（电路与系统专业论文）高阶差分幅度相移键控调制解调系统及仿真.pdf

摘要 摘要 本文研究了高阶差分幅度相移键控调制解调 m d a s p k 的算法 m d a p s k 与具有高频谱利用率已实用化的q a m 相比 m d a p s k 是由差分幅度 d a s k 和差分相移键控 d p s k 结合的一种调制方式 接收端可以采用非相干解调 有 利于降低接收端的实现难度 而且不需要符号训练序列 可以提高系统的传输速 率 本文仿真了m d p s k 调制解调 m d a p s k 调制解调以及双载波并行传输的 m d a p s k 调制解调的算法 并给出了各种算法的信噪比与误码率的对应关系 本文具体工作包括如下 首先 本文仿真了差分相位调制解调系统 包括 4 d q p s k 8 d p s k 和1 6 d p s k 分析比较8 d p s k 和1 6 d p s k 调制解调的误码率与信噪比的对应关系 其次 在d p s k 调制解调的基础上 理解m d a p s k 原理 推导m d a p s k 的算法公式 根据算法公式设计了m d a p s k 系统框架 在m a t l a b 中仿真了m a d p s k 调制解调系统 包括1 6 d a p s k 3 2 d a p s k 和6 4 d a p s k 其中1 6 d a p s k 包括由2 d a s p 与8 d p s k 结合的 1 6 d a p s k 和4 d a s k 和 4 一d q p s k 结合成的1 6 d a p s k 给出了多种调制解调的误码 率与信噪比的对应关系 分析了不同m 的m d a p s k 调制信号频谱 再次 在理解了m d a p s k 调制解调的原理上 本文以3 2 4 a 8 p 为例 在 m a t l a b 中仿真了简化差分幅度解调的m d a p s k 调制解调系统 仿真中差分幅度阀值 采用了几何平均数和代数平均数的常规m d a p s k 的解调 差分幅度阀值采用代数平 均数的简化幅度算法 对比本算法3 2 d a p s k 解调和常规3 2 d a p s k 解调系统 给出了 其误码性能的比较 最后 本文采用双载波并行传输数据方法 仿真了两个载波并行传输1 6 d a p s k 系统 利用数字信号帧头实现同步的方式 在每一个载波的调制上加入特定的标 码 仿真了误码率与信噪比的对应关系 并比较了与采用单载波传输调制信号的误 码性能 关键词 高阶差分幅度相移键控 定时同步 升余弦滤波器 差分译码 a b s 仃a c t a b s t r a c t t h i sp r o j e c ts t u d ym o d u l a t i o na r i t h m e t i ca n dd e m o d u l a t i e na r i t h m e t i co fm u l t i d i f f e r e n c ea m p l i t u d ea n dp h a s es h i f tk e y i n g m d a p s k i ti sw e l lk n o w nt h a tq a m h a sb e e nu s e di nm a n yp r a c t i c a la p p l i c a t i o n sb e c a u s ei th a sh i g hb a n d w i d t he f f i c i e n c y m d a p s ki sc o m b i n e db yd a s ka n dd p s k n o n c o h e r e n td e m o d u l a t i o ni sa d a p t e di n d e m o d u l a t i o nm o d u l e t h er e a l i z a t i o ni se a s i e rt h a nq a m a n dt h et r a i n i n gs e q u e n c eo f s y m b o li sn o tn e c e s s a r y i tc a r lm a k et h es y s t e mt r a n s p o r t a t i o nf a s t e r t h em o d u l a t i o n a n dd e m o d u l a t i o na r i t h m e t i ci ss i m u l a t e di nt h i sp a p e r i n c l u d i n gm d p s 2 9 k m d a p s k w i t hs i n g l ec a r r i e r m d a p s km o d u l a t i o na n dd e m o d u l a t i o nw i t ht w oc a r r i e r si sa l s o s i m u l a t e di nt h ep a p e r t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e ns n ra n de p ra l lm o d u l a t i o na n d d e m o d u l a t i o ni sd e p i c t e d t h em a i nc o n t r i b u t i o no f t h i sd i s s e r t a t i o nc a nb ec o n c l u d e da sf o l l o w i n g a tf i r s t d i f f e r e n c ep h a s es h i rk e y i n gi s i n t r o d u c e d i n c l u d i n g 州4 d q p s k 8 d p s ka n d16 d p s k t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e ne b ra n ds n ro f8 d a p s ka n d 1 6 d a p s ki sc o m p a r e d s e c o n d l y t h em o d u l a t i o na n dd e m o d u l a t i o nt h e o r ya n da r i t h m e t i co fm d a p s ki s s t u d i e db a s e do nd p s km o d u l a t i o na n dd e m o d u l a t i o nt h e o r ya n da r i t h m e t i c t h es y s t e m f r a m e w o r ki s d e s i g n e d a c c o r d i n gt h et h e o r ya n da r i t h m e t i c t h em o d u l a t i o na n d d e m o d u l a t i o ns y s t e mo f m d a p s k m 1 63 26 4 i ss i m u l a t e di nm a t l a b 1 6 d a p s kh a s t w ow a y s o n ei s2 d a s pc o m b i n ew i t h8 d p s k t h eo t h e ri s4 d a s kc o m b i n ew i t h 冗 4 d q p s k t h er e l a t i o n s h i po fs n r a n db e ri ss i m u l a t e da n da n a l y z e d d i f f e r e n c e o ff r e q u e n c ya c c o r d i n gd i f f e r e n tmi ss t u d i e d t h i r d l y t h es i m p l i f i e d m d a p s km o d u l a t i o na n dd e m o d u l a t i o ns y s t e mi s i n t r o d u c e dw i m3 2 d a p s kw h i c hi sc o m b i n e db y4 d a s kw i t h8 d p s kb a s e do n m d a p s km o d u l a t i o na n dd e m o d u l a t i o n t h et w od e m o d u l a t i o no f3 2 d a p s ki s s i m u l a t e d m e ya r et h eg e n e r a l3 2 d a p s kd e m o d u l a t i o na n dt h es i m p l i f i e d3 2 d a p s k d e m o d u l a t i o n t h ea d j u d g e dv a l u e dc a nb ea l g e b r a i ca v e r a g eo rg e o m e t r i c a la v e r a g e t h es n r p e r f o r m a n c eo f t w o3 2 d a p s k d e m o d u l a t i o ns y s t e mi sc o m p a r e d a tl a s t t h em o d u l a t i o na n dd e m o d u l a t i o ns y s t e mw i t ht w oc a r r i e r si sp r o p o s e d i i a b s t r a c t t ou s ei nt h i sp a p e r a n dt h es y s t e mi ss i m u l a t e di nm a t l a b t h ef r a m eh e a d e rc a nb e u s e dt or e a l i z es y n c h r o n i z a t i o n t h ei d e n t i f i e dc o d e sa r ep l a c e di nm o d u l a t ec o d e sa t e v e r yc a r r i e lt h er e l a t i o n s h i po fs n r a n de b ri sa l s os i m u l a t e d a n dc o m p a r ew i t ht h e s i n g l ec a r r i e rs y s t e m k e yw o r d s d i f f e r e n c ep h a s es h i f tk e y i n g m u l t id i f f e r e n c ea m p l i t u d ea n dp h a s es h i f tk e y i n g m d a p s k b i ts y n c h r o n i z a t i o n r i s i n gc o s i n ef i l t e r i l l 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果 据我所知 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作了明 确的说明并表示谢意 签名 王 日9 日期 2 了年 月2 i 日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留 使用学位论文 的规定 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘 允许论文被查阅和借阅 本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索 可以采用影印 缩印或 扫描等复制手段保存 汇编学位论文 保密的学位论文在解密后应遵守此规定 签名 王l 之 团导师签名 日期 2 卯 第一章绪论 第一章绪论 高阶差分幅度相移键控调制解调 m d a p s k 作为一种高频谱利用率的调制解 调技术 受到了大批中外学者的关注 相对于较为成熟的正交幅度调制解调 q a m 技术 它有很多优点 首先 m d a p s k 接收端可以采用非相干解调 不需要信道 估计 降低接收端的难度 其次 在d a p s k 调制中不需要插入训练符号序列 系 统的有效传输速率增高 1 2 4 5 1 9 在本章中 作者首先简要地介绍了高阶差分幅度与相位调制解调 m d a p s k 技术的发展概况及现状 其次介绍了高阶差分幅度与相位调制解调 m d a p s k 的技 术特点 最后 介绍了本论文的总体结构及作者所做的一些工作 1 1 高阶差分幅度与相位调制解调的发展概况及现状 1 1 1 高阶差分幅度与相位调制解调的发展概况 近年来 无线传输技术着力于推进使用于无线互联网和无线多媒体的无线传 输 无线通信的目标是实现无所不在的通信 即任何人 物在任何时间任何地点均 能实现任何形势的通信 这要求系统能最大限度的利用频域 时域 码域 空域 等各种资源 数字通信技术的发展使得各种通信应用呈现出相互融合的趋势 比 如电话网 有线电视网与i n t e r 网三网合 趋势 要在同 传输信道中实现诸多通 信应用r 但是频谱资源是有限的前提下 提高系统容量暂时已经不能再从增加带 宽考虑 这就要求我们考虑新的途径来解决这个问题 现在数字移动通信占用的多是特高频 甚高频 v h f u h f 这些频段 但是 众所周知 在这些频段上移动信道存在着严重的频率选择性衰落 这些问题都会 严重影响着数字移动通信系统的性能和质量 为了克服上述缺陷提高系统的性能 大多数数字移动通信系统都采用了对幅度波动不敏感的频移键控和相移键控以及 相应的派生调制方式 并采用了降低码率及自适应反馈均衡等措施 但是上述调 制技术的频谱利用率不是很高 因此在频率资源日趋紧张的今天 寻找高频谱利 用率的高阶调制解调技术是解决这一 问的关键技术 现如今 通过单独控制信号幅度 相位 载频中任何一个 已经不能有效地 电子科技大学硕士学位论文 解决通信中的问题而且误码率也会提高 科研人员试图用联合幅度和相位的调制 方式传输信息 但是由于信道传输特性的限制不可应用 随着对信道传输特性的 改善 高频谱利用率正交幅度调制q a m 和高阶差分幅度相移键控调制方式 d a p s k 渐渐引起了人们的注意力 近几年来科研人员对q a m 和d a p s k 在移动 通信和移动多媒体中的应用进行了广泛深入的研究 而且q a m 已得到广泛应用 目前数字广播方面的欧洲标准 数字陆地视频广播d t v b 标准 日本陆地综合业 务数字广播i s d b t 标准 美国i e e e 8 0 2 1 1 a 及i e e e 8 0 2 1 l g 无线局域网标准 欧洲的h i p e r l a n 2 标准 所有标准中的o f d m 系统里 高速数据传输采用的调制 技术均是可以获得很高频带利用率的高阶正交幅度调制 q a m 6 1 2 0 0 6 年8 月我 国正式批准强制执行具有国家自主知识产权的 数字电视地面广播传输系统帧结 构信道编码和调制 d m b t h 标准 此标准是由凌汛科技和清华大学共同提 出 标准中固定通信接收以1 6 6 4 q a m 作为调制方式 移动通信接收以1 6 q a m 作 为调制方式 由于大多数学者集中精力研究正交幅度调制q a m 并使得q a m 已经实用化 在点对点的数据传输中 最高阶的调制是2 5 6 q a m 即使是点对多点的无线接收 系统中实用化的最高阶调制也已经达到了6 4 q a m d a p s k 因为在信噪比一定时 接收端的误比特率比q a m 高 所以很少有人问津 但q a m 也有它的劣势 它必 须采取相干解调 这就需要了解传输信号的信道失真 也就是要作信道估计 信 道估计的计算量庞大 导致系统的复杂度提高 并且需要在数据流中插入训练符 号序列又会使系统的有效传输速率降低 1 9 9 1 年a r n i x 等学者首先将高阶幅度 相移键控 1 6 a p s k 引入了移动通信 同时说明了移动衰落信道下绝对幅度和相 位调制信号检测的复杂性 1 9 9 2 年y cc h o w 和a r n i x 等人提出了差分幅度相位 调制 d a p s k 研究了在r a y l e i g h 衰落信道下1 6 d a p s k 系统的误码性能并给出 了差分幅度相移键控的优化电平和优化判决阀值 这一研究成果为1 6 d a p s k 在移 动衰落信道下的实际应用提供了依据 6 自此各国学者对d a p s k 在数字广播和无 线局域网方面的应用进行分析和研究 采用d a p s k 调制方式的o f d m 调制系统 是3 g 及后3 3 通信系统提高其数据传输速度的关键技术 1 1 2 高阶差分幅度相移键控 d a p s k 国内外的研究现状 1 9 9 2 年y c c h o w 和a r n i x 等人给出差分幅度相位调制的优化电平比和优化 判决阀值后 随着人们对q a m 的研究逐渐发现了q a m 在解调时算法比较复杂而 第一章绪论 且接收端硬件要求也比较高 学者开始关注d a p s k 这种调制方式 d a p s k 调制 方式大多应用到正交频分复用调制 o f d m 中 以达到最佳效果 1 9 9 5 年德国 学者将m d a p s k 调制应用到数字视频广播 d v b 系统中 开发了3 4 m b p s 高速 6 4 d a p s k o f d m 实验系统 1 9 9 8 年日本学者将1 6 d a p s k o f d m 应用到h d t v 实验系统中 2 0 0 1 年日本通信综合研究所的研究人员将采用1 6 d a p s k 调制方式 的o f d m 系统应用到w l a n 实验系统中 开发了1 0 0 m b p s 毫米波室内宽带无线 接入实验系统 可以实现近距离范围内任何无线终端的多媒体信息传输 6 在亚洲 地区 日本韩国对这种调制方式的研究比较早 目前他们研究的重点是放在接收 端的解调部分以及信道干扰对此调制方式的影响 在国内这种调制方式也正在得 到越来越多的重视 目前的研究主要着重在d a p s k 的差分解调 d a p s k 与o f d m 相结合以及将d a p s k 调制技术和t c m 编码技术相结台等方向上 本文所在课题 组对n 4 一d q p s k 在无线语音通信系统以及码速更高的应用以及高阶差分幅度相移 键控调制解调己作了理论 仿真及实验等研究工作 1 2 高阶差分幅度相移键控调制解调 m d a p s k 技术特点 高阶差分幅度相移键控m d a p s k d i f f e r e n t i a la m p l i t u d ea n dp h a s es h i f t k e y i n g 可以看成是差分编码幅度和差分相位的联合调制 m 是2 的次幂 幅度 和相位携带信息 充分利用信号平面图 高阶差分幅度相移键控调制方式属于一 种多进制调制系统 m 进制数字调制中 每个符号可以携带l o g a m 比特信息 因 此当信道频带受限时可以使信息传输率 比特率 增加 1 6 进制差分幅度相移键 控 1 6 d a p s k 调制的频带利用率为4 b i t s h z 高出q p s k 倍 多迸制调制系统 的频带利用率高 即在系统带宽一定的条件下 多进制调制的信息传输速率比二 进制高 幅度 相位 频率中任何一个单独控制信息成为多进制时 多进制调制 系统频带利用率的提高是通过牺牲功率利用率来换取的 因为随着m 值的增加 在信号空间中各个信号点间的最小距离减小 响应的信号判决区也随之变小 因 此当信号受到噪声和干扰的损害时 接收信号错误概率也将随之增大 但是高阶 差分幅度相移键控可以克服上述问题 差分幅度相移键控 m d a p s k 调制解调与正交幅度调制 q a m 不同 在 调制端幅度和相位均采用的差分编码 除了采用常用的相干解调方式实现解调外 m d a p s k 可以采用差分解调方式实现解调 不需要本地恢复载波 降低了接收端 点的难度 d a p s k 不需要插入训练序列 在系统占用带宽相同的前提下 d a p s k 3 电子科技大学硕士学位论文 系统可以比q a m 系统略低的编码速率 可以改善d a p s k 系统的误码率 提高系 统的可靠性 6 1 1 3 研究背景以及本人所作的工作 随着地面广播及电视移动多媒体等的出现 要求巨大数据传输 日本和韩国 均实现了每秒钟g b s 级的数据传输 本人所在课题组也成功地将 4 一d q p s k 应用 到无线语音通信系统 并已经实现了硬件设计 数据传输的速度已经达到5 0 0 k b p s 为了设计出在高速传输系统中适用的调制系统 本人针对在移动通信中高阶调制 解调的应用意义 对m d a p s k 进行了深入的研究 仿真了m d a p s k 调制解调的 原理和算法 比较不同算法的性能 最后 本人提出了双载波并行传输数据的方 法 进行了仿真实验 分析了这种方法的性能 论文的主要内容安排如下 第二章 差分相移键控调制解调原理 在m a t l a b 中仿真了n 4 d q p s k 调制 解调 8 d p s k 1 6 d p s k 分析了 4 一d q p s k 8 d p s k 调制信号的频谱特性 分 析了8 d p s k 和1 6 d p s k 的误码率与信噪比之间的对应关系 第三章 高阶差分相移键控调制原理 仿真了m d a p s k m 1 6 3 2 6 4 调制的原理 分析调制阶数对频带利用率的影响 第四章 高阶差分幅度相移键控解调 主要介绍了高阶差分幅度相移键控解 调的原理 在m a t l a b 中仿真了第三章中的调制信号 分析了误码率与信噪比之间 的关系 分析由2 d a s k 和8 d p s k 与4 d a s k 和4 d p s k 结合的1 6 d a p s k 的调制 解调的误码性能 以3 2 d a p s k 为例仿真了采用代数平均数和几何平均数作为差分 阀值的解调 分析了两者误码性能的差异 仿真了采用简化差分幅度解调的 3 2 d a p s k 分析了采用简化算法和常规算法解调3 2 d a p s k 的信噪比与误码率的 对应关系 第五章 加入标码的两个载波并行传输的调制解调 主要介绍了两个频率的 载波传输的1 6 d a p s k 调制解调 并分析了误码性能 并尝试在每个载波的调制端 加入了标码 4 第二章差分相移键控调制解调 第二章差分相移键控调制解调 上一章节中主要介绍了m d a p s k 调制解调发展 在国内外研究现状以及 m d a p s k 的特点 在这一章中介绍m d a p s k 组成之一的差分相移键控调制解 调 本章共包括三个部分 第一部分通过兀 4 一d q p s k 介绍m d p s k 调制解调的原 理 并且在m a t l a b 中验证了算法的正确性 根据7 c 4 d q p s k 差分相位位r e 4 的奇 数倍 第二部分介绍相邻符号周期的差分幅度相位分别是7 r 8 和m 1 6 的奇数倍 8 d p s k 和1 6 d p s k 的调制解调 本人在m a t l a b 中仿真8 d p s k 和1 6 d p s k 的解调 系统 并比较分析了8 d p s k 和1 6 d p s k 的误码性能 2 1 丌 4 一d q p s k 调制解调原理 n 4 一d q p s k 是正交相移键控调制方式 是对q p s k 和o q p s k 的一种修正模 式 将最大的相位跳变士邢晕为士3 n 4 另外n 4 d q p s k 不再只能使用相干解调 还可以采用非相干解调 8 9 1 亿 4 一d q p s k 是q p s k 的修正形式 其最大的相位跳变之值仅为土3 兀 4 2 1 i 兀 4 一d q p s k 信号描述 刑4 一d q p s k 的传输信号有如下的形式 j f c o s c o t 中 f 2 1 中 t 是相位分量 包含着输入信息 中 t 在一个符号周期t 期间是常数 因此 把式2 1 在第k 个符号周期期间 即k t s t k 1 t 情况下展开得到 s t c o s 中tc o s o t s i n 中女s i nc ot 2 2 其中 l c o s q 5 和g s i n 是第k 个符号的同相分量和正交分量的幅度值 在n 4 d q p s k 调制中 信息是以差分相位的形式进行传输的 第k 个符号的 绝对相位中k 可以表示成 国 西 中 2 3 其中 o 是第 k 1 个符号的相位 巾 是相位的变化量 5 电子科技大学硕士学位论文 n 4 一d q p s k 调制方式中 每个符号包含两位的输入信息 输入数据与相位的 变换关系如表2 1 所示 s y m b o lx k y k 西kc o s 西ks i n a 魄 oo05 4 0 7 0 7 0 7 0 7 1o13 4 0 7 0 70 7 0 7 211 40 7 0 70 7 0 7 31o7 40 7 0 7 0 7 0 7 表2 1 4 d q p s k 数据与相位的变换关系 把i k c o s o k 和q k s i n q b k 利用三角函数关系展开得到 i k i k l c o s a p k q k l s i n a b k c o s b k 1 a 1 r c o s 1 k q k q k 1 c o s 中k i k 1 s i n 中k s i n 中k l 中k s i n 中k 2 4 2 5 公式 2 5 2 6 表明i k 和q k 不仅与输入数据有关 而且与前一次数值i k l 和 q k l 有关 假设0 时刻的参考相位是0 弧度 则i k 和q k 的幅度可以从士1 0 2 1 2 中选择任何一个 如果k 是奇数 则i k 和q k 只能取两个幅度值 1 2 2 如果k 是偶 数 则i k 和q k 可以取三个幅度值 一1 0 l 设初始状态为r o l q o 0 o o 0 k o 当k l 时 可能的输入符号有4 种情况 0 0 0 1 1 1 1 0 如果输入的符号是 1 1 贝l j a o k t r j 4 从公式f 2 3 可知 对应的 相位输出为1 7 d 4 同理可以得出其他三种符号输入情况时对应的输出相位分别 为 5 r d 4 3 r d 4 7 刑4 也就是说 在k l 时刻 可能的输出相位有4 种情况 5 n 4 3 r 4 7 州 们 当k 2 时 根据k 1 时刻的推导过程 可以知道k 2 时刻的可 能输出相位是 0 刑2 兀 3 兀 2 当k 3 时 我们发现该时刻信号输出相位的可能取 值又回到了k l 时刻的情况 随着k 的变化不断循环下去 最终可以得到 兀 4 一d q p s k 的相位转移图 即星座图 州4 一d q p s k 的这种相位特性使得对于每个 连续比特 保证其在每个符号期间至少有一个耐4 整数倍的相位跳变 这使得接收 机能够进行时钟恢复和同步 6 第二章差分相移键控调制解调 叫il 黔1 王 答鬻 毛麓棒 图2 1p i 4 一d q p s k 相位星座 可以看出7 附一d q p s k 信号的相位有8 种情况 且相位在铲 5 梢 3 艄 7 9 4 删 集合和1 3 o 北 丌 3 7 r 2 集合之间交替变换 因而在不同的时刻 信号的输出会取 不同的幅度值 2 1 2 4 一d q p s k 调制原理 由式 2 2 式 2 3 以及结合表2 1 画出接收端调制系统的原理框图 由 图2 2 调制系统的原理框图 2 1 3 丌 4 d q p s k 解调原理 s m w t 1 1 4 一d q p s k 信号的解调方式可以归为两类 相干检测和差分检测 其中差分 检测又可分为三类 鉴频器检测 中频差分检测 基带差分检测 在静态接收时 相干检测的性能比差分检测好 但相干检测中要求的相干载波在实际移动信道中 很难得到 因而在移动接收时 其接收性能反而不及差分检测 n 4 一d q p s k 中的 信息完全包含在载波的相位变量 瓴之中 便于差分检测 中频差分检测中 如果 7 电子科技大学硕士学位论文 延迟的时间不是准确地等于一个码元长度 就会有一部分信号能量不能被充分利 用 相当于损失一部分信噪比 基带差分检测中 如果本地振荡器的频率与信号 的载频存在着频率差 则在一个码元内 将存在2 几 t 的相位漂移 会使系统 误比特率增加 当 t o 0 2 5 即频率偏差为码元速率的2 5 时 在一个码元期 间内将产生9 0 的相位差 在误码率为1 0 5 时 该相位差将会引起l d b 左右的性能 恶化 因此在实现时要采取措施减少本地振荡器频率与信号载频之间的频差 在 本节叙述的方法中 采用基带差分检测方法来实现n 4 一d q p s k 信号解调 1 9 接收端是通过判断相邻周期的相位差来判决输入的比特值 整个解调过程如 下所述 接收端接收到的已调信号可表示为s t c o s c o t 巾 f j f 4 c o s c o c t c o s c o d 西 f 4 c o s c o d 1 i c o s 2 0 9 d 0 c o s 西 f 2 6 j f 4s i n c o d c o s c o d f s i n c o d 丢 s i n 2 咄 f n 邮 2 7 4c o s 西 百1c s m 一西 c o s 吐b tc o s d i l s i n ts i nt 一 令x k c o s a o e 耳 s i n a m x k x k l 耳砭一1 1 j d s i n a 面女 2s i n m k 一西 s i n c o s g t l c o sis i n 巾 砭五一 一x k 瓦一 通过s i n 西 c o s a 判决译码得到解调输出 解调端解调的原理框图如图2 3 所示 2 一8 2 一9 第二章差分相移键控调制解调 s t c o s c o o t 图2 3 4 d q p s k 基带差分检测框图 根据表2 1 所示 可以得到差分检测判决规则 如表2 2 所示 出 c o s a 巾i s i n h q t 西k i q 五 耳 0 7 0 7 0 7 0 75 4o0 0 7 0 7o 7 0 73 4o1 0 7 0 7 0 7 0 77n 41o 0 7 0 70 7 0 7 丁 41l 表2 2差分解调判决规则 在n 4 d q p s k 解调端的通常利用相位增量的符号进行判决 x k 0 则i 判为 1 皿 0 贝0 q 笋0 为 1 y k 0 耳 0 d a t a y 0 s i n a g o 女 0 砭 0 五 0 d a t a x 0 c o s a g o t 0 以 i 鼍 i d a t a z 1 l k i l 五 i d a t a z 0 经过判决的数据串并转换输出即得到输入的二进制比特流 2 2 41 6 d p s k 调制解调仿真实验 本节在m a t l a b 中仿真了1 6 d p s k 的调制与解调 1 4 笙三芏差坌塑堡堡鳖塑型竖塑 同样是将n 4 d q p s k 的原理引入到1 6 d p s k 差分相位 m 挲 差 i o 分相位与g r a y 编码的对应关系见表2 5 对于1 6 d p s k 调制的信号的频谱在这就 不再占用篇幅赘述 巾d3d zd id o 2 6000 0 3 1 6 0001 5 1 6 00l 1 7 1 6 0010 9 1 6 0110 1 1 1 60l1 1 1 3 1 6 0101 1 5 1 6 0l00 1 7 1 6 1000 1 9 1 6 10 0 l 2 1 1 6101 1 2 3 1 6 10l0 2 5 2 6 1110 2 7h 1 61l11 2 9 1 61l0 l 3 1 1 6 1 l0 0 表2 51 6 d p s k 差分相位与g r a y 编码的对应关系 在1 6 d p s k 解调端 根据表2 5 关系判决输出4 位并行的二进制数 最后串并 转换和输出 本文仿真的1 6 d a p s k 参数为 5 0 0 0 个串行二进制数 输入的码率为1 m h z 载波频率为2 m h z 解调端的信噪比与输出的误码数见表2 6 表示 信嗓比与误码 率的对应关系见图2 1 1 1 5 电子科技大学硕士学位论文 s n r0123456 78 91 01 1 1 2 e b r1 6 d p s k8 8 97 7 26 6 85 6 34 9 14 0 93 6 l2 6 42 2 21 8 71 2 99 85 9 s n r1 31 41 51 61 71 81 92 02 12 22 32 4 e b r1 6 d 1 s k3 02 1432o0o0ooo 1 0 葛1 百2 10 3 表2 6 信噪比与输出的误码数对应关系 1 6 d p s k 的误码章与信嗓比的对应关系 t i 口246日1 01 21 41 61 8 s n r d b 图2 1 11 6 d p s k 信噪比与误码率的对应关系 2 2 58 d p s k 和1 6 d p s k 比较仿真实验 差分相移键控的调制解调是通过一个圆周上的信号点传输信息 高阶相移键 控调制频谱利用率的提高 是通过增加圆周上的信号点数实现的 随着圆周上信 号点数的增加 信号点之间的距离逐渐的减小 相同的发射功率下 信号的误码 率也会增大 本人在m a t l a b 环境下比较了8 d p s k 和1 6 d p s k 的调制解调的误码性能 表2 8 为5 0 0 0 个串行二进制数分别通过8 d p s k 和1 6 d p s k 调制解调 输出的误码数 和信噪比的对应关系 s n r 为输入信号的信噪比 e b r8 d p s k 为8 d p s k 调制解 调的误码数 e b r1 6 d p s k 为1 6 d p s k 调制解调的误码数 图2 1 2 在一个图中 画出了8 d p s k 和1 6 d p s k 的误码率与信噪比对应关系 分析表2 8 和图2 一1 2 可以看出 1 6 d p s k 要得到与8 d p s k 相同的误码性能 就只能增大信噪比 例如 1 6 第二章差分相移键控调制解调 在表2 8 中 8 d p s k 调制解调信噪比为4 d b 时 输出的误码率为8 8 5 0 0 0 而 1 6 d p s k 要得到相似的误码性能9 8 5 0 0 0 信噪比就要是1 l d b 这一差别在图2 一 1 2 中也一样可以看出 误码率为1 0 2 时 8 d p s k 对应的信噪比为5 d b 而1 6 d p s k 误码率曲线对应为大于1 2 d b 1 6 d p s k 要想得到与8 d p s k 相同的误码性能 信噪 比大约要增加7 d b s n rol23456789 1 0王11 2 e b r8 d p s k3 6 3 3 0 92 1 31 3 98 86 42 342lo00 e b r1 6 d p s k8 8 97 7 26 6 85 6 34 9 14 0 9 3 6 12 6 42 2 21 8 71 2 99 85 9 s n r1 31 41 51 61 71 81 92 0 2 l 2 22 3 2 4 e b r8 d p s k0 0 0 00000oo00 e b r1 6 d p s k3 0 2 l 43 20000oo0 1 d 1 0 4 表2 88 d p s k 和1 6 d p s k 的误码数比较 8 d p s k 与1 6 d p s k 误码率与信噪比的对应关系 lj 一 t e b e r r e 16 d p p s s k ki h x r f目8 d r s 弋 e b f一8 d p 8 l i 一 e1 01 21 41 61 8 s n r d b 图2 1 28 d p s k 和1 6 d p s k 误码率与信噪比的对应关系 从7 4 d q p s k 调制和8 d p s k 调制输出信号频谱的对比可知 在相同的基带 带宽内高阶调制解调传输的数据速度要高 同样在3 7 5 m h z 的带宽内 m 4 d q p s k 传输的数据速率为5 0 0 k b p s 而8 d p s k 传输数据的速度为7 5 0 k b p s 同样速率的串 行数据分别通 4 一d q p s k 调制和8 d p s k 调制 后者输出信号占用的带宽小于前 1 7 电子科技大学硕士学位论文 者占用的带宽 当然也不能无止境地增加调制的阶数 由于d p s k 的信号点分布在同一个圆 周上 随着调制阶数增加 信号点的个数成倍的增长 信号点之间的距离越来越 小 误码率就会增高 在相同信噪比的情况下 8 d p s k 的误码率要低于1 6 d p s k 1 6 d p s k 的误码性能要想达到8 d p s k 误码性能 只有增加信噪比 即增加调制信 号的能量 2 3 小结 本章主要仿真了差分相移键控调制解调 m d p s k 系统 包括 4 d q p sk 8 d p s k 1 6 d p s k 分析了调制信号的频谱 解调信号的误码性能 调 制阶数m 增加 信号空间的信号点增多 分析 4 一d q p s k 8 d p s k 1 6 d p s k 调制 系统的输入码率与调制信号的频谱 m 的增大相同的带宽下传输的码元的速度增 加 在接收端 在相同的信噪比的情况下 解调信号误码率随m 的增大而增加 调制解调系统 调制信号的带宽和解调误码性能是矛盾体 在选择调制解调时 综合考虑 使选择的调制解调系统满足设计需求 第三章高阶差分幅度相移键控调制 第三章高阶差分幅度相移键控调制 在第二章中介绍只利用相位传输信息的差分相移键控调制 m d p s k 调制解 调原理 并在m a t l a b 中仿真m d p s k 调制解调系统 本人分析比较8 d p s k 和 1 6 d p s k 调制信号频带利用率以及解调信号的误码性能 得出结论随着调制阶数增 高 调制信号的频带利用率增加的同时解调信号的误码性能降低 本章介绍利用 相位和幅度联合传递信息的调制方式 差分幅度相移键控调制 本章包括包括四 部分 第一部分介绍了高阶差分幅度相移键控 m d a p s k 调制原理 第二部分 以1 6 d a p s k 调制系统详述了m d a p s k 调制系统以及在m a t l a b 中的仿真 第三步 部分为3 2 d a p s k 调制系统的仿真验证 第四部分简述了6 4 d a p s k 调系统的仿真 以及比较了m d p s k m 4 8 1 6 和m d a p s k m 1 6 3 2 6 4 的频带利用 奎 6 1 4 1 5 3 1 高阶差分幅度相移键控 m d a p s k 原理简述 在高速数据传输中广泛应用的高阶调制方式为正交幅度调制 q a m 在大多 数国家中 高频带利用率的q a m 调制技术作为世界统一标准d v b 数字卫星和有 线电视传输系统中的调制方式被接受 我国地面数字电视标准中同样也采用了 q a m 作为其中主要的调制方式 为了抵抗频率选择性衰落 o f d m 系统的子载波 采用的调制方式多采用q a m 高阶q a m 虽然可以获得很高的频带利用率 但是 q a m 是一种非恒包络的调制技术 其抗非线性失真的性能较差 所以q a m 必须 采用相干解调 而相干解调中信道估计的计算量很大 导致系统复杂度提高 并 且数据流中插入的训练序列又使系统的有效传输速率降低 d a p s k 由于采用了差 分编码 在接收端可以采用非相干解调也可以采用准相干解调 采用准相干解调 时需要知道载波的相位等信息 也需要进行信道估计 但是可以避免相位相干解 调时的相位模糊问题 对于非相干解调 就不需要进行信道估计 这样就可以大 大降低接收端的复杂度 同时又可以避免为了传输导频信号而增加的额外带宽 同阶的q a m 与d a p s k 相比 由于d a p s k 的幅度数比较少 因此可以获得较小 的功率漂移和较小的信息检测复杂度 另外 d a p s k 不需要插入训练序列 在系 统占用带宽相同的前提下 d a p s k 系统的编码速率可以比q a m 系统略低 从而 1 9 电子科技大学硕士学位论文 可以改善d a p s k 系统的误码率 提高系统的可靠性 广泛研究的m d a p s k 为 1 6 d a p s k 和6 4 d a p s k 高阶差分幅度相移键控 d i f f e r e n t i a la m p l i t u d ea n dp h a s es h i rk e y i n g 简称为 m d a p s k 是利用差分编码的幅度和差分相位结合在一起调制输入信息的一种调 制方式 差分幅度相移键控d a p s k 可以视为差分编码的幅度和相位调制联合调 制 本章中将n 4 d q p s k 调制中所采用的n 4 差分原理引入到多进制m d a p s k 差分相位调制d p s k 中 d a p s k 信号的差分信号空间星座图可以用下面的信号矢 量集s 定义 s 口 e 6 9 l m 0 0 1 n 0 2 一1 3 1 调制符号的差分相位a o 2 n 1 8 其中虬是幅度的状态数 帆 2 是相位状态数 2 信号状态数m 帆n p 矢量的最小相位差 a 妒 z n 口为实常数 用来确定调制信号的振幅 可按照状态数和解调方法o m 准相干或非相干 的不同进行优化选择 表3 1 给出了不同状态数对应的优化口 值 差分相位和差分幅度与比特的映射关系采用的g r a y 码进行编码 以降低比