（通信与信息系统专业论文）移动通信中可变速率调制的研究.pdf

摘要 摘要 本文采用计算机仿真软件对变速率q a m 调制进行仿真，并对其性能进行分析。 变速率q a m 调制就是根据移动信道的衰落情况自发地改变q a m 的调制星座图的星 象点数：衰落小的时候增大调制电平数，衰落比较严重的时候就减小调制电平数，使 信号保持一定的质量。这样就可以在信道特性比较好的情况下，尽可能地提高数据的 传输速率。从而提高频谱资源的利用率，解决一部分现在存在的频谱资源紧张的问题。 本文所做的工作是用计算机仿真分析其性能。 i 试验结果表明：在信噪比比较高的时候，变速率q a m 调制方式的频谱利用率可 以比q p s k 提高一倍以上。、j 关键词：变速率q a m ；多径衰落；信道估计 a b s t r a c t t h i s p a p e rd e a l sw i t ht h ep r o b l e mo fv a r i a b l er a t eq a m ( q u a d r a t u r ea m p l i t u d e m o d u l a t i o n ) ，w h i c ha d a p t i v e l yv a r i e st h en u m b e ro fm o d u l a t i o nl e v e l si na c c o r d a n c e w i t ht h em o b i l er a d i of a d i n gc h a n n e lv a r i a t i o n s w h e nt h er e c e i v e ri s n o ti naf a d ew e i n c r e a s et h en u m b e ro fc o n s t e l l a t i o i l p o i n t s ，a n da st h er e c e i v e re n t e r saf a d ew ed e c r e a s e t h e nd o w nt oav a l u ew h i c h p r o v i d e sa l la c c e p t a b l eb i te r r o rr a t e ( b e r ) b u tm a i n t a i n i n ga c o n s t a n tt r a n s m i t p o w e rt h r o u g h o u t w eu s et h ec o m p u t e rt os i m u l a t ei t s i m u l a t i o n ss h o w t h a t ，w i t hh i g hs n r t h es p e c t r a le f f i c i e n c yo fv a r i a b l er a t eq a m c a nb em o r et h a nt w ot i m e st h a nt h a to f q p s k k e yw o r d s ：v a r i a b l er a t eq a m ，m u l t i p a t h f a d i n g ，c h a n n e le s t i m a t e 第一章概述 1 1 引言 现代社会已步入一个信息的时代。在这一时代中，人与人之间的一个重大需 求是要进行各种信息的传输与交换，在这一过程中，通信起着一个重要的支撑作 用。目前，现代通信技术已经渗入各个行业，与人们的工作、学习、生活建立了 密切的联系。人们对通信的需求日益迫切，对通信的要求也越来越高，人们希望 达到的是能在任何时候、任何地方、与任何人都能及时沟通、交流信息的理想目 标。显然，这一愿望的实现，必须借助于移动通信。 移动通信是现代通信技术中不可缺少的一个重要组成部分，是由于人类对政 治、经济、文化生活的需要，由于对通信的要求越来越高，由于希望能够不受时 间、地点限制地进行信息交流而应运而生的。移动通信是一门复杂的高新技术， 一般是指移动体与固定地点、或者移动体相互之间通过有线或无线信道进行的通 信。它不但综合了无线通信和有线通信的技术成果，而且还包含了计算机以及网 络技术，涉及领域十分广泛。 近年来，移动通信已取得了很大的发展，但对照于其理想的目标还相差甚远， 还远远不能满足用户日益增长的需求，因而，对移动通信的研究仍在不断的深入 进行着。 利用计算机仿真技术对通信系统的研究是以计算机为基础，根据所要求达到 的目的，借助计算机建立通信系统的模型并在不同的条件下对该模型进行实验的 检验。它不仅具有经济、安全、实验周期短的优点，而且可以及时的将通信、计 算机等行业的新技术添加到其仿真系统中，因此，在移动通信的研究阶段被广泛 采用。 下面将移动通信的发展、现状、发展方向及本论文的主要工作概述如下。 1 2 移动通信的发展历史 早在1 8 9 7 年，马可尼在陆地和一只拖船之间，用无线电进行了消息传输， 这就是移动通信的开端，至今，移动通信已有1 0 0 多年的历史。现代移动通信技 术发展起始于2 0 年代。从本世纪2 0 年代到4 0 年代，首先出现了在短波上开发出 的专用移动通信系统。如美国底特律市警察使用的车载无线电系统，这是现代移 动通信的起步阶段。1 9 4 6 年美国建立了第一个公用汽车电话网，到6 0 年代初期 陆续产生了几种公用移动电话系统。6 0 年代到7 0 年代中期，是移动通信系统改 进和完善阶段，大区制系统开始应用，使用4 5 0 m h z 频段，实现了自动选频与自 动接续。 从7 0 年代中期到8 0 年代中期是移动通信蓬勃发展时期，1 9 7 8 年美国贝尔实 验室研制成功了a m p s 系统。采用蜂窝技术，建立了蜂窝状移动通信网，大大增 加了系统容量。1 9 8 3 年首次在芝加哥投入商用，到1 9 8 5 年3 月已扩展到4 7 个地 区，大约1 0 万移动用户。其他国家也相继推出各种蜂窝式公用移动通信系统：日 本于1 9 7 9 年推出8 0 0 m h z 汽车电话系统( h a m t s ) ：西德于1 9 8 4 年完成c 网， 频段为4 5 0 m h z ；英国1 9 8 5 年开发出9 0 0 m h z 全接入系统( t a c s ) 。这一 阶段的特点是蜂窝移动通信网成为实用系统，并在世界各地迅速发展。另外其 它科技如微电子技术、计算机技术等日趋成熟，使得通信设备小型化、微型化， 不仅为大型通信网的管理与控制提供了技术支持，也促进了移动通信的发展。 从8 0 年代中期开始，是数字移动通信发展和成熟时期。第一代模拟蜂窝移 动通信网存在很多问题，主要是：频谱利用率低、设备复杂、业务种类受限制、 通话保密性差等等，除了通信网本身存在的技术问题外，还有一个重大的应用问 题就是其容量已经满足不了越来越多的移动用户的需求。而数字蜂窝移动通信系 统则可以解决这些问题。因为数字无线传输的频谱利用率高，可以大大提高系统 容量，而且数字系统可以采用计算机技术，便于管理。另外，它能提供多种业务 服务，如语音、数据等，并且可以与i s d n 等网络兼容。欧洲率先推出了数字移 动通信网( g s m ) 系统，随后美国和日本也制定了各自的数字移动通信标准。这 是第二代蜂窝移动通信网。 在所使用的技术上，移动通信的发展过程及趋势可概括如下【3 】： 工作频段由短波、超短波、微波到毫米波、红外和超长波； 频道间隔由1 0 0 k h z 、5 0k h z 、2 5k h z 到1 2 5k h z 和宽带扩频信道； 调制方式由振幅压扩单边带、模拟调制到数字调制； 多址方式由频分多址( f d m a ) 、时分多址( t d m a ) 、码分多址( c d m a ) 到混合多址，以及固定多址和随机多址的结合； 网络覆盖由蜂窝到微蜂窝、微微蜂窝和混合蜂窝； 网络服务范围由局部地区、大中城市到全国、全世界，并由陆地、水上、 空中发展到海陆空一体化； 业务类型由通话为主到传送数据、传真、静止图象，直到传送综合业务。 移动通信从产生到现在的发展历史并不长，但其技术已经出现高速发展趋 势。正当第二代数字移动通信系统正处于研究和开发的高潮时，关于未来移动通 信网的研究已经展开，人们已将目光和注意力投向了新一代移动通信系统的发展 上，在各种方案中，评论最多的是个人移动通信网( p c n ) 。这就是第三代移动通 信系统，是以后移动通信的发展方向。 1 3 移动通信发展现状 目前，模拟蜂窝网正渐渐退出，数字移动通信网成了移动通信的主要运营手 段，现有的数字系统主要有【7 】：欧洲的数字蜂窝移动通信系统( g s m ) ，北美的 基于i s 一5 4 i s 1 3 6 标准的d a m p s 系统，c d m a ( i s 一9 5 ) 系统，英国的 d s c 一18 0 0 系统，日本的p d c 系统等等。另外还有欧洲的第三代无绳电话( d e c t ) 等低功耗系统。 移动通信系统的发展是非常快的。1 9 8 5 年全世界蜂窝网用户数仅为5 5 ，3 万，而到1 9 9 0 年仅5 年的时间，其户数已超过了8 0 0 万。蜂窝移动通信已经成为 发展最快的通信网络之一。在我国，蜂窝移动通信网的发展开始于8 0 年代中期， 进入9 0 年代，发展势头迅猛无比。1 9 9 0 年用户不到2 万。1 9 9 3 年为6 4 万，1 9 9 4 年增加到1 5 7 万，而到2 0 0 0 年1 1 月我国移动电话用数达到8 6 0 0 万户。 1 4 个人通信 随着移动通信的发展，人们越来越希望使用一种辐射低，保密性好的通信系 统，随着移动用户的增多，频谱利用率则越来越被通信运营商所重视。 目前，第三代移动通信( 3 g ) 试验正如火如荼第三代技术仍然在缓慢地进 入市场，世界上有五种3 g 标准 w c d m a ，t d - - s c d m a ，c d m a 2 0 0 0 ，u w c 一13 6 d e c t 。 在第三代系统还未正式商用的情况下，有关第四代的研究已在全世界的范围 内展开。 其正在进行和将要进行的工作有【7 ： 支持广泛的业务和多种业务速率( 或多媒体业务) ； 高质量的业务要求： 工作在混合蜂窝小区的场合； 工作在不同的环境； 在频率和无线电资源管理、系统建立和业务提供等方面具有高度的灵活 性： 能工作在不同的经营者的网络中。 关于个人通信的研究有很多工作要做，其持续的时间会很长。在这期间，它 的概念会不断地延伸和扩展，相应地也会刺激微电子、计算机、网络以及其它相 关技术的发展。反过来，这些技术的发展又可以对个人通信的实现起到促进作用。 从而必将促进无线通信的飞速发展。 1 5 变速率调制的概念 为了改进g s m 系统的传输性能，在以g s m 网为基础的提供分组无线电业务 的g p r s 和e d g e 中采用了多种调制方式，如q p s k 、8 p s k 等高电平调制方式。 但是，由于移动通信的传输信道条件不固定，所以在信道条件好时达到了高效传 输的目的；而在信道条件差时，在高效传输的同时，也带来了误码率的增加，甚 至可能造成传输的失败。 为了解决传输速率与信道条件的矛盾，人们产生了变速率调制的想法。变速 率调制是通过控制，改变调制信号的调制电平数来达到在信道条件好时多传输信 息，在信道条件差时少传输信息，以达到即能使系统具有较高的传输性能，又不 使误码率有较太的增加。变速率q a m 调制就是一种可利用在半径较小的微小区 或微微小区的高效传输技术。 1 , 6 本文的主要内容及所做的工作 本文主要是利用计算机仿真软件m a t l a b 对可变速率调制q a m 进行仿真， 对可变速率q a m 调制的性能进行理论分析，分析其频谱利用率。 在后面的章节中，对q a m 调制和变速率q a m 调制的原理进行了详尽的介 绍和分析，介绍了q a m 调制和变速率q a m 调制的收发信机结构。对可变速率 q a m 调制的性能进行分析，并同其它调制方式进行了比较。本论文各章的具体 安排如下： 在第二章中，对q a m 的调制原理、理论公式的推导做了较为详细的论述。 在第三章中，分析了可变速率调制q a m 的原理和性能，介绍了通信系统的 收发信机框图等有关方案。 第四章介绍了仿真的原理、方法。 第五章是对变速率调制q a m 的性能进行评估，通过仿真模型，对实验数据、 图表进行分析，评估其性能。 最后一章是对全文的总结，主要说明本文工作的成果，还说明了工作中出现 的问题和不足之处，以及对以后改进的一些想法。 ! ：丝墅塑罂里墅塑型墼一 第二章q a m 调制的原理 和方案设计 2 1 引言 在系统带宽一定的条件下，多进制a s k 调制系统和p s k 调制系统的信息传 输速率比二进制高，即多进制有较高的频带利用律。但是，多进制调制系统频带 利用率的提高是以牺牲功率利用率为代价的。因为，当调制电平数m 增加时，信 号空间中的各个信号象点间的最小距离会减小，其判决空间的判决区域也会随着 减小，1 玉i d k ，当信道条件变差时，接收信号的误码率就会随着增大a 为了解决即 要提高信息传输速率又要不增加误码率的问题人们提出了振幅相位联合键控 f a p k ) 的调制方案，其原理可简单叙述如下： ，7 _ 、 - - | f ! 了 ， i 7 - 、 ，7 ，j - - 一、 ，7 7，- 。 、，j l i j j 、一 j 1 、 一 -， ( a ) 4 a s k ( b ) 8 p s k ( c ) 8 a p k 图2 14 a s k 调制、8 p s k 调制、8 a p k 调制的信号空间矢量图 第二章q 埘调制的原理和方案设计! 图2 1 中画出了4 a s k 调制、8 p s k 调制以及8 a p k 调制的信号空间矢量图， 由图2 1 ( a ) 可见，4 a s k 调制的4 个象点仅有幅度上的变化，而无相位上变化； 而由图2 1 ( b ) 可见，8 p s k 调制的8 个象点只有相位上的变化，而无幅度的变 化；可以想象得出，若保持信号的最大功率不变，随着调制电平数m 的增加，a s k 调制的象点将在同一相位的直线上分布的越来越密，而p s k 调制的象点将在同一 幅度的圆周上分布的越来越密；因此，其判决区域变小了，误判也就容易产生了。 再仔细看一下图2 1 ( a )、( b ) ，可以看到，无论a s k 调制还是p s k 调制，都 没有充分的利用信号空间，a s k 调制将其象点挤在了一条直线上，而p s k 调制将 其象点挤在了一个圆周上，这实际上就是多进制调制时容易增加误码率的根本所 在。 设想若能合理的利用信号空间，将信号的象点较均匀的分布于整个信号空间 上，信号的象点间的距离将被拉大，判决空间的判决区域将比a s k 调制和p s k 调制的要大，误判的可能性将大大降低，而且，随着调制的进制越高，其优越性 会越明显，这就是a p k 调制即能高速率的传输，又不增加误码率的道理。图2 1 ( c ) 画出了8 a p k 调制的信号空间矢量图，由图可见，象点既有幅度的变化又有 相位的变化，分布于整个信号空间。当前，研究较多，并被建议用于数字通信的 一种a p k 调制信号是1 6 进制正交振幅调制( 1 6 q a m ) 信号。 下面，将以1 6 q a m 信号为例来分析q a m 调制的原理。 2 2 正交振幅调制原理 正交振幅调制是目前在大、中容量的数字微波系统中应用比较多的种先进 载波传输技术。它是二进制p s k 、四进制q p s k 调制的进一步推广，通过相位和 振幅的联合控制，可以得到更高频谱效率的调制方式，从而可在既定的频带内传 输更高速率的数据，它采用了两个正交载波c o s 吡f 和s i n 啡f ，每一个载波被一个独 立的信息比特序列所调制。 正交振幅调制信号的一般表达式为： j 2 i m c o s c o , t + q , s i n c o c t ， 佃兰f 4 临云与斋渊黼粝吾 础而m = 2 ，4 时，由于q a m 调制与p s k 调制的星座 图是相同的。所以，比较q a m 调制与p s k 调制无意义，因此，可以得出当m 4 时，q a m 调制的抗噪声能力比p s k 调制强。这一点也可从图2 7 所示的1 6 电平 的q a m 调制与p s k 调制的星座图中看出。所以，单从调制方式来说，高速率调 制更趋向于选择q a m 调制方式。 ，一。 i 一一 驺、 i ij i i- 一 一一j ： ： ? l o ， 、 i o ， 、t - - - -一- - ， 、一 一， ( a ) 1 6 q a m 星座图 ，”。 卜、1 i 、 ，7 ， ， f i 了 、 ，； - 、 卜，r ( b ) 1 6 p s k 星座图 图2 71 6 q a m 与1 6 p s k 星座图 方型q a m 调制可以看成两个振幅脉冲调制之和，利用振幅脉冲调制的分析结 果，可以得到m 进制q a m 调制的误码率为【3 】 7 】【1 0 】： 第二章q 枷调制的原理和方案设计 ，一耕爿品万怍舡珈 品万 ( 2 5 ) 式中，k = l 0 9 2 m 为每码元比特数，n 为每比特的平均信噪比，由( 2 5 ) 式的 性能曲线【3 】【7 可知，其高传输性能优于p s k 调制。 但是，从图2 6 可以看出，方型q a m 的信号矢量幅度和相位并不是规则分布 的，这将给载波恢复和自动增益控制等带来许多问题。虽然方型q a m 在抗噪声 方面具有良好的眭能，但是它并不适合r a y l e i g h 衰落信道。w c b b 等人 1 提出 将1 6 进制星型q a m 应用于移动信道，可以解决这些问题。 2 3 星型正交振幅调制 所谓星型q a m 就是信号的星象点在信号空间中呈星状放射性分布，同一层星 象点的振幅相同，位于一个圆周上。图2 8 是m = 1 6 时的两种具有代表意义的信 ，一一 、。 a - 一 飞心 if ，、。 j lk 。 ，f 卜v ? ”“一 a l 、 乍辜 古j 凶 46 i ( a ) 方型1 6 q a m 星座图 ( b ) 星型1 6 q a m 星座图 图2 8 两种1 6 l e v e lq a m 星座图 ： ，。，塑堑堡墼塑堂錾堑。，。，。 号空间分布图：1 6 进制方型q a m ( 1 6 一l e v e ls q u 盯eq a m ) 星座图和1 6 进制星型 q a m ( 1 6 1 e v e ls t a rq a m ) 星座图。 当所有信号点都等概出现，则q a m 信号的平均发射功率为： a 2m i 2 亩善( + e ：) ( 2 _ 6 ) 若以1 6 电平q a m 调制为例，以图2 8 中所标值为基础，可以算出【7 】，方型q a m 情况下，= 1 0 a 2 ，而在星型q a m 情况下，= 1 4 0 3 a 2 ，两者功率相差4 0 3 d b ， 其原因主要来自于信号结构的不同。 将图2 8 ( a ) 和( b ) 做一下对比，就可以看出两者的区别：由于星型q a m 的星象点分布在二层圆周上，因此，星型q a m 只有两种振幅值，而方型q a m 的 星象点相当于分布在三层圆周上，因而它有三种振幅值；另外，由于星型q a m 的星象点在圆周上是均匀分布于放射线上因而星型q a m 的相位值有8 种，而 方型q a m 的星象点在圆周上的分布是非均匀的，因而它有1 2 种相位。因而可见， 星型q a m 与方型q a m 在振幅数、相位数上都存在着差别。此外，若进一步地将 3 2 进制、6 4 进制星座图进行比较，将会看到，随着星象点数的增加，两者在数目 上的差别会更大。采用星型q a m 的星座图，可以消除方型q a m 在锁相过程中出 现的因假锁带来的长突发性错误。而且可采用差分振幅编码，简化了电路，同时 避免了a g c 不能跟踪衰落包络变化，从而引发的幅度解调出现错误的情况。 星型q a m 的信号表达式为： s r ，j = k 咖硝+ “s t o o d = a 4 ，le x p j ( 啡t + j 0 ， t( 2 7 ) 信号即有相位调制，又有幅度调制，因而，可以认为是幅度调制和相位调制的组 合。调制时，将输入信息分成两部分：一部分进行基带幅度调制，另一部分进行 相位调制，其原理可以由1 6 q a m 调制信号来说明。 对于1 6 迸制星型q a m 信号，信号的每个码元由四个比特组成，把它分成两 部分：第一个比特、后三个比特。第一个比特进行差分振幅调制，即通过差分的 方式来改变q a m 向量的幅度值。当输入为“0 ”时，当前信号码元的振幅与前一 码元振幅相同，保持不变：当输入比特为“l ”时，则将当前码元信号的向量振幅 改变，跳转到与前一个码元信号的向量振幅不同的振幅环上。 对后三个比特，我们采用差分相位调制，通过g r a y 差分相位编码的方法来改 变信号的相位，将当前码元信号向量相位与前一码元信号向量相位的相位差由 g r a y 差分相位编码来控制。其输入数据与相位差的关系如表2 一l 所示。 第二章q 枷调制的原理和方案设计 表2 - l 星型1 6 q a m 的相位变化 输入比特组相位增量 0 0 00 0 0 1 彳 0 1 l 必 1 1 1 ，么 1 0 l 石 1 0 0 5 必 1 1 0 3 必 0 1 0 7 解调时，也分为两部分进行。将内环上八个矢量的振幅记为一。，外环上的八 个矢量的振幅记为4 ，设对第k 个码元采样时，接收信号的振幅采样值为z k ，相 位采样值为& t 进行差分判决时，将本码元样值佤，吼) 与前一码元样值( 五+ b 一。) 进行比较以确定振幅和相位是否发生了变化。 振幅差分解调的方法是，比较当前码元与前一码元的振幅差别，若变化超出 一定范围，就认为振幅发生了改变，该比特被判为“l ”；否则判为“0 ”。自适应 判决方法如下： 如果 见笋 肌( 2 - - 8 ) 厶i 一 则认为前后码元的振幅没有发生跳转变化，判决该比特为“0 ”：否则即认为振幅 发生了较大的变化，存在振幅跳转现象；将该比特判为“l ”。其中o 尻 l 。以和风由信号星座图振幅环的振幅值共同确定。 若令： 口f = l a ，+ a 2 助= 尝 则式( 2 8 ) 可以写成： c 忐卜五( 华) z h ( 2 - - 1 0 ) 在该判决方法中，判决门限与前一码元振幅值磊一? 有关，信号矢量的振幅发生变 化时判决门限也随之而变。因而，在衰落信道中，该判决方法能进行自适应地判 决，是一种自适应门限判决方法。 因为1 6 q a m 调制只有8 种相位，所以相位解调采用8 d p s k 解调方法即可。 若当前码元为第k 个码元，一种方法是先计算当前码元与前一码元的实际相位差： a 0 = ( 以一以一i ) r o o d 2 z r ( 2 - 1 1 ) 然后对d 口取整： 仃 4 ( 2 1 2 ) 再比较a 0 与表2 1 中的相位增量值，就可得到相应的数据。 另外，也可以不对a 8 取整，直接计算a o 与表2 1 中的相位增量的差，选择 与a o 相差最小的相位增量作为当前码元与前一码元的相位差，最后根据表2 1 确定被调制数据。 将振幅和相位解调出来的比特复合起来，就得到1 6 进制星型q a m 的解调数 据，完成了解调过程。 在衰落信道中，接收信号的振幅和相位都会发生随机的变化，当这些变化大 到一定的程度时就会引起误判，因此，尽管星型q a m 比方型q a m 存在很多优 点，衰落和噪声仍然会引起接收信号的振幅和相位的变化，带来一定的误码。文 献 7 u 0 1 中提出了一种简单的多次取样外推法可以粗略地预测衰落引起的变化并 加以补偿，具体方法如下： 在每个码元内等间隔取样r 1 次，将第k 个码元内的各样点的振幅和相位记为 一一1r- 警一 ，。l rnf | 口d 第二章q 心调制的原理和方案设计 1 7 磊，磊，氙。和以r 吼2 ，吼3 。 当e b n 。较低时( 3 0 d b ) ，利用当前码元内的第一个样点( z ，j 仇，) 与前一个 码元的最后一个样点【z k - 1 n ；b 吐。) 进行判决。 当e 伽。较高时，根据第k 个码元内的样值计算外推值： 五“= 五，厂鱼出 ( 2 1 3 ) 咄一半( 2 - 1 4 ) 然后利用( z 。；o k 。) 和“。j 巩。) 进行判决。 2 4 正交振幅调制的性能 正如前文所述，方型q a m 调制可以看作为两路双边带抑制载波调幅信号，利 用在相同频带内的频谱正交性，实现两路并行独立的数字信息传输的一种方式。 所以，q a m 的功率谱取决于两路正交信号的基带功率谱，带宽都是基带信号带宽 的两倍。 利用脉冲振幅调制的分析结果 1 ：我们可以得到m 进制方型q a m 在加高 斯白噪声( a w g n ) 环境中的误码率表达式为： p w 叫卜击川r f c i 卜打击坳【j 右，以 1 一了南扣、硒卜 l 一圭 1 一赤 e 例、砸” ( 2 - 1 5 ) 此式是式( 2 5 ) 的变形，其中，e = p c 为信号的每符号平均能量( 其中_ p 为 信号的平均功率，t 为信号码元周期宽度) ，n 。为白噪声的噪声功率谱密度。 从上面的分析可以知道，由于星型q a m 调制是d a s k 调制与d p s k 调制的 综合，可以用d a s k 调制与d p s k 调制的性能来分析和推断出星型q a m 调制的 性能。文献 1 5 【1 7 对1 6 进制星型q a m 调制的性能进行了分析。按其思想方 法，可知，对于m 进制星型q a m 调制，如果它每个码元的n = l o g ，m 个比特中， 18 鳖堕鱼星垫丝些塑堕；一 霖蔗蒸= d a s k 萧鬲霜n - - 夏i 丽霞蒸d p s k 萧而藤丽e r ) i 个比特进行 调制，另外 个比特进仃 调制，则共儇比肾罕。廿e k 为： pb,moam=百i，+百n-ipb p bd a s kp b , d 脒 ( 2 1 6 ) 2 万，+ 百脒 “ 对于1 6 进制星型q a m ，它是由2 d a s k 调制和8 d p s k 调制综合而成，其误 比特率b e r 为： 13 p b , 1 6 s t a r q a m 2 言p 6 ，2 删蹦+ 百p 6 8 。船足( 2 - 1 7 ) 在r a y l e i g h 衰落信道中，接收信号的表达式为： ，( f ) ：兄( r ) e x p 删。+ 口( r ) + 占( r ) 】 ( 2 1 8 ) r 0 ) 代表信号的振幅，服从r a y l e i g h 分布。s ( f ) 为衰落引起的相位误差，服从( o ，2 石) j 晶均匀分布。设一。为第n 个码元的发射振幅，月。为第n 个码元接收振幅的采样 值；厂= 为平均信噪比s n r 则2 d a s k 的b e r 为 1 5 1 ： p b , 2 d a s k = 1 2 + 1 似xz ，y l j ( a ，圳，p r ，= 加圳一加= 几 一川( 2 1 9 ) 式中 吖r i a ，a n 一 f + j ， a r 4 ， 一，j = i 一， = 石a n 2 + 蛘 4 a 一 a = 4 一t ( 2 2 0 ) ( 2 2 1 ) ( 2 2 2 ) 第二章q a m 调制的原理和方案设计 一1 9 p 2 丽i 1 4 n 酾, 4 n _ 1 见和风如式( 2 q 9 ) 所示。 一= 豇 一守。卜剀 c 小斗髯高胛孵( ( 2 2 3 ) ( 2 - 2 4 ) ( 2 2 5 ) 从理论分析及模拟曲线可以知道：在r a y l e i g h 衰落信道中，平均b e r 性能最 好的是相干解调的方型q a m ，然后依次是相干解调c p s k 、星型q a m 和d p s k 。 但是如果采用差分编码，方型q a m 的性能比星型q a m 提高的不超过2 d b 。而星 型q a m 在载波恢复和a g c 等方面的优点，将使得它在移动通信应用中更有价值。 第三章变速率q a m 调制 的原理和方案设计 3 1引言 在移动通信的传输信道中，对信号的干扰主要来自于多径传输引起的 r a y l e i g h 衰落，在r a y l e i g h 衰落信道中，即使信噪比很高的情况下，也有可能出 现深衰落现象。这一现象对信号的影响主要产生于对信号振幅的衰减。因此，采 用q a m 调制方式传输数据时，振幅的衰减若比较大，就会出现突发性错误。解 决这一问题的方法之一是采用功率控制的方法，即保持调制星座图不变，根据接 收功率的大小，来调节发射功率。当接收信号衰落比较严重的时候，增大发射机 的发射功率；反之则减小发射功率。但是，这除了对发射机性能提出了更高的要 求增加了其复杂度外，更严重的是会在增大发射机功率的同时增加系统的共道 干扰，从而影响了整个通信系统的通信质量和容量。所以这并不是一个有效的方 法。 我们还可以采取的解决这一问题另一种方法是：采用变速率调制，即发射机 发射功率保持不变，根据接收信号的衰落情况通过改变数据传输速率自适应地改 变调制的星座图。其产生的作用为：当信道衰落比较弱，信号质量比较好的时候， 增加调制电平数；而当信道处于深衰落期，接收信号功率比较小的时候，减小调 制电平数，增加信号空间中的信号矢量端点之间的最小距离，减少误码概率，使 b e r 保持一个可以接受的程度。 若调制方式采用q a m 调制时，即为所谓的变速率q a m 调制。其核心思想是 根据接收信号的衰落情况不断的自适应的改变q a m 调制的星座图。由于变速率 q a m 调制的星座图随着信道的衰落状况而不断改变，因此数据的传输比特率或者 码元速率也是不断变化的。所以称这种调制方式为变速率q a m 调制。在本论文 中，我们保持码元速率不变，而改变比特速率。 第三章变速率q 埘调制的原理和方案设计 3 2 变速率q a m 调制的提出 移动通信在发展之初，用户比较少。频谱资源的问题并不严重。因而，早期 的移动通信系统是在其覆盖的区域中心设置大功率的发射机，采用高架天线把信 号发送到整个覆盖区( 半径可达几十公里) ，这种系统的主要缺点是它能同时提供 给用户使用的信道数极为有限，例如，7 0 年代美国的i m t s 系统仅能提供1 2 对信 道。然而近年来，随着移动通信技术的成熟和逐步走向民用化和实用化，移动用 户数量迅速增加，传统移动通信系统的容量已经不能满足需求。但是，现有的频 率资源有限，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，其信道传输速率要远远大于现有系统的信道传输速率，如果采用现有 技术，则信道带宽也要宽的多，就会使频率资源更加紧张。所以必须开发新的理 论和技术，来解决这个越来越紧迫的问题，使移动通信成为人们有效的通信手段。 为了增加系统容量，人们采取的解决方法之一就是将覆盖区划分为若干小区 ( c e l l ) ，采用小功率发射机，并随着技术的发展，采用区群( c l u s t e r ) ，频率再用， 小区分裂的方法不断地降低发射机功率及减小小区半径，即所谓的蜂窝通信系统， 将移动通信从大区制变到小区制，小区半径从几十公里缩小为几公里。而现在应 用的微蜂窝以及微微蜂窝，其小区半径只有一、二百米，甚至几十米。这样，单 位面积区域内的系统容量就可以增加很多。而由此带来的另一好处就是移动信道 的传输特性有了很大的改善。由于通信距离很近，收发信机之间的障碍物相对较 少，很可能在视线范围内。接收信号就会存在较强的直达分量，信道的多径衰落 特性由r a y l e i g h 衰落变成r i c i a n 衰落，对振幅的衰落影响就没有那么严重了。 正交振幅调制( 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 ) 信号的振幅和相位都 包含消息信息。但是，由于多径衰落对信号振幅的影响比较严重，所以长期以来， q a m 一直被认为不适合移动信道，不能在传统蜂窝系统中使用。但是这种调制方 式的优点是频谱利用率很高，比如在相同的码元速率情况下，1 6 q a m 基带信号 带宽与2 p s k 相同，每码元所代表的比特数却是2 p s k 的4 倍；频谱利用率提高 了3 倍。因而，随着有较强直射波的微小区的出现，这种有较高频谱效率的调制 方式又引起了人们的重视。 正是基于上述原因，r s t e e l e 和w t w e b b 在九十年代初提出了变速率q a m 2 2 移动通信中可变速率调制的研究 i l l l 调制的概念 8 1 5 。所谓变速率q a m 调制，就是根据移动信道的衰落情况而 自动地改变q a m 的调制电平数，即其调制星座图的星象点数。换句话说，变速 率q a m 调制保持数据传输的码元速率不变，即波特率不变，但根据信道条件的 好坏，增加或减少每码元的电平值数目，即每码元符号所代表的数据比特数并不 是恒定的，随着信道的衰落特。眭而不断调整。当信道传输特性比较好，信号受到 的衰落比较小的时候，增加调制电平数，提高比特率：而当信道的衰落比较严重， 信号处于深衰落期的时候，就减小调制电平数，降低比特率，使误比特率( b e r ) 保持在可以接受的程度。这样在保持一定的误比特率情况下，就可以尽量提高信 号的数据传输速率。然而，变速率q a m 调制必须要求码元速率要远远大于传输 信道的衰落变化，才能使调制电平教的调整符合信道特性。所以，变速率q a m 调制比较适合于步行手机用户或慢速行驶的移动台。 s t e e l e 等人对变速率q a m 调制进行了研究 1 1 1 5 ，并做了计算机模拟。 模拟结果表明：在相同的性能要求下，变速率q a m 调制能够比现有实用的调制 方式大大提高频谱利用率。变速率q a m 调制方式可以在未来的移动通信系统中 采用，用来解决部分频谱资源紧张的问题。 3 3 变速率q a m 调制的星座结构 如前所述，变速率q a m 调制的码元速率保持不变，而只根据信道条件改变 每码元的调制电平数目。由于在衰落信道中，星型q a m 比方型q a m 存在许多优 点，所以在变速率q a m 调制方案中选用星型星座图，调制电平数从1 b i t s y m b 6 b i t s y m b 自适应的调节。当然，如果信道的衰落情况比较好，接收机的噪声足够 的低，且不考虑其实现的复杂程度的时候，也可以采用到更高的调制电平数。 图3 1 是变速率q a m 调制所采用的各种不同调制电平数目的星座图结构。 增加每码元比特数目是采用加倍幅度坏数目和加倍相位点数目交替进行的。从每 码元1 比特的2 q a m ( b p s k ) 开始，一个码元代表的数据每增一比特，就依次将 星座图的相位值或振幅环数增加一倍，即从1 b i t s y m b 的b p s k 信号开始，对于 2 b i t s y m b 信号，加倍相位点数目得到q p s k ：对于3 b i t s y m b 信号，加倍幅度坏数 目得到二电平q p s k ：对于4 b i t s y m b 信号，加倍相位点数目得到1 6 电平q p s k ： 对于5 b i t s y m b 信号，加倍幅度坏数目得到3 2 电平q p s k ；对于6 b i t s y m b 信号， 、 f l i ， 、 ， 一一，7 2 1 e v e ls t a rq a m 1b i t s y m b ( b p s k ) 乐矛 忐p ：多 16 j e v e ls t a rq a m 4 b i t s y m b r 、- ，喂龠： 塔馘 _ l 一， 3 2 1 e v e js t a rq a m 5 b i t s y m b 一。 一、 i | l 、 、 。一 4 一l e v e ls t a rq a m 2 b i f f s y m b ( q p s k ) 7 1 孓“ 心乡 8 一i e v e ls t a rq a m 3 b i t s y m b 卢弋一、，、 篇赫 蝣裂 、 一，t 7 6 4 一i e v e is t a rq a m 6 b i t s y m b 图3 - 1 变速率q a m 调制所采用的几种星型q a m 星座图 ，lll+ lllll 2 4 移动通信中可变速率调制的研究 加倍相位点数目得到6 4 电平q p s k ；依此方法就可以得到所有的星座图。每种信 号中，各振幅环大小应使信号的平均能量相同，在这里，我们保持信号的最大功 率不变，即星座图的最大振幅环的幅度值恒定，内部振幅环的幅度值由实验结果 来确定。 3 4 变速率q a m 信号的数据帧结构 为了获得和利用有关信道变化的信息，变速率调制应工作在双工通信系统中， 适合于该系统的工作方式为时分双工系统( t d d ) ，即基地台( b s ) 和移动台( m s ) 都在同一频率信道上发射，但占用不同的时间。若选择了合适的帧长，则上行和 下行信道衰落状况接近相同。因而，接收方可由已接收到的发射信号对信道进行 评估后，以确定将要发射信号采用的q a m 的调制电平数目。另外，变速率q a m 的调制电平数是可变的，并不能预先确定发射信号采用的是哪一种信号星座图。 因而，发射信号的数据中必须包含有关调制电平数的信息并使其能正确地提取 出来，这就需要采用一种特别的数据帧结构。使用确知的调制方式对调制电平数 数据进行调制，插入到q a m 信号中，并使其在信号中正确地传输。解调时，先 对调制电平数进行解调，确定接收信号的星座图，然后再对q a m 信号进行解调。 根据上述考虑，变速率q a m 的数据结构为： 图3 2 可变速率q a m 调制的数据帧结构 在这种结构中，m s 和b s 都是先接收，对信道进行评估后再发射。数据帧分 第三章变速率q 删调制的原理和方案设计 堑 为四段：帧头段包括同步序列与i ) i i 练序列，用于提取同步信息：电平数据段中包 含当前数据块中q a m 调制电平数的信息；信息数据段包含要传送的q a m 调制数 据；帧尾段为时分方式的保护时间。 如前所述，电平数段信息对可变速率调制来说是至关重要的，若其出现错误， 将选择错误的星座图解调，从而使解调失败，所以电平数段必须保持很低的错误 率。通常电平数段采用具有良好解调性能的4 电平q a m 调制，即q p s k 调制， 并将调制电平数数据发送多次，接收端根据大数判决来恢复电平数信息并用于当 前帧的解调。 3 5 变速率q a m 的收发信机结构 现有的移动通信最常采用是时分双工系统( t d d ) 或频分双工系统( f d d ) 的双工方式，对