现代移动通信中的调制技术研究(7)

不同。设第i组中包含的比特数为，则有

（3.54）

将每组中的比特看作是一个进制码元，其中，并且经过串并变换将F个串行码元变为N个并行码元。各路并行码元的持续的时间相同，均为一帧时间，但是各路码元包含的比特数不同。这样得到的N路并行码元用来对于N个子载波进行不同的MQAM调制。这时的各个码元可能属于不同的进制，所以它们各自进行不同的MQAM调制。在MQAM调制中一个码元可以用平面上的一个点。将进制的码元变成一一对应的复数的过程称为映射过程。例如，若有个码元是16进制的，它由二进制的输入码元调制后的相位应该为，振幅为。此映射过程就应当将输入码元“1100”映射为。

如前所示，OFDM信号采用多进制、多载频、并行传输的主要优点是使传输码元的的持续时间大为增长，从而提高了信号的抗多径传输能力。为了进一步克服码间串扰的影响，一般利用计算IDFT时添加一个循环前缀的方法，在OFDM的相邻码元之间增加一个保护间隔，使相邻码元分离。

按照上述原理画出的OFDM调制原理方框图如图3-20所示。在接收端OFDM型号的解调过程是其调制的逆调制的逆过程，这里不再阐述。

分帧 编码映射 二进制 输入信号 分组 串并 转换 IDFT 并串转换 D/A 变换 上变频 OFDM 信号

图3-20 OFDM调制原理框图

3．6 正交幅度调制（QAM）

我们在单独使用振幅或相位携带信息时，不能充分地利用信号平面。采用多进制振幅调制时，矢量端点在一条轴上分布，采用多进制相位调制时，矢量端点在一个圆上分布。随着进制数M的增大，这些矢量断点之间的最小距离也随之减小。

为了充分地利用整个平面。将矢量端点重新合理地分布，在不减小最小距离的情况下，增加信号矢量的端点数目。我们可以采用振幅与相位相结合的调制方式，这种方式常称为数字复合调制方式。一般的复合调制称为幅相键控（APK）。两个正交载波幅相键控称为正交幅度调治（MQAM）。

MQAM有4QAM，8QAM，16QAM，64QAM等多种，我们主要讨论16QAM。 3.6.1 QAM表示式

QAM信号使用两个正交载波和，其中每一个都被一个独立的信息比特序列所调制，然后

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把两路调幅信号合路，构成正交幅度调制信号。它的特点是各码元之间不仅幅度不同，相位也不同，属于幅度和相位相结合的调制方式。

设同相和正交支路的基带数字信号分别是和，则MQAM信号为：

（3.55）

其中

为码元间隔，和为同相和正交支路的多电平码元，一般取幅度间隔相等的双极性码，如

?1,?3，?

MQAM信号也可表示成

（3.56）

由上式可看出,MQAM信号也可看为联合控制正弦载波的幅度及相位的数字调制信号。 3.6.2 MQAM的信号的矢量表示

MQAM信号波形可表示为两个归一化正交基函数的线性星座图合，即

（3.57） 其中，两个归一化正交基函数为

MQAM信号波形的二维矢量

（3.58）

3.6.3 QAM的星座图

信号矢量端点的分布图称为星座图.通常,可以用星座图来描述MQAM信号的信号空间分布状态.

通过对MQAM信号星座图的优化设计,可以得到性能各异的MQAM调制方案。

MQAM信号星座图有圆形星座图、不均匀圆形星座图和矩形星座图三大类型。图3-21示出了16QAM(M=4)以上三种类型的星座图。

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图3-21 MQAM典型星座图

3.6.4 星座图的选择参数

在采用MQAM误码率及频带利用率外,还需要考虑其它一些有关该调制方式的参数,如:MQAM调制信号的峰值均值比γ,星座点间最小的欧几里德距离和信号最小相位偏移。对于不同的传输系统,对这些参数的要求各不相同。

(1)MQAM信号的峰值

均值比QAM信号的峰值 均值比γ的大小反映了MQAM信号的抗非线性失真能力,尤其是由非线性功率放大器所造成的非线性失真。γ值越大,其抗非线性失真性能越差；

(2)MQAM信号的最小欧几里德距离

最小欧几里德距离是MQAM信号星座图上星座点间的最小距离,该参数反映了MQAM信号抗高斯白噪声能力。可以通过优化MQAM信号的星座点分布来得到最大的,从而获得抗干扰性能更好的MQAM调制方案；

(3)MQAM信号的最小相位偏移

最小相位偏移是MQAM信号星座点相位的最小偏移,该参数反映MQAM信号抗相位抖动能力和对时钟恢复精确度的敏感性,同样可以通过优化MQAM信号的星座点分布来获得最大的,从而获得更好的传输性能。

表3-2 三种类型星座图的参数比较。

类型 圆形星座图 不均匀圆形星座图 方形星座图 ? 1.7 1.3 1.8 由表可见,当信号平均功率一定时,矩形星座图的最小欧几里德距离最大,不均匀圆形星座图次之,而圆形星座图最差。即方形星座图抗高斯白噪声能力最强,最适宜在典型的高斯白噪声信道中使用。但是,在抗相位抖动及抗非线性失真等性能上,方形星座图则不如圆形星座图和不均匀圆形星座图,这是因为其最小相位偏移最小,且峰值-均值比γ都大于后两者。因此,圆形星座图更适宜用于瑞利衰落的无线信道中。

调制技术时,除了要考虑具有通常 意义的系统在实际通信应用中，常采用矩形MQAM信

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号星座图。此矩形MQAM信号星座图虽不是最优的星座结构，但在满足一给定的最小欧氏距离的条件下，即在满足一定误符率的条件下，矩形星座的MQAM信号所需平均发送功率仅比最优MQAM星座结构的信号平均发送功率稍大，而矩形星座的MQAM信号的产生及解调在实际实现时比较容易，所以矩形MQAM信号在实际通信中得到广泛应用。

3.6.5 矩形星座MQAM信号的产生

产生矩形MQAM信号的原理框图如图3-22所示：

图3-22 16QAM调制解调系统星座图成

在此图中，输入二进制序列经串并变换后成为速率减半的双比特并行码元，称为I路和Q路，此双比特并行码元在时间上是对齐的。在同相及正交支路又将速率为的每个比特码元变换后变换为相应的电平幅值序列再经成型滤波限带后得到I(t)及Q(t)的电平的PAM基带信号（数学期望为0），然后将分I(t)及Q(t)别对正交载波进行进制传输ASK调制，二者之和即为矩形星座的QAM信号。

图3-23 16QAM星座图

3.6.6 16QAM的调制信号调制原理

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。也就是说，多进制

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调制系统的频带利用率高。但是，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，在信号空间中各信号点间的最小距离减小，相应的信号判决区域也随之减小。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。振幅相位联合键控（APK）方式就是为了克服上述问题而提出来的。在这种调制方式下，当M值较大时，可以获得较好的功率利用率。

16进制的正交振幅调制（16QAM），就是一种振幅相位联合键控信号。所谓的正交调制（QAM）就是用两个独立的基带波形对两个相互正交的同频载波进行抑制载波的双边带调制，利用这种已调信号在同一带宽内频谱的正交性来实现两路并行的数字信息的传输。16QAM系统方框图如图3-24所示。

图3-24 16QAM调制解调系统星座图成

MQAM的信号表达式如下所示：

（3.55）

其中

为码元间隔，和为同相和正交支路的多电平码元，一般取幅度间隔相等的双极性码，如

?1,?3，?

对于16QAM，，可取。为宽和周期相等的窗函数，它们都等于载波周期的a 倍（a为大于零的数）。

3.7 数字调制技术的应用

MSK和GMSK都属于改进的FSK体制，它们能够消除FSK体制信号的相位不连续性，并且信号是严格正交的。此外，GMSK信号的功率谱密度比MSK信号的更为集中。GMSK调制方式是由日本国际电报电话公司提出的。有较好的功率频谱特性，较忧的误码性能，特别是带外辐射小，很适用于工作在VHF和UHF频段的移动通信系统。由于数字信号在调制前进行了Gauss预调制滤波，调制信号在交越零点不但相位连续，而且平滑过滤，因此GSMK调制的信号频谱

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