（信息与通信工程专业论文）非正交多重调制技术在vdsl信道上的仿真.pdf

中文摘要 摘要 相比于数字宽带通信技术在骨干网和各种通信方式方面的迅猛发展，用户接 入网发展则要缓慢得多，成为整个通信网的“瓶颈”，特别是高速国际互联网的“瓶 颈。从上世纪9 0 年代中后期开始，x d s l ( 数字用户线) 成为解决这“最后英 里 接入瓶颈的主要技术之一，但是现有的x d s l 已满足不了信息传输快速发展的 需要。， 梁德群教授提出的非正交多重调制技术( n m t ) ，突破了正交性的限制，相对 于传统的正交调制有更高的频带利用率，并在峰值均值比( p a r ) 、抗相偏和频偏 能力和能量需求等方面比目前在x d s l 采用的d m t 表现出明显的优越性。 为推进n m t 的实用化，需要进行其在通信信道上的仿真研究，以验证n m t 技术的可行性。前几届的研究生已做过n m t 在有线信道上的仿真研究，证明了其 可行性及优越性，但是，没进行v d s l 信道的仿真研究。v d s l 由于传输距离缩 短，传输率有大幅度提高，根据在a d s l 信道上的仿真中n m t 比d m t 表现出较 大的优势，我们预计在v d s l 信道上也应该有比d m t 更高的传输效率。本文旨在 研究n m t 在基于v d s l 信道上的应用，用m a t l a b 软件对系统性能进行仿真实 验，进一步验证n m t 的可行性和广阔的应用前景。 本论文介绍了n m t 的基本原理，v d s l 信道模型的建立及其模拟仿真，与 d m t 在同等条件下进行传输率的对比。仿真实验结果表明，n m t 比d m t 有更高 的传输率和频带利用率。最后，为了降低n m t 特有的高采样率，利用抑制下边带 的残留边带调制进行二次载波，并研究了在此情况下对系统其它性能指标的影响。 关键词：非正交多重调制技术；甚高速数字用户环路；采样率；残留边带调制 英文摘要 a b s t r a c t c o m p a r e d t ot h e d i g i t a lw i d e - b a n dc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g i e st h a t h a v e d e v e l o p e dr a p i d l yi nb a c k b o n en e t w o r ka n dm a n yw a y so fc o m m u n i c a t i o n s , u s e r b l c c e s s n e t w o r kh a sd e v e l o p e dm u c hm o r es l o w l ya n dh a sb e c o m et h eb o t t l e n e c ko ft h ee n t i r e c o m m u n i c a t i o n sn e t w o r k ，e s p e c i a l l yo ft h eh i g hs p e e di n t e r a c t s i n c et h em i d d l eo f 19 9 0 s ，x d s lh a sb e e no n eo ft h em a i nw a y st os o l v et h ep r o b l e mo f t h el a s tm i l e ”b u t t h et r a n s m i s s i o nr a t eo ft h ee x i s t i n gx d s lh a sb e e nu n a b l et om e e tt h en e e do f i n c r e a s i n go nh i 曲s p e e do fi n f o r m a t i o nt r a n s m i s s i o n t h en o n - o r t h o g o n a lm u l t i m o d u l a t i o nt e c h n o l o g y ( n m t ) w h i c hw a sb r o u g h t f o r w a r db yp r o f e s s o rd e q u nl i a n gb r e a k st h r o u g ht h el i m i t a t i o no f o r t h o g o n a l i t y , b r i n g s h i g h e rr a t e t o b a n d w i d t hr a t i o t ot r a d i t i o n a l o r t h o g o n a lm o d u l a t i o nt e c h n o l o g i e s b e s i d e s ，n m th a sam o r es i g n i f i c a n ta d v a n t a g et h a nd m ta d o p t e di np r e s e n tx d s li n t h ea s p e c t so fp e a k - t o - a v e r a g er a t i o ( p a r ) ，a n t i p h a s es h i f t ，a n t i f r e q u e n c ys h i f ta n d p o w e r d e m a n d i no r d e rt oc a r r yf o r w a r dt h ep r a c t i c a la p p l i c a t i o no fn m t , i ti sn e c e s s a r yt od ot h e r e s e a r c ho fi t ss t i m u l a t i o no nc o m m u n i c a t i o nc h a n n e lt ot e s t i f yt h ef e a s i b i l i t yo fn m t m u c hr e s e a r c ho fn m to nc o m m u n i c a t i o nc h a n n e lh a sb e e nd o n eb yf o r m e r p o s t g r a d u a t e st op r o v ei t sf e a s i b i l i t ya n da d v a n t a g e ，b u tt h es t i m u l a t i o no fv d s l c h a n n e lh a sn o tb e e nr e s e a r c h e dy e t d u et ot h et r a n s m i s s i o nd i s t a n c eg e t t i n gs h o r t e r , t h e t a n s m i s s i o nr a t eo fv d s li si m p r o v e do nal a r g es c a l e a c c o r d i n gt ot h ef a c tt h a tn m t h a sm o r ea d v a n t a g e st h a nd m ti nt h es t i m u l a t i o no fa d s lc h a n n e l ，i t se x p e c t e dt h a t n n 【ts h o u l dh a v eah i g h e rt r a n s m i s s i o nr a t et h a nd m to nv d s lc h a n n e l o nt h e p u r p o s eo fr e s e a r c h i n gt h ea p p l i c a t i o n so fn m t o nv d s lc h a n n e l ，t h i st h e s i su s e st h e s o f t w a r eo fm a t l a bt oe x p e r i m e n tt h es t i m u l a t i o n so ft h ep e r f o r m a n c e so ft h i s s y s t e m a n dm a k e sf u r t h e re f f o r t st ot e s t i f yt h ef e a s i b i l i t yo f n m t a n di t sw i d ea p p l y i n g p r o s p e c t t h i st h e s i si n t r o d u c e st h ef u n d a m e n t a lp r i n c i p l eo fn m t , f o u n d a t i o no fv d s l c h a n n e la n di t sa n a l o gs i m u l a t i o n , a n dc o m p a r e st h et r a n s m i s s i o nr a t e 、析mt h eo n eb y 英文摘要 u s i n gm o d u l a t i o no fd m ti nt h es a l n ec o n d i t i o n s t 1 1 er e s u l t so fs i m u l a t i o ne x p e r i m e n t s i n d i c a t et h a tn m th a sh i g h e rd a t ar a t e - t o b a n d w i d t hr a t i oa n dt r a n s m i s s i o nr a t et h a n d m t b yt h ee n d ，i no r d e r t od e c r e a s et h eh i 曲s a m p l er a t ec h a r a c t e r i s t i co fn m t , i m a k eu s eo ft h ed o u b l e s i d e b a n dt h a tr e s t r a i n sl o ws i d eb a n dt oc a r r yo u tt h et w i c e c a r r i e rm o d u l a t i o n , a n dd ot h er e s e a r c ho fi t sa f f e c to nt h eo t h e rs y s t e mp e r f o r m a n c e i n d e x e su n d e rt h i sc o n d i t i o n k e yw o r d s ：n m t ；v d s l ；s a m p l er a t e ；v s b 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果， 撰写成硕士学位论文 竺韭垂交垒重遢亟i 攮苤查y 旦曼l 值道土的笾墓：。除论文 中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文 中以明确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公 开发表或未公开发表的成果。本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名： 盏璃 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解大连海事大学有关保留、使用研究生学 位论文的规定，即：大连海事大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论 文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将本 学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编学位论文。同意将本学位论文收录到中国优秀博硕士 学位论文全文数据库( 中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社) 、中国学位论文全 文数据库( 中国科学技术信息研究所) 等数据库中，并以电子出版物形式出版发 行和提供信息服务。保密的论文在解密后遵守此规定。 本学位论文属于：保密口在 年解密后适用本授权书。 不保密函( 请在以上方框内打“4 ，) 论文作签名：老吃二一 日期：卿少年月弓日 非正交多重调制技术在v d s l 信道上的仿真 第1 章绪论 1 1 论文背景及意义 随着i n t e r a c t 用户的不断发展，越来越多的人开始使用宽带作为家庭网络接入 的首选方案。目前市场主要采用c a b l em o d e m 、a d s l ( 非对称用户数字线) 和以 太网技术作为宽带接入方式1 。2 l 。后两种技术都能提供比传统的m o d e m 接入快几 十倍的速度，但如果为用户提供数字电视或视频点播，这些技术所提供的带宽还 远远不够，而v d s l ( 超高速率d s l ) 技术使这一切成为可能。 v d s l 和a d s l 都是d s l ( d i g i t a ls u b s 商b e re i n e ，数字用户线路) 家族中的 重要组成部分，它们是以铜质电话线为传输介质的传输技术组合，与h d s l 、s d s l 和r a d s l 等，一起统称为x d s l 3 1 技术。它们之间的主要区别在于信号传输速度 和距离的不同以及上行和下行速率对称性的不同。比如，v d s l 在其传输距离范围 内的最大下传速率可达5 5 m b p s ，上传速率可达1 9 2 m b p s ，因此与a d s l 比较，可 以简单地说，v d s l 是a d s l 的快速版本，当然这主要是由其传输距离较a d s l 短所致。所以，下面可以从传输距离、数据传输速率、选线率、传输方式、工作 频带、兼容业务等方面进行二者的比较j ： ( 1 ) 传输距离。v d s l 传输距离约为3 0 0 米1 5 0 0 米，a d s l 的有效传输距离 为2 7 千米5 5 千米。 ( 2 ) 数据传输速率。v d s l 非对称下行数据的速率为6 5m b p s 5 2m b p s ，上 行数据的速率为0 8m b p s - - - 6 4 m b p s ，对称数据的速率为6 5m b p s 2 6 m b p s 。a d s l 上行速率为1 0 0m b p s - - _ ，9 0 0 m b p s ，下行速率为1m b p s 到8m b p s 。 ( 3 ) 出线率。由于距离短，v d s l 技术还能够克服a d s l 技术的选线率低、速 率不稳定等问题，其出线率几乎达到1 0 0 。 ( 4 ) 传输方式。v d s l 支持对称传输和非对称传输，a d s l 仅支持非对称传输。 ( 5 ) 工作频带。a d s l 使用3k h z - 、一1 1m h z 的频带传输数字信号，v d s l 在 双绞线上使用更高的频带( o 1 3 8 m i - i z 一- - 1 2m h z ) 。 ( 6 ) 兼容业务。与a d s l 相比，v d s l 不仅可以兼容现有的传统话音业务， 还可以兼容i s d n ( i n t e g r a t e ds e r v i c e sd i g i t a ln e t w o r k 综合业务数字网) 业务。 第l 章绪论 可以说，v d s l 技术能满足广大用户高速上网的需要，它充分利用现有的电话 线网络，保护了运营商既有的投资，极好地解决了“最后l 公里 的网络瓶颈。 现在，v d s l 主要采取的技术分为两种【6 】：单载波调制和多载波调制。基于单 载波调制的技术有正交幅度调制( q a m ) 和无载波调幅调相技术( c a p ) ；基于 多载波调制技术有离散多音频调制技术( d m t ) 。目前，关于v d s l 的标准就是 q a m 和d m t 这两种。 q a m 是常用的基于单载波的调制技术，广泛应用在c a b l em o d e m 上。它有效 地结合调幅和频移键控技术，集中于在时域对v d s l 信号进行处理，考虑到线上 信号的串行特点和模拟特点，同时对系统数字和模拟部件进行了优化。， d m t 技术的主要原理是将信道划分为多个子载波，根据每个子载波的不同信 噪比分配其传输比特【6 。7 】。d m t 进行的频域信号处理，需要在线路的每一端进行时 域频域和串行并行数据流转换，在此之前无法采用任何措施对p o t s 铜线上的模 拟噪声进行补偿。在速率调整上，d m t 系统l k q a m 灵活，且d m t 技术的一大优势 是有很好的抗干扰能力，对r fi n g r e s s 的抵抗力比q a m 好，但d m t 在价格和工艺水 平上不女i q a m 。 以上的调制方式可以总结为单载波调制方式和多载波调制方式。但不论是哪 种调制方式，都期望能在有限的频带内达到更高的传输率以及更佳的传输可靠性， 以应对高速率传输的迫切需求。而v d s l 选择q a m 或d m t 时需要考虑多种因素， 如地区频谱兼容性、噪声容限、功耗、成本等等。 传统的正交调制技术频谱利用率高，从基带的角度看，实现复杂度比较低【8 】。 但在最根本的调制环节一直都没有新的突破，信息产业的飞速发展期待着新的调 制技术的出现，而非正交多重调制技术( n m t ) 正是这种新技术。 n m t 是一种原创性技术，由梁德群教授提出。基于n m t 的原创性，为了走 向实用需要分阶段的研究工作：理论研究、计算机仿真和样机研制，博士研究生 曹祁生已对理论做了深入的研究，从理论上肯定了由于n m t 突破了正交性限制， 相比于现有的调制技术显出多方面的优势6 1 ，大连海事大学信号与图像处理研究 所上几届硕士研究生对n m t 在有线信道上的应用作了全面的仿真研究，证明了 n m t 在有线信道上应用的可行性和先进性，但是未在v d s l 信道上仿真。本论文 非正交多重调制技术在v d s l 信道上的仿真 正是在前几届的理论基础上，对非正交多重幅度调制在v d s l 信道上做了仿真研 究，证明同已有的调制方法相比，n m t 具有更高的传输率以及频带利用率等特点。 1 2 本人主要工作 本论文的工作重点为探讨n m t 在v d s l 信道上应用的可行性，从传输的基本 性能入手进行仿真分析，并在同样的参数和信道环境下与d m t 做性能比较。然后 再采用抑制下边带的残留边带调制进行二次载波，以降低n m t 特有的高采样率。 其具体工作如下： ( 1 ) 对v d s l 信道模型作基本的介绍和分析，确定信道的参考模型。 ( 2 ) 对v d s l 标准及各项协议的技术参数进行基本介绍和分析，为n m t 仿真 系统的参数确定提供理论依据。 ( 3 ) 针对基于有线宽带接入技术的v d s l 信道，利用m a t l a b 仿真工具，构 建v d s l 信道模型和噪声模型，实现n m t 在v d s l 信道上的仿真研究，包括信 源产生，波形预处理，n m t 调制，相位扰码，模拟v d s l 信道，接收滤波器，n m t 解调，计算误比特率等模块。 ( 4 ) 在同等条件下，与离散多音频d m t 进行性能比较，以期证明n m t 在数 据传输率、频带利用率方面的优越性。 ( 5 ) 为降低n m t 所特有的高采样率，在v d s l 信道上采用抑制下边带的残留 边带调制( v s b ) ，进行n m t 的二次载波，本文简称这种调制方式为n m t n s b 。 第2 章离散多音频调制和非正交多重调制的基本原理 第2 章离散多音频调制和非正交多重调制的基本原理 调制是一个过程，目的是将信息转换为适合在传输媒介上传输的波形【1 7 】。调 制是数字通信系统中的基础环节，这个环节对传输性能起至关重要的作用。传统 的调制方法的理论基础之一是傅立叶分析( 基于小波分析的调制方法正在研究当 中) ，并以此为基础形成了相干或滤波的解调方法。 2 1 离散多音频调制的基本原理 一般铜线回路的衰减特性随其长度、线径、桥接等变化很大，铜线回路的通 信容量也在变化。离散多音频d m t 技术就是利用数字信号处理技术，根据这些回 路特性，利用数字处理技术中的自适应算法来调整数字滤波器的参数，使误码率 和串音等为最小，使任何子回路的通信容量最大。 d m t 是一种正交多载波通带线路编码技术，它将信道划分后，使子信道占用 4 3 1 2 5 k h z 的带宽。根据信道的性能( 如信噪比、噪声、衰减等) ，即传输数据的能 力，把输入数据自适应地分配到每一个子信道上，每个子信道采用不同星座点数 的q a m 调制。假设存在一个星座图编码器，其输出值仍将是余弦和正弦波幅度， 然而每个星座图编码器将使用不同的正弦余弦频率。所有的正弦余弦波被加在一 起并通过信道送出去，这个波形就是一个简单的d m t 码元。除此之外我们还可以 将星座图编码器的输出映射为矢量中的一个复数，每个矢量点代表一个d m t 码 元。假设可以在接收端分离不同频率上的正弦和余弦波，那么每个波形系列都可 以被独立地解码，其解码方法与q a m 信号解码所使用的方法相同，并且由星座图 解码器输出最终的比特流。如果某一个子信道无法承载数据，则简单地将其关闭； 而对于那些能够载送数据的子信道，则根据其瞬时特性，在一个码元包络内传送 1 1 5 b i t 信息，以获得最佳的传输性能参考【1 8 】。 由于双绞铜线的频率特性是非线性的，频率不同衰减不同，噪声干扰情况不 同，时延也不同。再加上外界环境干扰的存在，在不同时刻对不同频率上的信号 有不同影响。d m t 可根据探测到的信噪比一频率曲线自动调整各个子信道的速率 使总体传输速率尽可能地接近给定条件下的最高速率。例如，d m t 理论上可以每 赫兹传送1 5 b i t s 数据【1 9 】，在干扰到来时受干扰的频率上的子信道可能降为 非正交多重调制技术在v d s l 信道上的仿真 8 b i t s h z ，在不受干扰或干扰较小的子信道上仍然可以保持1 5 b i t s h z 或稍低。 图2 1 表明了d m t 如何自适应线路条件。 飞 频率 、 ( 1 ) 初始状态各子信道比特分配( 2 ) 信i 首衰减 ( 3 ) 信道噪声千扰 图2 1 在不同信道条件下d m t 的比特分配 f i g 2 1d m t b i ta l l o c a t i o nu n d e rd i f f e r e n tc h a n n e lc o n d i t i o n s 其中，图2 1 ( 1 ) 代表发送前每信道满载1 5 b i t 时的理论最大值；图2 1 ( 2 ) 、 ( 4 ) 分别显示了考虑信道衰减的信道增益和根据其特性相应的比特分配变化；图 2 1 ( 3 ) 、( 5 ) 是考虑噪声干扰后的信道增益和根据其特性相应的比特分配变化。 通过上例，可以大致归纳不同子信道分配比特数的准则【2 毗】是：在具有信噪 比高的子信道内加载较多的比特，在信噪比较低的子信道内加载较少的比特，而 在信噪比特别差的子信道内不加载任何比特，这样分配应该是最优的。在d m t 中， 这种比特分配方法称为“注水算法 田】。根据前面的分析，应该针对不同的子信 道特性进行最优的比特分配。但是不同子信道的特性应如何获得? 这就是信道辨 识问题。在d m t 中，通常采用的还是训练的办法：在每一个子信道都发送训练序 列，这个训练序列在接收端是预先知道的。接收端根据接收到的信号和已知的训 练序列，就可以推断出每个子信道的特性，如信噪比。 现在以子信道为例介绍离散多音频调制系统的信号处理流程。发送端的主要 第2 章离散多音频调制和菲正交多重调制的基本原理 工作是把传输的数据组成一个数据块，然后根据每个子信道的质量把这些数据合 理地分配到每个子信道，然后经过编码，调制，并经串转换，数模转换等送到实 际的信道中去传输。具体依次执行下列操作： ( 1 ) 输入的串行比特流经串并转换成n 组并行比特流。根据每一组并行比特流 子信道i ( s = 1 ，n 2 ) 的信噪比s n r ，分配相应的比特数b ，并对每一个并行比特流 的比特数b ，进行星座映射，生成复值符号x ，。 ( 2 ) 对n 2 组比特流取共轭，扩展为n 点h e r m i t i a n 对称向量。 x f = c o n j ( x _ f ) f = n 2 + 1 ，n ( 2 1 ) ( 3 ) 进行n 点逆傅立叶变换，根据i f f t 性质：具有共轭对称性质的频域复数 序列其i f f t 结果为实序列。逆傅立叶变换的作用是将复值符号调制到相应的载波 上。 ( 4 ) 加循环前缀，即复制时域符号的最后v 个，并加在该时域符号前。目的是 消除符号间干扰，实现最优划分。 ( 5 ) 最后，对加了循环前缀的时域符号进行并串转换，串行数据数模转换后， 模拟信号x ( t ) 传送至信道传输。 接收端的主要工作是把信道接收到的信号进行解码，恢复原来发送信号。涉 及到时域均衡，串并转换，频域均衡。具体依次执行下列操作： ( 6 ) 接收到的时域连续信号y ( t ) 首先进行模拟低通滤波和数模转换，转换成离 散信号y t 。 ( 7 ) y 。经过一个有限冲激响应滤波器，称为时域均衡器t e q 。目的是缩短信 道冲激响应长度，和循环前缀一起消除i s i 干扰。 ( 8 ) 对经过滤波后的允进行串并转换，并去除循环前缀。 ( 9 ) 对去除循环前缀的接收信号进行n 点傅立叶变换，其结果是h e r m i t i a n 对 称的，傅立叶变换的作用是进行解调。 ( 1 0 ) 去除共轭后缀，还原为n 2 个子信道。 ( 1 1 ) 对每个子信道分别进行1 抽头的频域均衡，来调整幅度和相位。 ( 1 2 ) 对均衡后的f f t 输出形进行解码。 非正交多重调制技术在v d s l 信道上的仿真 2 2n m t 调制解调原理 非正交多重调制技术( n m t - n o n o r t h o g o n a lm u l t i m o d u l a t i o nt e c h n o l o g y ) 是一种全新的调制技术，它是由梁德群教授提出的。n m t 的基信号是非正交的， 其解调方式不能仅用单一的信号相干得到，而是对接收到的信号通过解方程组的 方式完成解调。同已有的调制方法相比，n m t 具有更高的信息传输率，更窄的频 带宽度，更低的能量需求，更小的信号波动范围和更灵活的波形等优点，从而使 其可以应用在有线、无线、移动、卫星等各种通信领域中n 9 1 。本章主要介绍n m t 的基本原理。 2 ，2 1n m t 调制原理 图2 2 调制解调模型 f i g 2 2m o d u l a t i o na n dd e m o d u l a t i o nm o d e l 根据比特传输率公式： r b = r “= l 0 9 2 m 0 1 ( 2 2 ) 其中，r 。为符号传输率，符号也称码元。n 。代表一个码元携带的比特数。t 为码元周期。m 代表码元波形的种类，或称级别。在图2 2 中，一个码元可以有8 个电平幅度，计算知每个码元携带3 个比特。要提高比特传输率，在码元周期一 定的情况下，如何提高m 是线路编码追求的主要e 1 标之一。 调幅方法中，如p a m 、m a s k ，幅度的级别就是m ：调频方法中，如f s k 、 第2 章离散多音频调制和非正交多重调制的基本原理 m f s k ，频率的种类就是m ；调相方法中，如p s k 、m p s k ，相位的种类就是m 。 最新的u w b 技术中，m 是脉冲在一个码元内的位置的种类。将以上的方法结合 起来，使得一个码元由多种波形组成，并各自携带信息，是提高m 的有效手段， 如q a m 和m c 。然而，它们的波形之间都是正交的，组合的波形形式有限。 n m t 是一种多重调制方法，它突破了正交性限制，更能发挥组合手段的效果。 如，各个子波的相位差不受9 0 度限制；频率差不受整数倍限制；波形的结构( 形 状) 受到的限制大大减少( 不再局限于正弦类和正交小波类) ；可以将结构、幅度、 相位、频率、位置因素在一个码元中同时组合使用，可更有效地增大m ，即增加 码元携带的比特，从而提高传输率。 由于非正交调制的特殊性，由子波构成的合成波可有多种结构，本论文采用 的是频时移结构( f t s ) 。频时移结构即每组内子波数相等但基子波不相同，各组 之间的子波数相等而对应位置上的基子波相同f 为了更方便地描述合成波的构造， 将所有子波分成m 组，各组的子波数用q 表示，其形式化表示为： mq g ( ，) = g o ( t - x ，) ( 2 3 ) g ( f t ) = o , j ( t - , r u ) o o 扩( f z i ) 咿u = 怡甏 霉7 t 诺t 耵i j ( 2 4 ) ( 2 5 ) g o o ( t 百扩) g o i ( j + 1 ) ( t x i ( j + 1 ) ) ，g o f j ( t t ) 2g o ( i + 1 ) j ( t t ( f + 1 ) j ) ( 2 6 ) 其中i = 1 9j 9 m ，歹= 1 ，q 式( 2 3 ) 为一个码元的合成波，式( 2 4 ) 为子波，式( 2 5 ) 为调制波。式中 口为子波间的延迟时间，g o , s ( t t 矿) 为基子波，吩为方波幅度，弓为子波有效期也 是方波的宽度。设t 为码元的周期，t = 2 ，为最大的子波有效期。若用日代 m 表丁内的子波个数，n h = q 。调制时可兼顾误码率、传输率，并可灵活的确 1 = 1 定m 、h 、t 。，及每个子波携带的比特数。 非正交多重调制技术在v d s l 信道上的仿真 图2 3 2 5 给出了时域的个码元波形结构的示例图，一个码元有9 个分段正 弦波时移叠加而成，信道被划分为3 个子信道，每个子信道包含3 个子波，即9 个子波按不同频率被分为3 组，每组包含3 个相同频率的基子波，如图2 3 所示。 各子波经幅度调制后如图2 4 所示，每个子波带3 b i t 信息，经幅度调制后各子波叠 加形成的合成波如图2 5 所示。 调制前各子波 图2 3 未调制的n m t 波形 f i g 2 3u n - m o d u l a t e dw a v e f o r mo f n m t 第2 章离散多音频调制和非正交多重调制的基本原理 恺 馨 调制后各予波 1 5 0 5 蜊0 馨 旬5 1 5 图2 4 调制后n m t 各子波波形 f i g 2 4w a v e f o r m so f m o d u l a t e d + s u b - w a v e so f n m t 调制后子波合成波 门八、 i 。 i l l 八 |，、 i f 一沙一 f ff ， 卜 051 01 52 02 53 03 5 4 0 采样点 图2 5 调制后的n m t 子波合成波 f i g 2 5c o m p o s i t ew a v eo f m o d u l a t e ds u b w a v e so f n m t 由以上可知，n m t 的波形结构破坏了正交性，子波个数、频率、相位、位置 1 0 非正交多重调制技术在v d s l 信道上的仿真 都不再受限制，在一个码元时间内，可以有更多不同频率，不同位置，不同相位 的载波，体现了时域重叠性。 2 2 2n m t 解调原理 n m t 的解调是进行多次相干运算形成一个线性方程组，解此方程组得到各子 波的幅度，再转化为对应的信息，即完成解码。 n m t 的解调过程如下： 发送的波形经过信道在接收端得到的波形为： ( f ) = g r , j ( t - x ) ( 2 7 ) 其中，羁l j f f ，) 为接收到的子波，接收到的基子波用和乃一t l r ) 表示。 对g r ( t ) 的解调过程是做一系列的加权积分运算得到一个线性方程组 g x = b ( 2 8 ) 所说的加权积分运算是： jg r ( t ) g ( t x ，) d t = 色，i = 1 ，m ，_ ，= l ，q ( 2 9 ) x 2 魄，：l ，t ，飓歹= l ，。，q y ， ( 2 1 0 ) = ( q l ，a t 2 ，口1 9 ，口2 l ，口2 q 2 ，吼) 1 式( 2 1 0 ) 中x 为待求的列向量，其各分量为待求的各子波幅度。 b 三甚簋乏麓i 乏：，r c 2 m ， = ( 蜀l ，墨2 ，骂臼，芝i ，一，岛q 2 ，反) 1 式( 2 1 1 ) 为式( 2 9 ) 所示的一系列加权积分运算结果组成的列向量。通过训练可 获得矩阵g ，训练过程为：发送端发送预先约定的日个已知的子波g h ( t - c 。) ， h = l ，h ，日= q ，则在接收端获得h 个对应的子波既。一t 。) ，h = l ，h 。由 于岛o 一百。) 是预先约定的，在训练过程中岛o t ) 与既( f t 。) 是一对应的，因 而也是已知的。于是做一系列加权积分运算 吒，= jg r h ( t - t ) g r ，( t - t ，) 衍，h , l = 1 ，h ( 2 1 2 ) 舀 第2 章离散多音频调制和非正交多重调制的基本原理 得到h x h 个屯，即获得矩阵g 的所有元素，也即 g = 毛 乞 i k h h ，= 1 , 2 ，h ，p = 1 , 2 ，h( 2 1 3 ) 为接收子波间的相关值。当所有载波为同频载波时，g 为t o e p l i t z 矩阵， 当载波为多频率载波时，g 为一个对称矩阵，对角线元素相等，故g 为可逆矩阵。 方程g x = b 可解， x = g 。1 b ( 2 1 4 ) 解此方程组得到各个子波的幅值x = l ，二z ，三阿丁，即完成解调，再转化为 对应的信息，即完成解码。图2 6 为n m t 的解调过程框图。 图2 6n m t 的解调框图 f i g 2 6b l o c kd i a g r a mo f n m t d e m o d u l a t i o n 2 3n m t 性能分析 有效性和可靠性是衡量通信系统优劣的最基本、最重要的两项指标。有效性 非正交多重调制技术在v d s l 信道上的仿真 指通信系统传输消息的“速率 问题；可靠性指通信系统传输消息的“质量 问 题。有效性常用传输速率和系统频带利用率来衡量，可靠性通常用差错率来衡副引， 在此主要分析基于n m t 调制的数字通信系统的有效性。 ( 1 ) 传输速率 在n m t 调制中，用日表示每个码元内的子波数，b 表示每个子波携带的比特 数，m 为调制级数，则b = l 0 9 2m ，t 为最大子波有效期，码元周期为2 丁，则传 输率为： 见：h x b ：h x l o 9 2m ( 2 1 5 ) 4 2 t2 t 、7 由式( 2 1 5 ) 知，在给定时间和带宽内，子波数越多，调制级数越大，传输速 率越大。在n m t 调制中，由于不受正交性的限制，同一子信道内可有多个子波； 此外，在n m t 调制中，可以将结构、幅度、相位、频率、位置因素在一个码元中 同时组合使用，可更有效地增大m ，从而提高传输率。 ( 2 ) 频带利用率 假设n m t 信道带宽为氐，由式( 2 1 5 ) 知，n m t 的比特传输率为尾，则 n m t 的频带利用率为： t 1 ：孚：丝：h x l o g zm ( 2 1 6 ) t 1 。，= 卫= 一= 一 f r 2 ” 氐2 t b n2 t b n 、 在传统的多载波调制中，假设其信道带宽为，比特传输率为r ，则其频带 利用率为 q 。：拿：掣：了h l 0 9 2 m ( 2 1 7 ) 易觋觋 、 式中日表示每个码元内的子波数，b 。表示每个子波携带的比特数，m 为调制 级数，丁为码元周期，当上述两种多载波调制的子信道带宽一致时，n m t 调制的 码元周期为传统多载波调制码元周期的2 倍。在传统的多载波调制中，由于基信 号是正交的，理论证明在给定的时间和带宽内，日是有限的，日丁的极限值是 2 w ，而非正交调制不受正交性限制，就可以突破这个限制，从而提高频带利用率。 非正交调制，具有奈奎斯特速率的理想系统及香农信道容量极限公式的曲线图如 图2 7 所示。图中为非正交调制，为理想系统，为香农信道容量极限公式。 第2 章离散多音频调制和非正交多重调制的基本原理 此理论在曹祁生博士公开发表的论文中已证明。由图可看出，在高信噪比的情况 下，非正交调制技术的频带利用率高于理想系统的，此外，信噪比达到一定值后， 非正交调制技术的频带利用率超过了香农极限。因此，非正交调制技术与其他调 制技术相比，有较高的频带利用率。 图2 7 理论曲线的示意图 f i g 2 7s c h e m a t i cd i a g r a mo f t h e o r e t i c a lc a l v e 此外，非正交多重调制技术还有其他的一些性能优点： 高抗干扰能力星座图中星点距离大，避免高阶调制。 能应对不同的环境结构、幅度、相位、频率和位置可混合调制。 灵活的频谱选择突破正交性限制。 由以上分析可知，n m t 最显著的优势是频带利用率高，传输速率高，可应对 不同环境，抗干扰能力强，正满足今天信息高速发展的需求。 2 4 非正交多重调制技术意义 非正交多重调制技术突破了正交性限制，对于组成码元的各个子波，在波形 上没有具体严格的限制，这就大大拓宽了构造复合波的空间。这样的编码效率比 现在所有的编码效率要高出很多，只要采样率足够高，重叠的子波数就可以不受 限制，从而较大的提高信息传输速率。非正交多重调制的性能优点有【9 6 1 ： 信号占用的带宽较窄。 星点之间的距离大。 信号的能量需求少。 频带利用率高。 合成波的幅度波动小。 非正交多重调制技术在v d s l 信道上的仿真 此外，n m t 能派生出多种其它形式：非正交幅度频率调制、非正交位置调制、 非正交相位调制、幅度、相位、频率、位置的混合调制，可以应对不同的信道环 境。从原理上分析非正交多重调制技术的应用面是相当广泛的，几乎可以覆盖现 有的各种数字通信，比如：对于x d s l 、f d m a 、t d m a 、c d m a 、d m t 等各种 有线和无线传输方式，均可用非正交多重调制技术加以改造，以获得更高的传输 速率。 第3 章v d s l 技术概述 第3 章v d s l 技术概述 本章首先介绍了v d s l 的概念、系统模型和一些基本规范，然后分析和比较 了v d s l 的优点，最后介绍了v d s l 的发展现状及前景。 3 1v d s l 概念 1 9 9 4 年下半年，v d s l ( v e r y - h i g h b i t r a t ed i g i t a ls u b s c r i b e rl i n e 超高速数字 用户环路) 的概念开始出现，是对a d s l 概念的扩展，它希望实现在普通的短距 离的电话铜线上最高以5 2 m b i t s 下行合速率传输数据，大大高于a d s l ( 非对称 数字用户环路) 和c a b l em o d e m ( 线缆调制解调器) ，相当于t 3 的数据传输速率。 这可以大大提高因特网的接入速度，提供本地不同区域网络之间的快速链接，并 可用来开展视频信息服务。此外，v d s l 传输速率、传输距离可变，并且既可以对 称传输，又可以非对称传输。因此，v d s l 是d s l 家族中最为复杂的技术2 4 1 。 3 2v d s l 系统模型 _ 。引 矧斗。竺罐飘涵一 图3 1v d s l 系统参考模型2 5 1 f i g 3 1r e f e r e n c em o d e lo f v d s ls y s t e m v d s l 系统与a d s l 一样，可利用普通电话铜缆在不影响窄带话音业务 ( p o t s 、i s d n ) 的情况下，传送高速数据业务2 6 1 。v d s l 的系统结构也与a d s l 非正交多重调制技术在v d s l 信道上的仿真 很相似，参考模型见图3 1 。v d s l 局端设备与用户端设备之间通过普通电话铜缆 ( u i c 与u i r 参考点之间) 进行点对点传输。其中，v nj o 、v r r ij 坷分别是 位于局端和用户端的v d s l 收发器。业务分离器( s p l i t t e r ，包括h p f 和l p f ) 将 同一对电话铜缆上传输的v d s l 与窄带业务( 或a d s l ) 相分离。 3 3v d s l 技术规范与发展 v d s l 的标准制定工作主要在国际电联( i t u t ) 、美国国家标准学会( a n s i ) t 1 e 1 委员会和欧洲电信标准学会( e t s i ) 三个地方进行。目前，i t u t 和t 1 e 1 已经决定对v d s l 采纳两个线路码标准，即离散多音频( d m t ) 方式的多载波调 制( m c m ) 和正交调幅( q a m ) 方式的单载波调制( s c m ) 。e t s i 和a n s i 都制 定了v d s l 标准，但对于其中同时包括了q