一種星座可變的自適應(yīng)QAM調(diào)制方案

王國正，趙 利

(桂林電子科技大學(xué)軟件無線電技術(shù)研究室，廣西 桂林 541004)

在時(shí)變信道中，自適應(yīng)調(diào)制可以增強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性并提高系統(tǒng)的頻帶利用率。自適應(yīng)調(diào)制的基本思想是:在信道條件好的時(shí)候提高傳輸速率或減小發(fā)送功率，在信道條件差的時(shí)候降低速率或增大功率，從而可以提高平均吞吐量，降低所需要的發(fā)射功率，或降低平均誤碼率。為了保證整個(gè)通信過程中信道傳輸?shù)目煽啃?，非自適應(yīng)的通信系統(tǒng)往往是按照信道條件最差的情況設(shè)計(jì)的。然而信道情況最差的時(shí)段在整個(gè)通信過程中可能很短暫，這便使非自適應(yīng)通信系統(tǒng)在信道的利用上存在巨大的浪費(fèi)。在瑞利衰落中，由此引起的信號(hào)功率損失可能高達(dá)30 dB［1］。

星座圖為正方形的22nQAM(n為自然數(shù)，n≥1)具有容易產(chǎn)生且能夠按照格雷碼建立映射表等方面的優(yōu)勢(shì)，所以在實(shí)際中得到廣泛應(yīng)用。例如中國數(shù)字電視地面多媒體廣播［2］(Digital Television Terrestrial Multimedia Broadcasting，DTMB)，歐洲數(shù)字視頻地面廣播［3］(Digital Video Broadcasting－Terrestrial，DVB－T)和日本地面綜合業(yè)務(wù)數(shù)字廣播［4］(Integrated Video Broadcasting－Terrestrial，ISDBT)等系統(tǒng)中，均采用了4QAM、16QAM、64QAM等多種具有正方形星座的QAM調(diào)制方式。不同的QAM調(diào)制中，由于所使用的星座電平數(shù)不同，故其星座標(biāo)簽各不相同且沒有內(nèi)在的統(tǒng)一性，如DTMB系統(tǒng)中，16QAM的標(biāo)簽與電平之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系為，(00:－6)，(01:－2)，(11:2)，(10:6);而64QAM的標(biāo)簽與電平之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系為，(000:－7)，(001:－5)，(011: －3)，(010: －1)，(110:1)，(111:3)，(101:5)，(100:7)。這就意味著若要使自適應(yīng)QAM系統(tǒng)的調(diào)制方式包括16QAM和64QAM，則其星座映射的實(shí)現(xiàn)至少需建立2套映射表:16QAM星座映射表和64QAM星座映射表。如果自適應(yīng)QAM調(diào)制系統(tǒng)包含的調(diào)制方式更多，則其映射關(guān)系將更加復(fù)雜，需要建立的映射表也將更多，這無疑增加了系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)時(shí)的復(fù)雜度和資源消耗量。

為了解決上述問題，需要建立能夠包含多種QAM調(diào)制方式的自適應(yīng)調(diào)制方案，使系統(tǒng)只需要一套調(diào)制模型、一個(gè)星座映射表便可以完成包含多種星座大小的QAM調(diào)制。本文提出了一種星座可變的自適應(yīng)QAM統(tǒng)一調(diào)制方案，并給出其統(tǒng)一星座標(biāo)簽的構(gòu)建方法。

1 方案設(shè)計(jì)

QAM調(diào)制的一般方法是:先將輸入數(shù)據(jù)經(jīng)過串并變化成速率減半的I，Q兩路，然后兩路信號(hào)分別做2－L(L=)電平轉(zhuǎn)換，形成L電平的基帶信號(hào);為了抑制已調(diào)信號(hào)的頻譜擴(kuò)展，該L電平的基帶信號(hào)需經(jīng)預(yù)調(diào)制低通濾波器進(jìn)行限帶處理;預(yù)調(diào)制后的I，Q路信號(hào)分別與同頻正交載波的余弦載波和正弦載波混頻;然后將兩路混頻后的信號(hào)相加，便得到具有不同幅度和相位的QAM信號(hào)。

然而，上述方案只能完成固定星座的QAM調(diào)制，這是由其2－L電平轉(zhuǎn)換的固定目標(biāo)電平數(shù)L值及其映射規(guī)則決定的。如當(dāng)L=4時(shí)，上述方案只能完成16QAM星座映射;如果要完成64QAM星座映射，則必須將L值更改為8，同時(shí)需要建立與16QAM完全不同的64QAM映射表?；谶@種方案實(shí)現(xiàn)的星座可變的自適應(yīng)QAM調(diào)制方案，不過是多種QAM系統(tǒng)的簡(jiǎn)單相加。

一種更為簡(jiǎn)單實(shí)用的星座可變自適應(yīng)QAM調(diào)制方案是，2－L電平轉(zhuǎn)換的目標(biāo)電平數(shù)L可更改，且其星座映射表能夠根據(jù)不同的L值自適應(yīng)更改相應(yīng)的映射規(guī)則、調(diào)整星座的大小。據(jù)此，可得星座可變的自適應(yīng)QAM實(shí)現(xiàn)方案原理框圖如圖1所示。

圖1 星座可變的自適應(yīng)QAM原理框圖

圖1中，串并轉(zhuǎn)換模塊將輸入的串行比特?cái)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為速率減半的兩路并行數(shù)據(jù);控制器根據(jù)信道狀況生成不同的控制信號(hào);2－L電平轉(zhuǎn)換模塊在控制信號(hào)的作用下，將輸入的2電平比特?cái)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為電平L可變的并行數(shù)據(jù)，輸出數(shù)據(jù)電平L=lbM;星座映射模塊根據(jù)所采用的格雷碼映射規(guī)則，將接收的L電平并行數(shù)據(jù)映射為相應(yīng)星座的I、Q路電平;預(yù)調(diào)制低通濾波器(Low Pass Filter，LPF)對(duì)星座映射模塊輸出的I、Q這2路多電平信號(hào)進(jìn)行低通濾波，使其頻譜限制在一定范圍內(nèi)并具有某種特殊的形狀，如常用的升余弦譜;NCO為數(shù)控振蕩器，其作用是產(chǎn)生1對(duì)同頻正交載波，并分別經(jīng)混頻器與預(yù)調(diào)制LPF的輸出信號(hào)進(jìn)行混頻，然后將2路混頻輸出信號(hào)相加，從而得到QAM信號(hào)。由于所采用的2－L電平轉(zhuǎn)換模塊目標(biāo)電平L可變，且星座映射規(guī)則可自適應(yīng)更改，故得到的QAM星座大小可變。本方案通過更改控制信號(hào)，便可以完成包括多種正方形星座圖的自適應(yīng)QAM調(diào)制。

2 統(tǒng)一星座標(biāo)簽構(gòu)建

2.1 標(biāo)簽構(gòu)建的基本思想

圖1所示的原理框圖中，要使星座映射模塊能夠建立不同星座大小的映射關(guān)系，且出于節(jié)省資源的考慮，使不同星座的映射共用一個(gè)映射表，則各星座所使用的標(biāo)簽至關(guān)重要。多模式QAM的統(tǒng)一星座標(biāo)簽構(gòu)建所要解決的技術(shù)問題，就是提供一種多星座QAM的統(tǒng)一標(biāo)簽構(gòu)建方法，使之能夠適用于多個(gè)22nQAM的正方形星座，且這些星座可以使用同一個(gè)映射表建立映射關(guān)系。

若不考慮不同大小星座的功率歸一化問題，可以發(fā)現(xiàn)QAM星座圖之間存在一種簡(jiǎn)單的包含關(guān)系，如圖2所示。由此可以得到啟發(fā):通過構(gòu)建1種QAM統(tǒng)一星座標(biāo)簽，使不同星座大小的標(biāo)簽之間存在推衍關(guān)系，即小星座的標(biāo)簽(位數(shù)較少)是大星座標(biāo)簽(位數(shù)較多)的一部分，則可以建立一種統(tǒng)一的星座映射表。例如，用8位星座標(biāo)簽建立的映射表中，若使用其中2位標(biāo)簽進(jìn)行星座映射時(shí)，完成4QAM星座;若使用其中4位標(biāo)簽進(jìn)行星座映射時(shí)，完成16QAM星座;若使用全部8位標(biāo)簽進(jìn)行星座映射，則完成256QAM星座。這便是多星座統(tǒng)一星座標(biāo)簽構(gòu)建的基本思想。

圖2 QAM星座圖1

2.2 標(biāo)簽構(gòu)建的方法

統(tǒng)一星座標(biāo)簽構(gòu)建方法是根據(jù)不同QAM星座的包含關(guān)系，使所構(gòu)建的各個(gè)星座圖標(biāo)簽之間存在特定的推衍關(guān)系，從而使包括4QAM，16QAM，64QAM，256QAM等多種調(diào)制方式的自適應(yīng)QAM映射規(guī)則統(tǒng)一。下面以4QAM星座標(biāo)簽推衍得到16QAM星座標(biāo)簽為例說明此方法。

4QAM信號(hào)的I路和Q路都只有2個(gè)電平，－1和1;4QAM的星座標(biāo)簽為2位，其中1位表示I路電平，1位表示Q路電平，如標(biāo)簽0表示電平值－1，標(biāo)簽1表示電平值1，其星座圖及其標(biāo)簽如圖3a所示，其中高位的標(biāo)簽表Q路坐標(biāo)，低位標(biāo)簽表I路坐標(biāo)。在4QAM星座的基礎(chǔ)上推衍得到16QAM，使16QAM星座圖包含4QAM的所有星座點(diǎn)，即16QAM 中 I、Q 兩路各有4 個(gè)電平值:－3，－1，1，3，其中坐標(biāo)為(±1，±1)的4個(gè)星座點(diǎn)即4QAM的所有星座點(diǎn)。16QAM星座圖標(biāo)簽也通過4QAM標(biāo)簽推衍得到，具體做法是:和4QAM對(duì)應(yīng)的4個(gè)星座點(diǎn)(±1，±1)，分別在原來的4QAM星座I路、Q路標(biāo)簽前增加1位0，變成00和01，并分別表示電平值－1和1;在4QAM的基礎(chǔ)上新增的12個(gè)星座點(diǎn)(±1，±3)，(±3，±1)，(±3，±3)，其星座I路、Q路標(biāo)簽分別與相鄰星座點(diǎn)標(biāo)簽構(gòu)成格雷碼排列，標(biāo)簽與所表示電平值的對(duì)應(yīng)規(guī)則是10:－3，11:3。這樣便可以得到由4QAM星座標(biāo)簽推衍而來的16QAM星座標(biāo)簽，其映射規(guī)則為:10: －3，00: －1，01:1，11:3。所得到的16QAM星座及其標(biāo)簽如圖3b所示，其中高2位的標(biāo)簽表示Q路坐標(biāo)，低2位標(biāo)簽表I路坐標(biāo)。

圖3 QAM星座圖2

按照上述推衍方法，可以容易地由16QAM星座及其標(biāo)簽推衍得到64QAM星座標(biāo)簽，由64QAM星座及其標(biāo)簽推衍得到256QAM星座標(biāo)簽。表1列出了通過上述推衍方法獲得的包含4QAM，16QAM，64QAM，256QAM等調(diào)制方式的統(tǒng)一星座標(biāo)簽及映射規(guī)則。

表1 統(tǒng)一星座標(biāo)簽映射表

由表1可見，統(tǒng)一星座標(biāo)簽符合格雷碼的映射規(guī)則，且表示正電平的標(biāo)簽和表示負(fù)電平的標(biāo)簽推衍規(guī)則相同，如表中黑體加粗的字母表示正、負(fù)電平分別取前2個(gè)值的4元(2位)格雷碼，如果需要產(chǎn)生8元(3位)格雷碼表示8個(gè)電平值，只需做如下處理:1)將2位格雷碼前面補(bǔ)0成為3位，作為3位碼表示的8電平的低4個(gè)電平值(即電平±1，±3)的編碼;2)將2位格雷碼按相反順序(即成鏡像)排列，前面補(bǔ)1，作為3位碼表示的8電平的高4個(gè)電平值(即電平±5，±7)的編碼。按照這種方法可構(gòu)造更高位的格雷碼，并確定其表示的電平值。

3 控制策略

星座可變的自適應(yīng)QAM在不同星座之間切換，使系統(tǒng)的頻譜利用率最大，這些均取決于系統(tǒng)采用的自適應(yīng)控制策略。除此之外，控制策略還使系統(tǒng)滿足誤比特率要求和功率約束要求。

本方案采用速率可變的MQAM自適應(yīng)控制策略，即根據(jù)不同的控制信號(hào)(由信道檢測(cè)結(jié)果提供，一般為接收端的信噪比γ)來選擇用于傳輸?shù)男亲鶊D，星座大小依次為M0=0，Mn=22n(n為自然數(shù)，n≥1)，M0=0表示不發(fā)送。速率可變的具體實(shí)現(xiàn)方式可以固定碼元速率Rs=，改變調(diào)制星座的大小，也可以固定調(diào)制方式而改變符號(hào)速率。改變符號(hào)速率會(huì)引起傳輸帶寬的變化，增加實(shí)現(xiàn)難度;而固定碼元速率改變星座大小的方法容易實(shí)現(xiàn)，所以采用這種方式。

為了確定每個(gè)γ值對(duì)應(yīng)的星座大小，可以按γ值的大小劃分出 N 個(gè)衰落區(qū)域 Rn=［γn－1，γn)，n=0，1，…，N－1，其中 γ－1=0，γN－1= ∞ 。當(dāng) γ ∈ Rn時(shí)，使用星座Mn來發(fā)送。當(dāng)n＞0時(shí)，γ∈Rn對(duì)應(yīng)的頻譜利用率為lbMn(bit·s－1·Hz－1)。

確定Rn的最優(yōu)邊界可以使頻譜利用率最大，但是這樣的最優(yōu)邊界要窮舉搜索才能得到［5］。一種次優(yōu)的方法是定義

各個(gè)γ值對(duì)應(yīng)的星座大小確定后，再自適應(yīng)調(diào)節(jié)發(fā)送功率可以維持固定的系統(tǒng)誤比特率。但是，以固定功率發(fā)送將使發(fā)送機(jī)更為簡(jiǎn)化，此時(shí)，AWGN信道中QAM理想相干解調(diào)的誤碼率界為

另外，不同星座大小的QAM映射還需要乘以相應(yīng)的功率歸一化因子，使其平均功率趨同。假定每個(gè)星座點(diǎn)都等概率發(fā)生，所用映射方式與歸一化因子的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表2所示。

表2 星座可變QAM映射方式與歸一化系數(shù)對(duì)應(yīng)關(guān)系

4 建模仿真

Xilinx System Generator for DSP是Xilinx公司在Matlab/Simulink環(huán)境下開發(fā)的1個(gè)工具箱，它不僅能夠?qū)τ布恼鎸?shí)情況進(jìn)行仿真，還能夠自動(dòng)生成硬件實(shí)現(xiàn)時(shí)所需的硬件描述語言代碼。在以FPGA為核心器件設(shè)計(jì)信號(hào)處理系統(tǒng)時(shí)，它采用基于模型的系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)方法，能將抽象算法轉(zhuǎn)化成可靠的硬件實(shí)現(xiàn)［6］。

利用System Generator對(duì)所提出的星座可變的自適應(yīng)QAM方案進(jìn)行建模，模型如圖4所示。

圖4 星座可變的自適應(yīng)QAM調(diào)制模型

圖4中各模塊的功能和圖1中對(duì)應(yīng)模塊相同。其中ROM完成星座映射功能;SRC filter為預(yù)調(diào)制低通濾波器，采用根升余弦低通濾波器，這樣在接收端的匹配濾波器也采用同樣的根升余弦低通濾波器，可以使系統(tǒng)消除碼間干擾的同時(shí)，具有最佳的抗噪性能［7］。

在瑞利衰落下，將接收信噪比按衰落區(qū)劃分為5個(gè)區(qū)域，分別對(duì)應(yīng)不傳輸、4QAM、16QAM、64QAM、256QAM 等5中傳輸方式，誤比特率設(shè)為10－3，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真，系統(tǒng)可以根據(jù)信道衰落狀況生成的控制信號(hào)，完成在各種調(diào)制方式之間切換。其中系統(tǒng)選擇16QAM和64QAM映射方式時(shí)，其星座圖如圖5、圖6所示。

圖5 16QAM星座圖

圖6 64QAM星座圖

5 結(jié)束語

在完成1種星座可變的自適應(yīng)QAM調(diào)制方案設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，對(duì)其進(jìn)行了建模設(shè)計(jì)和仿真分析，結(jié)果表明，根據(jù)不同的控制信號(hào)，可以實(shí)現(xiàn)4QAM，16QAM，64QAM，256QAM等多種調(diào)制方式，且能夠方便地根據(jù)控制信號(hào)的不同在這些方式之間進(jìn)行切換。同時(shí)，給出了1種星座可變的QAM統(tǒng)一星座標(biāo)簽的構(gòu)建方法，使所構(gòu)建的統(tǒng)一星座標(biāo)簽可以共用1個(gè)映射表完成多個(gè)QAM星座的映射，簡(jiǎn)化了星座可變QAM的映射關(guān)系，降低了實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度。

［1］GOLDSMITH A.Wireless communications［M］.北京:人民郵電出版社，2007.

［2］GB 20600—2006，數(shù)字電視地面廣播傳輸系統(tǒng)幀結(jié)構(gòu)、信道編碼和調(diào)制標(biāo)準(zhǔn)［S］.2006.

［3］ETSI EN 300744，Digital video broadcasting(DVB);framing structure，channel coding and modulation for digital terrestrial television［S］.1999.

［4］ISDB－T，Channel coding，frame structure and modulation scheme for terrestrial integrated service digital broadcasting(ISDB－T)［S］.1999.

［5］ALOUINI M S，GOLDSMITH A J.Capacity of rayleigh fading channels under different adaptive transmission and diversity combining techniques［J］.IEEE Trans.Vehicular Technology，1999，48(4):1165－1181.

［6］紀(jì)志成.FPGA數(shù)字信號(hào)處理設(shè)計(jì)教程—System Generator入門與提高［M］.西安:西安電子科技大學(xué)出版社，2008.

［7］李曉峰，周寧，周亮.通信原理［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2008.