（通信与信息系统专业论文）多电平多相位调制方式在移动通信中应用.pdf

摘要 随着移动通信的发展，频谱资源显得日趋紧张，使得人们努力开发高效的编 码、调制以及信号处理技术来提高无线频谱的效率。无论是第三代还是第四代移 动通信系统的关键技术中都有调制技术，说明了调制技术的重要性。 为了获得高效、高速率、强干扰性能的信号传输，应采用新的调制方式。多 电平多相位调制方式就是一种高效调制技术。本论文研究了其在移动通信中的应 用。 数字通信具有模拟通信不可比的优点，而目前数字通信技术的飞速发展使得 数字通信的应用日益广泛，所以当前的移动通信已经是数字通信的时代了。本文 讨论了几种移动通信中用到的传统的数字调制技术：b p s k 调制和m q a m 调制， 讨论了这两种调制技术的基本原理及其在a w g n 信道中的误码率。然后介绍一 种新的调制技术：幅度比差分相位调制( a r d p m ) ，这是一种联合多幅多相差分 调制技术，在介绍了其基本原理的基础上给出了其在a w g n 信道中的误码率的 表达式。 移动通信的一个关键问题是它的移动无线信道。首先讨论了移动通信信号的 传输环境，在移动无线环境下信号传输的主要影响体现在三个方面，即大尺度路 径损耗、阴影衰落和多径效应。然后分析了多径效应对信号传输包络的影响，从 而建立了移动无线信道的模型：r a y l e i g h 衰落信道和n a k a g a m i 衰落信道。最后 对这两种信道模型做了仿真，在仿真过程中利用m a t l a b 的s i m u l i n k 工具箱中的 模块来搭建n a k a g a m i 信道。 为改善移动无线信道性能，讨论了应用最广泛的抗衰落技术分集接收技 术，将这种技术应用于移动通信系统。讨论了分集接收技术的原理，分集接收的 方式以及分集信号的合并方法。分集接收技术与调制技术相结合，几种调制方式 的已调制信号经过移动无线衰落信道，再进行分集接收，分析了分集接收信号的 误码率，并对误码率进行了计算机仿真。 a b s t r a c t t h ei m p r o v e m e n ti np e o p l e sl i v i n gs t a n d a r d ，p e o p l er e q u i r eb e r e rm e t h o d st o a c q u i r ei n f o r m a t i o n ，t h et h i r dg e n e r a t i o no fm o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e ma n dt h e f o n hg e n e r a t i o no fm o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e mw a sr a i s e da c c o r d i n g l y t h et h i r d g e n e r a t i o n o fm o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e ma n dt h ef o r t h g e n e r a t i o no fm o b i l e c o m m u n i c a t i o ns y s t e mw i l lp r o v i d ei n t e g r a t e dm u l t i m e d i as e r v i c ea th i g hr a t ew i t h h i g hq u a l i t y , s op e o p l ea r es t r u g g l i n gt op u r s u ee f f i c i e n tc o d i n g ，m o d u l a t i o na n d s i g n a lp r o c e s s i n gt e c h n o l o g y f o r i m p r o v i n gf r e q u e n c ye f f i c i e n c y , m o d u l a t i o n t e c h n o l o g yi so n eo f k e y - t e c h n o l o g yi n3 ga n d4 g t h i ss u b j e c ti st od i s c u s su t i l i z a t i o no fm u l t i l e v e la n d m u l t i p h a s em o d u l a t i o ni n m o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m t h em u l t i l e v e la n dm u l t i p h a s em o d u l a t i o ni sh i 曲 e f f i c i e n c ym o d u l a t i o nt e c h n o l o g y t h i s p a p e rd i s c u s s e ss o m em o d u l a t i o nt e c h n o l o g i e s ：b p s k ，m q a ma n d d i c u s s e st h e i rp r i n c i p l ea n dp r o b a b i l i t yo fe r r o r , t h e ni n t r o d u c ean o v e lm u l t i l e v e l m o d u l a t i o ns c h e m e ：a m p l i t u d er a t i oa n dd i f f e r e n t i a lp h a s em o d u l a t i o n ( a r d p m ) a t l a s tt h ep r o b a b i l i t yo f e r r o ri na w g nc h a n n e lw a sp r o v i d e d i nm o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e mt h ec h a n n e li sam o b i l ew i r e l e s sc h a n n e l t h e p e r f o r m a n c eo f m o b i l ew i r e l e s sc h a n n e li sd i s c u s s e da n di t sc h a n n e lm o d e li sp r v i d e d ： r a y l e i g hf a d i n gc h a n n e l sa n dn a k a g a m if a d i n gc h a n n e l i nm a t l a bs i m u l a t o r so f r a y l e i g hf a d i n gc h a n n e l sa n dn a k a g a m if a d i n gc h a n n e la r ec r e a t e d a tt h ee n d ，m o d u l a t i o nt e c h n o l o g yi n t e g r a t e sw i t hd i v e r s i t yt e c h n o l o g y t h e p r o b a b i l i t yo f e r r o ro f r e c e i v i n gs i g n a li nn a k a g a m i mf a d i n gc h a n n e la r ea n a l y z e d i i i y 南京邮电学院学位论文独创性声明t g s z 5 g 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的 地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得南京邮电学院或其它教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了 明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：日期 南京邮电学院学位论文使用授权声明 南京邮电学院、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留 本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其 他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一 致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布 ( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权 南京邮电学院研究生部办理。 研究生签名：导师签名日期： 南京邮电学院硕士研究生学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 移动通信的发展历程 信息化是当今世界发展的重要主题。2 0 世纪8 0 年代以来，信息产业一直是 发展最快的产业。而移动通信产业是信息产业的支柱之一，在我国的发展已经经 历了较长的时间。上世纪八十年代，第一代移动通信系统( 1 g ) 以模拟技 术和频分多址( f d m a ) 技术为基础的移动通信，以a m p s 和t a c s 为代表，主 要是话音业务。到上世纪九十年代，第二代移动通信系统( 2 g ) 以时分多 址( t d m a ) 和码分多址( c d m a ) 技术为基础，以g s m 和c d m a 为代表的 移动通信在我国得到了飞速的发展。2 g 克服了1 g 容量小，频谱利用率低等缺 点，话音业务的话音质量有了很大的提高，并且2 g 能够提供低速的数据业务， 最高不超过几十k b s 。九十年代初国际电信联盟( i t u ) 在2 g 的基础上提出了 第三代移动通信系统( 3 g ) 。3 g 的数据业务的传输速率在慢速移动环境下达到 3 8 4k b s ，快速移动环境下达到1 4 4k b s ，室内最高达到2 m b s 。除了高速的数 据传输能力外，3 g 还能够提供无线i n t e m e t 业务和多媒体业务，包括视频会议和 可视电话等业务。 1 2 第三代移动通信系统的特征及关键技术 第一代模拟移动通信系统和第二代数字移动通信系统支持语音通信和有限 的数据通信能力。第三代移动通信系统的目标就是提供宽范围的服务，除了一些 与移动有关的信息外，大部分是i s d n 业务的无线扩展，服务质量达到有线网的 近似水平。 1 2 1 第三代移动通信系统的特征 第三代移动通信系统要将世界上所有的蜂窝系统、无绳系统、无线本地环路、 无线局域网终端、专用移动广播和寻呼结合在一起，形成一个功能强大的网络， 逐步实现任何人在任何地点、任何时间与任何人都能便利的通信。 与基于第一代、第二代以话音和低速率数据业务为主的移动通信系统标准褶 南京邮电学院硕士研究生学位论文 第一章绪论 比，第三代移动通信系统有如下特点： ( 1 ) 提供宽范围的业务、多速率和高速率数据业务服务 3 g 的数据业务的传输速率在慢速移动环境下达到3 8 4k b s ，快速移动环境 下达到1 4 4k b s ，室内最高达到2 m b s 。 ( 2 ) 提供高质量业务服务 长话质量的语声、比特错误概率小于1 0 6 。 ( 3 ) 在混合小区情况下运行 在宏蜂窝、微蜂窝和微微蜂窝等混合情况下运行。 ( 4 ) 在不同的环境下运行 在室内或室外、商业或民用和蜂窝或无绳等情况下运行。 ( 5 ) 需要灵活的频率和无线资源的管理、系统配置和服务设施 ( 6 ) 较大的用户容量 ( 7 ) 低功率消耗 1 2 2 第三代移动通信系统的关键技术 第三代移动通信系统的关键技术主要有： ( 1 ) 调制技术 调制是通过改变高频载波的参数，使其随着基带信号幅度的变化而变化。在 移动环境中，移动台的移动会使电波传播条件恶化，特别是快衰落的影响会使接 收成场强急剧变化。在选择调制方式时，必须考虑采取抗干扰能力强的调制方式， 能适用于衰落信道，占有较小的带宽以提高频谱利用率。 ( 2 ) 分集接收技术 分集接收技术是改善无线信道的性能，减小其衰落的重要方法。分集接收技 术的主要思想是分散传输，使接收端能获得多个统计独立的信号，再将这些信号 进行集中处理。分集的方式是指获得多个统计独立信号的方法，主要有：时间分 集、频率分集和空间分集。分集接收的合并方式主要有：选择性合并、最大比合 并和等增益合并。 ( 3 ) 信道均衡技术 信道均衡技术是在接收端增加均衡器，该均衡器产生与信道相反的特性，用 2 南京邮电学院硕士研究生学位论文 第一章绪论 来抵消由信道的时变多径传播引起的码间干扰。由于信道是时变的，要求均衡器 的特性能够自动适应信道的变化。 ( 4 ) 多用户检测技术 多用户检测技术通过测量各用户扩频码之间的非正交性，消除多用户之间的 干扰。采用多用户检测技术能极大的改善系统容量。 ( 5 ) 功率控制技术 在c d m a 系统中，由于用户共用相同的频带，且各用户的扩频码之间存在 非理想的相关特性，用户发射功率的大小将直接影响系统的总容量，因此使功率 控制技术成为c d m a 系统的核心技术之一。 1 3 第四代移动通信系统的研究 为满足人们对移动通信的业务量和数据业务种类日益增长的需求以及超前 理论研究的需要，为适应i n t e r 网的发展，所以目前第四代移动通信系统( 4 g ) 也成为研究的热点。 1 3 1 第四代移动通信系统的特征 第四代移动通信系统( 4 g ) 就是在3 g 的通信技术上向个人通信的目标又迈 进了一步，主要体现在以下几个方面： ( 1 ) 高速率的数据传输。4 g 的数据传输速率从3 g 的2 m b s 发展到1 0 0 m b s ， 移动台的速率从步行到车行甚至更快都能实现高质量的通信。虽然传输速率提高 的同时也提高了系统的带宽，但4 g 能够提高频带的利用率。 ( 2 灵活多样的通信业务。通信发展的最初是以话音业务为主，但随着社 会文明的发展，各种新的通信业务的不断出现，多种多样的数据业务将取代话音 业务的主导地位，就对现有的通信系统提出了新的要求。4 g 应当满足人们各种 通信要求，在各种通信媒体之间建立无缝漫游，实现完全综合的通信网络。 ( 3 ) 高度智能化的网络。4 g 网络将是一个高度智能化的网络，具有高度的 自治性、自组织性。它能够使用智能技术自适应的动态的进行资源分配，满足用 户在任何情况下的业务需求，具有很好的适应性，实现业务的增值。4 g 网络中 有智能处理器，处理突发故障，4 g 终端的设计与操作也将智能化。 南京邮电学院硕士研究生学位论文第一章绪论 ( 4 ) 全i p 的网络。i p 与各种无线接入方式是兼容的，因此在设计核心网时 有很大的灵活性。4 g 网络应该实现i p 地址的个人化。现有的i p v 4 的地址空间 是有限的，而i p v 6 将较好的解决这一问题。 1 3 2 第四代移动通信系统的关键技术一 要真正实现个人通信的终极目标，即任何时间、任何地点以任何方式进行信 息交流，4 g 系统将采用许多新技术。4 g 的主要关键技术有： ( 1 ) o f d m 技术 4 g 系统将以正交频分复用( o f d m ) 技术为核心。o f d m 是将信道分为若 干子信道，各子信道中的调制载波保持相互正交，各子载波并行传输。传统的频 分复用( f d m a ) 系统不允许各路信号的频谱之间有重叠，以使接收端能够通过 滤波器分离各路信号，通常为防止邻路信号问的干扰，还要留有一定的防护频带。 这样做的最大缺点是频谱利用率低，造成了频谱资源的极大浪费。o f d m 允许 子载波频谱部分重叠，只要保证子载波之间的相互正交性就可以提取各子载波上 的数据信息。 ( 2 ) 调制与编码技术 为了获得高效、高速率的信号传输，4 g 系统应采用新的调制方式。因为4 g 是在高频段进行高速率信号传输，信号将会受到严重的频率选择性衰落，新的调 制方式要有高的频谱利用率，能克服传输衰落。 在4 g 系统中信道编码将采用更有效的编码方案。为增加码字的纠错能力， 要提高码字之间的汉明距离。格型码能提高编码效率，与一般的纠错编码技术相 比。格型码与空时码技术相结合，能进一步的提高系统的性能。 ( 3 ) 智能天线技术 智能天线技术是利用信号传输的空间特性，达到抑制干扰，提取信号的目的。 它的基本思想就是通过自适应阵列天线跟踪并提取各移动用户的空间信息。利用 用户位置的不同，在同一信道中发送和接收各用户的信号而不发生干扰。 目前现代数字信号技术发展迅速，利用自适应数字信号处理器形成数字波 束。智能天线的波束随着用户发出信号的最强路径不断地随着时间动态的改变， 智能天线跟踪变化的速率大于用户移动和信道快衰落的变化速率，起到自适应跟 4 南京邮电学院硕士研究生学位论文 第一章绪论 踪用户的目的。 ( 4 ) 全i p 网络技术 为了满足人们通信需求的不断变化和更新，未来的通信网络将是一个全i p 的网络，它将完全实现语音业务和数据业务的融合。全i p 网络可以节约成本， 提高可扩展性，灵活性，使网络运作效率更高。它采用i p v 6 技术，解决目前i p v 4 的地址空间不足的问题，并且支持移动i p 技术。移动i p 是一种在i n t e m e t 上提 供移动功能的方案，它提供了种i p 路由机制，使移动节点可以使用一个永久 的i p 地址连接到任何链路上，真正实现i p 地址的个人化。 ( 5 ) a d h o e 无线网络技术 a dh o c 是由无线节点的集合构成的，a dh o c 网络没有没有中心的管理和固 定的基础网络，它是自我创建、自我组织、自我管理的。目前支持a d h o c 网络 的技术有i e e e 8 0 2 1 1 、蓝牙等。a dh o c 网络相对于常规通信网络来说，最大的 优点就是网络的自主性，即在任何时刻、任何地点无需人工干预和任何其它预先 设置的网络设施进行自动组网。这正是个人通信的要求。 ( 6 ) 软件无线电技术 软件无线电基于一个硬件平台，其模数变换和数模变换应尽量靠近天线， 而将尽可能多的无线通信功能用软件来实现。软件无线电技术可以将各种通信技 术融合到一个开放型、标准化、模块化的通用硬件平台上，通过不同的软件程序， 在硬件平台上实现不同的功能。软件无线电可以使移动终端适合各种通信系统的 空中接口，从而实现一个移动终端在不同的系统中进行漫游的功能，实现了“个 人移动性”，缓解不同移动通信网络制式间互通互联的困难。 ( 7 ) m i m o 技术 多输入多输出( m i m o ) 技术是指在基站和移动终端都有多个天线。m i m o 技术为系统提供空间复用增益和空间分集增益。空间复用就是在接收端和发射端 使用多副天线，充分利用空间传播中的多径分量，在同一频带上使用多个m i m o 子信道发射信号，从而使得容量随着天线数量的增加而线性增加。空间分集有发 射分集和接收分集两类。基于分集技术与信道编码技术的空时码可以获得高的编 码增益和分集增益，已成为该领域的研究热点。 南京邮电学院硕士研究生学位论文 第一章绪论 1 4 论文的选题背景和结构安排 近年来移动通信的发展十分迅速用户数急剧增加，传统通信系统的容量已 经越来越不能满足通信要求了。由于频谱资源的有限，不可能靠无限增加频道数 来解决问题，而且未来个人通信是多种业务的综合，其数据传输速率要提高很多， 如果采用一般调制技术，信道带宽也将增加很多，会进一步加剧目前通信系统中 频谱资源紧张的状况。 从移动通信的发展来看，无论在3 g 系统中还是在4 g 系统中调制技术一直 处于一个非常重要的地位。随着微蜂窝与微微蜂窝的出现，小区的半径越来越小， 通信距离只有一、二百米，甚至几十米。由于传输路径很短，收发信机之间的障 碍较少，信道的衰落状况有了很好的改善。这样，原来被认为不适合移动通信信 道的多电平多相位调制技术也可以在衰落信道中使用。 为了获得高效、高速率、强干扰性能的信号传输，应采用新的调制方式。因 为将来的移动通信系统是在高频段进行高速率信号传输，信号将会受到严重的频 率选择性衰落，新的调制方式要有高的频谱利用率，能克服传输衰落。 本论文主要内容安排如下： 第一章绪论，简要介绍了3 g 与4 g 系统以及其中的关键技术，指出调制技 术在其中的重要地位。 第二章多电平多相位调制技术，首先讨论了几种移动通信中用到的传统的数 字调制技术及其在a w g n 信道上的误码率性能，然后介绍一种新的调制技术： 幅度比差分相位调制( a r d p m ) ，这是一种联合多幅多相差分调制技术，给出了 a r d p m 方式在a w g n 信道上的误码率公式。 第三章移动通信无线信道模型，首先介绍了无线信道的特点，然后基于无线 信道的特点，建立了移动无线信道的模型：r a y l e i g h 衰落信道和n a k a g a m i 衰落 信道。 第四章多电平多相位调制方式在无线信道下的性能仿真。首先讨论了分集接 收技术及其在通信系统中的重要作用。然后完成对各种调制方式在最大比合并分 集接收的情况下进行了仿真，最后对仿真结果进行了比较。 第五章给出了论文总结。 6 南京邮电学院硕士研究生学位论文第一章绪论 本章小结 本章简单介绍了移动通信发展的历程，重点研究了第三代、第四代移动通信 系统的特征和关键技术，指出了多电平多相位调制技术在将来移动通信系统中的 重要性，最后给出了本文的结构安排。 7 南京邮电学院硕士研究生学位论文 第二章多电平多相位调制技术 第二章多电平多相位调制技术 2 1 引言 按照传输信号的不同通信分为模拟通信和数字通信。最早的模拟通信是 1 8 7 6 年贝尔( b e l l ) 发明的电话，最早的数字通信是1 8 4 4 年莫尔斯( m o r s e ) 发 明的电报，从时间上说，数字通信要早于模拟通信，但由于电报通信没有电话通 信方便，且模拟通信技术发展较快，在2 0 世纪初就很快成熟起来，所以早期的 通信是以模拟通信为主。到2 0 世纪6 0 年代以后，随着数字通信技术的发展，数 字通信日益兴旺，甚至目前出现了数字通信替代模拟通信的趋势。除了计算机的 广泛应用需要大量数字信息的客观要求外，数字通信与模拟通信相比，更能适应 对通信技术越来越高的要求。数字通信的优点主要体现在以下几个方面：第一， 数字信号传输抗干扰能力强，尤其在中继时数字信号可以再生而消除噪声积累； 第二，传输差错可以控制；第三，数字信息易于加密；第四，便于使用现代数字 信号处理技术对数字信息进行处理：第五，数字通信可以综合传递各种消息，使 通信功能增强。 通信系统是指传递信息所需的一切技术设备的总和，分为模拟通信系统和数 字通信系统。基于数字通信的优点，目前的市场上的移动通信系统已完全被数字 通信系统所代替。数字通信系统的模型如图2 1 所示。 噪声 图2 1 数字通信系统模型 数字通信系统主要由以下几个部分组成： l 、信息源 发送端的信息源( 也称发终端) 的作用是把各种可能消息转换成原始电信号。 根据输出信号的性质不同，信息源分为模拟信息源和数字信息源。随着计算机的 南京邮电学院硕士研究生学位论文 第二章多电平多相位调制技术 发展应用，数字信息的种类和数量越来越多。而模拟信息源的模拟信号可以通过 抽样、量化、编码转换为数字信号。 2 、发送设备 在数字通信系统中，发送设备主要包括编码器、调制器，还可以根据实际 通信的需要增加其他的设备如加密器等。编码器包括信源编码和信道编码。编出 的码组应适合信道传输，并具有差错控制的能力。调制器的作用是将原始的电信 号变换成其频带适合信道传输的信号。经过调制后的信号称为已调信号，已调信 号有几个基本特征：一是携带有信息；二是适应在信道中传输。 3 、信道 信道是信号从发送设备到接收设备之间传递所经过的媒介，可以是有线的， 也可以是无线的。有线和无线均有多种媒介。传输过程中必然会有各种各样的噪 声干扰，如热噪声、散弹噪声、宇宙噪声等。信道的特性直接影响了发送设备的 选取。 本文讨论移动通信系统，因此它的信道是无线信道，信号在无线空间传输。 随着城市建设的发展和大气层的变化。发送设备与接收设备之间即信道上的干扰 越来越多，直接影响了通信的质量。 4 、接收设备 接收设备的作用是发送设备的反变换，将传输的信号还原成原始的电信号， 因此对应于编码器有译码器，对应于调制器有解调器。 5 、受信者 受信者( 也称信宿或收终端) 的作用是将复原的原始信号转换成相应的消 息。 本文讨论的重点就是移动数字通信系统中的调制技术，因此对于图2 1 中的 发送设备的编码器不予考虑。 调制是通过改变高频载波的参数( 如幅度、频率、相位等) ，使其随着基带 信号幅度的变化而变化。移动通信系统的无线信道传输环境，因为移动台的移动， 通常被认为是一种较为恶劣的传输环境。它不象有线信道那样具有固定的可预见 性，而是有较强的随机性，还存在同频道干扰和邻频带干扰等问题。因此。与有 线通信相比，移动通信系统对调制技术有更高的要求，包括以下几点： 9 南京邮电学院硕士研究生学位论文 第二章多电平多相位调制技术 l 、高的频带利用率： 2 、信号功率与同频道的干扰功率比要高于某一“安全”f 1 限值； 3 、已调信号的频带窄，带外辐射功率小，对邻近信道的干扰小： 4 、抗多径衰落能力强： 5 、恒定或近似恒定的已调信号包络，具有较高的功放效率； 6 、调制解调设备简单等。 不过，在某一确定的应用环境下，一种调制方式不可能同时满足上述要求， 而只能侧重于某些方面的性能，现有移动通信系统的主要业务是低速的语音服 务，其核心问题是提高语音服务的质量。因此，对其相应调制技术的要求是具有 很好的抗干扰能力。 本章首先介绍几种移动通信中用到的传统的数字调制技术，然后介绍种 新的调制技术：幅度比差分相位调制( a r d p m ) 。 2 2 传统的数字调制技术 数字调制所采用的载波是正弦载波，正弦波有三个基本参数：幅度、频率和 相位。因此，当数字基带信号是二进制的时候，基本的数字调制方式有四种：二 进制幅度键控( 2 a s k ) 、二进制频移键控( 2 f s k ) 、二进制相移键控( 2 p s i ：b p s k ) 及二进制差分相移键控( 2 d p s k ) 。当数字基带信号是多进制的时候，在此基础 上又派生出了很多调制方式。目前己在数字蜂窝移动通信系统中得到广泛应用的 有4 正交相移键控( 4 q p s k ) 、正交调幅( q a m ) 和最小移频键控( m s k ) 、 高斯最小移频键控( g m s k ) 等调制方式。 2 2 1 二进制相移键控( b p s k ) 2 2 1 1b p s k 原理 二进制相移键控( b p s k ) 方式是受键控的载波相位按基带脉冲而改变的一 种数字调制方式。 设信息源发出的是由二进制符号+ 1 、一l 组成的序列，且假定+ l 出现的概 1 0 南京邮电学院硕士研究生学位论文第二章多电平多相位调制技术 率为p ，一1 出现的概率为l p ，它们彼此独立。那么，b p s k 信号的一般表达 式为 嘣归陲酏叫c o s 啦r 陋- ， lnj 其中g ( f ) 是脉冲宽度为瓦的单个矩形脉冲，而a 。的统计特性为 a n = ：1 i 簇妻器，( 2 - 2 ) 2 1 一概率为( 1 一p ) 典型的b p s k 波形如图2 2 所示其中f 为码元周期，码元周期是载波周期 的整数倍。 r 十 7 1八、八f 、1 ? vvvvv vv 一 。1l。 图2 2 典型的b p s k 波形 2 2 1 2b p s k 信号在a w g n 信道中的性能 在通信系统中的加性噪声通常为高斯型噪声，所以我们首先讨论b p s k 信号 在加性高斯白噪声信道( a w g n ) 中的性能。 因为从波形上看b p s k 信号实际上就是一对倒相信号的序列，所以b p s k 信 号又可以表示为 删，=心809ctpska e o s ( - o c t 震：0 1 ：，詈( 2 - 3 )5 一u ) 2 1 一发送，时 对于该b p s k 信号通常可以采用相干解调的方法进行解调，解调的原理框图 如图2 3 所示。 南京邮电学院硕士研究生学位论文 第二章多电平多相位调制技术 本地载波2 c o s g o c t 图2 3b p s k 信号相干解调方框图 输出 凼为传输损耗，解调器输入的信号幅度变为a ，即此时的b p s k 信号为 枷，- 篡鬟，篡善嚣 叫， 设加性高斯噪声为h ( f ) = ”。( t ) c o sc o t k ( t ) s i nc o 。t ，且均值为0 ，方差为盯：。 当发送1 时，相乘器输出为 【a c o s o ) 。f + 玎( f ) 】2 c o s 。t = a ( 1 + c o s 2 c o t ) + h 。( r ) ( 1 + c o s 2 c o j ) 一n ；( t ) s i n 2 0 ) 。f 低通滤波器输出波形为x ( t ) = a + q c ( ，)( 2 - 5 ) 此时该信号的一维概率密度函数为 胁，= 丽1 唧( _ 筹 p s ， 同理，当发送“0 ”时，低通滤波器输出波形为 x ( t ) = 一口+ n 。( t )( 2 - 7 ) 此时该信号的一维概率密度函数为 胁，= 面1e x p ( 一等 p s ， 设抽样判决电平为0 ，则将1 错判为0 的漏报概率只为 只= p o o o ) = r 工( x ) 出= q ( 压) ( 2 一l o ) 因为2 。= 只，故b p s k 信号在a w g n 中总的误码率只为 = q ( 万) ( 2 1 1 ) 画出b p s k 信号在a w g n 中总的误码率只曲线，如图2 4 所示。其中横轴 为信噪比，( d b ) ，纵轴为误码率r e ( 取对数) 。 图2 4b p s k 信号在a w g n 中总的误码率只曲线 从图2 4 看出，随着信噪比的增大，误码率快速下降。 2 2 2 多进制正交幅度调制( m q a m ) 2 2 2 1概述 多进制正交幅度调制( m q a m ) 是一种灵活的、具有较高频带利用率的调 制技术，而且随着电平数m ( 相应已调信号星座点数) 的增加，其频带利用率 也随之增加( 频带利用率为l o g ：m ) 。因此，在高速通信系统中，为了获得更高 的信道频带利用率，经常采用m q h m 调制方式。 但是，与其他多进制调制方式相比，m q h m 调制方式抗干扰能力较差，特 南京邮电学院硕士研究生学位论文第二章 多电平多相位调制技术 别是当电平数肘增加时，其性能下降，同时作为一种非恒定包络的线性调制技 术，其抗非线性失真性能及抗衰落性能也较差，而且由于已调信号的包络起伏较 大，也会产生较大的带外辐射，对邻近信道产生干扰。这些问题的存在，在一定 程度上限制了m q a m 调制方式在移动无线通信系统中的广泛应用。 直至2 0 世纪8 0 年代后期，出现了高效率实用的线性放大器，解决了非恒定 包络与线性度要求的矛盾，才为m q a m 等线性调制技术在移动无线信道中的应 用提供了实现的可能。另外，由于现代移动数字蜂窝通信系统的域结构由宏小区 向微小区，甚至微微小区发展，使得m q a m 调制系统能够在相同的同频干扰下， 获得更高的信噪比( s n r ) ，m q a m 调制的抗干扰能力由此得到提高。因此， m q a m 作为一种高频带利用率的调制技术，有潜力成为第三代移动通信系统高 速数字传输的各选方案。 2 2 2 2 m q a m 基本原理 在讨论多进制正交幅度调制之前，先说明什么叫做正交振幅调制( q a m ) 。 所谓正交振幅调制是用两个独立的基带波形对两个相互正交的同频载波进行抑 制载波的双边带调制，利用这种已调信号在同一带宽内频谱正交的性质来实现两 路并行的数字信息传输。正交振幅调制系统的组成方框图如图2 5 所示，图中 m ，( f ) 和m 。( f ) 是两个独立的带宽受限的基带信号，s i nc o 。f 和c o s ( - o c t 是相互f 交 的载波。由图可见，发送端形成的正交振幅调制信号为 s ( t ) = m ( f ) c o sc o o t + m 0 ( t ) s i n ( - o c t ( 2 - 1 2 ) 若信道具有理想传输特性，则上支路相干解调器的输出为 1 m ) ( f ) = 去m ，( t ) ( 2 - 1 3 ) z 下支路相干解调器的输出为 m oc t ) = 去m 口( r ) ( 2 1 4 ) 在接收端可以无失真的恢复基带信号，因而完成了信号的传输。 若图2 5 中输入的基带信号为多进制数字序列时，那么该系统就构成了多进 制正交振幅调制( m q a m ) ，如图2 6 所示。可见，m q 触x , t 信号是由两列相互独 立的数字基带序列4 、e 分别对相位正交的同频载波进行振幅调制后叠加而成 4 南京邮电学院硕士研究生学位论文第二章多电平多相位调制技术 的。 s m f 图2 5 正交振幅调制系统的组成方框图 图2 6m q a m 系统的组成方框图 从图2 6 可以写出m q a m 信号的表达式为 5 删( ，) = a 。c o s 国。h b 。s i nc o 。t 0 t t ( 2 _ 1 5 ) 式中 4 。) 、 口，) 为离散序列，为数字序列的码元宽度 南京邮电学院硕士研究生学位论文第二章多电平多相位调制技术 f _ 1 ，2 ，珊，川为4 、b ，的电平数。 ( 2 - 1 6 ) 这里a 为常数，d 、p 由输入数据确定，分别代表正交轴i 轴与q 轴相对应的 值，每一对 d 、p ，) 对应一个信号矢量点亏，则矢量点的集合 蜃， 称为m q a m 调制的星座图，图2 7 就是最常见的一种m q a m 信号星座图。 w o s ，( d 。，e ，) 图26m o a“信号犀庳图 其中，d 、p 既可以是二进制码元序列，也可以是多进制码元序列。如果是多进 制码元，则d 、e 可由二进制码元序列进行二进制至多进制的转换。一般多进制 数字序列采用双极性码型，幅度间隔相等，如1 ，3 ，( m 一1 ) 。 对于数字多电平正交调制信号的解调，在接收端首先经过相干检测，从已调 信号中取出多进制数字序列，然后两个支路的d 。、p 。码元由判决电平三进行判决。 对于多进制信号判决电平工通常取相邻码元的中间值，即 l = 0 ，2 ，4 ，一，( m 一1 ) 2 2 2 3 m q a m 信号星座图的选择 在上一小节中，图2 6 给出的只是一种最常见的m q a m 信号星座图，实际 上n n 矢i a s 在坐标轴上的分布还可以有其它的排列。对任意一种调制，都要 南京邮电学院硕士研究生学位论文 第二章多电平多相位调制技术 考虑传输系统的信噪比、误码率，而m q a m 调制是一种非恒定包络调制，所以 在星座图上应该怎样排列信号点，还要要考虑m q a m 调制的几个重要参数： m q a mn $ 1 l n n n 峰n - - n n l g r ，星座点间最小的欧几里德距离矗。以及信 号最小相位偏移靠不同的数字通信系统对这些参数的要求也各不相同，视具 体情况而定。 1 、m q a m 调制信号的峰值一均值比y y 反映了m q a m 信号的抗非线性失真能力，尤其是由非线性功率放大器所 造成的非线性失真。y 值越大，抗非线性失真能力越差。y 值的推导如下：将信 号点写成复数形式： s 。= a ( d ，+ j e )( 2 1 7 ) 则m q a m 调制信号的平均功率与峰值功率分别表示为： 平均功率 耻彳喜牮 p ，s ， 峰值功率 厶= a m a x ( d ? + ? ) 故m q a m 调制信号的峰值一均值比) ，为 陀一1 9 ) ( 2 2 0 ) 2 、最小欧几里德距离( f m m 靠。是指m q a m 信号星座图上星座点间的最小距离。该参数反映m q a m 系统抗高斯白噪声的能力，最小欧几里德距离越大，抗高斯白喋声的性能越强。 因此，可以通过优化m q a m 信号的星座点分布得到最大的氏。，从而获得抗干 扰性能较好的m q a m 调制方案。 3 、最小相位偏移 钆。是指m q a m 信号星座点相位的最小偏移。该参数反映m q a m 信号抗 1 7 攀 蓦| 。 垒匕 = y 南京邮电学院硕士研究生学位论文 第二章多电平多相位调制技术 相位抖动能力和对时钟恢复精确度的敏感性同样可以通过优化m q a m 信号的 星座点分布来获得最大的0 。扶而获得更好的传输性能。 从以上分析可以看出，要设计一个好的m q a m 信号星座图，主要也就是从 这三个参数来考虑： ( 1 ) 要有较小的信号峰值一均值比y ，以保证调制信号的包络起伏小，从而有 较强的抗非线性失真的能力。 ( 2 ) 使信号星座图上星座点间的最小欧几里德距离d 。达到最大值，以获得最 佳的抗加性高斯白噪声性能； ( 3 ) 保证信号星座点相位的最小偏移以。达到最大值，使m q a m 信号抗相位 抖动能力强，包括抗定时时钟恢复抖动和抗信道相位抖动的性能好。 当然就一个确定的m q a m 星座图来说，几乎是不可能同时达到这几个要求 的，而只能根据不同传输系统的要求，在保证主要性能指标满足的前提下，折衷 的选择或采取自适应的办法进行调节。 因此，人们根据不同传输系统的要求，在m q a m 星座图信号点几何分布的 优化上进行了很多研究工作，获得多种类型的m q a m 星座图，这些星座图可归 纳为三种基本类型，即：圆形星座图、不均匀圆形星座图和方形星座图，分别如 图2 7 a 、图2 7 b 、图2 7 c 所示。 历 、 上 豁， 心0 ，一 忒 。! _ 0 1 q r 3 a 气 乌d ： 图2 7 三种类型的m q a m 星座图 c 方形豆座田 l 、圆形m q a m 星座图 考察图2 7 a ，定义圆环半径比月r ：生。显然，当r r 较大时，n g 上n 号 爿 南京邮电学院硕士研究生学位论文 第二章多电平多相位调制技术 点之l 司的欧几里德距离d l 将变小，但不n 圆环信号点之间的欧几里德距离d ：将 变大。因此，在信号平均功率一定的情况下，总可以找到一个最优半径比r r ， 使得该星座图的最小欧几里德距离d 。达到最大值，从而大大提高系统的抗噪声 性能。 在该图中，根据几何知识，当d ，= d ：= a ：一a ，= d 时，圆形1 6 q a m 星座图 的最小9 2 ) l 脚g n d 。达到最大值。此时，圆环半径比尺尺= 睾a 1 7 7a 由图 可得 竽s ；厅 故 吐= 2 - 4 。c 。s ；疗 爿：= d 。+ 爿。= 2 彳，c 。s ；厅+ 爿。= 彳( 2 - c 。s ；石+ ， 所以，圆形1 6 q a m 星座图的信号平均功率只，为 驴号竽电。d 2 陋z ， 峰值功率p 础= a ； ( 2 _ 2 2 ) 最小欧几里德距离d 。为 d 。= 扛了珏= 0 4 3 厄o ( 2 2 3 ) 综上，得到圆形1 6 q a m 信号的峰值一均值比y 为 y = 冬= 畚乩， 最后，由图直接可得最小相位偏移 氏。= 4 5 。 2 、不均匀圆形星座图 由图2 t on - l 以看出，当d 。= d ，时，圆环半径比r rz2 7 2 ，不均匀圆形1 6 q a m 星座图的最小欧几里德距离d 达到最大值为 南京邮电学院硕士研究生学位论文 第二章多电平多相位调制技术 d 。= 0 5 9 , i e o 3 、方形1 6 q a m 星座图 由图2 7 c ，可得到单位距离d 与信号平均功率p o 。的关系为 只，：墅掣d ： 表2 1 给出y - 种星座图的参数比较。 表2 1 三种星座幽的参数比较 类型y d 。民i 。 圆形星座图1 7 0 - 4 3 4 p o 。 4 5 4 不均匀星座图 1 3 o s 9 , e o 。 3 0 。 方形星座图 1 8 o 6 3 4 p o 。 1 8 。 由表可见，当信号平均功率匕一定时，方形1 6 q a m 星座图的最小欧几里 德距离d 。最大不均匀圆形星座图次之，而圆形m q a m 星座图最小。也就是 说，方形星座图抗高斯白噪声能力最强，最适宜在典型的高斯白噪声信道中使用。 但是在抗相位抖动及抗非线性失真等性能上，方形星座图则不如圆形星座图和不 均匀圆形星座图，这是因为其最小相位偏n o 。最小，且峰值一均值比y 都大于 其它两种。因此，可以得出一个重要结论：圆形星座图更适宜在衰落的无线信道 及非线性环境中使用。 另外，从图2 7 可以看出，通过对圆形星座图内外环信号点的重新安排就可 以得到不均匀圆形星座图，而不均匀圆形星座图的峰值一均值比，较小，说明抗 非线性失真性能有所提高。 为了充分利用方形星座图抗高斯白噪声能力最强的优点，并克服其峰值一均 值比高的缺点，各种变形的方形星座图也得到了重视，如矩形星座图和梯形星座 图等。这些星座图除保持有方形星座图相同的抗高斯白噪声性能外，还在一定程 度上克服了方形星座图的缺点。 南京邮电学院硕士研究生学位论文 第二章多电平多相位调制技术 2 2 2 4 m q a m 在a w g n 信道中的性能 假设a w g n 信道中的噪声单边功率谱密度为n o ，我们主要讨论圆形星座图 和矩形( 方形) 星座图在a w g n 信道中的性能。 l 、圆形星座图 首先计算图28 所示的1 6 q a m 信号在a w g n 信道中的性能。 i l - 0 0l d ai 。0 0 0 1 。 l oo l l 0 气ol o d l