無線通信的調(diào)制編碼

無線通信的調(diào)制編碼―、背景意義數(shù)字信號(hào)在傳輸中往往由于各種原因，使得在傳送的數(shù)據(jù)流中產(chǎn)生誤碼，從而使接收端產(chǎn)生圖象跳躍、不連續(xù)、出現(xiàn)馬賽克等現(xiàn)象。所以通過信道編碼這一環(huán)節(jié)，對(duì)數(shù)碼流進(jìn)行相應(yīng)的處理，使系統(tǒng)具有一定的糾錯(cuò)能力和抗干擾能力，可極大地避免碼流傳送中誤碼的發(fā)生。在現(xiàn)代數(shù)據(jù)通信過程中，想要數(shù)據(jù)傳輸?shù)目焖倥c完整，離不開強(qiáng)有力的通信保障。無線電通信技術(shù)是現(xiàn)代通信系統(tǒng)的重要組成部分，如何利用現(xiàn)有先進(jìn)的調(diào)制編碼技術(shù)來實(shí)現(xiàn)高容量、高速率通信，是非常緊迫的任務(wù)和重點(diǎn)研究方向。無線信道環(huán)境惡劣且難以預(yù)測(cè)。無線電波傳輸不僅有傳播路徑損耗，并且受到多徑效應(yīng)、多普勒頻移和陰影效應(yīng)等不利因素的影響，極大地影響了通信質(zhì)量。為此人們不斷研究各種先進(jìn)的通信技術(shù)以提高無線通信的性能，試驗(yàn)結(jié)果表明，采用先進(jìn)的調(diào)制和編碼技術(shù)不僅能提高通信質(zhì)量，而且節(jié)省功率資源。本文將介紹幾種現(xiàn)代調(diào)制與編碼技術(shù)。二調(diào)制編碼的幾種技術(shù)信道編碼技術(shù)幾十年來，人們一直在尋求實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的編譯碼方法，期望能夠逼近香農(nóng)理論極限。從早期的Hammin碼、BCH碼、RS碼，到后來的卷積碼、級(jí)聯(lián)碼，以及今天的Turb。碼和LDP碼，所能達(dá)到的性能與Shannon限的距離在不斷縮小。這些先進(jìn)的信道編碼技術(shù)已經(jīng)在通信領(lǐng)域廣泛使用。RS編碼RS3即里德-所羅門碼，它是能夠糾正多個(gè)錯(cuò)誤的糾錯(cuò)碼，RS碼為(204,188,t=8)，其中t是可抗長(zhǎng)度字節(jié)數(shù)，對(duì)應(yīng)的188符號(hào)，監(jiān)督段為16字節(jié)(開銷字節(jié)段)。實(shí)際中實(shí)施(255,239,t=8)的RS編碼，即在204字節(jié)(包括同步字節(jié))前添加51個(gè)全“0”字節(jié)，產(chǎn)生RS3后丟棄前面51個(gè)空字節(jié)，形成截短的(204,188)RS碼。RS勺編碼效率是：188/204。1.2卷積碼卷積碼非常適用于糾正隨機(jī)錯(cuò)誤，但是，解碼算法本身的特性卻是：如果在解碼過程中發(fā)生錯(cuò)誤，解碼器可能會(huì)導(dǎo)致突發(fā)性錯(cuò)誤。為此在卷積碼的上部采用RS碼塊，RS碼適用于檢測(cè)和校正那些由解碼器產(chǎn)生的突發(fā)性錯(cuò)誤。所以卷積碼和RS3結(jié)合在一起可以起到相互補(bǔ)償?shù)淖饔谩＞矸e碼分為兩種：基本卷積碼：基本卷積碼編碼效率為，n—1/2,編碼效率較低，優(yōu)點(diǎn)是糾錯(cuò)能力強(qiáng)。收縮卷積碼：如果傳輸信道質(zhì)量較好，為提高編碼效率，可以采樣收縮截短卷積碼。有編碼效率為：n=1/2、2/3、3/4、5/6、7/8這幾種編碼效率的收縮卷積碼。編碼效率高，一定帶寬內(nèi)可傳輸?shù)挠行П忍芈试龃螅m錯(cuò)能力越減弱1.3Turbo碼Turb。碼又稱并行級(jí)聯(lián)卷積碼，由法國(guó)C.Berrou等人在1993年ICC93國(guó)際通信會(huì)議上提出。它巧妙地將卷積碼和隨機(jī)交織器結(jié)合在一起，實(shí)現(xiàn)了隨機(jī)編碼的思想。Turbo碼采用簡(jiǎn)單的卷積碼級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)和最大后驗(yàn)概率迭代譯碼算法，取得了接近香農(nóng)極限的糾錯(cuò)譯碼性能。Turb。碼的一個(gè)重要特點(diǎn)是它的分量碼采用遞歸系統(tǒng)卷積碼，這也是它性能優(yōu)越的一個(gè)重要原因。另外，采用迭代譯碼的思想也是Turb。碼的一種重要特點(diǎn)，它的復(fù)雜性僅隨著信息序列的大小而成線性增長(zhǎng)。通常采用MAP譯碼算法，或者其簡(jiǎn)化算法Log-MAP算法和Max-Log-MAP算法，將大部分的乘法運(yùn)算轉(zhuǎn)化為加法運(yùn)算，既減小了運(yùn)算復(fù)雜度，又便于硬件實(shí)現(xiàn)。Turbo碼技術(shù)已廣泛應(yīng)用，其許多關(guān)鍵技術(shù)已有了多種改進(jìn)方案，使其性能更高，更有利于軟硬件的實(shí)現(xiàn)。Turb。碼已被美國(guó)作為深空通信的標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)也被確定為第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)（IMT-2000）的信道編碼方案之一，如3GPP的WCDMCDMA200C和中國(guó)的TD-SCDMA勻采用了Turb。信道編碼方案。1.4交織碼在實(shí)際應(yīng)用中，比特差錯(cuò)經(jīng)常成串發(fā)生，這是由于持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)的衰落谷點(diǎn)會(huì)影響到幾個(gè)連續(xù)的比特，而信道編碼僅在檢測(cè)和校正單個(gè)差錯(cuò)和不太長(zhǎng)的差錯(cuò)串時(shí)才最有效（如RS只能糾正8個(gè)字節(jié)的錯(cuò)誤）。為了糾正這些成串發(fā)生的比特差錯(cuò)及一些突發(fā)錯(cuò)誤，可以運(yùn)用交織技術(shù)來分散這些誤差，使長(zhǎng)串的比特差錯(cuò)變成短串差錯(cuò)，從而可以用前向碼對(duì)其糾錯(cuò)，例如：在DVB-（系統(tǒng)中，RS（204,188）的糾錯(cuò)能力是8個(gè)字節(jié)，交織深度為12,那么糾可抗長(zhǎng)度為8x12=96個(gè)字節(jié)的突發(fā)錯(cuò)誤。實(shí)現(xiàn)交織和解交織一般使用卷積方式。交織技術(shù)對(duì)已編碼的信號(hào)按一定規(guī)則重新排列，解交織后突發(fā)性錯(cuò)誤在時(shí)間上被分散，使其類似于獨(dú)立發(fā)生的隨機(jī)錯(cuò)誤，從而前向糾錯(cuò)編碼可以有效的進(jìn)行糾錯(cuò)，前向糾錯(cuò)碼加交積的作用可以理解為擴(kuò)展了前向糾錯(cuò)的可抗長(zhǎng)度字節(jié)。糾錯(cuò)能力強(qiáng)的編碼一般要求的交織深度相對(duì)較低。糾錯(cuò)能力弱的則要求更深的交織深度。一般來說，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸時(shí)，在發(fā)端先對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行FE（編碼，然后再進(jìn)行交積處理。在收端次序和發(fā)端相反，先做去交積處理完成誤差分散，再FECS碼實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)糾錯(cuò)。根據(jù)信道的情況不同，信道編碼方案也有所不同，在DVB-TS由于由于是無線信道且存在多徑干擾和其它的干擾，所以信道很“臟”，為此它的信道編碼是：RS+外交積+卷積碼+內(nèi)交積。采用了兩次交積處理的級(jí)聯(lián)編碼，增強(qiáng)其糾錯(cuò)的能力。RS乍為外編碼，其編碼效率是188/204（又稱外碼率），卷積碼作為內(nèi)編碼，其編碼效率有1/2、2/3、3/4、5/6、7/8五種（又稱內(nèi)碼率）選擇，信道的總編碼效率是兩種編碼效率的級(jí)聯(lián)疊加。設(shè)信道帶寬8MHZ符號(hào)率為6.8966MS/S,內(nèi)碼率選2/3,16QA調(diào)制，其總傳輸率是27.586Mbps,有效傳輸率是27.586*（188/204）*（2/3）=16.948Mbps,如果加上保護(hù)間隔的插入所造成的開銷，有效碼率將更低。在DVB-（里，由于是有線信道，信道比較“干凈”，所以它的信道編碼是：RS+交積。一般DVB-C勺信道物理帶寬是8MHZ在符號(hào)率為6.8966Ms/s，調(diào)制方式為64QA的系統(tǒng)，其總傳輸率是41.379Mbps,由于其編碼效率為188/204，所以其有效傳輸率是41.379*188/204=38.134Mbps。在DVB-SI，由于它是無線信道，所以它的信道編碼是：RSA交積+卷積碼。也是級(jí)聯(lián)編碼。1.5LDPC碼LDPC碼，又稱為低密度奇偶校驗(yàn)碼，是Gallager于1962年提出的一種具有稀疏校驗(yàn)矩陣的分組糾錯(cuò)碼，LDPC碼的性能可以達(dá)到Turb。碼的性能且實(shí)現(xiàn)成本遠(yuǎn)低于Turbo碼。LDPC碼是一類特殊的線性分組碼，該碼的校驗(yàn)矩陣中絕大多數(shù)元素是0，只有很少的部分元素為1，所以是“稀疏”或者“低密度”校驗(yàn)矩陣。LDPC碼分為規(guī)則LDPC碼與非規(guī)則LDP碼。通常非規(guī)則LDPC5性能優(yōu)于規(guī)則LDP碼，因?yàn)樵谧兞抗?jié)點(diǎn)和校驗(yàn)節(jié)點(diǎn)的總度數(shù)一定時(shí)，度數(shù)大的變量節(jié)點(diǎn)從校驗(yàn)節(jié)點(diǎn)得到的信息較多，所以能夠更好地被正確譯碼，這些正確的譯碼信息經(jīng)校驗(yàn)節(jié)點(diǎn)提供給度數(shù)較小的變量節(jié)點(diǎn)，使度數(shù)較小的變量節(jié)點(diǎn)也能更好地被正確譯碼。近年來，LDPC碼以其優(yōu)異的性能日益受到重視，在空間通信、光纖通信、個(gè)人通信系統(tǒng)、ADSL和磁記錄設(shè)備等方面都有較好的發(fā)展前景。載波調(diào)制技術(shù)OFDMOFDM（OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing）調(diào)制，可以追溯到本世紀(jì)60年代中期。70年代，人們提出用離散傅里葉變換（DFT）實(shí)現(xiàn)多載波調(diào)制，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，才使得OFD技術(shù)實(shí)用化。80年代，人們研究如何將OFD技術(shù)應(yīng)用于高速M(fèi)ODEM90年代以來，OFD技術(shù)的研究深入到在無線調(diào)頻信道上的寬帶數(shù)據(jù)傳輸。在高速無線環(huán)境下，OFD技術(shù)的優(yōu)勢(shì)突出，現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于民用通信系統(tǒng)中。OFD技術(shù)原理正交頻分復(fù)用（OFDM正成為目前大多數(shù)無線通信系統(tǒng)中的核心技術(shù)。其原理是將高速數(shù)據(jù)流經(jīng)串/并轉(zhuǎn)換分配到速率相對(duì)較低的若干子信道傳輸。由于各子信道的符號(hào)周期相對(duì)增加，故減輕了由信道多徑時(shí)延產(chǎn)生的時(shí)間彌散對(duì)系統(tǒng)造成的影響。在OFDM符號(hào)間插入保護(hù)間隔，并令保護(hù)間隔大于無線信道的最大時(shí)延擴(kuò)展以消除符號(hào)間干擾（ISI）。OFDM系統(tǒng)子載波間隔為符號(hào)周期的倒數(shù)，各子載波相互正交，頻譜相互重疊；各子信道頻譜的最大值于其他子信道頻譜零點(diǎn)對(duì)應(yīng)，既減小了子載波間的相互干擾又提高了頻譜效率。OFDMS統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，首先將并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為串行數(shù)據(jù)。OFDM調(diào)制采用信道編碼（卷積糾錯(cuò)碼、Turbo碼等）來抑制多徑效應(yīng)，數(shù)據(jù)符號(hào)映射到一個(gè)相應(yīng)的星座上頃同QPSK，QAM，結(jié)果I和Q存儲(chǔ)在緩沖中，并應(yīng)用快速傅里葉反變換（IFFT）生成用于OFDM專輸?shù)恼惠d波。OFDM技術(shù)備受關(guān)注源于其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：很高的頻譜利用率，抗多徑干擾與頻率選擇性衰落能力強(qiáng)，動(dòng)態(tài)子載波、功率、比特分配技術(shù)等。OFDM每個(gè)子信道近似為平坦衰落信道，使得信道均衡變得容易，有利于高速數(shù)據(jù)的傳輸。OFDM乍為高頻譜效率的調(diào)制方案已被許多國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)采用，如DVB-T

DABIEEE802.11、IEEE802.16、IEEE802.15等。OFDM各成為新一代無線通信系統(tǒng)中特別是下行鏈路的最優(yōu)調(diào)制方案之一。輸入吊/并轉(zhuǎn)換（OAM等）護(hù)間隔輸出荊串■JLaJLbr.Afr狀換?解調(diào)模塊(QAM等)去除保護(hù)間隔插入保圖1OFDM系統(tǒng)結(jié)構(gòu)輸入吊/并轉(zhuǎn)換（OAM等）護(hù)間隔輸出荊串■JLaJLbr.Afr狀換?解調(diào)模塊(QAM等)去除保護(hù)間隔插入保OFDI的實(shí)現(xiàn)過程在發(fā)送端，串行碼元序列先進(jìn)行串并轉(zhuǎn)換成N路子碼元d(0)，d(1)，”，d(N—1)，然后分別調(diào)制在N個(gè)正交的子載波f(0)，f(1)，,,，f(N-1)上，最后將這N路調(diào)制信號(hào)相加發(fā)送出去；在接收端首先對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行采樣，然后使用N個(gè)相同的子載波進(jìn)行N路解調(diào)，再將這N路解調(diào)信號(hào)并串輸出，復(fù)現(xiàn)發(fā)送的信號(hào)。Nfk=f0+k/Tb，k=0，1，,,，N-1(1式中f0Tb1/TbPk(t)=cos(2nfkt)，0<tvTb0,其他(2Tb0Pn(t)Pm(t)dt=Tbm=n0，mAn⑶即子載波相互正交。經(jīng)過調(diào)制后的合成傳輸信號(hào)D(t)D(t)N-1n=0d(n)ej2nfntt〔0，T(4式中d(n)為第n設(shè)f0=0，對(duì)信號(hào)進(jìn)行D(t)抽樣，則式(4D(kTb)N—1n=Od(n)ej2nnNTbkTbN-1n=Od(n)ej2nkn/N=NXIDFT〔d(n)〕0<k<N-1(5即D(kTb)是d(n)的(反離散傅里葉變換)。利用DFT不僅可以保證各子載波之間的正交性，而且可以利用其快速算法FFT來加快OFD的調(diào)制解調(diào)速度，也便于采用超大規(guī)模集成(VLSI)技術(shù)。SC/FDE單載波頻域均衡技術(shù)(SC/FDE，是寬帶無線傳輸中另一種對(duì)抗多徑效應(yīng)的有效方法，早在1994年由Sari，Karam和Jeanclaude提出。單載波系統(tǒng)發(fā)送調(diào)制后的高速率單載波信號(hào)，接收端通過FFT和IFFT變換實(shí)現(xiàn)頻域均衡(FDE。SC/FDE和OFDM相比，兩者在原理和實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)上有很多相似之處，例如都使用了FFT運(yùn)算、靠保護(hù)間隔消除ISI，信道估計(jì)和均衡都在頻域進(jìn)行。SC/FDE系統(tǒng)在形式上相當(dāng)于將OFDM系統(tǒng)發(fā)送端的IFFT模塊移至接收端。SC/FDE系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示加循玨前綴*數(shù)據(jù)分塊去彳麻壞前綴數(shù)據(jù)解調(diào)多徑信道數(shù)據(jù)分塊1FFTFFT圖2SC/FDE系統(tǒng)結(jié)構(gòu)2.2.1單載波頻域均衡系統(tǒng)簡(jiǎn)介在發(fā)射端，信源產(chǎn)生的比特流d(n)經(jīng)過調(diào)制得到符號(hào)序列x(n)后，首先經(jīng)過分塊操作成長(zhǎng)度為N的數(shù)據(jù)塊x0(n),x1(n),x2(n),...,xNn)，其中xk(n)=x(Nnk),0_k_N-1將每個(gè)快的最后Ng個(gè)符號(hào)拷貝到塊首作為循環(huán)前綴，得到長(zhǎng)度為心二NNg的數(shù)據(jù)塊，構(gòu)成發(fā)射符號(hào)序列s(n)，通過多徑衰落信道h(n)和噪聲方差二2的AWGN信道v(n)到達(dá)接收端。加循玨前綴*數(shù)據(jù)分塊去彳麻壞前綴數(shù)據(jù)解調(diào)多徑信道數(shù)據(jù)分塊1FFTFFT在接收端，接收到的信號(hào)r(n)分成長(zhǎng)度為Nb的數(shù)據(jù)塊r0(n),?(n),...,rNA(n),其中rjn)=r(Nbnk),0沖乞Nb-1。然后對(duì)每個(gè)酷愛進(jìn)行刪除循環(huán)前綴的操作，得到y(tǒng)(。)。使用N點(diǎn)FFT將信號(hào)變換到頻域中，得到頻域序列Y(n)。在頻域經(jīng)過均衡處理后的序列劉n),再通過n點(diǎn)IFFT操作變換回時(shí)域序列？(n)，在時(shí)域進(jìn)行判決，得到重建的數(shù)據(jù)符號(hào)d?(n)。單載波頻域均衡系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與OFDM系統(tǒng)相似，二者都采用分塊傳輸和循環(huán)前綴的結(jié)構(gòu)，都使用FFT/IFFT進(jìn)行信號(hào)處理。單載波頻域均衡系統(tǒng)具有低的峰均比，除了峰均比的優(yōu)勢(shì)外，單載波頻域均衡系統(tǒng)還具有以下優(yōu)點(diǎn)：1）與OFDM系統(tǒng)近似相同的低復(fù)雜度；二者每比特需要的乘法次數(shù)均與時(shí)延擴(kuò)展的對(duì)數(shù)成正比；2）抗載波頻偏和相位噪聲的性能優(yōu)于OFDMr統(tǒng)。但是單載波頻域均衡系統(tǒng)不像OFDM通過并行傳輸降低了相對(duì)時(shí)延擴(kuò)展，因而抗衰落能力不如OFDM。三、調(diào)制編碼技術(shù)的比較單載波頻域均衡與OFDM都是基于分塊傳輸?shù)募夹g(shù)，都采用循環(huán)前綴來消除IBI，這使得在每個(gè)數(shù)據(jù)塊的處理時(shí)間內(nèi)，數(shù)據(jù)矢量具有周期性，這樣信號(hào)矢量與信道矢量的線性卷積等同于圓周卷積，也就是信道傳輸矩陣呈現(xiàn)循環(huán)特性。兩者同時(shí)采用FFT/IFFT運(yùn)算，這保證了信號(hào)處理復(fù)雜度的降低，同時(shí)由于頻域信道矩陣呈現(xiàn)簡(jiǎn)單的對(duì)角特性，OFDM的信道均衡和單載波頻域線性均衡系統(tǒng)的均衡處理都是基于數(shù)據(jù)塊的簡(jiǎn)單乘法，不需要復(fù)雜的非對(duì)角陣求逆操作，因此二者在復(fù)雜度上大大優(yōu)于傳統(tǒng)的單載波時(shí)域均衡系統(tǒng)。OFDI系統(tǒng)與單載波頻域線性均衡系統(tǒng)的主要差別在于IFFT模塊的位置和作用：在OFDM系統(tǒng)中IFFT模塊位于發(fā)射端，作用是將數(shù)據(jù)復(fù)用到并行的子載波上。而在單載波頻域均衡系統(tǒng)中，IFFT模塊位于接收端，作用是將經(jīng)過均衡的信號(hào)變換回時(shí)域。對(duì)于相同的FFT長(zhǎng)度，二者的信號(hào)處理復(fù)雜度相同。在抗頻率選擇性衰落的機(jī)理上，OFDM是發(fā)端并行傳輸，收端并行處理，降低符號(hào)速率降低從而減小了相對(duì)時(shí)延擴(kuò)展，適合于多徑時(shí)延擴(kuò)展很嚴(yán)重的頻率選擇性衰落信道；單載波頻域均衡系統(tǒng)是發(fā)端串行傳輸，收端并行處理，發(fā)射的符號(hào)速率并沒有降低，沒有改變相對(duì)時(shí)延擴(kuò)展，適合于多徑時(shí)延擴(kuò)展不是很嚴(yán)重的信道。單載波頻域均衡系統(tǒng)通過增加均衡器階數(shù)來補(bǔ)償由于頻率選擇性衰落造成的ISI，但是這種均衡器的復(fù)雜度并不像傳統(tǒng)的時(shí)域均衡器那樣隨著時(shí)延擴(kuò)展的增加而線性上升，由于巧妙利用了信道矩陣在頻域呈現(xiàn)的對(duì)角特性以及FFT的快速算法，頻域線性均衡器的復(fù)雜度隨著時(shí)延擴(kuò)展的增加僅僅以對(duì)數(shù)律增加。四、總結(jié)目前，很多先進(jìn)的調(diào)制編碼技術(shù)被廣泛應(yīng)用于各種通信中，例如OFDM調(diào)制以其傳輸速率快、頻帶利用率高和抗多徑能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)日益受到人們的重視，并逐步應(yīng)于短波通信領(lǐng)域，以取代原來的單載波調(diào)制和非正交多載波調(diào)制技術(shù)。無線電通信中短波通信使用的頻率范圍為1.5~30MHz,通常短波信道是一種緩慢變化的信道，多徑延遲為2~8ms,而在某些地區(qū)多徑延遲可達(dá)13ms以上。在短波信道的頻譜資源非常有限的條件下支持高速的數(shù)據(jù)傳輸，就需要采用高頻譜效率且能夠有效抵抗多徑時(shí)延的調(diào)制技術(shù)。OFDM技術(shù)能夠很好地滿足這種要求，其頻譜效率較高、且抗多徑效應(yīng)，能夠?qū)崿F(xiàn)高達(dá)5bit/Hz的傳輸速率。此外，多載波OFDM系統(tǒng)能夠?qū)ο到y(tǒng)資源在時(shí)域、頻域二維進(jìn)行靈活調(diào)度，并與AMC體制結(jié)合，實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)傳輸，獲得了更大的分集增益，提高了系統(tǒng)傳輸容量和性能。OFDM系統(tǒng)還可以支持FH跳頻技術(shù)，具有信號(hào)傳輸?shù)碾[蔽性。相比而言，單載波SC/FDE的傳輸速率因受到均衡技術(shù)的限制，難以支持100kb/s以上的寬帶傳輸。另外，單載波SC/FDE系統(tǒng)易被跟蹤、鎖定頻率和電子干擾，不能滿足通信信息安全的需要。高速通信系統(tǒng)同時(shí)還對(duì)