（通信与信息系统专业论文）窄带高速数据传输系统研究及仿真.pdf

摘要 窄带高速传输系统是一种缓解日益紧张的带宽资源和高速率传输数据要求而 引发的课题。其中c p m 信号作为一种有记忆的非线性连续相位信号，具有带宽 利用率高，带外衰减快等特点。并且其调制方式相当于一个卷积码编码器，由此 可以在一定程度上保证c p m 信号的可靠性传输，因此c p m 信号常作为窄带高速 传输系统调制方式的首选。 本文提出了一种基于单一同步头序列的同步策略，这种方法将同步波形的匹 配值和波形特点相结合进行分析，能够简单、准确的确定位同步。仿真显示，该 同步方法在减少运算量时，还能保证同步性能。重点仿真研究了低通截断的c p m 系统和全功率的c p m 系统性能，仿真结果表明，系统性能得到了改善。 本文针对解调复杂度大的c p m 传输系统，根据v i t e r b i 算法和b c j r 算法 译码时的特点，针对性的提出了简化的译码算法。并对这两种简化算法，介绍其 原理，步骤，仿真了简化后算法对于原来系统的性能影响。随后在基于d s p 的 c c s 平台上，对于优化算法的实用性和合理性进行了仿真，证明了优化算法在适 当降低系统性能的基础上，大量的改善了解调端的算法复杂度。 关键字：c p m 同步维特比b c j r a b s t r a c t t h ec o n t r a d i i c t i o nb e t w e e nt h eb a n dr e s o u r c e sa n dh i g h s p e e dd a t at r a n s m i s s i o n l e a d st ot h es t u d yo nn a r r o w b a n da n dh i g h s p e e ds y s t e m a sak i n do fn o l i n e a r c o n s t a n te n v e b p em o d u l a t i o n t h ec p m s i g n a lh a st h ea d v a n t a g e so fh i g hb a n d w i d t h u t i l i z a t i o na n dp o w e re f f i c i e n c yf o rc o n t i n u o u sp h a s e a n dc p ms i g n a lh a sac e r t a i n c o d i n gg a i nb e c a u s eo f i t sb a s e b a n dm o d u l a t o rc a nb ec o n s i d e r e da sac o d e r t h en e ws y n c h r o n i z a t i o nm e t h o di sb a s e do nt h ez e r op o i n to fw a v e f o r ma n d m a t c h i n gc o r r e l a t i o np e a k t h ec h a r a c t e ro fs y n c h r o n i z a t i o nw a v e f o r mi sa n a l y z e di n d e t a i l t h e nc o m b i n e dw i t ht h er e s u l t ，s i m u l a t i o nr e s u r ss h o wt h a tt h i sm e t h o dc a n e n s u r es y s t e ms y n c h r o n i z a t i o np e r f o r m a n c ea n dr e d u c et h ec o m p u t a t i o na tt h es a m e t i m e t h e nt h i sp a p e rf o c u s e do nt h ep e r f o r m a n c eo ft h ec p ms i g n a l , s i m u l a t em a n y m e t h o d st oi m p r o v es y s t e mp e r f o r m a n c e a no p t i m i z a t i o na l g o r i t h mo nv i t e r b ia n db c j rd e c o d i n gi sp r o p o s e di nt h i sp a p e r i no r d e rt or e d u c et h ec o m p u t a t i o n b a s e do nt h ec h a r a c t e r i s t i c so fv i t e r b ia n db c j r a l g o r i t h m , t h es i m p l i f i e da l g o r i t h mi sa n a l y s i s e di nd e t a i l ，i n c l u d e so f i t st h e o r y , p r o c e s s a n ds oo n b e s i d e st h er e s u i tb a s e do nm a r l a b ，i ti sa l s ov a l i d a t e db a s e do nc c s s o f t w a r ep l a t f o r m t h er e s u l t ss h o w st h a t t w om e t h o d sa r eu s e f u lt o p r a c t i c a l a p p l i c a t i o na n d c a nr e d u c et h ec o m p l i c a t i o no f a l g o r i t h m k e y w o r d s ：c p m s y n c h r o n i z a t i o n v i t e r b ib c j r 第一章绪论 第一章绪论 1 1 论文选题及研究意义 在大多数数字通信系统中，可获得的信道带宽是有限的，因此，系统设计人 员在选择用来发送信息的调制技术时，必须考虑因为信道带宽限制而造成的约束。 但是在现代通信中，对于系统容量和数据速率的要求越来越高，高速率传输在各 种领域的广泛应用需求和日益紧张的带宽资源成为了一个不可调和的矛盾。在这 种情况下，传统的b p s k 1 、q p s k 等调制方式已经不能满足应用的需求，需 要采用改进的调制方式来减小窄带对高速系统信号的影响。恒包络技术可以保持 较窄的功率谱，以满足窄带高速对于频谱的要求，而多进制技术，是提高频谱利 用率的可行性方法。因此，将这两种技术相结合，从而实现窄带高速。由此本文 研究的就是c p m 2 1 ( c o n t i n u o u sp h a s em o d u l a t i o n ) 技术，由于其是一种有记忆的非 线性连续相位调制技术，可以尽可能的在满足功率谱要求的条件下，达到更快的 传输信息速率的一种调制方式。并且c p m 调制是一种恒包络调制技术，这种调 制可以使用功率效率高的c 类放大器3 1 ，不会是的发送信号所占用的频谱增大。 并且带外辐射低，可达到6 0 d b - - 7 0d b 。而且恒包络调制信号可用限幅器4 1 5 1 s 鉴相器检测h 卯，从而简化接收机的设计，可以很好的抵抗随即噪声或者是由瑞 利衰落6 1 而引起的信号波动。 1 2c p m ( 连续相位调制) 技术研究与发展 c p m ( c o n t i n u o u sp h a s em o d u l a t i o n ) 技术，即连续相位调制，是在连续相位的 f s k 即( c p f s k ) 的技术上发展起来的。c p m 调制技术中的特例，如g m s k 1 、 m s k 早已成功的在第二代移动通信中得到了广泛应用。在这种调制方式中，由于 相位的记忆作用，从而导致信号相位被限定是连续的，避免了相位的突然跳变。 这个约束条件导致了c p m 调制信号的带外辐射功率小、功率谱密度非常集中， 比b p s k 信号有更好的功率谱特性。c p m 的调制是一种网格编码的调制技术，类 似于卷积码，这种特性又使得c p m 信号具有纠正错误的能力，获得了编码增益9 l 。 与线性调制相比，c p m 信号有非常多的参数可供选择，可满足人们的不同要求， 但是复杂的参数肯定以为这c p m 信号的处理比较复杂，增加了解调难度。但是 随着数字信号处理芯片能力的不断提升，和对非线性比较敏感的q a m 1 0 l l i l l 、 o f d mt l o l 川1 等调制方式相比，c p m 仍有其一席之地，尤其是在应用与非线性信 2窄带高效数据传输系统研究及仿真 道机v h f 通信，主要应用与军用超短波通信，和卫星通信和深空通信之中，由于 其度功率效率要求较高。由此可见，c p m 的应用范围涉猎较广，并且有着非常重 要的意义。 c p m 的研究可以追溯到上个世纪6 0 年代，1 9 6 1 年，多尔兹和希尔德( d o e l z & h e a l d ) 发明了c p m 的特例信号，m s k 信号。而在随后的几年中，安德森和扎 尔茨、贝内特和赖斯、安德森和扎尔茨以及贝内特和戴维都对c p f s k 和c p m 信 号的功率谱进行了研究，给出了一些c p m 信号功率谱特性的说明以及论述。 t a u l i n 等人于1 9 8 1 年发表两篇论文 1 2 1 【1 3 】，分别详细描述了完全响应的c p m 信 号和部分响应的c p m 信号。在a n d e r s o n 、a u l i n 和s u n d b e r g 于1 9 8 6 年发表的著 作( d i g i t a lp h a s em o d u l a t i o n ) ) 1 4 】中，对连续相位调制做了全面的综合论述，包括 其误码性能和频谱特性。在c p m 信号的传统表示法中，相位轨迹是时变的，即 两个相邻符号间隔内的相位轨迹是不同的，而时变的相位轨迹会增加检测时的复 杂度。 在随后的发展中，编码理论得到了快速发展，尤其是在t u r b o 码提出之后， c p m 开始和各种编码技术相结合，其中s c c p m 5 1 即串行级联连续相位调制技 术，被证明了比t u r b o 码拥有更优秀的性能。因为s c c p m 编码统计具备了连续 相位调制和串行级联码的优点1 1 6 1 1 1 7 1 ，即很高的频带利用率和功率利用率，以及 类似t u r b o 码的误码性能，从而使其在移动通信、卫星通信和遥测等领域获得了 广泛的重视和应用。 1 3c p m 的软判决译码 通信的目的是准确、快速的传输消息，因此有效性和可靠性就分别代表了传 输信息的速度和质量的问题，而这两个也是评价通信系统优劣的只要指标。在传 统的c p m 信号的表示方法中，相位轨迹是时变的，即两个相邻符号间隔内的相 位轨迹是不同的，而时变的相位轨迹会增加检测时的复杂度。在1 9 8 8 时，r i m o l d i 发表了文献，将倾斜相位的概念引入到了c p m 调制信号中，修改了c p m 信号传 统相位表达式，这样做的好处是，信号的相位轨迹不会随着调制指数h 的改变而 发生改变，是一个时不变的轨迹，这样c p m 的相位轨迹变化只和比特进制数m 和关联长度l 有关系。并且r i m o l d i 还将c p m 的调制端分为了连续相位编码( c p e ) 和无记忆调制器( 加旧两个部分组成，这样使得c p m 的调制变成了类似于卷积码 编码的调制方式，也是的c p m 信号具有了类似于卷积码的编码增益1 1 5 1 并用网 格图来描述c p m 信号相位的条边方式。基于c p m 信号的这种特点，其实可以应 用v i t e r b i 和b c j r 这两种软判决译码。 传统通信系统中使用的应判决译码，是解调器对输入信号先做判决，然后将 第一章绪论3 判决结果直接送给译码器，译码器根据输入的判决结果再根据编码结构做判决， 这是硬判决译码的思想。但是解调器对输入信号先做判决，其实丢失了对译码有 利吃的信息。为了提高通信系统的性能，人们提出了软判决译码，这种软判决译 码也是基于信息论的角度出发的。这种方法是当解调器对输入信号不进行判决， 而是将一个概率值或者是一个没有进行量化的值输出到译码器，译码器对这些信 息进行再加工，将接收到的进行了一种综合比较，从而得到最终的译码结果。有 研究指出，基于硬判决的译码要比基于软判决的译码性能会差2 d b 左右1 1 9 1 。 人们常用的软判决一般分为两大类：一种是基于整个序列最佳的维特比译码 算法，是由v i t e r b i 在1 9 6 7 年提出的算法，这种算法保证了整个序列是个最佳似 然译码序列。另外一种是逐比特译码的软判决译码，即保证每个比特的判决错误 概率最小，最有名的就是有b a h l 、c o o k e 、j e l i n e k 和r a v i v 在1 9 7 4 年共同提出的 b c 1 r 算法1 2 ，是一种基于最大后验概率的译码算法。这两种算法对各种卷积码 的编码方式都是适合的，但由于算法复杂度的原因，在t u r b o 码出现之前，v i t e r b i 译码算法较b c j r 算法的应用广泛，而后b c j r 也有了其新的活力，本文对这两 种算法的复杂度都进行了研究以及说明。 1 4 本文工作和章节安排 本文着重于基于c p m 的窄带高速传输系统仿真，对c p m 信号的功率谱和误 码性能进行了大量仿真，并且基于v i t e r b i 和b c j r 译码算法的复杂度进行了分析， 并针对复杂度交大的c p m 系统，提出了自己的译码优化方案，主要工作如下： ( 1 ) 提出了一种基于单一同步头序列的同步方法，能够简单、准确的建立同 步。 ( 2 ) 基于低通截断和c p m 本身功率谱特性两个角度如何实现窄带高速系统， 进行了大量的性能仿真。 ( 3 ) 对于v i t e r b i 算法的复杂度进行研究，提出了一种优化方法，并进行仿真 验证。 ( 4 ) 对于b c j r 算法进行研究，提出了一种优化方法，并进行仿真验证。 本文内容安排如下： 第一章，绪论，介绍了本文选题背景以及意义和窄带告诉系统的研究现状， 以及本文研究内容，并对本文结构给出了说明。 第二章，c p m 调制理论介绍。介绍了c p m 信号表达方法，c p m 信号特点， 和常用的c p m 解调方法，详细的推导了c p m 调制信号的表达式，介绍了c p m 最佳接收机等解调端技术。 4窄带高效数据传输系统研究及仿真 第三章，基于频谱的c p m 信号仿真及研究。仿真用低通滤波处理频谱后的 c p m 信号，给出功率谱密度的说明，以及仿真了添加r s 码后系统性能。还给出 了全功率的c p m 信号不同解调方法，即v i t e r b i 译码方法和b c j r 译码方法下的 误码率。 第四章，针对c p m 的两种解调方法v i t e r b i 译码算法和b c j r 译码算法，分 析了每种算法在m = 8 时，3 r c 仿真参数下的c p m 译码的算法复杂度，并根据两 种译码算法的特点，提出了改进方法，简化解调复杂度 第五章，结束语。对论文工作进行总结，并展望下一步的研究工作。 第二章c p m 调制解调理论基础 5 第二章c p m 调制解调理论基础 本章从传统c p m 信号出发，介绍了c p m 信号表达方法，c p m 信号特点，和 常用的c p m 解调方法，详细的推导了c p m 调制信号的表达式，介绍了c p m 最 佳接收机等解调端技术。 2 1 连续相位调制技术简介 2 1 1c p m 调制信号理论说明 c p m 信号的载波调制信号1 可以表示为： 乳) = 厚州2 咖如堋班吲川) 丁柳) 基带复信号表示为： = 序州化懈，肥吲川) r 蝴 其中t 是符