m_QAM调制技术及其在移动通信中的应用

最小欧几里德距离 dmin是 m2QAM 信号星座图上
星座点间的最小距离 , 该参数反映了 m2QAM 信号
抗高斯白噪声能力 。可以通过优化 m2QAM 信号的
星座点分布来得到最大的 dmin , 从而获得抗干扰性
能更好的 m2QAM 调制方案 。
( 3) m2QAM 信号的最小相位偏移θmin
最小相位偏移是 m2QAM 信号星座点相位的最
3 m2QAM 调制技术
311 m2QAM 调制原理
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移动通信 2001年第 1期
m - QAM调制技术及其在移动通信中的应用
正交振幅调制的调制信号为 :
s (t) = Ai cosω1t + Bicosω1t , 0 Φt Ε T
( 1)
s (t) 由 两 个 相 互 正 交 的 载 波 构 成 , 式 中 ,
点 (矢量点) 的位置 。因此 , m2QAM 信号可用二维
空间表示 , 并通过调整各星座点的位置 , 获得不同
的调制性能 。
312 m2QAM 调制方式的主要参数
在采用 m2QAM 调制技术时 , 除了要考虑具有
通常意义的系统传输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 : m2QAM 调制信号的峰值 2 均值比γ, 星座点间最小 的欧几里德距离 dmin 和信号最小相位偏移θmin 。对 于不同的传输系统 , 对这些参数的要求各不相同 。
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移动通信 2001年第 1期
采用自适应调制的无线智能传输技术
(例如对应低分辨率的基本图象信息) ; 第二次编码 则对每一个象限内的信息 , 即每一个云团中的四个 星座点进行编码 , 用两个比特 i2q2 表示 , 以传输较 不重要的信息 (例如对应高分辨率的图象细节) 。此 时 , 星座点间的欧几里德距离为 d2 , 显然 , d1 > d2 。这便是具有两种分辨率的 16QAM 调制方案 。 而对图 22b 的 64QAM( m = 8) 方形星座图 , 则可对 64 个星座点分三次编码 , 从而可以获得三分辨率 的 64QAM 调制方案[6 ] 。
表 1 给出了三种类型星座图的参数比较 。
由表可见 , 当信号平均功率 E0 一定时 , 方形 星座图的最小欧几里德距离 dmin 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θmin 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 。
另外 ,从表 1 还可以看到 ,不均匀圆形星座图仅仅是 通过对圆形星座图内外环星座点作重新安排 ,就可获得 约217dB ( = 20log( 0159 E0 / 0143 E0 ) ) 的性能改 善 ,而且其抗非线性失真性能也有所提高 (γ = 113 < 117) 。
为了充分利用方形星座图具有高抗高斯白噪声 的优点 , 并且克服其峰值 - 均值比高的缺点 , 各种 变形的方形星座图得到人们的重视 , 如矩形星座图 和梯形星座图等 。这些星座图除了保持有方形星座
( 3)
则 m2QAM 信号的平均功率与峰值功率分别表
∑ 示为 :
平均功率 :
Pav
=
A
i
M =
1
(di2 + ei2 ) m
( 4)
峰值功率 : Ppk = Amax( d2i + e2i )
( 5)
故 m2QAM 信号的峰值 2均值比 :
●专 题
第三代移动通信技术
γ= Ppk
( 6)
Pav
( 2) m2QAM 信号的最小欧几里德距离 dmin
星座图和方形星座图三大类型 。图 1 - a 、b、c 分别示 出了 16QAM( m = 4) 以上三种类型的星座图 。
在设计圆形星座图时 , 当半径比率 RR( RR = A2 / A1) 很大时 , 内环星座点上的欧几里德距离 d1 变小 , 而环间星座点上欧几里德距离 d2 变大 。因 此在外环半径 A2 为定值的情况下 , 总可以找到一 个 RR , 使得星座图的最小欧几里德距离最大[2 ] , 从而提高系统的抗高斯白噪声性能 。
式不可能同时满足上述要求 , 而只能侧重于某些方 面的性能 。现有移动通信系统的主要业务是低速的 语音服务 , 其核心问题是提高语音服务的质量 。因 此 , 对其相应调制技术的要求是具有很好的抗干扰 能力 , 且带外辐射小 。
对第三代移动通信系统而言 , 除了要考虑提高 语音服务质量之外 , 更重要的是要解决如何在有限 频带资源中提供多媒体综合业务 。因此 , 第三代移 动通信系统在选择调制方案时 , 就不能只考虑抗干 扰性能 , 而应更多考虑频带利用率与灵活性 。显 然 , 传统的调制方案只适用于低容量 、低速率的语 音服务 , 却难以满足高容量 、高速率的多媒体业 务 。而正交振幅调制 ( m2QAM) 是一种具有高频谱利 用率 , 且有可能灵活地根据传输环境与传输信源的 不同 , 自适应地调整其调制速率的调制技术 , 因此 能很好地缓和可用频带紧张状况及实现多速率的多 媒体综合业务传输 。
{Ai } , {Bi }为离散振幅 ; T为数据码元宽度 ; i = 1 , 2 …m; m 为 Ai 和 Bi 的电平数 。
并且 , Ai 、Bi 可写成 :
Ai = diA ( 2)
Bi = eiA 这里 A 为恒幅 , di 、ei 由输入数据确定 。di 、ei 可决定已调 m2QAM 信号星座图 (即矢量图) 中星座
●专 题
第三代移动通信技术
m - QAM
调制技术及其在移动通信中的应用
The m - QAM Modulat ion Technology an d Its Appl icat ion in Mobile Commun iat ion
朱旭明 易清明 黄元 暨南大学电子工程系 (广州 , 510632)
因此 , 如何在有限的频谱资源中提供高容量 、 高速率的多媒体综合业务 , 是移动通信领域中一个 令人关注的课题 。而确定一种高频谱利用率的调制 方案能在很大程度上解决上述问题 。
2 移动通信技术对传输调制方式的 要求
移动通信系统的无线信道传输环境 , 通常被认 为是一种较为恶劣的传输环境 。它不象有线信道那 样具有固定的和可预见的特性 , 而是有较强的随机 性 , 还存在同频道干扰和邻频带干扰等 。因此 , 与 有线通信相比 , 移动通信系统对调制技术的性能还 需要有更高的要求 , 包括以下几(8) 、(9) 和 (10) , 可求出圆形星座 图的峰值 - 均值比γ为 :
γ=
(A2 )2 E0
=
(3101d ) 514d2
2
=
117
( 12)
最后 , 由图 1 - a , 可以求出其最小相位偏移 θmin = 45°。
而对于不均匀圆形星座图 , 当 d1 = d3 , 即半径 比率 RR≈2172 时 , 其最小欧几里德距离 dmin 达到 最大 。
( 9)
图 1 m2QAM 典型星座图
2001年第 1期 移动通信
31
●专 题
第三代移动通信技术
由式 (8) 和 (9) , 可求出圆形星座图的平均功率
E0 为 :
E0
=
8
·A21 + 8 16
·A22
=
514d2
( 10)
由 ( 10) 式 , 可求出其最小欧几里德距离 dmin :
dmin = E0 / 514 = 0143 E0
总的来说 , 变速 m2QAM 调制就是根据衰落信 道的传输特性 , 或根据传输源的特性自适应地调节 信号的调制电平数或信号星座图 。 411 多分辨率的 m2QAM 调制技术
采用多分辨率调制方式来处理在恶劣无线信道 环境中传输多媒体信息 , 将会大大提高传输质量和 频带利用率 。这是因为 , 信道中所传输的信息的重 要性 , 对发送者和接收者而言 , 并非相同 。例如 , 在图像传输的过程中 , 有些信息是必不可少的 , 对 这些信息来说 , 要求传输误码率较低 ; 而有些信息 没有那么重要 , 则可以降低对传输误码率的要求 。
(1) m2QAM 信号的峰值 2均值比γ m2QAM 信号的峰值 2 均值比γ 的大小反映了
m2QAM 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 。
由式 (1) , 可求γ。
式 (1) 写成如下复数形式 :
Si = A( di + jei )
从几何角度上看 , 当 d1 = d2 = (A2 - A1) = d , 即 半径比率 RR = A2 / A2≈1177 时 , 圆形星座图的最 小欧几里德距离 dmin最大 , 其参数为 :
cos6715°=
d1 2
·1 A1
( 7)
d1 = 2 ·A1 ·cos6715°
( 8)
因此 , A2 = ( 1 + 2 ·cos6715°) A1
采用自适应调制的无线智能传输技术
图相同的抗高斯白噪声性能外 , 还在一定程度上克 服了方形星座图的缺陷 。
4 m2QAM 调制技术在移动通信中的 应用
m2QAM 的高频带利用率是以牺牲其抗干扰性 来获得的 , 电平数越大 , 信号星座点数越多 , 其抗 干扰性能越差 。因此 , 除了可以通过选择星座图的 类型改善其性能外 ,还可以根据不同的传输环境或 传输信源的不同特点 ,来自适应地改变 m2QAM 调制 信号的电平数 ,即星座点数 ,以保证获得预期的传输 性能 。当然 ,在这种情况下 ,相应的信号传输速率也 随之产生变化 ,这就是所谓变速率 m2QAM 调制方 式 。变速率 m2QAM 调制方式由 Steele 和 Webb 最早 提出 [3 ] ,并引起许多学者的关注 。1995 年 , Steele 与 Webb 已利用计算机软件仿真的方法研究变速率 m - QAM 调制技术在移动通信中的应用[4 ] 。随后 ,张 睿和李建东利用 DSP 芯片研究了在莱斯衰落信道 中自适应地调节信号的调制电平数 ,以改善其传输 特性[5 ] 。李光球则从传输信源不同的角度 ,研究多分 辨率 m2QAM 调制技术[6 ] 。
●高的频带利用率 (单位为 bit / s / Hz) ; ●信号功率与同频道的干扰功率比(C / I) 要高
于某一 “安全”阈值 ; ●已调信号的频带窄 , 带外辐射功率小 , 对邻
近信道的干扰小 ; ●抗多径衰落能力强 ; ●恒定或近似恒定的已调信号包络 , 具有较高
的功放效率 ; ●调制解调设备简单 。 不过 , 在某一确定的应用环境下 , 一种调制方
【摘要】本文根据第三代移动通信对传输调制技术的要求 , 在分析 m2QAM 调制方式特点的同时 , 介绍
了一种能有效提高频谱利用率的变速率 m2QAM 调制技术 , 并说明其在移动通信中的应用 。
【关键词】移动通信 ; 变速率 m2QAM; 调制技术
1引言
随着移动用户数量的不断增加 , 传统通信系统 的容量已经越来越不能满足通信的要求 , 而可用频 谱资源有限 , 也不能靠无限增加频道数目来解决系 统容量问题 。另外 , 人们亦不满足移动通信单一的 语音服务 , 希望能利用移动电话进行图像等多媒体 信息的通信 。在 IMT- 2000 国际标准中定义的未来 个人通信 , 是多种业务的综合 , 它不仅有传统的语 音服务 (916kbps) , 还需提供更高速率的 (384kbps , 2Mbps) 的多媒体业务 。对于这些高速数据的传输 , 如果采用一般的调制技术 , 信道带宽将会急剧增 加 , 从而进一步加剧频率资源紧张的状况 。
从前面的分析可知 , 利用不同形状的星座图 , 可获得的传输性能是不同的 。其实 , 即使是同一种 星座图 , 也存在具有不同特性的信号星座点分布 。 为了实现多分辨率调制 , 其信号的编码过程按多步 骤进行 。例如 : 在图 2 - a 的 16QAM 方形星座图 中 , 对 16 个星座点的编码是分二个步骤进行的 : 第一次编码是把星座面分为四个象限(或称 4 个云 团) , 此时星座点间的欧几里德距离为 d1 , 这种状 态用两比特 i1q1 来编码 , 以传输重要的基本信息
小偏移 , 该参数反映 m2QAM 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
m2QAM 信号的星座点分布来获得最大的θmin , 从而
获得更好的传输性能 。
313 m2QAM 调制信号星座图的设计 通过对 m2QAM 信号星座图的优化设计 , 可以
得到性能各异的 m2QAM 调制方案 。 m2QAM 信号星座图有圆形星座图 、不均匀圆形