（信号与信息处理专业论文）nmt在5类线信道上的计算机仿真和物理线路实验.pdf

中文摘要 摘要 随着网络越来越普及，多种通信方式被相继提出。但是作为数字通信的基础 环节的调制方式却发展缓慢。有线宽带a d s l 、v d s l 采用的d m t 和3 g 、4 g 采 用的o f d m 是基于早年提出的多载波原理。其它更早期的调制方式如p a m 、 m a s k 、q a m 、f s k 和p s k 等仍在使用。梁德群教授提出了非正交多重调制技术 ( n m t ) ，是一种多载波调制方式，它突破了正交性限制。理论证明，n m t 可以 突破奈奎斯特速率，具有比现有各种调制方法都高的频带利用率。为了推进n m t 的实用化，需要对n m t 做各种环境情况下的仿真实验。 近年来，人们对宽带接入要求越来越高。光纤到小区( 或楼宇) 再加上政府、 企事业单位等已建好的局域网构建光纤接入网是目前一种很好的网络解决方案。 光纤到小区( 或楼宇) 能够给用户提供上千兆带宽，如何提高常见的局域网5 类 线的传输性能来改善用户接入速度具有深远意义和商业价值。针对现有5 类线传 输距离和传输速率等性能的一些不足和缺陷，n m t 技术可能突破这个难题。 本文在以往理论研究和计算机仿真的基础上对n m t 在5 类线信道上进行计算 机仿真和物理线路实验，以期证明其技术工程可行性。 本文从1 0 0 米、5 0 0 米和8 0 0 米的5 类线信道实验出发，探讨仿真实验中的一 些n m t 技术问题并提出解决方案，如波形预处理和相位扰码等。并在同等条件下 与传统的d m t 调制技术仿真性能做比较，证明n m t 的优越性。利用m a t l a b 的s i m u l i n k 工具箱进行模块化仿真，为进一步研究基于n m t 的通信系统的其他性 能提供较好的仿真平台。最后，采用l y r t e c h 公司的s i g n a l w a v e 开发板构建的 n m t 样机，在1 0 0 米5 类线局域网信道上进行物理线路的实验。通过和同等条件 下的计算机仿真比较，证明n m t 工程可行性。这些工作，为以后n m t 的工程实 用化，提供理论和实践依据。 关键词：非正交多重调制；5 类线；n m t 样机 英文摘要 t h esi m u l a t i o no fn m ta n dn m t p r o t o t y p et e s t o n c a t e g o r y5c a b l e a b s t r a c t w i t ht h e i n c r e a s i n gp o p u l a r i t yo ft h en e t w o r k ，av a r i e t yo fc o m m u n i c a t i o n m e t h o d sh a v eb e e np r o p o s e d h o w e v e r , t h em o d u l a t i o nt e c h n i q u eh a sn o ta c t u a l l y c h a n g e ds i g n i f i c a n t l y d m tu s e di na c c e s sn e t w o r kl i k ea d s l ，v d s l ，a n do f d m u s e di n3 g ，4 ga r eb a s e do nt h ep r i n c i p l eo fm u l t i - c a r r i e ri n v e n t e di nt h ee a r l yy e a r s o t h e rt r a d i t i o n a lm o d u l a t i o n ss u c ha sp a m ，m a s kq a m ，f s ka n dp s ka r es t i l l b e i n gu s e d p r o f e s s o rl i a n gd e q u n i n v e n t e d n o n - o r t h o g o n a l m u l t i m o d u l a t i o n t e c h n i q u ef n m t ) ，w h i c hi sam u l t i - c a r t i e rm o d u l a t i o n ；i tb r e a k st h r o u g ht h eo n h o g o n a l l i m i m t i o n t h e o r ys h o w st h a tn m tc a nb ef a s t e rt h a nn y q u i s tr a t e c o m p a r e dw i t ht h e e x i s t i n gm o d u l m i o nm e t h o d s ，i tb r i n g sh i g h e s ts p e c t r u mu t i l i z a t i o n i no r d e rt op r o m o t e t h ep r a c t i c a lu s eo fn m t ，i tn e e d st od os o r t so fs i m u l a t i o nu n d e rd i f f e r e n t e n v i r o n m e n t a lc o n d i t i o n s i nr e c e n ty e a r s ，p e o p l ea r el o o k i n gf o rh i g hs p e e do fb r o a d b a n da c c e s s f i b e rt ot h e b u i l d i n g ，w i t ht h el a n sw h i c h w e r ea l r e a d yc o n s t r u c t e di ng o v e r n m e n ta n de n t e r p r i s e s i sag r e a tn e t w o r ks o l u t i o n f i b e rt ot h eb u i l d i n gc o u l dp r o v i d e1g h zb a n d w i d t ha n d e v e nm o r e s oh o wt oi m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo fc a t e g o r y5c a b l e st oi m p r o v et h e p e r f o r m a n c eo fa c c e s s i so ff a r - r e a c h i n gs i g n i f i c a n c ea n dc o m m e r c i a lv a l u e t h e p e r f o r m a n c eo ft h ee x i s t i n gc a t e g o r y5c a b l e sh a san u m b e ro fs h o r t c o m i n g sa n df l a w s ， n m t t e c h n o l o g ym a yb et h ek e y t ot h ep r o b l e m s b a s e do nt h ep a s tt h e o r e t i c a lr e s e a r c h e sa n dc o m p u t e rs i m u l a t i o n so fn m t ，t h i s t h e s i sf o c u s e so nt h ec o m p u t e rs i m u l a t i o na n dp r o t o t y p et e s to nc a t e g o r y5c a b l e st o p r o v et h ef e a s i b i l i t yo fn m t t h et h e s i sd i s c u s s e st h en m t s i m u l a t i o no nd i f f e r e n t d i s t a n c e sc a b l e s ，l i k e10 0 m ，5 0 0 ma n d8 0 0 mc a t e g o r y5c a b l e sa n dt h es o l u t i o n so ft h e i n c o m i n gp r o b l e m s ，f o re x a m p l e ，p r e t r e a t m e n ta n dp h a s es c r a m b l e r w i t ht h es a n l e p a r a m e t e r sa n dc o n d i t i o n s ，t h et h e s i sc o m p a r e sn m t w i t ht h et r a d i t i o n a lm o d u l a t i o n - d m tt op r o v et h es u p e r i o r i t yo fn m t a n dw i t ht h et o o l k i t s i m u l i n ko fm a t l a b ， 英文摘要 w i t ht h es a m ep a r a m e t e r sa n dc o n d i t i o n s ，t h et h e s i sc o m p a r e sn m tw i t ht h e t r a d i t i o n a lm o d u l a t i o n d m tt op r o v et h es u p e r i o r i t yo fn m t a n dw i t ht h et o o l k i t - s i m u l i n ko fm a t l a b ，t h et h e s i sd o e st h em o d u l a rs i m u l a t i o nf o rf u r t h e rs t u d ya n d p r o v i d e sap e r f o r m a n c es i m u l a t i o np l a t f o r mo fn m t f i n a l l y ，w i t ht h ep r o t o t y p eb u i l t o nt h ed e v e l o p m e n tb o a r d - s i g n a l w a v eo fl y r t e c hc o m p a n y ，t h et h e s i sd o e st h et e s t o nt h er e a l10 0m e t e r sc a t e g o r y5c a b l ea n dc o m p a r e sw i t ht h ec o m p u t e rs i m u l a t i o n u n d e rt h es a m ec o n d i t i o n st op r o v et h en m te n g i n e e r i n gf e a s i b i l i t y t h e s ew o r k s p r o v i d et h e o r e t i c a la n dp r a c t i c a lb a s i sf o rt h ef u t u r eo ft h ep r a c t i c a le n g i n e e r i n go f n m t k e yw o r d s ：n m t ( 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 nt e c h n o l o g y ) ；c a t e g o r y5 c a b l e ；n m tp r o t o t y p e 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= = 丛丛! 垄堇耋绫值遒土的让篡扭笾真塑塑堡绫堕塞验：。 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 已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：衲毛野碣僻弓月_ 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 不保密函( 请在以上方框内打“”) 论文作者签名：晰导师签名： 日期：矽吖年月 n m t 在5 类线信道上的计算机仿真利物理线路实验 第1 章绪论 随着i n t e m e t 的迅猛发展，人们对网络的带宽及速率提出了更高的要求。目前 骨干网络已经为承载各种宽带业务作好了准备，但是通信网与用户之间的接入网 发展相对滞后，成为信息传输网络发展的瓶颈。网络的宽带化和数字化是接入网 的前提和基础，同时也是网络技术中的一大热点和高利润增长点。 为了适应新的形势和需要，出现了多种宽带接入网技术，根据传输媒介不同 可分为光纤接入、铜双绞线接入和无线接入等。其中无线宽带技术刚刚兴起。光 纤到户是实现用户接入网数字化和宽带化的重要发展方向，但由于成本过高等问 题迟迟没有推向市场。近年来提出的光纤n d , 区( 或楼宇) 和政府、企事业单位、 小区等局域网构建光纤接入网是兼顾现状和未来发展的一种很好的网络解决方 案。现有的光纤技术能提供上千兆带宽，性能稳定可靠、带宽及功能的拓展性极 强。利用光纤n d , 区( 或楼宇) ，再将网线( 五类线) 布放到用户家中，用户只 需在电脑中安装网卡，就可以享受宽带上网。 现有局域网布线最常见的是5 类双绞线，6 类和7 类双绞线还在研制当中。丌 始人们对“双绞线以太网”的原始兴趣是为了能够用现有的电话布线来安装网络， 从而节省下安装新的布线系统而需要的费用，可是，不久就发现每英尺扭绞标准 次数的电缆规范对于电话通信是完全适用的，但对于局域网频率却十分勉耐2 。而 采用p a m 调制的5 类线局域网，传输极限为1 0 0 米，传输速率不超过1 0 0 m b p s 。 为了继续开拓这一巨大的业务市场，应在局域网的网络基础结构上寻求新方案和 技术上摸索新突破，比如选取性能更优的线缆或选用更先进的编码方式，包括数 据编码和线路编码。前者涉及到工程布线问题，需要较大改动。而作为数字通信 中影响传输率的关键性基础环节的调制方法的革新往往不会要求通信系统作较大 的改动，这是通信运营商和用户最易接受的革新。 然而这些年提出的多种新的通信方式如有线宽带接入的x d s l ，无线宽带接入 的蓝牙、w i f i 、w i m a x 、3 g 和4 g 等，并没有促进调制技术的发展。在a d s l 和 v d s l 中采用的d m t 和上述无线通信方式中采用的o f d m 都是早在1 9 7 1 年的多 第1 章绪论 载波( m c ) 调制原理的工程实现。其它更早期的调制方法如p a m 、m a s k 、f s k 、 p s k 和q a m 仍在使用3 1 。至今未见到有突破性的调制方法被提出，网络技术的发 展期待着新的调制技术。 1 1 论文背景 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j 下交多重调制技 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 ( n m t ) 的有线宽带接入调制解调器的研制”。 非正交多重调制技术( n m t ) 是一项带有原创性的新的调制技术。基于非正 交多重调制技术( n m t ) 的原创性，为了走向实用需要进行分阶段的研究工作： 理论研究、计算机仿真和样机研制。梁德群教授及博士生曹祁生等对理论已做了 深入的研究，从理论上肯定了由于n m t 突破了j 下交性限制，相比于现有的调制技 术显出多方面的优势【3 】- 【8 1 。上几届硕士生对n m t 在非对称数字用户环路 ( a d s l ：a s y m m e t r i c a ld i g i t a ls u b s c r i b e rl o o p ) 、甚高速数字用户环路 ( v d s l ：v e r y - h i g h - b i t - r a t ed i g i t a ls u b s c r i b e rl o o p ) 等有线信道及卫星通信等无线 信道的应用作了全面的仿真研究，证明了n m t 的可行性和先进性【9 】- 【1 1 1 。 1 2 本人工作 本论文探讨n m t 在5 类线信道上的应用及n m t 的优越性。本论文另一个重 要工作是采用l y r t e c h 公司的s i g n a l w a v e 开发板构建的n m t 样机进行物理线路 的试验，证明了n m t 的可行性，在工程上有非常深远的意义。 本人具体工作如下： 1 针对5 类线信道，利用m a t l a b 仿真工具，实现n m t 应用于不同长度 信道( 1 0 0 米、5 0 0 米及8 0 0 米) 的数字通信系统仿真，包括编码、预处理、调制、 信道、滤波、均衡、解调、解码等模块。对仿真过程中遇到的技术问题分析原理 并提出解决方案，如波形预处理和相位扰码技术等。 2 在同等条件下，与传统的调制方式d m t 进行性能比较，以期证明n m t n m t 在5 类线信道上的计算机仿真和物理线路实验 的优越性。 3 利用m a t l a b 的s i m u l i n k 工具箱，将仿真模块化，为进一步研究基于 n m t 的通信系统的其他性能提供较好的仿真平台。 4 采用l y r t e c h 公司的s i g n a l w a v e 丌发板构建的n m t 样机，在1 0 0 米5 类线局域网信道上进行物理线路的实验。并和计算机仿真比较，以期验证n m t 的 可行性，为n m t 的工程实用化提供实践依据。 第2 章双绞线信道建模 第2 章双绞线信道建模 电话线已有1 0 0 多年的历史，起源于早先用于传送电报( 电话的前身) 的信 息线路。随着电话的普及，人们丌始需要更多的电话线，电缆( 在一个防护套内 包含许多电话线) 就应运而生。这样一来，面临的最大问题首先就是导线问的串 音。一直到1 8 8 1 年，贝尔发明了金属双绞线，它把通话所用的2 根电话线每隔 定的距离进行互相绞合。根据电磁场的理论，这时每根线上的电磁辐射会被另外 一根线吸收，因此可以大大减小线问串扰。此外，为减小传输线上的电阻，通话 采用铜线作为传输介质，这就是铜双绞线( 简称双绞线) b 2 1 。 一直到现在，铜双绞线主要有两方面的应用：一类是在电话线信道上实现话 音和数据传输，后者称为宽带a d s l 、v d s l 宽带接入等，另一类是局域网信道的 应用，至今最常见的是5 类双绞线，6 类和7 类双绞线还在研制当中。铜双绞线 因类别不同，会表现出不同的传输性能，但它们的传输模型具有共同点，所以本 章讨论一般双绞线的建模，为n m t 在5 类双绞线上的工程仿真提供便利而准确的 信道环境。 2 1 双绞线规格及线路特性 双绞线的规格大都使用美国线规( a w g ) 的标称来表示；规格是由构成双绞 线的铜导线直径来表示的，规格号越小对应的直径越大。表2 1 列出了常用线规双 绞线的电阻参数【1 2 1 。 表2 1 双绞线规格 t a b 2 1t w i s t e dp a i rw i r eg a u g e 线规( a w g )直径( m m )电阻值( q k m ) 2 2o 6 4 35 4 3 2 30 5 7 44 8 5 2 4o 5 l l8 9 4 2 60 4 0 41 4 3 n m t 在5 类线信道上的计算机仿真和物理线路实验 例如a d s l 和v d s l 信道的电话线用2 4 和2 6 线规。双绞线也可由类别来定 义，其中4 、5 类线多采用2 4 线规双绞线，6 类线采用2 3 线规双绞线等。这些类 别指定了线对的电气公差。类号越高所对应的双绞线中每根导线的损耗及串音特 性等性能就越耐12 1 。 表2 2 列出电缆类型所支持的大致的比特速率及每种类型的目标应用【1 2 】- 【1 引。 超5 类已经走向市场，6 类和7 类双绞线还在研制当中。5 类线仍是现有网络中最 广泛最常见局域网布线。5 类线的传输极限是1 0 0 米，提供1 0 0 m b p s 速率【l6 1 ，光 纤到小区( 或楼宇) 能达到上千兆速率。利用政府、小区和企事业单位已建构好 的局域网，结合“光纤到楼 技术是目前一种很好的宽带接入解决方案。如果能 在不改变网络结构及楼宇布线的基础上提高5 类线的传输性能来改善光纤接入网 的性能，必定具有深远的工程意义和商业价值。本文选择在5 类双绞线上进行工 程仿真和建模。 表2 2 双绞线类别及特性 t a b 2 2t h ec a t e g o r ya n dc h a r a c t e ro ft w i s t e dp a i rw i r e 类别传输频率应用 l 朱指定语音传输( 1 类标准主要用下8 0 年代初之前的电话线缆) 2l m h z 语音传输和最高传输速率4 m b p s 的数据传输 31 6 m h z 语音和最高传输速率1 0 m b p s 的数据传输( - 1 7 - 要朋t1 0 b a s e - t ) 42 0 m h z 语音和最高传输速率1 6 m b p s 数据传输( 令牌局域网和1 0 1 0 0b a s et ) 5 1 0 0 m h z 语音传输和最高传输速率为1 0 0 m b p s 数据传输( 1 0 1 0 0b a s et ) 超5 类 1 5 5 m h z 千兆位以太网( 1 0 0 0 m b p s ) 62 5 0 m h z 1 g b p s 的应用 7 3 0 0 m h z 较少 2 2 双绞线用户环路分析 对双绞线信道建模的数学模型有两种，一种是r l c g 模型，另一种是a b c d 模型。利用这两个模型和传输线的有关理论，可以对任何双绞线信道建立数学模 第2 章双绞线信道建模 型，求出其信道的传递函数f 1 2 1 【l7 1 z s l 。本节主要就2 4 线规双绞线作出分析，作为5 类线信道建模的理论基础。 2 2 1r l c g 模型 对传输线路来说，我们所关心的基本参数是电阻( r ) 、电感( l ) 、电容( c ) 、 导纳( g ) ，这些也被称为r l c g 参数。 所谓r l c g 模型，就是利用双绞线的r l c g 参数，来表征双绞线的信道特性。 这种模型又称为双绞线信道的一次模型，这是因为它仅仅提供了双绞线信道的 r l c g 参数，而没有提供双绞线信道的传递函数。但是双绞线信道的传递函数可以 根据r l c g 参数计算出来。 在话音频带( 3 0 h z 3 4 0 0 h z ) ，r l c g 参数接近于2 4 线规所指定的参数。当 频率高于音频时，电阻、电感及导纳随着频率的变化而变化。这三种参数随规格 的不同而不同。但频率和规格对电容却几乎没什么影响。根据这种情况在讨论线 路参数时，可以做出两种假设模型。 1 解析r l c g 模型 这种模型忽略导纳的影响，假设电感和电容是常数并不随频率而变化，而电 阻则与频率的平方根成j 下比。这种模型可以用于分析近端和远端串音，建立一个 简单而精确的串音模型。解析r l c g 模型用公式表示为： 其中，r ，厶，c o 代表常数。 2 数值r l c g 模型 数值r l c g 模型是根据实际测量的结果拟合出来的，通常用于实际双绞线特 性的数值计算中。利用它可以计算双绞线上的传输函数、插入衰减和特性阻抗等。 2 4 线规双绞线的数值r l c g 模型，是通过实测电缆的曲线拟合得到的。由于 测量范围有限，数值r l c g 模型的有效频率范围为从直流到1 0 m h z 。 ，、l ， k g o = = = = r l c g n m t 在5 类线信道上的计算机仿真和物理线路实验 彤，= 搿 ( 2 2 ) 其中不同线规双绞线所用常数值不同。 1 、当频率的增长超过1 0 0 k h z 时，数值电阻模型和解析模型相近性取决于 厂“2 。这主要是由于铜导线在高频时的趋肤效应。 2 、当频率超过1 0 0 k h z 时，2 4 线规双绞线的电感变化幅度大约在2 0 左右。 虽然将解析模型中电感假设为常数肯定是不j 下确的，但为了使建模过程简单化， 这种折中还是可以接受的。 3 、在解析r l c g 模型中假设导纳为零，在数值模型中是不正确的，但在频率 高于1 0 0 k h z 时则是合理的。 2 2 2a b c d 模型 a b c d 模型用一个二端口网络来表征双绞线信道特性。它把双绞线信道看成 一个黑箱，用它的输入输出关系来描述其特征。这种信道模型又称为双绞线信道 的二次模型，这是因为a b c d 参数通常要根据r l c g 参数来求得。一个二端口网 络通常被定义为具有一个唯一的输入端口和一个唯一的输出端口，在两个端口之 间具有一定的传输功能。这些参数将输入电压和电流与输出电压和电流在数值上 相关联。图2 1 所示的是一个常见的二端口网络。在这张图中，输出电压和电流， 即吃和j 2 依据公式( 2 3 ) 中的a b c d 参数与输入电压和电流( 巧和，。) 相关联1 2 1 。 第2 章双绞线信道建模 ji 2 声 a b - 气 一 cd 图2 1 一个常她二端口网络 f i g 2 1at y p i c a lt w op o r t sn e t w o r k _ = a - i - b 1 2j i = c 砭+ d 1 2 对于图2 2 所示的双绞线传输系统，可以证明其a b c d 参数为： 。1x 2 l ab ， 7 、 7 _ 1 v l v ：i2 cd l x = 0x = l 双绞线 图2 2 均匀双绞线传输系统 f i g 2 2s y m m e t r i c a lt w i s t e dp a i rw i r es y s t e m 褂 掣蒜) 其中) ，是式2 5 定义的传播常数。 ) ，= 4 ( r + j a i l ) ( g + f l o c ) 由上述模型可得到信道模型的公式： t l ( f ) = 煮南w ) = 丧砌 插入损耗：h ( 厂) ：互喜互木正( 厂) 8 ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) n m t 在5 类线信道上的计算机仿真和物理线路实验 其中输入阻抗：z 。=a 木z + b c 奉z + d 其中，工程上z 。和z l 均设为1 0 0 f 2 ( 2 8 ) 本文仿真均为2 4 线规的5 类线，1 0 0 米、5 0 0 米和8 0 0 米信道频率特性曲线 如图2 3 所示。图中，横坐标单位：频率( h z ) ；纵坐标单位：分贝( d b ) 赫5 娄镜信道额域衰减簟位 d e ) 弋 k 眯5 樊线信道绷域衰减单位( d g ) 、 、 弋 、l 、 b -、 1522 83 - o r 图2 31 0 0 米、5 0 0 米和8 0 0 m5 类线信道衰减模型 f i g 2 310 0 m ，5 0 0 ma n d8 0 0 mc a t e g o r y5c a b l em o d e l 9 x 矿 第3 章非正交多重调制技术 第3 章非正交多重调制技术 调制是一个过程，目的是将信息传换为适合在传输媒介上传输的波形。调制 是数字通信系统中的基础环节，这个环节对传输性能起至关重要的作用。传统的 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f 在研究当 中) 。并以此为基础形成了相干或滤波的解调方法。梁德群教授提出了一种非正 交多重调制方法( 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 nt e c h n o l o g y ) ，以下简称n m t 。 这种新调制技术的基信号是非j 下交的，其解调方式不能仅用单一的信号相干得到， 而是采用通过解方程组的方式完成解调。 n m t 是一种多重调制方法，同已有的调制方法相比，n m t 具有更高的信息 传输率，更窄的频带宽度，更低的能量需求，更小的信号波动范围和更灵活的波 形等优点，从而使其可以应用在有线、无线、移动、卫星等各种通信领域中【3 】。 3 1 非正交多重调制技术原理 图3 1 调制解调模型 f i g 3 1m 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 根据比特传输率公式： r 。= r s n 。= l 0 9 2m ( 3 1 ) n m t 在5 类线信道上的计算机仿真和物理线路实验 其中，r 。为符号传输率，符号也称码元。n 。代表一个码元携带的比特数。t 为码元周期。m 代表码元波形的种类，或称级别。在图3 1 中，一个码元可以有8 个电平幅度，计算知每个码元携带3 个比特。要提高比特传输率，在码元周期一 定的情况下，如何提高m 是线路编码追求的主要目标之一。 调幅方法中，如p a m 、m a s k ，幅度的级别就是m ；调频方法中，如f s k 、 m f s k ，频率的种类就是m ；调相方法中，如p s k 、m p s k ，相位的种类就是m 。 最新的u w b 技术中，m 是脉冲在一个码元内的位置的种类。将以上的方法结合 起来，使得一个码元由多种波形组成，并各自携带信息，是提高m 的有效手段， 如q a m 和m c 。然而，它们的波形之间都是正交的，组合的波形形式有限。n m t 是一种多重调制方法，它突破了正交性限制，更能发挥组合手段的效果。如，各 个子波的相位差不受9 0 度限制；频率差不受整数倍限制；波形的结构( 形状) 受 到的限制大大减少( 不再局限于正弦类和正交小波类) ；可以将结构、幅度、相 位、频率、位置因素在一个码元中同时组合使用，可更有效地增大m ，即增加码 元携带的比特，从而提高传输率。 目前，非正交多重调制( n m t ) 的发送信号主要有如下三种形式。 1 多重幅相调制，即基带形式。每个码元由依次错开一个相位的一些同频率 的单周期正弦子波叠加而成。子波在码元周期内的持续时问称为子波有效期，子 波有效期占一半的码元周期。每个子波幅值经过分配比特后携带信息。 用公式表示如下： ( f ) = z x is i n 等( f _ i t ) w r ( t - i t ) ( 3 2 ) i = 0 0 其中：日代表t 内的子波个数，r 是码元周期。玉是第i 个子波的幅值，t o 是 子波周期，r 是子波有效期。在基带形式中，t = t o ，且满足关系：t = 2 t 。 f 1 ，0 t t 孵( ) 2 1 0 ，其他 。 图3 2 给出了一个码元由十个子波叠加的示意图。左图中，显示的是十个依次 相差一个同大小相位的不同幅度的j 下弦波，右图显示的是它们的合成波。 第3 章1 | 正交多重调制技术 图3 2n m t 多重幅相调制的波形结构 f i g 3 2n m ts i g n a lw a v e n m t 的波形结构破坏了子波之间的j 下交性，传统的解调方法已不适用。n m t 的解调方法是做如下相干运算，令 g = 包= l 且为0 5 的整数倍。葺是第f 个子波的幅值。( f ) ， 丝r 淅 计 一 、， r 叫 力 研一 i - 研 切一r 黜 丝r ，l a 姒l r n m t 在5 类线信道上的计算机仿真和物理线路实验 满足孵c r ，= 萎苫r 。图3 3 是玎等于2 时，一个码元内八个子波的子波和合 成波的示意图。 图3 3n m t 多重幅相载波的波形结构 f i g 3 3n m ts i g n a lw a v e 类似于多重幅相调制，n m t 多重幅相载波不能用传统的相干解调方法，应采 用相干运算得到一个线性方程组g x = b ，其中，g = b = 包) 。解此方程组得到各子波的解。 k l l k 2 l k | f ，l k 1 2 k 2 2 k h 2 3 多重幅频相载波，也称作非正交频分复用( n f d m n o n o r t h o g o n a l f r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ，n f d m ) 。经n f d m 调制的波形在频域上分成多 个不正交的子信道，在时域上每个子信道又包含多个同频不正交的子波。n f d m 在频域上和时域上为非正交，经实验证明，n f d m 的频域和时域利用率很高，极 其具有研究和开发前景。 第3 章1 卜正交多重调制技术 图3 4 是最初研究的n f d m 的波形构造方法示意图。图中每个波形代表不同 频率的子波( 频域上体现为不正交的子信道) ，这样的构造方法，存在几个缺点， 如，合成波的幅度较大，采样率要求高，解调方程组矩阵逆的范数大。 图3 4n m t 多重幅相载波原始构造波形结构 f i g 3 4n f d mo r i g i n a ls i g n a lw a v e 结合n m t 前两种方式的优点，经改造后，目前n f d m 在构造时有两种形式， 如图3 5 所示。 图3 5n m t 多重幅频相载波的波形结构 f i g 3 5n m t ( n f d m ) s i g n a lw a v e n m t 在5 类线信道上的计算机仿真和物理线路实验 图3 5 是在频域上分为两个非j 下交子信道，每个子信道包含三个子波的情况， 左右图分别代表n f d m 两种构造方法。左图，按相同频率的子波非正交错位后再 和不同频率( 非正交) 的子波错位。右图，先按不同的频率子波错位再重复子波 错位。n f d m 的构造方法较其他更为灵活，除了可以选择不同相位外，还可以选 择不同频率的子信道，具有更高的频率利用率。 相比原始的n f d m 构造方法，现在n f d m 的两种构造方法降低了解方程组矩 阵逆的范数和合成波幅度，对系统的采样率要求仍然很高，目前在工程上实现高 采样率器件已经不是件难事。综合n f d m 的优点，其波形构造、子信道频带的优 化及性能分析等，成为目前n m t 主要的研究方向。 n f d m 的子波之间是非正交的。解调方法类似多重幅相调制和多重幅相载波， 先照公式( 3 3 ) 做相干运算，取f ，j = 0 ，1 ，一l ，得到一个线性方程组，g x = b ， 其中，g = 墨l k 2 l k i k l 片 k 2 h k h h ，b = b i ) 。解此方程组得到各子波的解。 n m t 采用的解线性方程组的解调方法具有一定的计算复杂度，但在集成电路 高速发展的今天，d s p 及f p g a 的解算能力已经能够满足解方程的要求。n m t 解 调方法存在的问题在于方程组的病态性，下面做简要阐述和分析。 由于信号从发送端发射到接收端接收解调的过程中，会受到多方面的干扰和 失真，导致相干求和产生偏差。对于线性方程g x = b ，若召有扰动，系数矩阵b 的偏差对方程组的解有怎样的影响? 我们来探讨方程组g x = b 在变量曰发生扰 动时解x 的扰动情况，从而定量地刻画其“病态程度矿。 如果b 有扰动，表示为b + a b ( 其中用a b 代表扰动) ，解方程组得到的子波 幅值x 相应地变为x + 舣( 用a x 代表解调偏差) ，g 保持常数，因此有如下关 系： g ( x + a x ) = b + a bj g x + g a g = b + a b ( 3 5 ) 利用恒等关系g x 兰b 对上式进行简化，得： 第3 章非正交多重凋制技术 g a x = 衄j 腊= g 叫衄 根据矩阵范数的性质怕b 8 忪0 可得8 1 | l 舣g 1 1 1 l 衄i l 以及 = l l a l l l x l l l l x l | = l | g j | 一| l b | j 其中，i i g 一0 表示方程组矩阵逆的范数。 根据n m t 的误码率公式【4 】： 只= 等制 ( 3 6 ) ( 3 7 ) ( 3 8 ) ( 3 9 ) ( 3 1 0 ) 其中5 f ，是g 。1 主对角线第i 个元素，由公式( 3 1 0 ) 可知，y ，越大，误码率越大， 而，的和越大，方程组矩阵逆的迹越大，其奇异值的和越大，矩阵逆的范数相应 越大。因此，方程组矩阵逆的范数越大，方程组越趋向病态，解调效果越差，反 之，解调效果越好。如何构造范数较小的相干解调矩阵，成为了n m t 的一个重要 问题【10 1 。 3 2 非正交多重调制技术意义 非正交多重调制技术突破了j 下交性限制，对于组成码元的各个子波，在波形 上没有具体严格的限制，这就大大拓宽了构造复合波的空间。这样的编码效率比 现在所有的编码效率要高出很多，只要采样率足够高，重叠的子波数就可以不受 限制，从而较大的提高信息传输速率。j h - v 交多重调制的性能优点有【3 】【1 0 】： ( 1 ) 信号占用的带宽较窄 ( 2 ) 星点之间的距离大 ( 3 ) 信号的能量需求少 ( 4 ) 频带利用率高 n m t 在5 类线信道上的计算机仿真和物理线路实验 ( 5 ) 合成波的幅度波动小 此外，n m t 能派生出多种其它形式：非j 下交幅度频率调制、非j 下交位置调制、 非j 下交相位调制、幅度、相位、频率、位置得混合调制，可以应对不同的信道环 境。从原理上分析非j 下交多重调制技术的应用面是相当广泛的，几乎可以覆盖现 有的各种数字通信，比如：对于x d s l 、f d m a 、t d m a 、c d m a 、d m t 等各种 有线和无线传输方式，均可用非j 下交多重调制技术加以改造，以获得更高的传输 速率。 第4 章n m t 在5 类线信道上的+ i ：样仿真 第4 章n m t 在5 类线信道上的工程仿真 4 1m a t l a b s i m u i i n k 仿真工具 m a t l a b s i m u l i n k 属于一种通用的科学计算和系统仿真语言。在 m a t l a b s i m u l i n k 下，从数学模型到计算机仿真模型的转换非常容易。 m a t l a b s i m u l i n k 提供了三种方法： 1 m 文件编程实现的方法：根据数学模型所建立的方程和数据参数，通过编 程实现方程的表示和数值求解。其特点是灵活性好，数学关系显式地表达在程序 语句之中，但是仿真的直观性方面稍显欠缺，通常在仿真计算完毕之后才能看到 结果。m 文件编程实现的方法是基于数据流的仿真方法。 2 s i m u l i n k 方法：可以根据数学模型建立对应的系统方框图，通过所见即所 得的方式选择模块，然后选择求解方式和精度，运行仿真。其特点是直观性好， 可以在仿真过程中实时地修改系统模块的参数，并能够实时地显示当前的仿真结 果。s i m u l i n k 仿真实现的方法是基于时间流的仿真方法。 3 s i m u l i n k 结合m 文件编程的方法：这是前两种方法的综合应用，同时具 备图形界面的直观性和字符界面的强大功能。事实上，所有s i m u l i n k 的模块以及 系统构建、仿真参数、仿真求解算法等均可通过编程语句实现。与通过图形界面 交互完成的仿真过程相比较，通过编程语句实现将“手动”的仿真过程真正变成 了“自动化 仿真过程。实际中，对于较为复杂的系统，如整个通信接收机的仿 真，往往采取s i m u l i n k 结合m 文件编程的方法【1 9 j 。 本章主要讨论用m 文件编程实现方法实现n m t 的多重幅相调制和n f d m ( 非 正交频分复用) 在1 0 0 米、5 0 0 米和8 0 0 米2 4 线规5 类双绞线信道的仿真及其在 同等条件下与传统的d m t 的仿真比较。利用s i m u l i n k 工具箱的模块化仿真将在第 5 章介绍。 n m t 住5 类线信道上的计算机仿真和物理线路实验 4 2 仿真环境 4 2 1 仿真线路环境 本章仿真采用的信道模型参数见表4 1 。 表4 1 仿真线路环境 t a b 4 1s i m u l a t i o nc h a n n e l 信道艮度 1 0 0 米 5 0 0 米8 0 0 米 线径2 4 线规2 4 线规2 4 线规