（信号与信息处理专业论文）非正交多重调制技术试验样机的支持软件设计.pdf

中文摘要 摘要 随着通信的飞速发展，高速数据、高质量图像等宽带业务的需求也日趋迫切。 骨干网带宽的增加和用户需求的增加使接入网成为网络的瓶颈，成为电信发展的 焦点。现有的d s l 技术虽然充分利用了现有的网络和设备，但随着d s l 的推广和 普及，很快就发现由于d s l 自身传输速率和传输距离的限制，使得现有的接入网 不能满足业务需求。因此，寻找一种比较合适的技术或解决方案来提供更多的服 务区和更高的传输速率的宽带接入成为宽带通信最大的挑战。 本文所涉及的非正交多重调制技术( n o n o r t h o g o n a lm u l t i m o d u l a t i o n t e c h n o l o g y 。以下简称为n m t ) 是由梁德群教授首次提出的。该调制方法与传统 数字调制方法的根本不同之处在于：突破了传统载波调制中的正交性限制，因此， 极大地提高了信息传输率。它与目前被认为高效的载波调制方法q a m 、d m t 和 o f d m 相比，具有如下不可比拟的优点：高的信息传输率，窄的频率带宽、低的 能量需求、小的信号波动范围和灵活的调制方式等。 为了将n m t 推向实用，需要在计算机仿真的基础上做原理试验样机，以验证 其物理的可行性。n m t 试验样机分为数字试验样机和模拟试验样机，本人的主要 工作是为试验样机提供支持软件，包括：1 ，数字试验样机的操作界面的设计及实 现，其功能有：终端选择功能，选作发送方界面或接收方界面；对u a r t 口、 u s b 口的基本配置功能：m o d e m 控制台的状态监视、计数统计、复位功能； 数据传输、显示功能，包括文件的传输、显示和字符的传输、显示；2 ，模拟试 验样机中n m t 技术应用于a d s l 信道仿真程序的设计及实现。目前，n m t 数字 试验样机已经结束，它完成了对n m t 编码调制、解码解调的首次物理验证，而且， 本人所负责的操作界面也完成了它预定的功能；n m t 模拟试验样机中，本人所负 责的用c 语言实现n m t 应用于a d s l 信道的仿真程序也已经完成。 关键词：宽带接入：不对称数字用户线：离散多音：非正交多重调制技术 英文摘要 d e s i g no fs u p p o r t i n gs o f t w a r ef o rn m te x p e r i m e n t a lp r o t o t y p e a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fc o m m u n i c a t i o n ，t h er e q u i r e m e n to fb r o a d - b a n d o p e r a t i o n ，s u c ha sh i g h s p e e dd a t a ，h i g l lq u a l i t yi m a g e ，i ss t r i n g e n t t h ei n e a s eo f b a c k b o n en e t w o r kb a n d w i d t ha n dr e q u i r e m e n to fc o n s u m e rm a k e sa c c e s sn e t w o r k b e c o m et h eb o t t l e - n e c k , a n dn o wi tb e c o m e st h ef o c u so ft e l e c o mn e t w o r k t h ec u r r e n t d s l t e c h n o l o g yh a sm a d et h eb e s to fe x i s t i n gn e t w o r k sa n de q u i p m e n t s h o w e v e r , w i t h t h ep o p u l a r i z a t i o no fd s l ，w ef i n di th a sm a n yl i m i t a t i o n si nt r a n s m i s s i o ns p e e da n d t r a n s m i s s i o nd i s t a n c e ，s ot h ec u r r e n ta c c e s sn e t w o r kc a n ts a t i s f yt h er e q u i r e m e n to f o p e r a t i o n t os e e kap r o p e rt e c h n o l o g yo rs c h e m et h a tw i l lp r o v i d em o r es e m i t ea r e a s a n dh i g hs p e e df o rb r o a d b a n da c c e s sb e c o m e st h eb i g g e s tc h a l l e n g eo fb r o a d b a n d c o m m u n i c a t i o n s n m t ，w h i c hi sr e f e r r e di nt h et h e s i s ，i sp r o p o s e db yd r l i a n gd e q u n t h ee s s e n t i a l d i f f e r e n c eb e t w e e nn m ta n dt h ec o n v e n t i o n a lm o d u l a t i o ni st h a tt h en e wm e t h o d b r e a k st h r o u g ht h eo r t h o g o n a ll i m i ti nt h ed j 西t a lc o m m u n i c a t i o n ，s oi ti m p r o v e st h e t r a n s m i s s i o ns p e e d t h en e wm e t h o dh a sm a n ym e r i t sc o m p a r e dw i t hs u c ht e c h n o l o g i e s a s q a m ，d m ta n do f d m t h en e wm e t h o dh a sb e t t e rt i m i n gj i t t e r , l o w e r p a r ( p e a k t o - a v e r a g er a t i o ) ，l e s sp o w e r a n dh i g h e rt r a n s m i s s i o ns p e e d ，e t c f o rt h ep u r p o s eo fu s en m t p r a c t i c a l l y ，w es h o u l dv a l i d a t ei t sf e a s i b i l i t yf i r s t l y , s o i ti sn e c e s s a r yt od e v e l o pe x p e r i m e n t a lp r o t o t y p e n m te x p e r h n e n t a lp r o t o t y p ei n c l u d e t h ed i g i t a le x p e r i m e n t a lp r o t o t y p ea n dt h ea n a l o ge x p e r i m e n t a lp r o t o t y p e t h em a i n w o r ki s t oo f f e rs u p p o r t i n gs o f t w a r ef o re x p e r i m e n t a lp r o t o t y p e s ，i n c l u d m gt h e o p e r a t i n gi n t e r f a c ep r o g r a mf o rd i g i t a le x p e r i m e n t a lp r o t o t y p ea n ds i m u l a t i o np r o g r a m f o rt h ea n a l o ge x p e r i m e n t a lp r o t o t y p e n o w ，n m td i g i t a le x p e r i m e n t a lp r o t o t y p eh a s f i n i s h e d ，a n dt h eo p e r a t i n gi n t e r f a c eh a sr e a l i z e di t sf u n c t i o n t h es i m u l a t i o np r o g r a m f o rt h ea n a l o ge x p e r i m e n t a lp r o t o t y p eh a sf i n i s h e d ，i 1 1w h i c hn m ti su s e di na d s l c h a n n e l k e yw o r d s ：b r o a d - b a n da c c e s s ；a d s l ；d m t ；n m t 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果， 撰写成硕士学位论文：韭正窑墨重遢剜拉盔达殓搓扭的杰挂筮佳递让：除论 文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在 文中以明确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体己经 公开发表或未公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：年月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连海事大学研究生学位论文提交、 版权使用管理办法”，同意大连海事大学保留并向国家有关部门或机构送交学位 论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于：保密口 不保密口( 请在以上方框内打“”) 论文作者签名：导师签名： 日期：年月 相引吞 日 非正交多重调制技术试验样机的支持软件设计 第1 章绪论 1 1 接入网现状概述 按照g 9 0 2 的定义i l 】，接入网( a n ) 是由业务节点接口( s n i ) 和相关用户网 络接口( u n i ) 之间的一系列传送实体( 诸如线路设施和传输设施) 所组成的为传 送电信业务提供所需传送承载能力的实施系统。一个完整的通信网主要由传输网、 交换网和接入网三大部分组成。随着通信技术的不断发展，传输网和交换网的速 度感已经得到了很大的提高；而相比之下，接入网的传输速度却始终是一个瓶颈 2 1 。 宽带接入是目前网络应用发展的重点之一，也是推动其他技术发展的重要力 量。进入二十一世纪，全球宽带接入市场迎来了前所未有的发展契机，主要表现 在：全球宽带用户总量的迅速增长、多种宽带接入技术的快速市场化、宽带增值 业务类型增加且增值收入的稳步提高。宽带接入涉及的接入技术包括x d s l 、l a n 接入、光纤接入、c a b l em o d e m 接入和电力线上网接入。从全球范围来看，x d s l 依然领先于c a b l em o d e m ，是世界上应用最广泛的宽带接入技术。截至2 0 0 4 年3 月底，在全球宽带线路总数中，x d s l 占6 6 ，c a b l em o d e m 和其它宽带线路占 3 4 【3 】 目前国内绝大多数宽带接入用户的主要目的是高速互联网接入，选择x d s l 或l a n 即可满足绝大多数普通用户需求。当宽带用户不仅仅满足于互联网接入的 应用，还需要利用宽带接入实现其他各种宽带应用，包括各种视频服务( 广播电 视、h d t v 、v o d 等) ，视频会议、视频电话、交互网络游戏等，需求带宽上升 迫在眉睫。但现有d s l 技术潜力空间有限，d s l 的有效传输距离随着传输速率的 提高而缩短，使它们无法向5 0 以上的广大用户提供d s l 业务，远不能满足用户 接入需求。考虑目前发展速度及建设成本，接入网完全光纤化大约需要四、五十 年的时间。这就需要在通信网络基础结构上寻求新方案和在技术上摸索新突破， 选用更先进的编码方式，包括数据编码和线路编码，以期实现“d s l 处处通”1 4 1 。 第1 章绪论 1 ，2 论文背景及意义 本论文的研究内容来源于国家自然科学基金资助项目( 6 0 2 7 2 0 1 7 ) “移相重叠载 波调制技术相关理论和技术的研究”、辽宁省攻关项目“非正交多重调制技术的 调制解调器物理样机的研制”和大连市攻关项目“基于非正交多重调制技术的有 线宽带接入调制解调器的研制”。n m t 是一项关于调制方法的新发明，由梁德群 教授首次提出，它对数字通信技术的发展具有极大的推动作用【5 】。 对n m t 的开发研究具有重要的研究意义和使用价值。该调制方法的基信号是 非正交的，对接收到的信号则通过解非线性方程组的方法完成解调，突破了通信 信号正交分解的限制，丰富和发展了数字通信的调制理论和方法。理论分析及仿 真结果都表明了其性能的优越性，它与目前被认为高效的载波调制方法q a m 、 d m t 和o f d m 相比，具有如下不可比拟的优点i b 7 l ：高的信息传输率、窄的频率 带宽、低的能量需求、小的信号波动范围和灵活的调制方式等。从而使其可以在 有线、无线、移动、卫星等各种通信领域中作为底层信号调制技术得到广泛应用。 鉴于在有线宽带接入的应用开发所需要的支持条件容易获得，故我们首先进行 n m t 用于有线宽带接入的试验样机的研制。既可以验证n m t 的实际可行性，又 为进一步开发产品样机提供参考。 1 3 本文组织结构及本人工作 首先，对应用最广泛的a d s l 技术作较详细的介绍，分析其性能的优劣处。 其次，分析传统调制原理的局限性，从而引出n m t 这一新的调制理论，对其 进行较深入的探讨，并与目前被认为高效的载波调制方法o a m 、m c ( m u l t i p l e c a n - i c r ，多载波) 进行性能分析对比。 为了验证n m t 的实际可行性，又进一步开发试验样机。n m t 原理试验样机 分为数字试验样机和模拟试验样机，本人的主要工作是为两个试验样机提供支持 软件。在第四章中，详述n m t 数字试验样机的实现过程，包括：系统模型、系统 功能、系统结构，数据流程、模块划分、操作界面的设计与实现、遇到的问题及 解决方案，以及最终取得的结果。在第五章中，详述n m t 模拟试验样机的实现过 非正交多重调制技术试验样机的支持软件设计 程，包括：系统模型、系统功能、系统结构、模块划分、试验方案，并给出用c 语言实现的n m t 应用于a d s l 信道的仿真程序。 最后，在第六章对本人所做工作进行总结。 3 第2 章a d s l 技术概述 第2 章a d s l 技术概述 2 1 引言 新的世纪里，宽带接入已经成为热门话题。在通讯迅速发展的国家，包括我 国在内，主干网在很大程度上实现了数字化和光纤化，人们对于数字业务、语音、 图像等多媒体通信的需求日益增加。主干网带宽的增加和用户需求的增加使得接 入网成为通信网络的瓶颈，电信运营商在提升网络带宽和传输上绞尽脑汁，号称 。最后一公里”的社区接入技术网已经成为通信业发展的焦点i s 。 在各类接入技术中利用传统电话线路传输数字信号的x d s l 家族格外的引人 注目。按照是否支持对称传输来划分，x d s l 可分为掰类：一类是不对称传输的， 它包括m ) s l 、v d s l 、r a d s l 、g l i t e ；另一类是支持对称传输的，它包括h d s l 、 s d s l 、m d s l 、i d s l 以及g s h d s l 。它们凭借着技术优势各自在相关商业及专 业领域占据了相当重要的地位，在此重点介绍x j ) s l 家族中的明星, a d s e l 9 1 。 2 2 原理 a j ) s l 是一种不对称数字用户线实现的宽带接入互连网技术，作为一种传输层 的技术，它充分利用现有的铜线资源，在一对双绞线上产生三个信息的通道：一个 速率为1 m b p s 8 m b p s 的高速的下行通道，一个速率为6 4 0 k b p s 1 m b p s 的中速 上行通道，一个为标准电话业务通道，并且这三个通道可以同时工作。 电话铜线理论上有接近2 m h z 的带宽，a d s l 使用2 6 k h z 以后的高频带实现 了数据的高速传输。为了在电话线上分割有效带宽，产生多路信道，分离出4 k h z 的频带用于电话服务( p o t s ) ，a d s l 调制解调器一般采用两种技术实现，即分频 多路复用( f d m ) 技术或回波抵消技术【l o l 。如图2 1 示，f d m 方式将频带划分为上行 部分和下行部分，下行通道再被时分复用( t d m ) 为一个或多个高速信道和低速信 道：而上行通道也会被复用为相应的低速信道。回波抵消技术使上行通道和下行 通道在频带上的重叠部分相互抵消，通过本地的回波抵消技术可以有效地分开上、 下行信道，减小串音对信道的影响，从而实现信号的高速传送。 4 非正交多重调制技术试验样机的支持软件设计 图2 1f d m 技术和回波抵消技术原理图 f i g 2 1p r i n c i p l ed i a g r a mo ff d mt e c h n o l o g ya n de c h oc a n c e l l a t i o nt e c h n o l o g y 2 3a d s l 调制解调技术 a d s l 能产生很高的带宽，要归功于它先进的调制解调技术。在a d s l 调制 技术中，一般均使用高速数字信号处理技术和性能更佳的传输码型，用于实现传 输中的高速率和远距离。目前被广泛采用的a d s l 调制技术有3 种【1 1 1 ： q a m ( q u a d r a t u r ea m p l i t u d em o d u l a t i o n ，正交调幅调制) 、c a p ( c a r r i e r l e s s a m p l i t u d e - p h a s em o d u l a t i o n ，无载波幅度相位调制) ，d m t ( d i s c r e t em u r i t o n e t e c h n o l o g y ，离散多音频1 。c a p 和d m t 这两种调制技术都是以q a m 为基础， 但c a p 中数据是被调制到单一载波上，而d m t 中数据则被调制到多个载波之上。 ( 1 ) q a m q a m 调制器的原理是发送信号在比特，符号编码器内被分成两路( 速率各为原 来的1 ，分别与一对正交调制分量相乘，求和后输出。 与其他调制技术相比，q a m 编码具有能充分利用带宽、抗噪声能力等优点。 q a m 用于a d s l 的主要问题是如何适应不同电话线路之间性能较大的差异性。 要取得较为理想的工作特性，q a m 接收器需要一个和发送端具有相同频谱和相位 特性的输入信号用于解码，q a m 接收器利用自适应均衡器来补偿传输过程中信号 产生的失真，因此采用q a m 的a d s l 系统的复杂性主要来自于它的自适应均衡 器。 ( 2 ) c a p 第2 章a d s l 技术概述 c a p 是a t & t 提出的调制方式，是一种无载波的q a m ，数据信号在发送前 被压缩，然后沿电话线发送，在接收端重组。 其主要优点是载波频率可变，在一个频率周期或波特内传输2 到9 位二进制 数据，因此在相同的传输速率下，占用更小的带宽，传输距离更远。但由于c a p 信号传输占用全部信道带宽，所以频域和时域噪声都会对它造成影响。c a p 技术 用于a d s l 的主要问题是要克服近端串音对信号的干扰，一般可通过使用近端串 音抵消器或近端串音均衡器来解决这一问题。 ( 3 ) d m t ， d m t 采用多载波调制技术，是o f d m 技术的一种形式f 翔。目前，d m t 已成 为a n s i 制定的a d s l 的调制标准- - t 1 4 1 3 。 发送信号 图2 2d m t 调制解调流程图 f i 9 2 2f l o wc h a r to fd m t m o d u l a t i o na n dd e m o d u l a t i o n 参照图2 2d m t 的调制解调流程图，我们将更加清楚d m t 的工作过程。 d m t 调制器并行采集n 个数据信号，同时在n 个子信道上传输这些符号，每 个子信道上的数据速率仅为原有数据速率的1 n 。数据率的降低使d m t 符号周期 延长为n 倍，使符号存在时间长于信道时间间隔，更易消除符号之间的干扰。n 6 非正交多重调制技术试验样机的支持软件设计 个通道都是独立的，可以被单独编码，编码的优化也易于实现；其次，每个很窄 的子信道频带内的电缆特性可以近似认为是线性的，因此脉冲混叠可以减到最低 程度。 比特负载表定义各个子信道所应携带的位流的数目。它是在系统启动时通过 对各个子信道进行信噪比测量，然后根据测量值确定各个子信道所应传输的信息 位数。按a d s l 标准，各子信道所能携带的位数为0 1 5 位，高信噪比的子信道 可以携带较多的信息位，低信噪比的子信道所能携带的信息位较少或者不携带信 息位。该动态位流分配技术既提高了信息的传输速率，又有效地抑制了噪声的干 扰【拥。因为二进制相移键控和四相移键控码都是具有鲁棒性的调制形式，所以它 们可在低信噪比的子信道上传送。高信噪比子信道可传输高阶q a m 码，以增加数 据吞吐量。若子信道信噪比极低，则此子信道将根本不会用来传输数据。 接下来，对信道进行格状编码( t c m ) ，格状编码实际上是一种卷积码，它的作 用是在不增加信号的发送功率的情况下，扩大信号点之间的欧几里德距离，使得 在接收端有最大的信噪比，格状编码可以带来4 5 d b 的编码效益。 然后，在发射端利用反向快速傅里叶变换( i f f t ) 生成正交子信道，即形成 d m t 符号。发射端的数据符号可认为是频域信号，它代表f r 基本函数( 不同 频率下的正交正弦曲线) 的复合权重。i f l 盯把数据符号转换成时域下的正弦和信 号。i f f t 输出的信号即为d m t 符号，通过信道传输，接收端采用f f t ，把时域 信号变换成频域信号。2 n 点i h 吓用于生成d m t 符号，其中n 个负频率矾盯点 是n 个正频率点的共轭复数。这种对称频谱产生一个真正的时域信号。因为子信 道在d c 零频以外( 未用) 附近，所以此d m t 符号以d c 为中心，这样就可在 d m t 频谱中生成一条通路，以留出p o t s 频谱位置。可见d m t 是一种真正的基 带系统。 d m t 支持循环前缀( c p ) 插入，每个比特块都有循环前缀，长度为整个比特块 长度的1 6 ，例如，进行傅立叶反变换取5 1 2 个抽样点时，则最后3 2 个抽样值被 用来做循环前缀。循环前缀主要用于比特块之间，以减少码间串扰，信号在线路 中传输时，传输特性与线路的冲击响应成线性关系。如果冲击响应时间短于循环 7 第2 章a d s l 技术概述 前缀持续时间，则比特块能分开进行传输，因此接收端循环前缀和快速傅立叶变 换匹配得很好，并能确保载波的正交性。 均衡器包括时域均衡器( ，瑾q ) 和频域均衡器( f e q ) 两种。时域均衡器是一个线 性滤波器，主要用来减少码间串扰和信道间串扰，它把冲击响应时间长度减小到 循环前缀时间长度，这样上一个字符就不会和下一个相干扰，从而消除了码间串 扰。由于铜质双绞线会产生信号幅度和相位的畸变，而且这种畸变是连续的，所 以f e q 把接收到的点集进行旋转，以进行相位补偿，增大接收信号幅度来抵抗环 路衰减。 回波消除技术。前向纠错( f e c ) 被用于确保性能的优化。这项技术是基于r e e d - - s o l o m o n 译码的。r e e d - - s o l o m o n 代码字的长度n = k + r ，其中，检验字长r 和 代码字长n 由于被分配的字节数不同而改变。a d s l 调制解调器能够纠正任意只要 持续时间不超过5 0 0 m s 的错误。o r c k l t 在网上公布的试验结果表明，该长度的 误码率适合于m p e g 2 和其它数字视频压缩格式的传输l ”j 。 虽然d m t 技术中具有上述优势，但它也存有一些问题。由于d m t 发送信号 是一组具有随机相位的正弦信号累加而成的，因而有可能在某一位置这些正弦信 号同相相加，产生幅度非常大的尖峰信号。为了使这个尖峰信号通过数模转换器， 就需要增大数模转换器的动态范围，这样就增大了其量化误差；如果不增大动态 范围，那么只能降低信号的发送功率，那样系统的传送率就会下降：当数模转换 器不符合要求时，信号就会被数模转换器截断，产生的误差被平均分配到所有子 信道上，造成误码；因为d m t 技术采用i f f t f f t 作为调制和解调对，就不可避 免地造成计算量大、系统复杂的特点，h 可单元将占整个芯片的大部分，前向纠 错中采用的r s 码也增加了系统的硬件复杂度。 8 非正交多重调制技术试验样机的支持软件设计 第3 章n m t 技术概述 3 1 引言 调制在通信系统中具有重要的作用。通过调制，不仅可以进行频谱搬移，把 调制信号的频谱搬移到所希望的位置上，从而将调制信号转换成适合于信道传输 或便于信道多路复用的己调信号，而且它对系统的传输有效性和传输可靠性有着 很大的影响。调制方式往往决定了一个通信系统的性能【1 4 】。 传统调制方法的理论基础之一是傅立叶分析，基于小波分析的调制方法正在 研究。不论是傅立叶分析还是小波分析都要求组成信号的基信号必须是正交的， 并以此为基础形成了相干或滤波的解调方法。 本文涉及的n m t 是对传统调制理论和方法的新突破，该调制方法的基信号是 非正交的，对接收到的信号则通过解非线性方程组的方法完成解调。 3 2 传统调制原理的局限性 大部分的调制系统，通常是将待发送的信号和某种载波信号有机结合，使载 波的某一、二个参量成某种规律地受控于调制信号的变换规律，产生宣传送的己 调信号。信号调制解调的模型( 以单项传输为例) ： 码元波形携带二连铡信息 图3 1 信号调制解调模型 f i g 3 1s i g n a lm o d u l a t i o na n dd e m o d u l a t i o nm o d e l 9 第3 章b b l t 技术概述 传输率公式r b = r s + n b = i t + l 0 9 2 m ，其中r b 是比特传输率，r s 是码元( 或 称符号) 传输率，n b 是比特数，t 是码元周期，m 是码元波形的种类( 或称为级别) 。 显然，为了提高传输率，m 越大越好，如何使m 尽量大，这是波形设计( 或称线路 编码) 要追求的主要目标之一。 影响m 的波形因素有以下几种f 1 5 ) ： 幅度：幅度的级别数就是m ，称为调幅方法，如p a m 、m a s k ； 相位：相位的种类就是m ，称为调相方法，如p s k 、m p s k ： 频率：频率的种类就是m ，称为调频方法，如f s k 、m f s k 位置：脉冲在一个码元中的位置种类就是m ，只在最近的研究热点u w b ( 超 宽带无线技术1 中使用； 波形的结构：传统调制中限定的波形种类是方波，正弦波和小波，而且各 个波之间必须是正交的。 组合是增大m 的有效手段。单独利用某一种因素，要提高信息率只有走高阶 调制之路，由于要求很高的信噪比，难于推广。如果采用组合手段，使一个码元 由多种波形组合而成，并且各自独立携带信息，则可以更有效地增大m ，提高传 输率。 传统调制中各个波之间必须是正交的，正交性限制组合手段的发挥。由于正 交的波形只有相位相差9 0 度的同频率波形或者是同相位频率相差整数倍的波形， 所以正交性使得可组合波形受限，进而限定了组合手段的充分发挥。 本文所涉及的n m t 突破了正交性的限制，更能发挥组合手段的效果。具体体 现在以下几方面： 各个子波的相位差不受9 0 度限$ i h 各个子波的频率差不受整数倍限制； 波形的结构受到的限制大大减小，不再局限于方波、正弦波或正交小波； 可以将结构、幅度、相位、频率、位置等因素在一个码元中同时组合使用， 可以更有效地增大m ，从而提高传输率。 1 0 非正交多重调制技术试验样机的支持软件设计 3 3n m t 调制解调原理 n m t 每个码元的波形由一系列非正交、同频不同相、分段的正弦函数( 子波) 合成。显然，波形数( 级别数) 可以大大增加，即携带信息量增加，而不必降低 波特率和牺牲带宽，从而显著的提高了信息速率。 n m t 已调发送信号描述为 f q ) 。弘g o 砌) ( 3 1 ) 其中，日为叠加的子波数，吼为随机幅值，f 为子波问的时间间隔，g ( f k r ) 为子波，其表达式如式( 3 2 ) 所示。 g ( f 一七f ) s i n m ( t 一七f ) k o 一七f ) ( 3 2 ) - s ：扎t5 t 瓦 n 叭t + z 。t o + 妒 ( 3 3 ) ( 3 3 ) 式中，于为码元周期；瓦为正弦波周期；孕；，l o ，m ) ；：e r + ， 表示正弦予波的周期数；z 瓦tf 。表示正弦子波的持续时间；第k 个子波的有效 期表示为式( 3 4 ) 瓦一k f + 七_ r ，n 于+ h + z 瓦j ( 3 4 ) 调制时可兼顾传输率、误码率、信噪比灵活地确定f ，：t o ，h ，z ，_ r ， 以及每个子波分配的比特数【1 每切。 由调制原理可知，此处n m t 各子波调制的是幅度参量。为了便于说明，现将 n m t 与传统m a s k 的调制过程示于图3 2 。图中n m t 采用单周期的正弦信号做 子波，且各子波与m a s k 的各码元调制相同的幅值。 第3 章n m t 技术概述 t 2 d - 2 2 舞0 e - 2 2 0 2 i ；j i 三7 h3 = 2i f a 占 了，： 欺，lll ，l 一、， 、铩4 h l o 懿瞥2 1 0 2 d3 0 加5 0印7 0 8 0 9 01 0 01 1 01 2 0 ! 至。g 趔一上i 良u ，r 慧令尊南扛 壤巧岁手万：一ry 。 屿+ 蒯。，j ii t 蝴复卞r r 1 0 2 03 d4 0卯6 07 08 d1 0 91 1 01 2 0 j j j 一三i | h t 厶i ；妞澎 八八；! f “f 胍“ ”；i ； ； 一 一 - o - - - i 1 02 03 04 05 06 07 08 09 01 0 01 1 q1 2 0 采样点 图3 2 调制同样比特数及幅值的m a s k 与n m t 波形 f i g 3 2m a s k a n dn m tw a v e sw i t hs a m em o d u l a t i o nb i ta n da m p l i t u d e 图3 2 中1 ) 绘出m a s k 的调制，图3 2 中2 ) 为n m t 调制的各个子波示意图， 真正的发送信号j 0 ) 还需要将各个子波进行累加，示于图3 2 中3 ) 图中。由图3 2 可见，n m t 的调制实质是m a s k 的一种形变。m a s k 中四个调制码元是依次排 列的，码元之间相互正交，而n m t 则是将这些调制码元以时延f 重叠排列，每个 码之间都是非正交的关系，所以n m t 为非正交调制方式。并且，从图中可以清楚 地看到，同样是调制1 6 b i t 信息，n m t 花费的时间比m a s k 少很多，由于节约了 传输时间，因此使得传输率大大提高。正是这种可重叠的非正交方式，使得在可 容许的采样率与误码率下，n m t 通过改变子波数和每个子波调制的比特数可以得 到相当高的传输率。 非正交多重调制技术试验样机的支持软件设计 由于这种调制方式的特殊性，因此n m t 的解调不同于常用的解调方式。现以 m a s k 的相干解调方式为参考，解释n m t 的解调原理。图3 3 为m a s k 的相关 接收框图。 f i t ) r ( 0 ，。一 2 i 专也亟 _ 一嗍判决卜一 s i n w c t 图3 3m a s k 相关接收图 f i g 3 3c o r r e l a t i v er e c e i v e rd i a g r a mo fm a s k 图中的厂p ) 为m a s k 已调信号，表达式如式2 5 m 。陟加叫s i n ( 硼 ( 3 5 ) 其中i 一0 ：h 一1 为码元数，t o 为码元周期，对于m a s k 而言也为正弦载波周 期，a ，为调制的幅值，g ( t 一峨) 表示方波信号，s i nc o t 为正弦载波，r o ) 为相关解 调后的信号，r o ) 经过门限判决后得到解调幅值。当不考虑噪声的影响时， a l a i ，m a s k 的解调信号r ( f ) 归一化后表示为 一- - 丢of o f ( t ) s i n ( 甜皿一丢军i 口，g ( f 一瓦) s i n ( “) s i n ( “矽 。专；p ”豳2 ( a g ) d t 叫 ( 3 回 n m t 的解调虽然也为相关解调，但是不同的是它需要建立一个方程组，通过 解此线性方程组得到发送信息。上例的解调过程表述如下： 由( 3 1 ) 式得己调信号为 ，( f ) 一4 ls i n ( 耐) k o ) + + a s i n ( t o ( t 一( 日一1 ，r ) ) k o 一( h 一1 ) r )( 3 7 ) 第3 章m 技术概述 与m a s k 相似，n m t 的解调也属于相关解调，只不过n m t 的相关载波不是 单一的s i n r o t ，而是一组具有不同时延的载波，每个载波时延分别对应于码元中的 各子波时延，即9 ) 一s i n ( 6 0 ( t o 一1 功) ( f i ：h ) ，在图例3 2 中，子波数h 一4 将这一解调过程用图3 4 加以描述。图3 4 中s e n d s ( t ) 表示接收信号，为移相重叠 波的累加和( 没有考虑噪声以及信道等其他因素的影响) ， s l ( t ) _ s i n 0 舅) o t g 毛：s 2 8 ) is i n ( 甜8 一r ) ) ，f j t s 毛+ f ； 至j j = r o ) 一s i n ( o 一( j h - 1 弦) ) ，( 日一1 弦s ts 瓦+ ( 一1 弦， 分别表示解调第1 ，2 ，h 子波幅值所需的载波。并以粗线画出了每个载波的 相关区间，可见，各相关区间都是与移相重叠波的各子波相对应的。 2 0 2 2 0 2 2 鬈o 2 2 0 - o ，? 一。二k 一1 嗍笔攀尔您孵 、_ _ 二芎 4 ，n m t 的能量就比 q a m 小。而随着比特数的增加，对能量的需求呈现指数增加趋势，因此两者的差 别越来越大。 “) n m t 具有更高的频带利用率 设频带利用率为单位时间单位频率携带的比特数，九百鲁f 。以，式中以 为x ( x = n i d t 或q a m ) 调制中一个码元携带的比特数。传统的调制方式中，如果m 为调制级数，则每个码元携带比特数为b = l 0 9 2 m ；在n m t 中，如果用m 为调 制级数，用h 表示一个码元中的子波数，则每个码元携带的比特数为 b = h l 0 9 2 m ( 5 ) n m t 具有较低的码元幅度动态范围( 峰值均值比，p a r ) 1 7 第3 章n m t 技术概述 峰值均值比是通信工程中决定信号有效传输功率，信噪比和信号线性度质量 的重要参数之一，p a r 可m a x ( x ? ) 。会 。假设n m t 和d m t 有相同的波特率1 t ， 相同的子波数h ，则n m t 钓带宽为2 t ，d m t 的带宽为h 厂r 。带宽归一化后，得 到口! 坚陋旦。 。p a r d m t 2 3 4 2 缺陷 任何一个新的基础性的发明都会引发新的问题，n m t 也不例外。在n m t 的 研究过程中出现的问题及解决办法如下所示叽 ( 1 ) n m t 要求高的采样率 a d c 和d a c 采样率影响着n m t 的性能，提高了计算的复杂度。但在集成电 路飞速发展的今天，这个已经不成问题。 ( 2 ) 方程的病态性 n m t 解调方法是通过解线性方程组的方法，因此方程组的解调矩阵的性能决 定了误码率的性能。这一性能主要体现在解调矩阵的范数上，试验发现，范数越 大，方程组的病态性越强，同时，波形可以承受的噪声也越小。因此，为了使得 仿真达到误码率1 e 7 等级，必须尽量使解调矩阵的范数小。通过大量试验，发现 子波形状决定了解调矩阵的性能，是解决病态问题的根本方法，现在我们已经积 累了一定的经验。 ( 3 ) 波形的失真 在n m t 试验中，由于信道的带通特性，使得n m t 波形产生严重的拖尾，造 成了严重的子波间的串扰，大大降低了信噪比。这个问题让我们付出了很大的代 价，为了解决这个问题，尝试了多种方法，最终发现了两种比较有效的方法： 逆滤波 为了满足最小失真原则，在均衡处采用了逆滤波的方法，以保证接收端波形 与发送端波形保持一致。但它在一定程度上放大了高频的噪声，但由于被放大的 噪声主要是高频部分，而信号的高频部分能量却很低，因此均衡成窄的带通，尽 量保持信号的高能量部分，即主瓣。最终效果如图3 6 所示： 非正交多重调制技术试验样机的支持软件设计 限 ，、 一r 凄； 一 i ； ；，i u 一一 图3 6 逆滤波方法处理n m t 波形失真 f i g 3 6d i s t o r t i o no fn m t w a v ed e a l tw i t hc o n v c l s ef i l t e r i n gm e t h o d 波形预处理 比较传统的方法是对信号做加窗处理，这里我们称之为“乘性预处理”，经 过试验，发现它虽然降低了频谱的旁瓣，但是同时也扩大了主瓣，并使得方程的 病态性增加，所以不适合n m t 。 针对n m t 波形特点，又想出了新的波形预处理方法，我们称之为“加性波形 预处理”将事先选择、构造、调整而设定的附加波叠加到发送端的初始信号g o ) 上，构建一个与初始信号占( ，) 波形不同的整形波毋o ) ，再将整形波自( f ) 从发送端 发送出去；