（通信与信息系统专业论文）自适应单载波、多载波调制中信号盲检测技术研究.pdf

摘要 自 适应传输技术是新一代移动通信和智能传输的核心技术之一。自 适应调制 是根据信道的实时状态以及业务的不同特性动态调整传输参数，从而可以充分挖 掘系统的传输潜力， 提高频谱利用率，以获得最大的传输容量和最高的可靠性。 自 适应传输中采用信号盲检测技术对信号的传输参数进行检测以实现收发双方的 信息互通，可以节省信令的开销，对提高接收机的智能化水平有重要的研究意义。 本文基于智能化传输的思想，对自 适应调制中的信号盲检测技术进行了探索性的 研究。本文的主要内容和成果如下: 1 .研究了自 适应调制中波特率，信噪比 和载波相位等参数的估计算法;提出 一种基于修改的欧几里得算法的波特率估计算法，这种算法可以对突发分 组的 波特率做出 准确估计; 提出一 种星型q a m信号的 信噪比 估计算法， 在 中等信噪比条件下，具有较好估计性能。 2 .对自 适应单载波和多载波调制中的调制方式盲检测算法进行了研究;在自 适 应单载波调 制中， 研究了 窄 带 信道下的a q a m调制原 理和a q a m调 制 最 佳星座图结 构; 在r a y l e i g h 信 道下 和高 斯信道下， 提出 一种基于高 阶累 积量的a q a m和a d p s k调 制方式 盲检测算法， 算法具有良 好的 检 测性能。 对于自 适应多载波调制，我们研究了o f d m调制和基于盲检测辅助的自 适 应o f d m的原理， 提出 一种在频率选择性衰落信道中a o f d m信号子信道 调制方式盲检测算法，并与已有的文献进行了比较，证明了 算法的有效性 和稳健性。 3研究了 载波同 步 和 码 元 定时 同 步与 调制 方 式盲 检 测算 法的 关 系;以自 适 应 单载波中高阶累积量调制方式盲检测算法为例， 对于载波同步误差引起的 频偏问 题，提出一种基于频偏稳健的 m d p s k信号调制方式盲检测算法; 对于未知调制方式信号的定时同步问题，提出一种盲定时估计算法，该算 法可以 估计m d p s k和m q a m信号的定时同 步信息， 实现数字信号的同步 分类;提出了一种基于调制方式盲检测的自 适应接收机结构，把调制方式 盲检测，信噪比估计和同步解调联合起来进行，实现调制方式随信道质量 而自 适应变化的信号的正确接收。 4 .在调制识别分类器的设计上，首次将统计学习理论的新成果支撑矢量 机应用在通信信号调制识别中;讨论了分类特征的选取，把接收信号的小 波特征或高阶统计量特征作为识别特征，利用支撑矢最机分类器实现信号 的调制识别。支撑矢量机把各个识别特征映射到一个高维空间，并在高维 空间中构造最优识别超平面分类数据，实现通信信号的调制识别。该方法 在信噪比变化范围较大的情况下，采用较少的训练数据就可以达到令人满 意的识别正确率。 关键词:自 适应单载波自 适应多载波高阶累积量 调制方式盲检测 调制识别支撑矢量机 abs t ract a s o n e o f t h e k e y t e c h n i q u e s o f n e w g e n e r a t i o n m o b i l e c o m m u n i c a t i o n s y s t e m s a n d b r o a d b a n d w i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n s s y s t e m s , a d a p t i v e t r a n s m i s s i o n t e c h n i q u e c a n e x p l o i t p o t e n t i a l c h a n n e l t r a n s m i s s i o n a b i l i t y s u ff i c i e n t l y s o t h a t i t e n a b l e s t h e s y s t e m s t o r e a c h t h e m a x i m u m t r a n s m i s s i o n c a p a c i t y a n d r e l i a b i l i t y b y d y n a m i c a l ly a d j u s t i n g t r a n s m i s s i o n p a r a m e t e r s a c c o r d in g t o c h a n n e l e s t im a t i o n a n d t r a ff i c q o s r e q u i r e m e n t t h e m o s t i m p o r ta n t c h a r a c t e r o f t h e n e x t g e n e r a t i o n m o b i l e s y s t e m w i l l b e s m a r t t r a n s m i s s i o n w h o s e f u n c t i o n m o d u l e w i l l b e i m p l e m e n t e d b y s m a rt p r o c e s s i n g u n i t . t h i s p a p e r d e a l s w i t h t h e b l i n d d e t e c t i o n t e c h n iq u e s in a d a p t i v e t r a n s m i s s i o n . t h e m a i n r e s e a r c h w o r k s a n d r e s u l t s a r e l i s t e d a s f o l l o w s 1 . m e t h o d s o f e s t i m a t i n g b a u d r a t e , s i g n a l t o n o i s e r a t i o ( s n r ) a n d r e f e r e n c e p h a s e a r e i n v e s t i g a t e d . a m o d i fi e d e u c l i d e a n a l g o r i t h m i s p r o p o s e d t o e s t im a t e b a u d r a t e o f t h e b u r s t p a c k e t s . a c u m u l a n t b a s e d a l g o r i t h m o f e s t i m a t in g s n r o f s t a r - q a m i s p r o p o s e d w h i c h h a s b e tt e r e s t i m a t i o n p e r f o r m a n c e in m e d i u m s c o p e o f s n r . 2 . t h e b l i n d m o d u l a t i o n d e t e c t i o n a l g o r i t h m s i n a d a p t i v e s i n g l e - a n d m u l t i - c a r r i e r m o d u l a t io n a r e s t u d i e d . t h e p r i n c ip l e s o f a d a p t i v e s t a r - q a m a n d t h e o p t i m u m c o n s t e l l a t i o n o f s t a r q a m a r e g i v e n . i n a d a p t i v e s i n g l e - c a r r i e r m o d u l a t i o n , a b l i n d m o d u l a t i o n d e t e c t i o n a lg a 雌 t h in b a s e d o n h i g h e r o r d e r c u m u l a n t s ( h o c ) f o r a q a m a n d a p s k i s p r o p o s e d . t h e e x c e l l e n t d e t e c t i o n p e r f o rma n c e o f a l g o r it h m i s e v a lu a t e d i n g a u s s i a n a n d n a r r o w - b a n d r a y l e i g h f a d i n g c h a n n e l . i n a d a p t i v e m u lt i - c a r r i e r m o d u l a t i o n , t h e p r i n c i p l e o f b l i n d d e t e c t i o n a s s i s t e d a d 叩l i v e o f d m ( a o f d m) i s g i v e n a n d a b l i n d m o d u la t i o n d e t e c t i o n a l g o r i t h m i s p r o p o s e d f o r a o f d m i n fr e q u e n c y s e l e c t i v e f a d in g c h a n n e l . t h e p e r f o r m a n c e o f t h e a l g o r i t h m i s c o m p a r e d w i t h t h e a v a i l a b l e a l g o r i t h m s a n d t h e e ff e c ti v e n e s s a n d r o b u s t n e s s o f t h e b l i n d d e t e c t i o n a l g o r i t h m a r e p r o v e d t h r o u g h s i m u l a t io n . 3 . t a k e t h e h o c b a s e d b l i n d m o d u l a ti o n d e t e c ti o n a l g o r i t h m a s a n e x a m p l e , t h e r e l a ti o n s h i p b e t w e e n t h e b l i n d m o d u l a ti o n d e t e c t i o n a l g o r i t h m a n d s y n c h r o n iz a t i o n i s i n v e s t i g a t e d . . a n i m p ro v e d d e t e c t i o n a l g o r it h m r o b u s t t o fr e q u e n c y o ff s e t i s p r o p o s e d w h i c h s o l v e s t h e p ro b l e m c a u s e d b y t h e e r r o r i n c a r r i e r s y n c h r o n i z a t i o n . h o w t o s y n c h r o n i z e a r e c e i v e d s i g n a l w i t h u n k n o w n m o d u l a t i o n ty p e i s s t u d i e d a n d a b l i n d a l g o r i t h m t o e s t i m a t e s y m b o l t i m i n g o f t h e s i g n a l s w it h u n k n o w n m o d u l a t i o n t y p e i s p r e s e n t e d . t h e a l g o r i t h m f i n d s t h e b e s t s a m p l e s f o r t h e u n k n o w n r e c e i v e d s i g n a l s a n d r e a l i z e s c o h e re n t r e c o g n i t i o n o f m o d u l a t i o n s . a n a d a p t i v e r e c e i v e r s t r u c t u r e i s p r o p o s e d w h i c h c o m b i n e s t h e b l i n d m o d u l a t i o n d e t e c t i o n , s n r e s t i m a t i o n , s y n c h r o n i z a t i o n a n d d e m o d u l a t i o n . t h e r e c e i v e r c a n p r o p e r l y re c e i v e t h e a d a p t iv e m o d u l a t e d s i g n a l s . 4 . t h e d e s i g n o f c l a s s i f i e r i s d e a l t w i t h a n d t h e s u p p o r t v e c t o r m a c h i n e ( s v m) , a n e w r e s u l t o f s t a t i s t i c s l e a rn i n g t h e o r y , i s u s e d i n m o d u l a t i o n r e c o g n i t i o n f i r s t l y . t h e c h o i c e o f c l a s s i f i c a t i o n f e a t u r e i s a n a l y z e d . t h e c l a s s i f i c a t i o n f e a t u r e v e c t o r s a r e e x t r a c t e d fr o m mu l t i - l e v e l w a v e l e t d e c o m p o s i t i o n ( mwd ) a n d h o c o f th e r e c e i v e d s i g n a l s . s v m m a p s i n p u t v e c t o r s n o n l i n e a r l y i n t o a h i g h d i m e n s io n a l f e a t u r e s p a c e a n d c o n s t r u c ts t h e o p t i m u m s e p a r a t i n g h y p e r p l a n e i n th e s p a c e t o r e a l i z e m o d u l a t i o n r e c o g n i t i o n . mo r e o v e r , t h i s m e t h o d i s r o b u s t t o t h e v a r i e ty o f s n r a n d a v o i d s o v e r fi t t i n g a n d l o c a l m i n i m u m i n n e u r a l n e t w o r k . t h e p e r c e n t a g e o f c o r r e c t i d e n t i f i c a t i o n f o r s i g n a l s i s s a t i s fi e d w i t h t h e f e w e r t r a i n i n g d a t a . k e y w o r d s : a d a p t i v e s in g l e - a n d m u l t i - c a r r i e r m o d u l a t i o n h i g h e r o r d e r c u m u l a n t s ( h o c ) b l i n d mo d u l a t i o n d e t e c t i o n mo d u l a t i o n r e c o g n i t i o n s u p p o rt v e c t o r s m a c h i n e ( s v m) 创新性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究 1_ 作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢中所罗列的内容以外，沦文中不包含 其他人己经发表或撰写过的研究成果;也不包含为获得西安电子科技大学或其它 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我 同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均己在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 本 人 签 名 : 拓 vy日期: 1 0 0 4 ， 0 1 ， 阳 -. 一-一-十 一 -，一一 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定， 即: 学校有 权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文:学校可以公布论文的全部或部 分内容， 可以允许采用影印、 缩印或其它复制手段保存论文。( 保密的论文在解密 后遵守此规定) 本人签名;润: 期 : 1 ,m 3 , 1 o l r b q 导师签名日期: 井r, ) r 6 (d 第一章绪论 第一章绪论 1 . 1 信号盲检测技术研究的背景 在人类社会发展的 近1 0 年间， 信息科学技术迅猛发展， 在社会各个领域得到 越来越广泛的应用，通信是信息产业中发展最为迅速、进步最快的行业。在通信 领域有两个最为积极、最为活跃并且发展也最为迅速的分支一一移动通信网和 i n t e m e t 网。移动通信网从第一代模拟语音传输发展到第二代数据传输， 现在的第 三代则引 入了多媒体技术( 语音、 数据和图像) ， 成为i n t e m e t 无线接入的主要技术。 在第三代移动通信系统中、 将有大量的基于分组数据传输的i p 业务。无线终端上 的一些高速数据业务， 如www浏览、文件传输、动态图象的传输等，对系统传 输的可靠性和系统容量提出了更高的要求。如何在现有的频带内更快地传递信息 ( 即如何通过提高信道利用率来提高系统容量) 就成为广大通信工程技术人员面临 的一大挑战。 第三代移动通信系统中将采用大量的智能通信技术，而自适应调制技术是智 能传输技术中最重要的技术之一。 传统的通信系统中， 所采用的无线传输方案都 是针对最恶劣的信道条件的， 而自 适应调制则是根据信道的实时状态以及业务的 不同特性动态调整传输参数，充分挖掘系统的传输潜力，提高频谱利用率，因而 它具有很大的灵活性。自 适应调制可以动态调整的参量包括:发送功率、调制方 式、 波特率、 纠错码等等。 其中， 基于发送功率的功率控制机制已 经在g s m等第 二代移动通信系统中得到应用。 在未来移动通信系统中， 新的系统将采用微蜂窝小区结构以 及小区重叠技术 以进一步提高系统容量。这时，不同小区的信道质量会有很大的差异，即使在同 一个小区内，靠近基站与小区边缘处的信道也会有很大差别。同时，信道衰落具 有时变特性，在某些时间信道处于衰落状态， ，而大部分时间信道则处于非衰落状 态 i -5 1 。 此时， 传统的固 定 模式 接收 机，即 使设计余量很高， 但当 发生 深衰落时， 仍然会出 现大量的突发误码，而自 适应接收机则可以根据信道条件自 适应调整信 号参量，实现最佳的信号传输。在自 适应调制系统中，发射机可以根据预测的信 道质量为发送的信号选择合适的参数， 很大程度上提高了 传输系统的性能。 传统的通信设备由于硬件设计的限制，在兼容性和灵活性上存在很多的局限 (s - u i ， 因此，自 适应调制应用的 研究受到一定的限制。 随着软件无线电的出 现以 及 信号处理技术的飞速发展，这个问题得到了解决。自适应调制与软件无线电相结 合，自 适应调制得到进一步的 发展， 信号的调制方式可以由 单载波向 多载波变化， i s n国 家 重 点 实 脸 尘 信总 料 毕 研 究 所 究带 凡 残 峨 核网 铸房 珍宜 2西安电子科技大学博士学位论文:自 适应单载波、多载波调制中信号盲检侧技术研究 或是在不同调制种类之间变化，处理余量更大，或更加灵活。在自 适应调制系统 中研究信号盲检测技术也就被赋予了更多的现实的意义。 利 用 信 号 参 数 盲检 测 技术 ( 12 1 实 现 收 发 双 方的 参 数 信息 传递。 一方 面， 可以 节 省信令的开销;另一方面，增加了接收机的参数识别能力，提高接收机性能，对 提高通信接收机的智能化水平具有很重要的研究意义。信号参数检测作为接收机 智能化的一个重要方面受到越来越多的重视。 本文的研究正是基于智能化传输研究的思想，对自 适应调制中的信号参数盲 检测技术进行了 探索性的研究。我们的目 的是:节省信令的开销，利用通信信号 盲检测技术实现收发双方的信息互通，提高接收机的智能化水平。信号盲检测是 对接收信号的 各种参数进行检测估计， 如波特率的估计、信噪比的估计和预测、 调制方式的盲检测等， 其中调制方式的盲检测为本文研究的主 要内 容。 调制方式盲检测又可被称为调制识别或信号分类等。在传统的信息对抗领域 中，调制识别或信号分类是一个很重要的课题，在最近的几十年中得到了广泛的 研究。我们称应用于自 适应调制领域的调制识别为调制方式盲检测。在自 适应调 制中， 利用调制方式盲检测技术识别接收信号的调制方式，实现接收双方的信息 互通，是一种新的研究方法。 1 . 2 自 适应调制的 研究、 发 展动态。 刀 无线 信道的 典型 特征是时变特性， 因 此 传统的固定 模式 ( fi x e d - an o d e ) 的接收 机 即 使 设 计 时 余 量 很 高， 也 易 受 到 突 发 错 误 的 影 响 。 早 在1 9 6 8 年， h a y e s 1 3 1 就 指出 : 为了 减轻 信道的 这些不利影响， 发 射机可以 根据近似瞬时 ( n e a r - i n s t a n t a n e o u s ) 的 信 道质量信息自 适应地改变调制方式和( 或) 信道编码的方式以 及其它一些系统参数。 h a y e s 提出 传 输 功 率自 适 应 方 式 补 偿 衰 落 (13 1 ， 但 功 率自 适 应 方 式 会引 起发 射 平 均功率和共道干扰的增加，功率放大器也需具有良好的性能，功率的使用效率不 高。 w .t .w e b b和r .s t e e le 提出了 一种基于多 进制 星型a q a m的自 适 应调制方案 n i r _ q a m l ta . i s 1 ， 其 前后 码元之间的 相 位与 幅 度都 采 用差分方 式， 以 接收 信号 的 强 度 或 误 码 率 作为 信 道的 估 计指 标， 具 有 较 好的 性 能。 g o ld s i m t h 和a lo u in i t19 x o 1指出 联合自 适应可变功率和可变速率方式在接近信道容敏这一意义上很具有吸引力， 指出 在多数衰落信道中功率可变、速率可变的自 适应方式只能比 功率恒定、 速率 可 变的自 适应方式 获得很少量的性能 提高。 o t s n k i 12 l l 等利 用w a l s h 码把信号 控制参 数 嵌入 到 传送帧中， 在接收机中 利用 最大 似然检 测解码。 l a u 和manicn提出一 种 符 号自 适 应 ( s y m b o l - b y - s y m b o l a d a p ti v e : s b s a ) 方 式 ， 发 射 机可 以 根 姆 信 道 的 状 态 i s n in 7 1e t a % 脸室 信息 科学 研究 衍 宽带无 城通棺pi 络实 粉t 第一章锗论 改变每个发送符号的调制方式。接收机则需要与发射机调制方式同步，以正确解 调接收到的符号， 该文献指出s b s a可以 在典型信道状况下获得与b b b a相类似的 性能。 在自 适应编码调制 方面， 文献 2 3 1 提出一 种波 特率自 适应调制的 方式， 其波 特 率 和 调 制 方 式 自 适 应 变 化 ， 主 要 采 用 的 调 制 方 式 为 壹 去 、 告 速 率 的 6 q a m 和 全 速率的1 6 q a m， 调制方式转换标准为 接收信号瞬时信噪比 和信道延迟。 m a t s u o k a (2 4 1 等人提出一种可变信道编码速率的自 适应方式，其传送的突发分组采用两种编码 方式，内码采用卷积码，外码采用r e e d - s o l o m o n 码，以获得高性能的数据传输。 c h u a 和 g o d l s m i t h 2 5 研究了 利用网 格编码进 行自 适应调 制的 性能， 指出 在通 过 瑞 利信道进行自 适应调制时， 在b e r为1 0 -6时，四个状态的网格编码可以获得3 d b 的编码增益， 8 状态的网格编码可获得4 d b的编码增益， 而1 2 8 状态的网格编码的 性 能 与 香 农 极 限 只 相 差 不 到5 个d b . n g ,w a n g 和h a n z o 2 b l 对 各 种自 适 应 编 码 调 制 的 性能 进行了比 较，研究了网 格编码调制( t r e l l i s c o d e d mo d u l a t i o n : t c m ) , t u r b o 码网 格编码调制 ( t t c m ) ， 交织 编码调制 ( b i t - i n t e r l e a v e d c o d e d m o d u l a t i o n : b i c m, 迭 代 解码 辅 助的 交织 编 码调 制( i t e r a t iv e - d e c o d i n g b i c m : b i c m - i d ) 等 编码 调 制 方 式， 最后得出在给定解码复杂度条件下， t t c m是最好的方式。 在早期的自 适应调制的研究中，主要研究的是窄带环境下系统的性能， 随着 技术的发展，自 适应调制的 研究从窄带发展到宽带多径环境。 k a m i o等人1 2 7 】在微 蜂窝和宏蜂窝环境下利用双向的判决反馈均衡器( d e c i s i o n f e e d b a c k e q u a l i z e r : d f e ) 实现自 适应均衡; 指出 宏蜂窝系统在利用自 适应调制技术后， 小区半径可以 变得更 大， 而微蜂窝系 统则 具有更高的 面 积频 谱使用效率 ( a r e a - s p e c t r a l e ff i c i e n c y : a s e ) . y e 。 和h a n z o l2 8 1研究了 利 用 各 种 径向 基 函 数 ( r a d ia l b a s is f u n c t io n : r b f ) 神 经 网络辅助的d f e在弥散信道进行通信， r b f 辅助d f e s 的优点是它们具有非线性 的判决边界。 在接收信号线性不可分情况下， 传统的d f e 对接收复信号会产生判 决错误， 而r b f 辅助的d f e s 可以 无误的 对接收矢量进行判决. 文 献 2 4 1 研究了自 适 应调 制 与 不同 的 多 址 接 入 ( m u lt ip le a c c e s s : m a ) 方 式 相 结 合的性能，作者用动态信道分配的方式在t d m a系统中根据信道的不同 质量指定 该信道采用的调制方式，最高优先级给那些预约时隙的用户，这些用户将得到最 好的 信道质量。与固定信道分配方式相比，这种方式在系统容量上有了 很大的提 高。自 适应调制与自 动请求重传 ( a u t o m a t i c r e p e a t r e q u e s t : a r q ) 相结合的 系统 性 能 在 文 献 3 0 ) 中 得到了 研究， 作 者 利 用 循 环 冗余 校 验编 码 ( c y c li c r e d u n d a n t c o d e : c r c ) 和 卷积 删余码对信息比 特进行 编 码以 提高 数 据的 吞吐量。 虽 然从分 层的 通信 体制来说，多址与调制属于不同的功能层。 但是适用于自 适应传输的多址协议应 i s n国家重点实 脸宜 信息科学 研完 所 宪带无钱城信阅 络亥 脸玄 4西安电子科技大学博士学位论文:自 适应单载波、多载波调制中 信号盲检测技术研究 该考虑到自 适应调制的要求。例如，信道质量反馈通路、信道变化的情况下，帧 长如何确定。近些年的研究已经证明:分组预约多址 p r ma 比 g s m 所采用的 t d m a体 制 具 有更 高的 效 率3 1 -3 6 1 。 而 且 考 虑 到 信 道 估 计的 实 时 性， 帧 长 度应该 更 短 。 m a s a y u k i k a w a g i s h i 3 7 1提出 一 种自 适 应 调 制的t d m a 方 案，t a k e h ir o i k e d a 3 8 1 提出基于自 适应调制的t d m a系统中动态信道分配策略，可以有效的提高系统容 量 ， h o n g b in g z h a n g 3 9 1也 提出 一 种 优 先 级 多 速 率 的 动 态 预 约 协 议 用 于d e c t 系 统 ， l a j o s h a n z o 14 0 1 将自 适 应 调 制以 及p r m a 协 议 用 于 无 绳电 话 系 统。 自 适 应多 载 波 传 输的 概念由k a le t 4 11 首 次 提出 ， 在文 献4 2 中c z y lw i k 等人 进 一 步 研究了自 适应多载波， 在文献 4 3 中由c h o w , c i o ff i 和b i n g h a n 得到 进一步发 展。 相关的 概念在文献【 4 4 中有详细的论述。 利用信号盲检测技术在自 适应系统中对信号的传输参数进行检测还是一种新 方法。已 有的文献中，信号盲检测研究的主要内 容为调制方式盲检测。文献 4 5 提出一种利用信号星座图方差的方法检测接收信号的调制方式，算法对接收信号 进 行均衡处 理， 并 假设理 想己 知信道 传输函 数。 文献【 4 6 提出 一 种利用t u r b o 码 的方式，通过计算软输入、软输出概率的算法对接收信号的调制方式进行检测， 这种方式与调制识别中最初的利用一组解调器的思想类似，即为每种调制方式设 计一种解调器，在解调器输出端引入一组智能化判决算法判别调制方式。这种方 法在调制方式较多时，识别器的实现太复杂，需要计算机的运算存储量太大。 1 . 3 自 适应调制中的 信号盲检测 突发模式自 适应( b u r s t - b y - b u r s t a d a p t i v e : b b b a ) 是自 适应调制中一种典型的 自 适应方式。 在每次突发信息的传递中， 包含以 下的关键步骤 1 2 1 , . 信道质量估计:发射机估计预测下一次传输时的信道传输函数，以选择下 一次传输时信号采用的参数. . 信号传输参数选择:在信道状态预测的基础上， 发射机选择合适的调制方 式和编码方式等信号参数。 . 信号参数的信令告知或信号盲检测: 接收机可以 通过信令方式得到信号的 参数信息，或者通过信号盲检测技术检测信号参数. 信道质量的估计根据信令方式的不同可由发射机或接收机来完成，在信道质 量估计和预测的基础上，参数自 适应是自适应调制中关键的环节，信号参数随信 道质量自 适应地改变需要通过信令信息告知接收机， 信令的传递在自 适应调制中 发 挥 着重 要的 作 用4 7 ,4 8 1 . 下面以 基站和 移动台 双向自 适 应调制为 例进行说明， 如 i s n国 家 t 点实 脸玄 枯息 科学 拚宪 所 宽 带 无 戏 通 棺祠 络实 脸宜 第一章绪论 图 l l 所示 ( a ) 双向 对称信道.开环信令控制 ( b ) 双向非 对称信道，闭 环信令控制 ( c ) 双向 对 称信道， 盲信号检 测 图1 . 1自 适应调制框图 如果基站和移动台之间的信道是双向、对称的，则基站可根据上行链路中接 收到的信号预测下行链路的信道质量，然后自 适应选择发送信号采用的参数，并 发出 信令信息到接收机;同 样，移动台根据下行链路中接收到的信号预测上行链 路的 信道质量， 为发送信号选择合适的 参数， 并发出 信令信息， 如图1 . 1 ( a ) 。 这种 方式被称为开环自 适应( o p e n - l o o p a d a p t a t i o n : o l a ) 传输，比较适合在时分双工 ( t i m e d i v i s i o n d u p l e x : t d d ) 系 统中 应用. 如果通信 双方 信道不 对称， 如频分双 工( f r e q u e n c y d i v i s i o n d u p l e x : f d d ) 系 统， 通信双方均无法从对方发射的信号中估计信道质量。这种情况下，接收机只能通 过反馈的方式利用信令方式告知发射机信道的状态以 及发射机信号需要采用的参 数。 如图1 . 1 伪 ) 所示， 基 站接收 到移 动台发 射的 信号并 估计移动台 到基 站之间 通 信 信道的质量，根据信道质量为移动台下次传输的信号自 适应选择参数，并把信号 参数信息以信令方式告知移动台:移动台也采用相同的方式，根据基站发射的信 号评估信道质量并为基站选择下次发送信号的参数。这种方式称为闭环 i s n国 家 重 点实 脸室 棺息 矜攀 研究 解 、 1 t 带 无城 通 健阅 络实 抽宜 6西安电子科技大学博士学位论文:自 适应单载波、多载波调制中信号盲检测技术研究 ( c lo s e d - l o o p a d a p t a t i o n : c l a ) 自 适应调制。 在双向、对称信道中通过信令方式传递信号参数，信令信息一般包含在传输 符号中。然而， 信令的传输需要一定的开销，会引起数据吞吐量的一定损失。在 自 适应多载波中， 这种信令开销更大，如在自 适应o f d m调制中，由于信道数比 较多，信号的带宽也比较大，因此子信道之间的衰落特性是不同的，发射机根据 各子信道衰落的特点自 适应改变子信道信号采用的参数，信令必须包含子信道中 的信号的参数信息，需要的信令开销很大，其大小与o f d m中包含的子载波数成 正比， 特别当系统是基于子载波( s u b c a n i e r - b y - s u b c a r r i e r a d a p t a t i o n : s b s a ) 模式的 自 适应时， 这种信令传递所需的开销就非常可观。为了解决这个问题，必须利用 有效可靠的信令技术以完成信令信息的传送。 随着信号技术的发展，出 现一种新 的 信号 盲 检测技术 四， 利用信号 盲 检测技 术对接收信号进行参数的检测， 可以 节 省信令的开销， 提高接收机的智能性。因此，采用信号盲检测技术对接收信号的 调 制方式等 参 数进行估计 可作为一 种可供 选择的 方案。 如图1 . 1 ( c ) 所示，自 适应通 信双方不发送信令信息，而是通过信号盲检测技术检测接收信号的参数， 根据获 得的参数对接收信号进行解调，并估计信道质量，为发射信号自 适应选择参数。 需要注意的是，多普勒扩展对自 适应系统的性能影响很大。多普勒扩展会引 起时间选择性衰落。时间选择牲衰落可分为快衰落和慢衰落。信号传输中，估计 得到的信道质量与信号传输时的实际信道质量存在一定延迟，在闭环自 适应系统 中的延迟比开环自 适应系统中的更为严重。如果信道为快衰落信道，预测的信道 质量可能在实际信号传输时己 经发生了 变化， 预测的信道质量已 经过时，则系统 的 性能就会变差。 而在慢衰落信道，信道变化缓慢， 预测的信道质量和实际信号 传输时信道的质量近似不变，这样根据预测的信道质盆选择的参数在实际信号传 输时 会具 有 较好的 性能，因 此自 适 应调制系 统 适合工作在慢衰落信道中 1 1 2 1 1 . 4 信号盲检测的关键技术 自 适 应 调制的 基本原理如图1 .2 所示，由 传 送数 据分 配器 ( 串 并 转换) ， 选择性 调制器， 可控载波和处理信道质量估计的自 适应控制器组成。 信号接收时， 接收机可以 通过信号盲检测算法检测出 接收信号的各种未知的 参数。自 适应调制中信号盲检测的关键技术包括:波特率估计，载波频率和载波 参考相位估计，信道质量估计和预测，调制方式盲检测技术等。 i y 目 拿生点斑 脸文 摘息科举研究所t带允钱通位网雄实脸宜 第一章绪论 用户信息比 图1 .2 自 适应调制技术原理框图 1 .4 . 1 波特率估计 自 适应调制中，速率自 适应存在三种方式，第一种为调制方式自 适应，即保 持波特率不变，改变调制方式以适应不同的信道质量;第二种为波特率自 适应， 改变波特率的大小，而信号调制方式保持不变;第三种为两种方式的综合，即调 制方式和波特率均根据信道的情况自 适应调整。 当信道质量随时间的推移在不断变化时，发射机可以根据预测的信道质量信 息为发送的信号选择合适的参数，当预测的信道相对于当前传输速率为频率选择 性衰落时，一般采取的策略为采用第一种速率自 适应方式，即采用传输性能较好 的调制方式， 如低阶调制; 或采用抗衰落较强的编码方式， 如利用r s 码作为外码 对发送数据进行信道编码。 但是， 这两种方式并没有改变信道的频率选择性特性， 在发生深度衰落时， 会产生突发误码. 这时，可采用第二种速率自 适应方式，降 低 波 特 率使 信 道等 效为r a y le i g h 衰 落， 再 采 用 一 些 简单的 衰 落 补 偿 方 法， 使 信 道 变 化为 近 似高 斯白 噪声 信 道 4 9 。 在 这样的 系 统中 ， 我们 进一 步可以 利 用 调 制阶 数 较高的 调制方式， 这样， 系统相对简单，同 样可以 达到高速数据传输的目 的， 这 就是第三种速率自 适应方式的思想。经过研究，通信中最佳的自 适应调制方案应 该是一种可变波特率、可变调制的体制，它基于信噪比和时延扩展估计，动态调 整波特率和调制方式。 波特率在接收端的 确定 有两种方式， 一 种为信令告知方式 4 7 ,4 8 ， 另一 种为 参 数检测方式估计波特率. 波特率的确定在信号接收中处于很重要的 地位。 数字信 号同步解调时，位定时信息的提取需要波特率的先验知识;在调制方式盲检测算 法中，检测特征的提取也需要知道信号的波特率的先验信息。 波特率的估计方法主要有两种， 分别为时域的方法和频域的方法。时域的 方 法主要是通过检测码元符号转换处的变化，通过计算在一个码元内的采样点数得 到。这种方法需要的时间比 较短，然而估计精度和准确度比较差。频域的方法首 先对接收信号进行某种非线形变换，然后利用傅立叶变换得到波特率的估计，这 i s n国 家 重 点实 脸室 褚鑫 料 学研充 娜 分 宽 带无 海进信阅 络亥 脸玄 吕西安电子科技大学博士学位论文:自 适应单载波、多载波调制中信号盲检测技术研究 种方法计算复杂，处理时间较长，但是估计精度相对较高.论文中，我们提出一 种改进的欧几里得算法在频域估计波特率。 1 .4 .2 载波频率和载波参考相位估计 在自 适应调制中，载波自 适应也是一种重要的自 适应方式，如在自 适应单载 波、多载波调制中，如果当前频率存在较大的干扰，一种选择就是改变载波频率， 在新的频点上进行信号传输。载波频率根据自 适应控制器的控制而变化，对于提 高系统的抗干扰性能影响很大。 在信号接收时，载波频率是一个最基本的信息，在未知载波频率或初始相位 信息时，需要利用信号参数检测算法对这些参数进行估计。自 适应调制系统中， 一般载波频率在几个通信双方均己知的频点之间变化，频率估计时精度不需要很 高，只需估计出频率的一定范围，就可以确定载波频率。 由于在调制时发射载波和接收时本地载波的初始相位一般是不可控的，另外 信道衰落会对信号产生一定的影响，因此，信号的初始相位在信号接收时是不确 定的。在非相干解调时，初始相位对解调影响不大;而当信号相干解调时，需要 对接收信号进行载波同步， 对接收信号的 初始相位进行准确检测0 1 9 8 9 年a s c h e i d , s ta h l 和m e y r 5 0 在 收 发 载 波 无 频 偏 ( 或 载 波 频 偏 极 小 ) 条 件 下 提出 了 基于 最 大 似 然 准 则的 载波相位和定时相位联合估计的算法， 在此基础上他们实现了8 p s k调制的 全 数字接收机，该接收机本振和 a / d采样时钟工作