数字电视原理与应用

 4、IQ调制
 关键是调制器和解调器必须采用相同的mapping表。
 Mapper以后，码率降为一半：
   QPSK每个状态可以传送两个bit，两个bit合成一个dibit来定义
    mapper输出信号i(t)和q(t)。
   此时i(t)和q(t)的码率是data(t)的一半。
   i(t)和q(t)来调制载波，对QPSK，只是改变载波的相位。
   iqmod(t)相位的四个可能取值： 45°，135°，225°和315°，
    信息就包含在载波相位中。
   可以按照输入码率一半的速率来切换载波相位。此时所需信道带
    宽可以降低一半。
   载波或矢量保持某个相位的时间（符号持续时间）称为“符号”
   符号持续时间的倒数即符号速率。
   所需带宽相应于符号速率。
   与简单的位传输相比，带宽容量扩大了一倍，得到了额外的带宽。

                    25      数字调制基础, class 07
                                                                          数字电视原理与应用

            4、IQ调制
   实际上在QPSK之外，还使用了高阶调制方法
   同时改变幅度和相位，得到16QAM(quadrature amplitude
    modulation)：
           信息包含在幅度和相位中。
           Mapper中有4个bit合成，一个载波能携带4bit，有16种可能的载波输出。
           Mapper后的码率或符号速率是输入码率的1/4，所需信道带宽减少到1/4。
                                                                                  Q
                     i(t)
                     I      +/-1
data(t)                                          iqmod(t)
           Mapper                                                                         t    16QAM
                                                              i(t)
                                                  2
                    q(t)
                                                  1
                     Q      +/-1                              A
                                                                              Q
                                                  0                   t

                                    90                    φ                                   QPSK
                                                 -1
                                                                                      t
                                                 -2
                                                   -6 -4 -2 0 2 4 6
                                   IO(t)   图12.11 IQ调制器
                                                    26                    数字调制基础, class 07
                                                                  数字电视原理与应用

  4、IQ调制
 通常矢量图中只表示矢量的终点，所有可能矢量位置集合的矢量图
  称为星座图。
 下图是实际QPSK,16QAM和64QAM信号的星座图，受到噪声影
  响，图中也显示了demapper的判别门限。
 每个符号传输的bit数是log2N，（N是星座图中的元素的个数）




 QPSK(2bit per symbol),   16QAM(4bit per symbol)



                                                        64QAM(6bit per symbol)
                                                   27            数字调制基础, class 07
                                                     数字电视原理与应用

                4、IQ调制
   data(t)
                0 1 1 0 1 1 0 0 0 1               图12.13（QPSK）给
                                                  出了原始数据流data(t)，
     i(t)        -1    -1   +1    +1    -1        结果载波矢量分布，以及
                                                  时域中的键控载波信号
     q(t)
                                                  iqmod(t)。
                 +1    -1   -1    +1    +1
                                                  每个切换状态叫做一个
constellation
                                                  符号。
                符号宽度                              每个切换状态的持续时
                                                  间叫做符号持续时间。
                                                  符号持续时间的倒数是
                                                  符号速率。




                       图12.13 时域中IQ调制
                                             28      数字调制基础, class 07
                   数字电视原理与应用

数字调制基础

   1.概述

   2.Mixer

   3.幅度调制

   4.IQ调制

   5.IQ解调
   6.IQ调制中Hilbert变换的使用


             29    数字调制基础, class 07
                                              数字电视原理与应用

 5、IQ解调
 数字已调信号iqmod(t)同时送入I混频器（0°载频相位）和Q混
  频器（90°载频相位）。
                                  i(t)
               I
                                                  data(t)
    iqmod(t)                             De-
                                         mapper
                                  q(t)
               Q
                                             Symbol
                                             Clock
                             90

                     IO(t)
                     Carrier
                     and
                     Clock
                     Recovery

                   图12.14 IQ解调器
                             30              数字调制基础, class 07
                            数字电视原理与应用

5、IQ解调
 同时，载波和符号时钟由信号处理模块恢复。
   为恢复载波，输入信号iqmod(t)经过两次平方，可以由一
    个带通滤波器滤出四倍载频处的谱线。
   时钟发生器利用锁相环锁定到该频率。
   为确定符号中点，还必须恢复符号时钟。

 通过IQ混频器可获得基带信号i(t)和q(t)，在信号送入
  demapper以前，需要利用一个低通滤波器来消除叠加到这
  些信号上的载波谐波。

 Demapper是mapping的逆过程，对基带信号i(t)和q(t)
  在符号中点采样来恢复数据流data(t)。




                   31      数字调制基础, class 07
                               数字电视原理与应用

    5、IQ解调
 第一行信号表示输入数据data(t)
 第二、三行表示调制端信号i(t)和q(t)
 第四、五行表示调整器中I/Q混频器输出的电压值I(t)和Q(t)
 第六行表示iqmod(t)，符号间的相位变化明显可见，幅度不变(QPSK)
 最后一行表示iqmod(t)相应的星座图
 第七、八行表示解调端数字恢复信号i(t)和q(t)，可见在基带信号上还包含两倍
  载频。在demapping之前，必须由低通滤波器来抑制I/Q两通道的二倍频。
 模拟混频器中也要由低通滤波器来滤除叠加的谐波。
           图12.15 时域中IQ调制和解调
                                 data(t)
                                 i(t)
                                 q(t)
                                 I(t)
                                 Q(t)
                                 iqmod(t)

                                 i(t) demod.
                                 q(t) demod.
                                   Const.
                         32    数字调制基础, class 07
                                 diagram(t)
                                                    数字电视原理与应用

 5、IQ解调——fs/4方法
 解调器经常采用fs/4方法，是低复杂度的IQ解码器。
                             I           i(t)
                                                 Delay


iqmod(t) A
             D                   +1/-1
                            Q            q(t)     FIR
        fs=4*fIF   fs/2                          Inter-
                                                polation


                                 -1/+1
                     图12.16 采用fs/4方法的IQ解调器
                            已调信号iqmod(t)通过一个抗混淆低
                            通滤波器，
                            然后用一个A/D转换器进行采样，采
                            样频率为4fIF，fIF为已调信号iqmod(t)
                            的载波。
                            一个完整的载波周期采样四次。
     图12.18 时域fs/4解调法
                                 33                数字调制基础, class 07
                                  数字电视原理与应用

5、IQ解调——fs/4方法
 如果A/D转换器时钟与载频时钟完全同步，则旋转载波矢量的精确采
  样时刻见图。        Q

                 f
                  IF



                              I



                       图12.17 fs/4方法

 A/D转换器之后，有一个开关将数据流分成两个码率降为一半的码流。
    例如奇数采样点送入I通道，偶数采样点送入Q通道；每隔一个采样
     点才会送入I或Q通道，这样两个通道的速率都降为一半。
 两个通道中的乘法器只进行符号翻转，对采样点交替乘以＋1和－1。
                 34               数字调制基础, class 07
                              数字电视原理与应用

5、IQ解调——fs/4方法
 fs/4方法的原理：
  如果A/D转换器保持精确四倍载频4fIF，并且A/D转换器时钟
   与载波时钟完全同步，则采样值交替相应于I和Q值。
  I和Q通道每隔一个采样值是负号，必须乘以－1。
  基带信号i(t)和q(t)可以很容易恢复。
  由于i(t)和q(t)信号在每个符号变换后必须固定下来，固定的
   过程通过A/D转换器后的开关要延迟半个时钟周期，所以信
   号必须利用数字滤波器滞后来达到同步：
   • 信号q(t)进行插值（求两个采样值之间的值），插值利用FIR
     （finite impulse response filter）滤波器实现。
   • 每个数字滤波器都有一个基本延迟，必须对另一通道引入相应
     的延迟来进行补偿，因此对I通道引入一个延迟线。
   • 在FIR滤波器和延迟线之后，可以得到被采样的同步的i(t)和q(t)
     信号，送入demapper。


                   35        数字调制基础, class 07
                                  数字电视原理与应用

5、IQ解调——fs/4方法
 fs/4方法复杂度低，实际应用广泛。

 对OFDM(orthogonal frequency division multiplex
  正交频分复用)调制信号， fs/4电路直接加在FFT信号处理模
  块之前。

 许多现代数字电路都支持fs/4解调方法。




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                    数字电视原理与应用

数字调制基础

     1.概述

     2.Mixer

     3.幅度调制

     4.IQ调制

     5.IQ解调

  6.IQ调制中Hilbert变换的使用

               37   数字调制基础, class 07
                        数字电视原理与应用

6、IQ调制中Hilbert变换的使用
 Hilbert变换对某些数字调制方法，如OFDM和
  8VSB(ATSC)，非常重要。

 先讨论正弦和余弦信号：
   t＝0时刻，正弦信号值为0，余弦信号值为1。
   正弦信号相对余弦信号移位90°，后面将看到正弦信号正
    是余弦信号的Hilbert变换。




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                                           数字电视原理与应用

    6、IQ调制中Hilbert变换的使用
 为理解Hilbert变换，基于正弦和余弦函数，做一些重要定义：
   余弦函数是偶函数，关于t＝0对称，cos(x)=cos(-x)
   正弦函数是奇函数，关于t＝0反对称，sin(x)=-sin(-x)
   余弦信号的频谱（其傅立叶变换）是纯实数，关于f＝0对称，虚部为0
   正弦信号的频谱是纯虚数，关于f＝0反对称，实部为0
              Re(f)            Re(f)


                      f                f




              Im(f)            Im(f)


                      f                f


           Cosine           Sine
               图12.19 正弦和余弦函数的频谱
                           39              数字调制基础, class 07
                                          数字电视原理与应用

 6、IQ调制中Hilbert变换的使用
 对所有实的时域信号，实部的频谱（Re(f)）都关于f＝0对称，虚
  部频谱（Im(f)）都关于f＝0反对称。

        Re(f)                     Im(f)




                 f                         f



                图12.20 实时域信号的频谱

 任意实时域信号可以表示成傅立叶级数，即信号的正弦和余弦各次
  谐波的叠加。
 余弦函数是偶函数，正弦函数是奇函数。
 因此，上述单个正弦和单个余弦函数的特性也适应于多个正弦函数
  和余弦函数的和函数。

                         40           数字调制基础, class 07
                                   数字电视原理与应用

 6、IQ调制中Hilbert变换的使用
 Hilbert变换信号处理模块的特性：
    其主要目的是将正弦信号移相90°，即余弦信号被转换成正弦信
     号，而正弦信号被转换成负余弦信号。
    幅度保持不变。
 这些特性适应于任意类型正弦信号，如任何幅度、频率和相位的正
  弦信号。
 因此也适应于任意类型时域信号的各次谐波。
 这些特性是由Hilbert变换的转移函数带来的，实际上只是利用了上
  述奇偶时域信号的对称性。
                 H(ω)

                         j


                                        ω
                   -j
           图12.21 Hilbert变换的转移函数
                        41         数字调制基础, class 07
                                   数字电视原理与应用

 6、IQ调制中Hilbert变换的使用
 Hilbert变换的转移函数：
    所有负频率都乘以j，所有正频率都乘以－j。
    j是－1的虚平方根，为正。
    j2＝－1
    实频谱分量变为虚的，而虚频谱分量变为实的。
    乘以j或－j可将频谱的正负部分反转。
             H(ω)


                    j



                                        ω
               -j

           图12.21 Hilbert变换的转移函数

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                        数字电视原理与应用

 6、IQ调制中Hilbert变换的使用
 对一个余弦信号做Hilbert变换可得：
   余弦函数有关于0对称的实频谱。
   如果频谱的负半边乘以j，对所有负频率可得正虚频谱。
   如果频谱的正半边乘以－j，对所有大于0的频率可得负虚频谱。
   这样就得到正弦函数频谱。
 类似，对一个正弦信号做Hilbert变换可得：
   如果正弦频谱的正虚部乘以j，可得负实频谱(j·j=-1)。
   如果频谱的负虚部乘以－j，可得正实频谱(-j·-j=1)。
   这样就得到负余弦函数频谱。

 利用Hilbert变换实现余弦到正弦变换，以及正弦到负余弦变换的方
  法，同样可以应用到任意类型时域信号的所有谐波。
 总之，Hilbert变换将任意类型时域信号的所有谐波移相90°，可
  以作为各次谐波的90°移相器。

                 43     数字调制基础, class 07
                           数字电视原理与应用

 6、IQ调制中Hilbert变换的使用
 Hilbert变换的实际应用：
  通常在调制过程中，需要抑制一个边带或边带的某部分。
  对SSB(single-sideband)调制，必须抑制上边带或下边带。
  抑制方法有多种，如低通滤波，或模拟电视中使用的残余边带
   滤波。
  低通滤波缺点是群延迟失真明显，残留边带滤波技术上较复杂。
  很长时间内用相位方法来替代单边带调制。




                  44      数字调制基础, class 07
                       数字电视原理与应用

6、IQ调制中Hilbert变换的使用
 采用相位方法的单边带调制器：
  将调制信号输入IQ调制器，送入I通道的调制信号没有变化，
   送入Q通道的调制信号进行90°移相，
  Q通道的±90°移相分别对应上边带或下边带的抑制。
  模拟电路很难实现对一个基带信号各次谐波进行理想的90 °
   移相，而数字实现很容易
  Hilbert变换就是对实时域信号的所有分量进行90°移相。




               45      数字调制基础, class 07
                                           数字电视原理与应用

   6、IQ调制中Hilbert变换的使用
 图12.22表示利用IQ调制器和Hilbert变换器进行边带抑制的过程：
   将一个实基带信号直接送入IQ调制器的I通道，实基带信号经过
    Hilbert变换以后再送入Q通道。


                         I
      u(t)                                 ssb(t)



             HT
                        Q


                             90




                  图12.22 利用Hilbert变换抑制边带
                             46            数字调制基础, class 07
                                       数字电视原理与应用

   6、IQ调制中Hilbert变换的使用
 图12.22表示利用IQ调制器和Hilbert变换器进行边带抑制的过程：
   f＝0的实线表示基带信号频谱，f＝0的虚线表示基带信号Hilbert变换
    后的频谱。
   显然，Hilbert变换后，基带信号的反对称虚部变为镜像对称实部，
    而镜像对称实部变为反对称虚部。
   此时下边带受到抑制。
                      Re(f)


                                           f



                      Im(f)


                                           f



              图12.22 利用Hilbert变换抑制边带
                         47            数字调制基础, class 07
zhangwenjun@sjtu.edu.cn




    上海交通大学