（通信与信息系统专业论文）移动通信中的分层调制技术研究.pdf

摘要 摘要 分层调制作为移动电视系统的重要技术之一，是一种特殊的多迸制线性调制方式 它非常适合应用于在同一调制符号中同时承载多路比特的情况，并能够满足各路数据比 特的误码率要求。 本文在介绍分层调制基本原理的基础上，分别对分层调制的最优星座图设计、软解 调方法、分层调制在多用户o f d m a 系统中的无线资源分配方法、移动电视系统中分层 调制参数对系统性能的影响等四个方面做了详细的研究和仿真，具体研究内容如下： 第2 章给出了分层调制的定义，将它按照各层调制方式的不同进行了分类，并针对 q a m 型分层调制提出了一种满足q o s 的最优星座参数设计方法，通过实例和计算机仿真 验证了设计方法的正确性 第3 章以一个采用了t u r b o 编码和4 m q a m 分层调制的通信系统为背景，描述了分 层调制的软解调方法，并将其基本层的软解调方法进行了简化仿真结果表明；简化的 软解调方法在不降低误比特率性能的前提下使得计算复杂度降低到简化前的一半 第4 章将分层调制技术应用到多用户o f d m a 系统中，各个子载波采用分层调制方法 可以有效的避免用户在选择子载波时的相互冲突。本文在前人系统模型的基础上提出了 一种g r e e d y 方法，并将g 麟d y 方法用于改进的系统模型仿真结果表明：与前人的系统 模型相比，改进的系统模型更适合采用g 僦d y 方法，具有较低的实现复杂度 第5 章讨论了一个采用了4 m q a m 型分层调制的移动电视系统，分析了分层调制 能量比、m 值和t u r b o 码率这三个方面对移动电视系统性能的影响本章的仿真结果对 移动电视系统设计和规划的人员有着重要的参考价值 关键词：分层调制，软解调，t b o 码，误码率，o f d m a ，移动电视 东南大学硕士学位论文 a b s t r a c t a so n eo f 血em o s ti m p o r t a n tt e c h n o l o g i e si nm o b i l et vs y s t e m , h i e r a r c h i c a lm o d u l a t i o n b e l o n g st oas p e c i a lm - a r yl i n e a rm o d u l a t i o n i ti sv e r ys u i t a b l ef o rs i t u a t i o nw h e nt h e m o d u l a t i o ns y m b o l sn e e dt oc a r r yd i f f e r e n th i t so fs e p a r a t es o u r c e s ，a n dt h eb i tf f f r o rr a t e p e r f o r m a n c e so f e a c hs t r e a mc a n b ea c h i e v e d a f t e ri n t r o d u c i n gt h eb a s i cp r i n c i p l eo ft h eh i e r a r c h i c a lm o d u l a t i o nt e c h n i q u e ，t h i sp a p e r m a k e ss o m er e s e a r c h e sa b o u th i e r a r c h i c a lm o d u l a t i o ni nf o a s p e c t s t h e ya r e ：t h eo p t i m a l c o n s t e l l a t i o nd e s i g nm e t h o d , t h es o r - d e m o d u l a f i o nm e t h o d , t h er e s o r r c ea l l o c a t i n gm e t h o d b a s e do nam u l t i - u s c ro f d m as y s t e m 咖h i e r a r c h i c a lm o d u l a t i o na n dt h ee f f e c to ft h e p a r a m e t e r so ft h eh i e r a r c h i c a lm o d u l a t i o no nt h em o b i l et vs y s t e m t h es p e c i f i cd e t a i l sa r e a sf o u o w s ： c h a p t e r2o ft h i sp a p e r , g i v e sab r i e fi n t r o d u c t i o nt ot h eb a s i cc o n c e p t so fh i e r a r c h i c a l m o d u l a t i o nt e c h n o l o g y , a n dm a k e sac l a s s i f i c a t i o na c c o r d i n gt ot h em o d u l a t i o nm o d eo f e a c h l a y e r a no p t i m a ld e s i g nc o n s t e l l a t i o nm e t h o do fq a m h i e r a r c h i c a lm o d u l a t i o ni sp r o p o s e d t h r o u g he x a m p l e sa n dc o m p u t e rs i m u l a t i o n , w ec a ns a f e l ys a yt h ep r o p o s e dm e t h o di s c o r r e e t c h a p t e r3d e t a i l st h eb a s i cp r i n c i p l e so fs o f td e m o d u l a t i o nm e t h o d so fh i e r a r c h i c a l m o d u l a t i o nb a s e d0 1 1ac o m m u n i c a t i o ns y s t e m 咖t u r b oc o d i n ga n d4 m - q a m h i e r a r c h i c a lm o d u l a t i o n as i m p l i f i e ds o f td e m o d u l a t i o nm e t h o do fb a s e - l a y e ri sp r o p o s e d t h es i m u l a t i o nr e s u l t si n d i c a t et h a t , c o m p a r e dw i t ht h ec o n v e n t i o n a lm e t h o d , t h es i m p l i f i e d m e t h o di sa b l et or e d u c et h ec a l c u l a t i o nc o m p l e x i t yd e g r e e sg r e a t l yw i t h o u tt h el o s so fb e r p e r f o r m a n c e i nc h a p t e r4 ，h i e r a r c h i c a lm o d u l a t i o ni sp u ti n t ot h ea p p l i c a t i o no fm u l t i - u s e ro f d m a s y s t e n lu s i n gh i e r a r c h i c a lm o d u l a t i o ni ne a c hs u b - c a r r i e ri s 8 1 1e f f e c t i v ew a yt os o l v et h e c o n f l i c t so f s u b - c a r r i e r sb e t w lr i s e r s ag r e e d ym e t h o di sp r o p o s e da n dt h ep r e v i o u ss y s t e m m o d e li si m p r o v e d c o m p a r e dw i t ht h ep r e v i o u ss y s t e mm o d e l 。i m p r o v e ds y s t e mm o d e li s m o r es u i t a b l ef o rt h ep r o p o s e do r e e d ym e t h o d , a n dc 8 1 1a c h i e v et h es i m i l a rs y s t e m p e r f o r m a n c e sw i t hav e r yl o wi m p l e m e n t a t i o nc o m p l e x i t y 坷 摘要 c h a p t e r5c o n s i d e r sam o b i l e ivs y s t e mu s i n g4 m - q a mh i e r a r c h i c a lm o d u l a t i o n , a n d a n a l y s e st h ee f f e c to ft h ee n e r g yr a t i o , mv a l u ea n dt u r b or a t e0 1 1p e r f o r m a n c e so fm o b i l e t vs y s t e n l t h es i m u l a t i o nr e s u l t sa b o u tt h e s et h r e ep a r a m e t e r sh a v ea ni m p o r t a n tr e f e r e n c e v a l u ef o rm o b i l et v s y s t e i nd e s i g na n dp l a n n i n gs t a f f s k e yw o r d s ：h i e r a r c h i c a lm o d u l a t i o n , c o n s t e l l a t i o nd e s i g n , m r - d e m o d u l a t i o n , b e r , t u r b oc o d i n g ，o f d 姒, m o b i l et v 插图目录 移动通信系统框图 插图目录 无线信道路径损失和信道衰落示意图 一种通用的信道仿真方法 4 1 6 - q a m 分层调制星座的构成过程” 两种类型分层调制星座图 分层调制v st d m 的b l e r 性能比较 第一层为2 q a m 时的分层调制星座 第一层为2 q a m 时的分层调制b e r 仿真睦线。 第一层为4 q a m 时的分层调制星座 。1 4 。7 1 4 。1 5 1 7 2 0 2 2 第一层为4 q a m 时的分层调制b e r 仿真曲线2 3 系统框图 1 3 t u r b o 编码器的内却结构( 虚线用于尾比特时的输出) t u r b o 译码器结构图 分层调制的两种软解调方法 两种软解调方法的性能比较。 简化前后计算量比较图 系统b e r 性能比较图 2 7 3 1 不同计算方法的似然比比较。 o f d m 基本原理图 o f d m 符号循环前缀示意图 。3 5 3 8 基于f f t 变换的o f d m 系统基带框图。 4 0 o f d m 系统的相干衰减并行高斯信道模型 o f d m - t d m a 多址方式。 o f d m f d m a 多址方式 采用了分层调制的o f d m a 系统框图 4 0 4 2 4 3 4 4 4 6 他 舶 勉 ” “ ” 拍 弘 地 ” “ ：暑 ” 珏 化 们 钙 拍 们 似 图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图卧 东南大学硕士学位论文 图4 9 三层4 q a m 叠加形成分层调制的示意图 4 7 图4 1 0p a 信道模型的一次实现( 八个用户) 。5 4 图4 1 1 前人方法和本章提出方法的比较5 4 图4 1 2 不采用和采用分层调制的比较 图4 1 3 未改进模型和改进模型的性能比较 图4 1 4 采用分层调制的改进模型和不采用分层调制的模型的性能比较5 6 图5 1 分层调制不同层的数据实现不同覆盖6 0 图5 2 移动电视发射端仿真框图 图5 3 移动电视接收端仿真框图 图5 4 不同能量比下的b e r 性能 图5 5 图5 6 不同m 值时的b e r 性能。 不同码率时的b e r 性能 6 1 6 1 表格目录 表1 1 表2 1 表3 1 表5 1 表格目录 常用信道模型的时延和功率分布 仿真假设。 计算每个接收统计量的软信息所需要的运算量 系统参数配置 。1 6 。3 3 。6 2 鳍喀语 3 g p p b e r b l e r b p s k c d m a c p c i t c c s i d m b d f d m a f e c f 】阿 g i g s m h a i h s d a i c i 阱 i s d b i s i 盯 l l r m n l 妤 m 田m s 缩略语 3 r dg e n e r a t i o np a r t n e r s h i pp r o j e c t b i te r r o rr a t e b l o c ke r r o rr a t e b i n a r yp h a s es h i f tk e y w i d e - b a n dc o d ed i v i s i o nm u l t i p l e a c c e s s c y c l i cp r e f i x c y c l i c a lr e d u n d a n c yc h e c k c h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o n d i g i t a lm u l t i m e d i ab r o a d c a s t i n g d i g i t a lv i d e ob r o a d c a s t i n g f r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s f o r w a r de r r o rc o n e c t i o n f a s tf o u r i e rt r a n s f o r m g u a r di n t e r v a l g l o b a ls y s t e mf o rm 0 b n ec o m m u n i c a t i o n h y b r i d a u t o m a t i cr e q u e s t 碰曲s p e e dd o w n l i n kp a c k e t a c c e s i n t e r - c a r r i e ri n t e r f e r e n c e i n v e r s ef a s tf o u r i e rt r a n s f o r m i n t e g r a t e ds e r v i c ed i g i t a lb r o a d c a s t i n g i n t e r - s y m b o li n t e r f e r e n c e i n f c c m a t i o nt e c h n o l o g y l o gl i k e l i h o o dr 越o l o n g - t e r me v o l u t i o n m a x , i l n u i nap o s t e r i o r ip r o b a b i l i t y m u l t i m e d i ab r o a d c a s tm u l t i c a s ts e r v i c e 第三代伙伴合作计划 误比特率 误块率 二进制相移键控 宽带码分多址 循环前缀 循环冗余前缀 信道状态信息 数字多媒体广播 数值视频广播 频分多址 前向纠错编码 快速傅立叶变换 保护间隔 全球通+ 快速混合自动重传 高速下行分组接入 载波间干扰 逆快速傅立叶变换 综合业务数字广播 符号间干扰 信息技术 对数似然比 长期演进 最大后验概率 多媒体广播多播业务 东南大学硕士学位论文 m f n m u l t i p l ef r e q u e n c yn e t 多频网 m s o m u l t i p l ei n p u ts i n g l eo u t p u t 多输入单输出 o f d m 蒿盎脚唧0 m 一正交频分复用 o f d m a a c o r c t h c s o s g o n a l f r e q u e n c yd i v i s i o nm 试啦 正交频分多路接入 p e r s o n a ld i g i t a la s s i s t a n t q u a d r a t t a - ea m p l i t u d em o d u l a t o n q u a d r a t ep s i ( q u a l i t yo f s e r v i c e r a d i of r e q u e n c yc o m b i n i n g s y m b o le r r o rr a t i o s i n g l ef r e q u e n wn e t t r a n s p o r tb l o c k t i m ed i v i s i o nm u l t i p l e x i n g t u n ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s t r a n s p o r tt i m ei n t e r v a l t y p i c a lu r b a n 个人数字助理 正交幅度调制 四相健控调制 业务质量 射频合并 误符号率 单频网 传输块 时分复用 时分多址 传输时闻间隔 典型城市环境 叭删呶螂哦g|涮碍删一m w 学位论文独创性声明 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，也不包含为获得东南大学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。 关于学位论文使用授权的说睨 东南大学、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 复印件和电子文挡，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文挡的内 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) 授权东南大学研究生 院办理 签名筘 导师签名窿毡鲫l 日期2 兰掣 第l 章绪论 第1 章绪论 现代社会已经步入信息时代，在各种信息技术中，信息的传输即通信起着支撵作用。 由于人类社会生活对通信的需求越来越高，世界各国都在致力于现代通信技术的研究与 开发以及现代通信网的建设。移动通信作为现代通信系统中不可或缺的组成部分，是一 门复杂的高新技术，它不但集中了无线通信和有线通信的最新技术成就，而且集中了网 络技术和计算机技术领域的许多成果。耳前，移动通信已从模拟通信发展到了数字移动 通信阶段，并且正朝着个人通信这一更高级阶段发展。未来移动通信的目标是，能在任 何时间、任何地点、向任何人提供快速可靠的通信服务。 1 1 移动通信系统的组成部分及主要性畿指标 本章首先介绍移动通信系统的基本组成部分及主要的性能指标，本文将围绕这些主 要的性能指标展开研究。 1 1 1 移动通信系统的组成部分 移动通信系统就是利用数字信号传递消息的通信系统而数字信号指的是不仅在时 间上离散的且在幅度上也离散的信号。移动通信系统的形式各种各样，但从数字通信的 特点以及所完成的功能上来看，可把它概括成图1 1 所示的系统模型 图1 1 移动通信系统框图 东南大学硕士学位论文 信源是信息的发出源，按其性质可分为离散信息源和连续的模拟信息源。信宿是信 息的归宿 信源编码广义地说包含两个方面；( 1 ) 将输入信号变换成适合于移动通信系统处 理和传输的数字信号。如果信源是模拟信号，应首先进行模拟数字变换，使经过编码后 的输出信号成为时间上离散、幅度取值有限、且按一定规律组合的数字脉冲串； ( 2 ) 通过信源编码提高数字信号的有效性，尽可能地减少原信号中的多余度，进行压缩带宽 的编码，使单位时间、单位系统频带上所传输的信息量最大。这两个方面是在信源编码 的过程中同时完成的。信源译码则是信源编码的逆过程。 信道编解码主要是为解决可靠性问题而设置的。由于信源编码后的数字信号要通过 无线信道来传输，而信号又不可避免地受到各种噪声和干扰的影响，因此会导致接收端 数字信号的判决错误。信道编码是一种对传输的原始信息按一定规则人为地加入冗余信 息、在接收端通过信道译码以达到发现和纠正误码的技术，这种技术称为。差错控制技 术”。 一般来讲，经信道编码的二元数字信号不适合在信道上直接传输，调制器的任务是 把数字信号变为适合于信道传输的信号，解调器的过程正好相反。通常对数字信号的频 带调制有a s k 、f s k 、p s k 和q a m 等调制与解调方式对通信质量的影响比较大，因此 应根据具体应用场景合理选择。 定时同步系统使数字信号序列按节拍一步一步地工作，收、发两端的节拍一定要一 致，否则将出现混乱。另外发送的数字信号序列常常是编组的，收端必须知道这些编组 的头尾，否则就无法恢复原始信息。要保证收、发两端的节拍一致，必须有同步系统的 控制。 1 1 2 移动通信系统的性能指标 通信的有效性和可靠性是评价通信系统的两个最重要的指标对移动通信系统来 说，通信的有效性是指信息传输速率；通信的可靠往主要是指信息传输的差错概率，其 次还有功率利用率、频带利用率等指标 本文的第三章主要关注采用了分层调制系统的可靠性，这种可靠性用误码率( b e r ) 来衡量误码率的定义式为 只= 传错码元数传输码元总数 第1 章绪论 本文第四章综合考虑了多用户o f d m a 系统的通信有效性和可靠性，文章指出，子 载波采用分层调制方式传输数据时，可以在满足一定阿传输速率和传输可靠性的条件下 提高系统的功率利用率 1 2 移动信道的特性及建模 在移动通信中，关于信道对接收信号的影响，我们可按大尺度效应( l a r g e s c a l e e r e c t s ) 和小尺度效应( s m a l l s c a l e e f f e c t s ) 从统计特性上来分别加以讨论当接收机处 于空问中某一位置时，它在该位置附近接收到的信号功率的本地平均值( l o c a lm e a n ) 将受到信道大尺度效应的影响这些影响包括视距( l i n e = o f - s i g h t ) 路径损耗、绕射 ( d i f f r a c t i o n ) 、阴影( s h a d o w i n g ) 及雨或植被造成的衰减等效应。大尺度效应将主要 影响无线小区的覆盖范围。而小尺度效应主要描述由于无线信号的多径传播，当接收机 或发射机稍有移动，或传播媒介稍有变动，接收机接收到的信号幅度将出现剧烈起伏的 现象电磁波所到的这些损害可归纳为如下三类： 路径传播损耗( 自由空间的路径损耗) ：它是指电磁波在空间传播穿过各种介质 造成的电平损耗，它反映了传播在宏观大范围( 即公里量级) 的空间距离上的 接收信号电平平均值的变化趋势 阴影衰落：它是由于在电波传播路径上受到建筑物、树木及山丘等的阻挡所产 生的阴影效应而造成的损耗。它反映了中等范围内的几百波长个量级接收电平 的均值变化而产生的损耗，一般服从对数正态分布，其变化较慢 快衰落损耗( 多径衰落) ：它主要是由于同一传输信号沿两个或多个路径传播， 以微小的时间差到达接收机的信号相互干涉，从而引起接收信号场强瞬时值星 现快速变化的现象。它反映微观小范围内几十波长量级的接收电平的均值变化 而产生的损耗。接收信号场强的变化强度取决于多条路径电磁波的强度，相对 传播时间，以及传播信号每个采样点的延迟时间 由上面描述，无线电信号通过无线信道时会受到三个方面的衰落损失，这样我们可 以将接收信号的功率表示为 p ( 回= i j r s ( d 江( 田 ( 1 1 ) 上式中d 表示距离矢量，其绝对值表示用户与基站的距离与前面三种信道损 害对应，i d r 表示信道的路径损耗，s p ) 表示阴影衰落，丑p ) 表示多径衰落，相应的 东南大学硕士学位论文 无线信道传播模型如图1 2 所示。在无线通信系统中，小尺度衰落是永远存在的，即使 接收端严格固定，信道环境仍然处于变化之中。在相对较小的时间和距离范围内，与小 尺度衰落相比，传播损耗和阴影衰落几乎保持不变，因此下文将主要讨论小尺度衰落。 黾 v 静 麟 距离( 对数) 围1 2 无线信道路径损失和信道衰落示意图 1 , 2 1 移动信道的小尺度衰落 对于移动通信系统，小尺度衰落具有时延扩展和睁变特性。时延扩展特性将导致信 道的频率选择性衰落，时变特性导致信道的时间选择性衰落，下面将具体分析导致频率 选择和时间选择特性的原因。 多径衰落信道 由于地面和周围建筑物的反射，发射信号通常会经过凡条不同的路径蓟达接收天 线。正是由于多径传播的存在，每一径的传播距离不同使得每一径的传播时延不同，那 么到达接收端的时间就存在先后，第一径到达与最后一径到达的时延差被称为信道 多径扩展接收端的信号电平反映了不同时间到达的多径信号的强度分布。 当发射信号是连续的符号流时，符号周期互与信道多径扩展臻的关系决定了信道 对信号传输影响的大小。当 互时，多径扩展会带来码间干扰，称这种信道影响为， 频率选择性衰落。如果接收端有能力区分这些多径信号，那么码间干扰的影响将会缓解。 当 正时，对应信号的频 带宽度五近似大于相关带宽而，信号谱的幅度产生失真，造成码间干扰；当 互时， 对应信号的频带宽度二近似小于相关带宽五，信号谱的幅度同比例变化，可能造成信号 功率的降低。 另外指出： 正。所以，可以将w c d m a 系统 中的信道准确地描述为具有频率选择性和慢衰落特性的多径无线信道。 文献【2 7 】中指出，频率选择性衰落信道下，工个时延径组合而成的时交冲击响应为 l - 1 j l ( 一t ) = 再矗( t 万( 7 一力) ( 1 4 ) l = o 式中，日为第，个时延径的功率；g l ( t ) 为第，个时延分量，是复高斯过程，g l ( t ) 功率谱 就是第z 个时延径上的多普勒功率谱；力为抽头时延。这样经过信道后的信号表示为 i , - 1 ( t ) = 厕r ( t ( t 一力) ( 1 5 ) 。l 。f f i 0 模型要求三个时延径中，当i j 时，g i ( t ) 与们( t ) 相互独立。 经典的j a k e s 仿真方法可以得到符合经典( c l a s s i c a l ) 多普勒功率谱要求的g l ( t ) ， 但是不能够同时输出多个相互独立的g l ( t ) 。文献【4 的附录中指出：经典的j a k e s 仿真方 法可以通过适当地改变相位来得到多个独立的r a y l e i g h 分奄。文献 1 】中提到如果进一步 将相位参数修改为均匀分布的随机变量，同时适当修改模型的其它参数可以得到任意多 个相互独立的r a y l c i g h 分量，下面给出该模型的计算公式，这也正是我们在仿真中使用 的模型， x ( t ) = 五( t ) + 妫( t )( 1 6 ) g c o s ( u t + 氟) 晶c o s ( u t + a ) - 6 - ( 1 7 ) ( 1 8 ) m脚脚 上届旦坷 = = ” 幻 五 五 第1 章绪论 g = 翟 。f 扼s i n 咖 晶2 i2 血 n = 0 n = 1 2 ，。肘 n = 0 n = 1 ，乏肘 = 蚴c 1 百2 7 r n + 每) n = o ，k ，m2 蚴。0 8 百+ 膏j n 2 o ，l ， ( 1 9 ) ( 1 1 0 ) ( 1 1 1 ) a ，靠( os 仃m ) 都是【_ 丌 霄) 上均匀分布且相互独立的随机变量。模型的输出 x ( t ) 就是需要的研( t ) ，重复计算此模型多次就可以得到多个相互独立的r a y l e i g h 分量。 k 戳g 呔 行( t ) 图1 3 一种通用的信道仿真方法 表1 - 1 常用信道模型的时延和功率分布 信道 输出 i t u p a 速度3 1 a n hi t u p b 速度3 k m hi t u v a 速度3 0 k m hi t u v a 速度1 2 0 k n g h ( p a 3 )( p b 3 )( v a 3 0 )( v a t 2 0 ) 时延 n s l功率 d e 】时延【m 】功率【d b 】时延 n s l功率 d e 】时延i n s 功率 d e 】 o00o0o00 l l o9 72 0 0_ o 93 1 01 03 1 01 o 1 9 01 9 - 28 0 04 97 1 09 o7 1 09 o 4 1 0- 2 2 81 2 0 08 o1 0 9 01 0 o1 0 9 01 0 o 2 3 0 07 81 7 3 01 5 01 7 3 0一1 5 0 3 7 0 02 3 92 5 l o2 0 o 2 5 1 0 锄o 东南大学硕士学位论文 这样，我们可以得到一种通用的w c d m a 信道仿真方法，如图1 3 所示，其中， t ( 0 工) 和只( 0 i l ) 分别表示时延径的时延大小和功率，这两组参数通过 p a 、p b 和v a 等模型给出的经验参数得到。常用的信道参数可由表1 1 得到。 1 3 课题的背景与意义 在图1 1 所示的系统框图中，调制解调模块是移动通信系统中的一个重要的组成部 分，调制的目的是把要传输的信息转换成可以通过无线信道传输的形式，也就是把信号 变换到适合传输的频率。一般来说，调制把基带信号转变成一个频率较高的带通信号， 用基带信号按照一定规则去改变高频载波的幅度、相位或者频率这些参数的过程。 数字调制方式分为线性调制和非线性调制。线性调制技术中，传输信号的幅度随着 数字信号的变化而线性变化。线性调制技术的带宽效率高，所以非常适用于在有限的频 带内要求容纳越来越多用户的无线通信。常见的线性调制方法有b p s k 、q p s k 、o q p s k 、 z r 4 q p s k 、q a m 。非线性调制也称作指数调制，也就是我们所说的频移键控( f s k ) 。 最小频移键控( m s k ) 是一种特殊的连续相位的二元f s k 方式，由m s k 演变而成的 g m s k 是一种在移动通信系统中广泛使用的非线性调制方式。 不同的调制方式具有不同的传输效率和传输可靠性，调制方式的不同会影响到系统 的整体性能，因此，在选择时应慎重考虑。比如，对于深空通信，由于功率资源极其有 限，这时宁愿选择频谱效率低但功率利用率高的m 元正交信号调制方式；相反，对于 带宽受限的有线通信和移动通信，应选择多进制的数字调制方式，如m p s k 、m q a m 等。 1 3 1 多进制数字调制技术 多进制数字调制技术的特点在于：在相同的符号速率的条件下，多进制调制系统的 信息传输速率要高于二进制数字调制系统；在相同的信息速率条件下，多进制数字调制 系统的符号速率要低于二进制数字调制系统。一个m 进制的符号可以携带l 0 9 2 m 个比 特的信息，而一个二进制的符号只能携带一个比特的信息。数字通信系统中常用的多进 制数字调制方法包括恒定包络调制和非恒定包络调制，两种调制方法的典型实例分别为 m 进制的相位调制( m p s k ) 和正交幅度调制( m q a m ) 。 - 8 - 第1 章绪论 m p s k 调制中，载波相位可以从m 个数值隈= 2 1 f i l m ( i = 0 , l ，m 一1 ) 中选择， 经过调制的波形可以表示为 魂( ) = 虿c o s f 2 丌搿+ 2 ，r i m ) ：瓦。i 2 叫肘) 。o ( 2 乏t 卜酉曲( 2 叫m ) 血( 2 以t ) o _ 刁 其中，耳表示每符号的能量。当采用矩形脉冲成型时，选择c ( 2 7 r 五t ) 和血( 2 7 r 俗) 作 为正交基信号，构成二维空间，并且在该空间内来理解信号，从而构成星座空间的概念 星座空间内每个调制信号所对应的点被称作星座点。医此在这种二维空闯内，m p s k 信 号就是均匀分布在以原点为圆心、巧为半径的圆周上，其中相邻两点之间的欧氏距离 为2 压血( 俨) m q a m m p s k 调制中信号静幅度是保持僵定的，因此可以得到圆形的星座分布图如果调 制信号的相位和幅度都可以发生变化，则可以得到另外一种非幅度恒定的正交幅度调翩 ( q a m ) 方法。经过m q a m 调制的信号表示为 民( t ) = 厨蝴( 2 吒t ) + 厨s i n ( 2 7 r 五t )( 1 1 3 ) 其中i = o 】 ，m 一1 ，瓜表示幅度最小的信号的能量，龟和是一对独立的整数， 可以根据星座的位置来确定同样，采用矩形脉冲成型，也可以在由8 ( 2 丌五t ) 和 s l u ( 2 丌五t ) 所构成的二维星座空间内来表示q a m 调制所对应的星座点m q a m 根据其 星座分布形状可以分为方形m q a m 调制( m = 4 , 1 6 ，6 4 2 5 6 等) 和非方形m q a m 调制。 方形m q a m 调制可以看作是在c o s ( 2 丌l t ) 和8 1 n ( 2 r 五t ) 方向上分别实施面维的p a m 1 3 2 分层调制技术 分层调制属于多进制线性数字调制的范畴，特别适用于多媒体信号的传输未来的 移动通信系统必将是多媒体的通信系统，如何高效、可靠的传输多媒体信号成为了近年 来的研究热点在视频编码方面，m p e g - 4 标准能够根据信道的可用带宽将视频信号分 割成多路适合信道传输的数据流；d c t ( 离散余弦变换) 方法能够根据图像信号的重要 东南大学硕士学位论文 性将它分割成多个部分。为了能够支持这种多路数据流的并行传输并保证各自的传输质 量，分层调制技术应运而生，并得到了广泛的研究和应用。 另外，由于不同类型的业务具有不同的业务服务质量( q o s ) 要求，典型地，语音 业务对误码率的要求较低而对时延要求较高，图像数据业务对误码率要求较高而对时延 要求较低，因此，在语音和图像数据混合传输的场合，分层调制技术有着天然的优势， 能够在保证q o s 的前提下实现多媒体数据的高效传输【2 】。 分层调制在视频数据传输和混合业务传输方面的优势，使得它具有很大的研究意义 和很广泛的应用价值。特别在移动电视系统中，分层调制已经取得了商业上的价值，使 得移动电视标准赢得了市场。 1 3 3 分层调制的研究现状及其应用 分层调制作为一种新的调制技术，能够实现在同一调制符号中不同位置的比特上承 载不同q o s 的数据，从而满足各自的b e r 要求。分层调制的这一特性引起了人们广泛 的关注和研究：文献 8 】、【9 1 分别分析了4 膨一q a m 分层调制和p s k 分层调制的相干解 调，并给出了b e r 性能的解析表达式；文献【l o 】、【11 分别分析了自适应q h m 分层调 制和自适应p s k 分层调制在语音、数据混合传输方面的应用和优势；文献【1 2 】给出了分 层调制和调度技术结合的研究，指出在物理层采用分层调制时，这种结合能够在不降低 谱效率的前提下，提高用户的平均调度概率；文献 1 3 】描述了分层调制在o f d m a 子载 波分配、比特和功率分配方面的研究，本文的第五章内容在此基础之上进行了更为涤入 的研究。 在研究分层调制技术的同时，人们也将此技术投放于市场，已经在移动的各大标准 中成功应用：流行于欧洲各国的数字广播系统d v b t 标准和日本的i s d b - t 标准( 综合 业务数字广播) 中将分层调制技术纳入调制方案；美国高通公司发布并全力推出的 m e d i a f l o ( m e d i af o r w a r dl i n ko n l y ) 标准中，分层调制技术也成为其一大卖点；3 g p p 组织的移动通信长期演进( u 陋) 中，也选择分层调制作为移动电视调制方案。随着通 信技术的进一步发展，分层调制技术必将获得更为广阔的应用空间。 第1 章绪论 1 4 本文主要研究内容和结构安排 本文在介绍分层调制基本原理的基础上，分别对分层调制的最优星座图设计、软解 调方法、分层调制在多用户o f d m a 系统中的无线资源分配方法、移动电视系统中分层 调制参数对系统性能的影响等四个方面做了详细的研究和仿真，具体研究内容如下： 第1 章简要介绍了移动通信系统的模型、移动信道的特性和建模以及分层调制技术 的应用背景和意义 第2 章给出了分层调制的定义，将它按照各层调制方式的不同进行了分类，并针对 q a m 型分层调制的星座参数提出了一种满足q o s 的最优设计方法，通过实例和计算机 仿真验证了设计方法的正确性。 第3 章以一个采用了t u r b o 编码和4 m q a m 分层调制的通信系统为背景，详细描 ， 述了该类型分层调制的软解调方法，并就分层调制基本层的软解调方法进行了简化仿 真结果表明：简化的软解调方法在不降低误比特率性能的前提下使得复杂度降低到简化 前的一半 。 。 第4 章将分层调制技术应用到多用户o f d m a 系统中，各个子载波采用分层调制方 法可以有效的避免用户在选择予载波时的相互冲突，同时，分层调制也带来了一些新的 问题。本章在前人系统模型的基础上提出了一种g r e e d y 方法，并将c , r 比d y 方法用于改 进的系统模型。仿真结果表明：与前人的系统模型相比，改进的系统模型更适合采用 c , r d y 方法，具有较低的实现复杂度。 第5 章将4 m q a m 分