（信号与信息处理专业论文）高速传真通信系统中的调制解调器研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 目前我国传真通信业务保持着较高的增长速度，然而国内科研机构在传真技术方面 的研究却进展缓慢，企业使用的相关技术主要以国外引进为主，尤其是调制解调器芯片 几乎被国外公司垄断。 调制解调技术是传真通信中的关键技术，发展我国的传真通信产业，实现传真通信 技术的国产化，首先要实现对调制解调技术的突破。基于此考虑，本文的工作重点就在 于对高速传真技术中调制解调器技术的研究。本文的研究任务是为基于p c 机和声卡的 高速传真通信系统开发相应的软件调制解调器。这主要包括五个方面的内容： ( 1 ) 研究删t 相关的调制解调器标准协议，独立设计出v 1 7 调制解调器系统框架。 ( 2 ) 研究调制解调器各个模块的相关理论知识，如q a m 调制解调、码元同步、载 波恢复、自动增益控制、网格编码调制、维特比( v i t e r b i ) 译码算法、自适应均衡等算法。 ( 3 ) 深入研究g a r d n e r 码元同步算法，找出该算法应用于q a m 信号时的不足之处， 分析原因并针对q a m 调制找出一种改进的算法，实验验证该算法的有效性。 ( 4 ) 在比较现有的几种载波恢复算法的基础上，设计出一种本地载波独立的载波恢 复算法，并给出了理论推导。实验结果很好地验证了该算法的有效性。 ( 5 ) 针对网格编码调制及v i t e r b i 译码算法的特点，重点研究了两种不同结构的均衡 器；研究了复数l m s 算法，设计出基于预判决的t c m 自适应均衡器；给出一种基于 欧氏距离和信号能量分布联合判决的算法，能够在载波恢复不理想时提高预判决的可靠 性。仿真结果表明该均衡器达到了预期的性能。 ( 6 ) 基于p c 平台使用c + + 语言开发实现v 1 7 调制解调器软件并测试其可靠性。结 合多线程编程技术，探讨了基于声卡实现调制解调器软件的方案。 ( 7 ) 分别对系统各个模块进行模块级测试，并设计开发了基于多线程技术的本地闭 环测试系统，以实现对v 1 7 调制解调软件进行系统级仿真实验测试。 实验结果表明，本文实现的调制解调器软件具有较好的误码率性能，应用于高速传 真通信系统中，最高可支持1 4 4 0 0 b s 的传输速率，达到了预期的设计目标。 关键词：高速传真；v 1 7 调制解调器；网格编码调制；维特比算法 高速传真通信系统中的调制解调器研究 r e s e a r c ho nm o d e mi nh i g hs p e e df a c s i m i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m a b s t r a c t n o w a d a y sf a c s i m i l eo p e r a t i o nk e e p sh i g hs p e e do fg r o w t hi no u rc o u n t r y ，b u tr e s e a r c h o nf a xt e c h n o l o g yh a r d l yg e t sa n y p r o g r e s s m o d e mt e c h n o l o g yi sm o n o p o l i z e db yf o r e i g n e r s t od e v e l o po u rf a xi n d u s t r ya n da c h i e v et h ei n d i g e n i z a t i o no ff a xt e c h n o l o g y ，t h ef i r s t t h i n gw en e e dt od oi sa c h i e v es o m eb r e a k t h r o u g hf o rm o d e mt e c h n o l o g y ，w h i c hi st h ek e y t e c h n o l o g yi nf a c s i m i l e c o n s i d e ra b o v eo ft h e s ea c t u a l i t i e s t h i sp a p e r sr e s e a r c ht a s ki st o d e v e l o pm o d e ms o f t w a r eb a s e do np c s u m m a r i l yt h i sp a p e rc o m p l e t e st h ew o r ka sf o l l o w s ： ( 1 ) r e l a t i v ei t u tm o d e mr e c o m m e n d a t i o n sa r er e s e a r c h e d ，a n dv 1 7m o d e ms y m t e m i sd e s i g n e di n d e p e n d e n t l y ( 2 ) k e ym o d u l e si nm o d e ma l ef u r t h e rr e s e a r c h e d ，s u c ha sq a m ，s y n c h r o n i z a t i o n t e c h n o l o g y ，a g c ，t r e l l i sc o d e dm o d u l a t i o n ，v i t e r b ia l g o r i t h m ，a d a p t i v ee q u i l a z e re r e ( 3 ) g a r d n e ra l g o r i t h mf o rs y m b o ls y n c h r o n i z a t i o ni si n v e s t i 【g a t e da n dt h ed i s a d v a n t a g e i sf o u n do u tw h i l ea l g o r i t h mu s e df o rq a m s i g n a l s ak i n do fm o d i f i e da l g o r i t h mi sa d o p t e d b a s e do nt h ea n a l y s i s t h es i m u l a t i o ni n d i c a t e st h ev a l i d i t yo f t h i si m p r o v e m e n t ( 4 ) s o m ee x i s tc a r r i e rr e c o v e r ya l g o r i t h ma r ec o m p a r e d , f r o mw h i c ha l la p p r o p r i a t e a l g o r i t h mi ss e l e c t e do u ta n di m p l e m e n t e d ，a n dt h et h e o r e t i cd e m o n s t r a t a t i o ni sp r e s e n t e d m e a n w h i l e n 艳e x p e r i m e n tr e s u l tp r o v e st h ev a l i d i t yo f t h ea l g o r i t h m ( 5 ) c o n s i d e r i n gt h ep r o p e r t i e so f t c m a n dv i t e r b ia l g o r i t h m ，t w ok i n d so f e q u a l i z e r 跚 i n v e s t a t e d c o m p l e xl m sa l g o r i t h mi sr e s e a r c h e da n dt h et c ma d a t i v ee q u a l i z e rw i t h p r e - d e c i s i o ni sd e s i g n e d an e wm e t h o dw i t he u c l i d i a nd i s t a n c ea s s o c i a t e dw i t he n e r g y d i s t r i b u t i o nc h a r a c t e r i s t i cf o rd e c i s i o ni sp r e s e n t e d s i m u l a t i o nr e s u l ti n d i c a t e st h i sm e t h o d h a sb e t t e rp e r f o r m a n c et h a nt r a d i t i o n a lm e t h o dw h e nc a r r i e rr e c o v e r ye r r o re x i s t s ( 6 ) t h ev 1 7m o d e ms o f t w a r ei sr e a l i z e dw i t hc + + p r o g r a m m i n gl a n g u a g eb a s e do np c p l a t f o r ma n dt h er e l i a b i l i t yi st e s t e dm e a n w h i l e n 圮r e a l i z a t i o ns c h e m eo fm o d e ms o r w a r e b a s e do ns o u n dc a r du s i n gm u l t i - t h r e a dt e c h n o l o g yi sd i s c u s s e d ( 7 ) t e s t sf o rk e ym o d u l e sa r ec o m p l e t e d , a n da l o c a lc l o s e d l o o pt e s ts y s t e mi sd e s i g n e d f o r t h es i m u l a t i o no f v 1 7m o d e ms y s t e m r e s u l t so fs i m u l a t i o ne x p e r i m e n td e m o n s t r a t et h a tt h em o d e ms o f t w a r ec a l la c h i e v e s a t i s f i e dp e r f o r m a n c e w h i c hm a k e st h ef a c s i m i l es y s t e ms u p p o r t1 4 4 0 0 b sd a t ar a t e 耶1 e a n t i c i p a t e dt a r g e ti sa c c o m p l i s h e d k e yw o r d s ：h i g hs p e e df a c s i m i l e ；v 1 7m o d e m ；t c m ；v i t e r b ia l g o r i t h m 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特i i ：i i 以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名： 2 i 玺丞日期：塾亚 ： 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学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“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工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。本人授权大连理工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。 作者签名 导师签名 亟丝星 严 4 年二月 日 大连理工大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 传真通信发展史 传真通信是利用扫描和光电变换技术，将文字、图表、照片等静止图像由发送端经 有线或者无线信道送往接收端，并在接收端重现静止图像的通信方式。这种通讯方式具 有实时性强、使用简单可靠等优点，更是具有“真迹传送”的特色，因此常用来传送公 文、手写文件和图章。除少数场合外，传真件在法律上具有与原件同等的作用。虽然传 真通信技术已经问世多年，但是传真通信业务仍然保持着巨大的应用规模，目前全世界 使用的传真机超过5 0 0 0 万部。 传真技术于1 8 4 3 年由英国物理学家亚历山大贝恩发明，1 9 2 5 年美国贝尔实验室 制造出以电子工程为基础的一台实用的传真机，才使传真技术进入实用阶段。近年来， 由于半导体器件、大规模集成电路等技术的发展，传真通信逐渐盛行起来，激起办公自 动化( 0 a ) 的浪潮。概括起来，传真通信从产生到发展共经历以下三个发展阶段i l 】： ( 1 ) 基础阶段( 1 8 4 3 年1 9 7 2 年) 传真机的电路部分主要采用模拟的分立元件，在传输方面则是采用调幅调频等低效 率的调制技术，基本上利用专用的有线电路进行低速传输。 ( 2 ) 发展普及阶段( 1 9 7 2 年1 9 8 0 年) 这一时期的传真技术从模拟发展到数字，由低速传输向高速传输发展。相位调制、 正交幅度调制等新的高效调制解调技术的应用带动了传输速率的逐步提高。 ( 3 ) 多功能化阶段( 1 9 8 0 年以后) 这一阶段的传真机不仅作为通信设备获得广泛应用，还在办公自动化等方面扮演了 重要角色。由于网格编码调制技术的发明使得传真速率向着更高速率的方向发展，现在， 传真技术和微型计算机技术的结合，已使传真机向着综合处理的终端过渡。 1 2 调制解调技术的发展现状 传真的发明比电话还要早3 0 多年，虽然从7 0 年代开始传真技术取得了较大的突破， 但发展速度与电话相比较为缓慢。其中，调制解调技术的发展相对滞后，是传真得不到 普及和发展的主要原因之一。 传真三类机是以数字信号处理为基础的通信设备，但是，目前世界上包括我国在内 的大多数国家，尚未建成全国性的正规的全数字通信信道。包括传真业务在内的大部分 数字业务仍需借助现有的模拟通信信道，如公用交换电话网( p s t n ) 。为了使数字信号能 够在模拟信道上有效传输，人们发明并使用了调制与解调的技术。以目前用作数据传输 高速传真通信系统中的调制解调器研究 的模拟电话信道为例，由于电话线路的标准通频带是3 0 0 3 4 0 0 h z ，是一个“带通信道”， 而基带信号中通常含有比较丰富的频率成分，无法直接传输，因此将低通的基带信号转 换为带通信号，实现在模拟电话线路上的传输，这一转换过程就是调制，接收时的相反 过程就是解调，实现调制与解调功能的设备就是调制辫调器( m o d e m ) 。 从1 9 6 0 年代起，随着国际电话与电报咨询委员会( 简称c c i t t ，即现在国际电信 联盟i t u 的前身) 发布了一系列调制解调器建议，调制解调技术得到较大的发展。1 9 6 0 年代实现2 4 0 0 b p s 的相移键控，1 9 7 0 年代9 6 0 0 b p s 的正交幅度调制技术逐步成熟起来， 1 9 8 0 年代解决9 6 0 0 b p s 的二线双工传输，1 9 9 0 年代初达到1 4 4 0 0 b p s 的传输速率，中期 又提高到2 2 8 0 0 b p s 乃至3 3 6 0 0 b p s 。但是由于现有的公用数据交换网络的电话信道其上 行传输的香农极限速率大概在3 3 6 0 0 b p s 左右，而目前传真的应用主要是在p s t n 中， 因此传真通信中的调制解调技术在经历一段时间的相对高速发展之后就基本无力再对 数据比特的传输速率进行大幅度提高，只能通过采用高效的压缩技术，才使得信息传输 速率得到进一步提高。 1 3v 1 7 建议的提出 调制解调技术的研究始于1 9 1 9 年，但真正利用该技术在模拟电话信道上实现数据 传输则是在1 9 5 0 年代中期。c c i t t 在1 9 6 0 年代初正式发表调制解调器的第一个算法标 准v 2 1 。随后，由于技术的不断发展，又相继推出一系列新的标准：v 2 3 、v 2 6 、v 2 7 、 v 2 9 、v 3 2 、v 3 2b i a s 和v 1 7 等标准。每一个标准的发布，都意味着调制解调技术又 达到一个新的高度。 1 9 6 4 年，c c i t t 发布的v 2 1 建议和v 2 3 建议，在公用交换电话网上传输速率可 分别达到3 0 0b 举和6 0 0 1 2 0 0b a u d s ，调制方案均采用f s k ，未使用均衡技术。当时的 硬件设计采用模拟分离元件为主，只有少量用于数据信号接口的电路采用逻辑元件。 1 9 7 2 年制定了v 2 6b i a s 建议，用于公用交换电话网中的标准化2 4 0 0 1 2 0 0b p s 调制解调 器，采用更先进的正交幅度调制技术和自适应均衡器，带来传输速率的较大提升。1 9 7 6 年公布的v 2 7 建议，在租用电话型线路上使用4 8 0 0b p s 标准化调制解调器。1 9 8 4 年又 修订出v 2 7 t e r 建议，用于公用交换电话网中的4 8 0 0 2 4 0 0b p s 调制解调器标准，使用八 相差分调制技术。1 9 8 8 年又发布v 2 9 建议，用于点对点四线租用电话型电路上的调制 解调器标准，由于采用调相和调幅相结合( 8 相4 幅) 的调制方式使得传输速率最高可 达9 6 0 0 b p s 。 大连理工大学硕士学位论文 v 1 7 建议是由c c i t t 第十七研究组于1 9 9 1 年2 月发布的调制解调器算法标准【2 】。 该建议定义了p s t n 上二线传真应用的调制方法和操作规程。使用了更先进的网格编码 调制技术，相比于v 2 9 建议传输速率又进一步提升到1 4 4 0 0b p s 。 符合v 1 7 建议的调制解调器支持1 4 4 0 0b p s 、1 2 0 0 0b p s 、9 6 0 0b p s 和7 2 0 0b p s 四种 速率的同步传输，工作在半双工方式，采用8 状态网格编码调制( t c m ) ，并使用2 4 0 0 b a u d o 0 1 的调制速率在同步线路中传输正交调幅( q a m ) 信号，信道载频为1 8 0 0h z l h z 。建议中主要模块包括数据扰码器、8 状态t c m 网格编码器和调制解调器的训练。 1 4 课题的选题背景和现实意义 自从8 0 年代初把传真三类机引入我国之后，传真机的使用日趋普及，我国的传真 通信业务得到迅速发展，对国民经济信息的传递和效率的提高都起到不可估量的作用。 虽然我国传真通信业务保持着较高的增长速度，可是国内研究机构在传真技术方面 的研究却进展缓慢。8 0 年代以引进传真机整机生产线为主，9 0 年代以引进整机为主， 很少真正依靠自己的力量进行整体研发。据调查发现，目前我国市场上的传真机基本都 是由外国公司研制生产，极少数由国内公司生产的传真机也是使用外国公司的调制解调 芯片。这是因为虽然n u 公布调制解调器建议，但是只是对调制的框架做出规定，没有 规定具体的算法，更没有规定解调的算法。国外调制解调器制造公司对解调算法进行保 密，所以导致目前调制解调芯片被外国公司垄断的局面。另一方面，由于我国科技界对 传真技术尤其是新技术的跟踪研究力度不够，导致我国尚未形成自己的产业。 调制解调技术是传真通信中的关键技术，我国在这一环节与国外相比尚存在较大的 差距。发展我国的传真通信产业，实现传真通信技术的国产化，首先要实现对调制解调 技术的研究和突破。基于此考虑，本文的工作重点就在于对高速传真技术中调制解调器 技术的研究。 1 5 本文所做的工作和结构安排 本文的研究任务是为基于p c 机和声卡的高速传真系统开发相应的软件调制解调 器。这主要包括七个方面的内容： ( 1 ) 学习研究i t u _ t 相关的调制解调器标准协议，独立设计出符合v 1 7 标准的调制 解调器系统框架。 ( 2 ) 重点研究调制解调器中各关键模块的相关理论，如q a m 调制、码元同步、载波 恢复、自动增益控制、网格编码调制、维特比( v i t e r b i ) 译码、自适应均衡等算法。 0 1 深入研究g a r d n e r 码元同步算法，分析该算法应用于q a m 调制码元同步时性能 不理想的原因，并找出一种改进的算法，实验验证了该算法的有效性。 高速传真通信系统中的调制解调器研究 ( 4 ) 在介绍并比较几种载波恢复算法的基础上，为v 1 7 m o d e m 软件设计出本地载波 独立的载波恢复环路，并给出理论推导。仿真实验结果很好地印证了该算法的 有效性。 ( 5 ) 针对网格编码调制及v i t e r b i 译码算法的特点，研究比较了两种不同结构的均衡 器的特点。研究复数l m s 算法，设计出基于预判决的复系数t c m 自适应均衡 器。给出一种基于欧氏距离和信号能量分布联合判决的新方法，相比于仅使用 欧氏距离进行判决的传统方法，仿真实验表明该方法可在载波恢复误差较大时 提高预判决的可靠性。 ( 6 ) 基于p c 平台使用c + + 语言开发实现了v 1 7 调制解调器软件，通过实验测试误 码率性能，并对实验结果做出相应分析。利用多线程编程技术，探讨基于声卡 实现调制解调器软件的方案。 ( 7 ) 将软件v 1 7 调制解调器嵌入软件传真系统中，并在不同的信噪比情况下测试传 真系统的可靠性。 本文共分为六章。本章为绪论，概述传真通信和调制解调技术的发展历史，介绍本 文的选题背景、现实意义以及本文所做的主要工作。第二章详细讨论v 1 7 调制器的系 统架构、工作原理，并对本文按照v 1 7 标准设计出的调制系统的主要模块作详细的介 绍，并重点研究了网格编码调制的相关理论。第三章详细讨论本文设计的v 1 7 解调器 系统，重点讨论了接收机中关键模块的算法，例如载波恢复、码元同步、自动增益控制、 网格码的均衡及v i t e r b i 译码等，对现有的技术进行比较，选择合适的算法用以本文系 统的实现，并给出相应模块的实验数据及分析。第四章主要介绍本文实现的基于p c 机 的软件v 1 7m o d e m ，并探讨基于声卡的v 1 7m o d e m 实现流程及方案，在不同信噪比 下测试所实现的软件m o d e m 误码性能以及在高速传真系统中的工作性能，并对实验结 果做出相应的分析。最后是对全文的概括和总结，同时也展望了下一步的研究方向。 - 4 r 大连理工大学硕士学位论文 2 1v 1 7 调制器 第二章v 1 7 调制系统 v 1 7 调制解调器是p s t n 上二线传真应用的1 4 4 0 0 b p s 同步调制解调器。根据信道 特性可降为1 2 0 0 0 b p s 、9 6 0 0 b p s 和7 2 0 0 b p s 三种速率。半双工工作方式，采用8 状态网 格编码( t c m ) 。图2 1 所示为v 1 7 调制解调器调制端原理框图，发送的信息序列经扰码 后经串并转换成为2 4 0 0 波特率的信号码元序列，即如果信息传输速率为1 4 4 0 0 b p s 时， 每6 比特为一组送入t c m 卷积码编码器，编码后映射为1 2 8 q a m 信号空间中的信号矢 量，经过1 8 0 0 h z 载波调制，用升余弦滚降滤波器脉冲整形后，合成一路信号送入d a 转换器，变为模拟信号后用电话线路发送。 图2 1v 1 7 建议调制端系统框图 f i g 2 1 v 1 7m o d u l a t o rs y s t e md i a g r a m 2 。1 1 正交幅度调制 二进制幅度键控( a s k ) 的频带利用率是l b p s h z 。为了提高频带利用率，人们发明了 正交幅度调制( q a 岣技术，它结合多进制技术，利用正交载波对两路信号分别进行双边 带抑制载波传输a s k 信号。q a m 调制方式可以看作幅度和相位的联合调制3 1 。 q a m 信号可用数学表达式表示为【3 1 1 4 1 s ( f ) = x ( t ) c o s ( 2 # f d + 纯) + y ( t ) s i n ( 2 ，嘎f + ) ( 2 1 ) 其中两通道的基带信号x ( f ) 和y ( f ) 分别为 x ( o - - x k g ( t - k t , ) ( 2 2 ) 一5 一 高速传真通信系统中的调制解调器研究 ) ，( f ) = y , g ( t - k t ) ( 2 3 ) t “ 式( 2 2 ) 和式( 2 3 ) o ex k 和几分别为星座图上信号点的横纵坐标，c 为码元周期，g ( f ) 为成 形脉冲。 q a m 调制系统主要包括串并转换器、差分编码器、滚降滤波器、乘法器、振荡器、 移相器和加法器组成。对照图2 1 的系统框图可知，v 1 7 调制系统的输出信号即为q a m 信号。 2 1 2t c m 编码器 v 1 7 调制解调器建议中使用的t c m 编码器原理框图【2 】【5 j 如图2 2 所示。调制速率为 1 4 4 0 0b p s 时，要发送的经扰码的数据流被分为六个连续比特为一组的比特组：每个比 特组中，首先出现的前两个比特q l 。、q 2 。，按照表2 1 所示差分编码成y 1 。和y 2 ，这 两个差分编码的比特r 1 。和y 2 。，作为有规则的卷积码编码器的输入，该卷积编码器产 生一个冗余比特y q ，然后根据图2 3 中1 4 4 0 0 b p s 网格编码调制的星座图，将该冗余比 特和6 个带有信息的比特】，1 。、j r 2 。、q 3 。、q 4 、q 5 。、q 6 。一起映射为要发送的信号 码元坐标。 l 一jl 一一 差分编码器卷积编码器 图2 21 4 4 0 0 b p s 和1 2 0 0 0 b p s 速率的网格编码器框图 f i g 2 2 1 4 4 0 0 b p sa n d1 2 0 0 0 b p st c md i a g r a m 大连理工大学硕士学位论文 表2 1 与网格编码一起使用的差分编码 t a b 2 1d i f f e r e n t i a lc o d i n gw i t ht c m 口1 0o0o0o00llll l ll 输入 口2 ioooo111lo0oo 1 ll 以前 r k o ol lool i o0llo0ll 输出 r 2 hololol01ol0l0l0l r 1 0oll0o1lll0oll0o 输出 y 2 -0loll0l00llol0ol 降速为1 2 0 0 0b p s 传输时，要发送的经扰码的数据流被分为五个连续比特为一组的 比特组，采用图2 2 所示的网格编码方案，但是输入要去掉q 6 。那一行。1 2 0 0 0 b p s 网格 编码调制的编号空阋图和变换关系如图2 4 所示。当传输速率分别为9 6 0 0 b p s 或7 2 0 0 b p s 时，其编码方法与1 4 4 0 0b p s 时类似。在9 6 0 0b p s 速率下，将扰码器的输出码流分为四 比特组，相应的t c m 编码器的输入去掉q 6 。和q 5 。；在7 2 0 0 b p s 速率下，将扰码器的 输出码流分为三比特一组，相应的t c m 编码器的输入去掉q 6 。、q 5 。和q 4 。三个比特。 当速率为9 6 0 0b p s 时，网格编码调制信号空间图和变换关系如图2 5 所示，当速率为7 2 0 0 b p s 时，网格编码调制信号空间图和变换关系如图2 6 所示。图2 3 至图2 6 所示的星座 图中的a 、b 、c 、d 为同步信号码元，用于构成v 1 7 调制解调器的训练序列，这将在 以后章节中介绍。 d 1 1 0计i l o a g d h l 耐i ”d b i 棚i i i j l d i i1 日o k 口1 0 l m f i 血西i i f i “i i hr m 6 i h ， l o i a o f h l i o ma a f , # i i o f 咖l “m 如缸川，h l “耐1 1 h i “商ii a 如i i d i i i 埘l l l d k mo i d h a g o l o k l oo l lo i 幽m 啪o 哪f l o li 6 l ( e l | m ro i d i i l f l “m i 如“m d i “删h 怠耐例哪如i m j h l i mo l l 6 ll o 0 1 1呻o m oo l o t a g ui h t i i oj a g l m 咿i i i i i i _删ii口i i m i 口i i it i i i i“q p 帅 耐f f o i oo l 计i m i 如i ii o i l b l 0 l i f t b 。舳f m 。d h i 眦l “。看i i _ io i 幽l h - 瞄m t _ 舳 d d i ho l d oo l m o i 耐l i o i 如缸l m 蛔 h o k a j f i i lo i 商m l 1 | 1 1 1m i m i d o l h ” k ”川l m 0 1 k j o b l o i l i mi o i h m 庙l a 抽l “i d l “薏k 国，m m l h i “”i io 耐o d a g o i 幽l d i i ii ：b 由，i 山i j d 0 1 0 图2 31 4 4 0 0 b p s 网格编码调制的1 2 8 点星座图 f i g 2 3 1 2 s - p o i n tc o n s t e l l a t i o nf o r1 4 4 0 0 b p st c m 高速传真通信系统中的调制解调器研究 o i l ) j 0 00 f 0 0 0 1i i i a 4 0 i l i0 i l l 1 0 0 i1 14 ) 1 l o0 1 0 1 i i i i o e o iij k o oi i 1 10 0 0 0 1 0i qi dl l m lji 呻” 4 0 1 i l 1 0 0 i0 0 i i i i i i 0 1 u i1 1 l l 2 m i 口l i i 0 1 0 i m i o i1 0 1 0 0 qi o l o l im 1 0 1 0 i o i dz6r 0 0 0 1 0 0 a lw l l i o i o ) i i i1 0 1 i 0 0l o l m 0 1i 1 1 0口l j i l o t i i i i o il i i ”o o l o l i1 0 l n l 0l i o li ot 0 0 g 1 10 1 1 0 4 0 1 0 1 1 1 0 1 1 i 0 0 1 c 4i o i w 0 啪1 0l t i i i io “ j 1 0 c o i m q o i j 1 0 0 口wj l c i l口j j 0删i q 0 i o j mi ) 1 0 o 图2 4z 2 0 0 0 b p s 网格编码调制6 4 点星座图 f i g 2 4 6 4 p ( ) i n tc o n s t e l l a f i o n 衙1 2 0 ( ) 0 b p st c m “i6 l i 商” 6 i “ ，缸。南 k i - o l毛 面。 。知 0 s 0 1 1 0 0 l lr 呻 l l o 赢 0 i 茹m 撕 4 。 旆ib n 0 呻。 耐1 1”6 ” 图2 59 6 0 0 b p s 网格编码调制的3 ：2 点星座图 f i g 2 53 2 - p o i n tc o n s t e l l 撕o n9 6 0 0 b p st c m 一8 一 大连理工大学硕士学位论文 图2 67 2 0 0 b p s 网格编码调制1 6 点星座图 f i g 2 61 6 - p o i n tc o n s t e l l a t i o nf o r7 2 0 0 b p st c m v 1 7 调制系统使用卷积码作为信道编码器，依靠卷积码提供的冗余比特实现纠错功 能，以减小星座点变密而对系统误码性能造成的影响。卷积码是由e l i s 于1 9 5 5 年提出 的一种编码方法 6 1 ，其实现方法是将要发送的信息序列通过一个线性的、有限状态的移 位寄存器产生码元。表2 2 所示为v 1 7 建议中使用的8 状态卷积码编码器的状态转移表， 图2 7 所示为v 1 7 建议中使用的8 状态卷积码的网格图。 表2 2v 1 7 中8 状态卷积码编码器状态转移表 t a b 2 2v 1 78 s t a t e sc o n v o l u t i o nc o d e rs t a t et r a n s m i s s i o n 输出 输入 0 0 0 11 01 1 s o s l s 2 s 3 s 4 s 5 s 6 0 0 饼s o 0 0 0 s 2 0 0 1 i s 4 0 0 l ，s 7 0 0 0 ，s l 0 0 0 ，s 3 0 0 1 $ 5 0 io ，s i 0 1 0 i s 3 0 l l ，s 7 0 i i ，s 4 0 1 0 i s 0 o l o ，s 2 0 1 l s 6 i 0 倒s 3 1 0 0 s 1 l o l $ 6 1 0 i ，s 5 1 0 0 s 2 1 0 0 ，s o 1 0 1 $ 7 1 1 0 s 2 l l o s 0 1 1 1 1 s 5 i l l ，s 6 l l o ，s 3 l l o ，s 1 1 1 1 $ 4 s 70 0 1 $ 6 0 1l $ 51 0 1 s 411l $ 7 9 一 高速传真通信系统中的调制解调器研究 图2 78 状态卷积码网格图 f i g 2 7 s - s t a t ec o n v o l u t i o nc o d i n gt r e l l i s 2 1 3 扰码器 为了使接收端能在准确的时刻上判定信号的取值，接收端需要从接收到数据信息序 列中提取同步时钟。若发送的传真数据序列中长时间的没有电平变化或者没有相位转 移，会使接收端定时误差提取模块无法产生稳定的定时信号，从而造成定时中断或错误。 因此对数据信号进行调制之前，首先要将数据信号进行“随机化”处理，使之成为伪随 机序列，这种“随机化”处理常称为扰码，也称为扰频；而在接收端将所收到的数据序 列进行解扰。实现扰乱和解扰的设备分别称之为扰码器和解扰器。 扰码器的工作原理是利用线性或非线性反馈移位寄存器产生的伪随机序列与输入 的二进制码字逐位相加，输入数据即可被扰乱。在i t u tv 1 7 建议中，v 1 7 调制解调 器使用的线性反馈移存器的生成多项式为l + x 8 + x 一，扰码器的结构如图2 8 所示，输 入比特和输出比特满足下式1 2 】： 9 0 = d k o d 0 x - 1 。o d 0 x 埘 ( 2 4 ) 图2 9 ( a ) 所示为输入扰码器的一段二进制脉冲信号。从中可以看到，先是一段连续 的“0 ”，后面跟一段连续的“l ”，再跟一段连续的“0 ”，这样的信号在接收端很容 易造成同步信息丢失。图2 9 ( b ) 所示为这段信号经图2 8 所示的扰码器扰码后的输出波 形，从中可以看到，连续的“0 ”或“1 ”已经被扰乱，“0 ”或“1 ”已经变成近似的均 匀分布。 品墨岛s 瓯s & 岛 大连理工大学硕士学位论文 d i 巩 图2 8v 1 7 扰码器结构 f i g 2 8 v 1 7s c r a m l e rs t r u c t u r e 图2 9 ( a ) 输入扰码器的信号 f i g 2 9 ( a ) s i g n a li n p u ts r c a m b l e r 雾0 飞 图2 9 ( b ) 扰码后的信号波形 f i g 2 9 ( b ) s c r a m b l e ds i g n a lw a v ef o r m 2 1 4 平方根升余弦滚降滤波器 为了让信号在带限的电话信道中传输，需要在发送端把信号经过脉冲成形滤波器进 行限带，这样就会引入码间干扰。要降低传输误码率，就需要最大限度地减小码间干扰。 根据奈奎斯特第一准则【7 】【8 l ，如果能够保证传输波形在特定时刻的抽样值保持不变，就 可以准确无误地恢复原始信号 实际通信系统中，发送端的成形滤波器和接收端的匹配滤波器都采用平方根升余弦 滚降滤波器，其频率响应为1 9 j ： h r o r ) = 以( 厂) =肝2l圃l 2 。j j 百osisl l - - o 害s 小等 g 5 伽等 其中t 为码元周期，口为滚降系数，口的定义为口= 五：o 。滚降特性信道的带宽为 五+ 石= ( 1 + 口) 石，滚降系数口越大，频谱在截止频率处越光滑，频带利用率也越低 高速传真通信系统中的调制解调器研究 滚降滤波器的频谱特性如图2 1 0 所示。本文实现的v 1 7 调制解调器中使用的是3 3 阶平 方根升余弦滚降滤波器，其冲激响应如图2 1 1 所示，其中滚降系数a 取o 1 2 5 ”。 图2 1 0 不同滚降系数时的频率响应 f i g 2 1 0f r e q u e n c yr e s p o n s ew i t hd i f f e r e n tr o l l - o f f f a c t o r 图2 1 13 3 阶平方根升余弦滚降滤波器冲激响应 f i g2 1 1i m p u l s er e s p o n s eo f 3 3 o r d e rs q u a r er o o tr a i s e dc o s i n er o l l - o f f f i l t e r 按照图2 1 所示的系统框图，本文实现的v 1 7 调制器在速率为1 4 4 0 0 b p s 时，调制 输出的一段单音信号波形如图2 1 2 所示。 图2 1 2 调制发送出的波形 f i g 2 1 2 w a v ef o r ms e n tb yv 1 7m o d u l a t o r 毯罂u十咀 大连理工大学硕士学位论文 2 2 网格编码调制相关理论 2 2 1 网格编码调制技术概述 在近代通信系统中，调制解调器和纠错码编译码器是两个主要的组成部分。它们也 是提高通信系统信息传输速率、降低误码率的关键设备。在传统的数字传输系统中，调 制解调器和纠错码编译码器各自独立进行设计。纠错编码需要增加冗余位，相应地就要 降低有用信息的传输速率。在功率受限信道中，功率利用率可以用频带利用率来换取。 在频带受限信道中，则可通过增大调制信号集来为纠错编码提供所需要的冗余度，避免 信息传输速率因为纠错编码而降低。而信号集的扩大会造成定能量损失，如果调制和 编码仍按照传统的相互独立的方法进行设计，在使用大约束长度的卷积码或者大分组长 度的分组码等高效的纠错编码时，就需要相当大的编码增益来补偿这种损失但是。如 果对调制和编码进行联合设计，信号集扩大造成的能量损失就比较容易弥补了，使用一 个相对简单的码就可以获得较大的编码增益。 早在1 9 7 4 年，m a s s a y 就曾指出，可以通过将编码和调制合二为一的途径来提高通 信系统的性能。他的这种思想来源于他对传统编码与调制技术多年来的研究经验。1 9 7 6 年u n g e r b o e e k 初步提出一种将卷积码和调制结合起来的新方案网格编码调制 ( t r e l l i sc o d e dm o d u l a t i o n , t c v o ，并在1 9 8 2 年作进一步的详细描述，并且证明了这种调 制方式在不增加带宽和相同信息速率的前提下，可以获得3 6 d b 的编码增益l ”j 。由于 调制信号和卷积码都可以看成是网格码，所以这种方法就称为网格编码调制。v 1 7 高速 调制解调器标准使用二维的网格编码调制【2 】，而在n u t 后来发布的v 3 4 标准中，则 使用更加复杂的4 维网格编码调制啪1 1 2 ”。 网格编码调制是将调制器与编码器作为个整体进行综合设计，使编码器和调制器 级联后产生的编码信号序列具有最大的自由欧氏距离。从信号空间的角度看。这种最佳 编码调制的设计实际上是一种对信号空间的最佳分割。网格编码调制的关键是“集分割 映射”原理，它将调制信号集分割为多个子集，使得子集内的信号空间具有更大的空间 距离。这类信号有两个基本特征： ( 1 ) 星座图中所用的信号点数大于未编码时所需要的点数，这些附加的信号点为纠 错编码提供所需的冗余度： ( 2 ) 采用卷积码在相继的信号点中引入某种关联性，因而