TD-LTE基帶調(diào)制解調(diào)技術(shù)分析

張長青

（中國移動通信集團(tuán)湖南有限公司岳陽分公司 湖南岳陽 414000）

1 引言[1]

信息傳遞方式分為基帶傳輸和載波傳輸。由信源直接生成的信號，無論模擬信號還是數(shù)字信號，都是基帶信號。把信源生成的數(shù)字信號直接送入線路傳輸就是基帶傳輸，如音頻市話、計算機(jī)間數(shù)據(jù)傳輸。載波傳輸是用原信號去改變載波的某一參數(shù)實現(xiàn)頻譜搬移，如用二進(jìn)制信號改變正弦波的幅度或初相的基帶調(diào)制?；鶐盘栴l率較低，傳送內(nèi)容和距離有限，為了使信號能以電磁波方式傳輸，信號占用頻帶位置必須足夠高，占用頻帶寬度不能超過天線通頻帶，因此基帶信號必須經(jīng)過基帶調(diào)制才能有效傳輸。

基帶調(diào)制載波通常為正弦波，將基帶信號調(diào)制到載波上，既要使載波的一個或幾個參量承載信號信息，還要使已調(diào)信號頻譜適合在給定的帶通信道中傳輸。利用載波的振幅、頻率、相位調(diào)制數(shù)字信號分別叫幅移鍵控ASK、頻移鍵控FSK、相移鍵控PSK調(diào)制方式?；鶐д{(diào)制一般分為線性調(diào)制和非線性調(diào)制，前者是指已調(diào)信號的頻譜結(jié)構(gòu)與原基帶信號的頻譜結(jié)構(gòu)基本相同，只是占用的頻率位置不同。后者則完全改變，不僅頻譜位置不同，接收方還有很多新的應(yīng)譜分量。ASK屬于線性基帶調(diào)制，F(xiàn)SK和PSK屬于非線性基帶調(diào)制。

TD-LTE系統(tǒng)是一個全網(wǎng)IP系統(tǒng)，而IP傳輸是典型的基帶傳輸，數(shù)據(jù)信號比特流只能是串行方式傳輸，無法實現(xiàn)無線蜂窩通信中的多址技術(shù)，更不能滿足有限帶寬的天線發(fā)送技術(shù)，必須將基帶傳輸轉(zhuǎn)變?yōu)檩d波傳輸。所以，在TD-LTE系統(tǒng)中，基帶調(diào)制以前和基帶解調(diào)部分之后是全I(xiàn)P基帶傳輸過程，在基帶調(diào)制與解調(diào)之間則是載波傳輸過程，在些過程中，系統(tǒng)將執(zhí)行導(dǎo)頻插入、子載波映射、IFFT變換和CP插入及其逆過程。

TD-LTE的基帶調(diào)制技術(shù)主要有相移鍵控PSK和正交幅度調(diào)制QAM兩類，其中PSK又有二進(jìn)制相移鍵控BPSK或2PSK和四進(jìn)制相移鍵控QPSK或4PSK兩種，QAM也有4進(jìn)制正交幅度調(diào)制16QAM和8進(jìn)制正交幅度調(diào)制64QAM兩種。它們擔(dān)負(fù)著對系統(tǒng)不同信道的數(shù)字調(diào)制解調(diào)，為系組合不同的調(diào)制編碼方式MCS，以適應(yīng)信道狀態(tài)的時變。本文從調(diào)制解調(diào)原理出發(fā)，通過MATLAB仿真，較為全面地分析了這兩類四種基帶調(diào)制解調(diào)技術(shù)，比較它們之間的區(qū)別，指出它們?yōu)閼?yīng)用于對應(yīng)信道的原因。

2 相移鍵控PSK調(diào)制解調(diào)分析[2-3]

相移鍵控是一種多進(jìn)制數(shù)字相位調(diào)制技術(shù)，一種利用載波不同相位狀態(tài)表征數(shù)字信息的調(diào)制方式，可分為絕對多進(jìn)制相位鍵控MPSK和相對多進(jìn)制相位鍵控MDPSK兩類，其中的M主要有二進(jìn)制和四進(jìn)制，即二進(jìn)制絕對制相位鍵控2PSK或BPSK、二進(jìn)制相對制相位鍵控2DPSK或BDPSK，以及四進(jìn)制絕對制相位鍵控4PSK或QPSK、四進(jìn)制相對制相位鍵控4DPSK或QDPSK。相移鍵控是TD-LTE基帶調(diào)制系統(tǒng)的主要調(diào)制方式。

2.1 二進(jìn)制相移鍵控調(diào)制解調(diào)原理

2.1.1 二進(jìn)制絕對相移鍵控2PSK調(diào)制解調(diào)過程

絕對相移鍵控PSK是利用載波相位（初相）直接表示數(shù)字信號的相移方式。在2PSK中，常用相位0和π表示"0"和"1"。設(shè)2PSK已調(diào)信號時域表達(dá)式為y(t)=s(t)cosωct，其中cosωct為調(diào)制載波，s(t)為雙極性數(shù)字基帶信號，若不考慮噪聲，則調(diào)制輸出可表示為y(t)=±cosωct=cos(ωct+φn)。其中，初相φn=0代表基帶信號"1"，φn=π代表基帶信號"0"，這就是2PSK對基帶信號的調(diào)制過程。若將已調(diào)信號y(t)與原載波 c osωct相乘，可得 z (t)=y(t)cosωc=[cosφn+cos(2ωct+φn)]/2，經(jīng)低通濾波后的解調(diào)輸出為 ，根據(jù)發(fā)端2PSK初相定義規(guī)定和收端x(t)與φn的關(guān)系特性，可得抽樣判決準(zhǔn)則x(t)≥0判為數(shù)據(jù)"0"，x(t)<0判為數(shù)據(jù)"1"，這就是2PSK對基帶信號的解調(diào)過程。

2PSK信號的調(diào)制方法有兩種：模擬調(diào)制和數(shù)字調(diào)制，前者利用模擬調(diào)制方法來實現(xiàn)數(shù)字調(diào)制，即把數(shù)字調(diào)制看成是模擬調(diào)制的一個特例，把數(shù)字基帶信號當(dāng)做模擬信號的特殊情況處理。在模擬調(diào)制中，2PSK信號可看作是雙極性基帶信號作用下的DSB調(diào)幅信號；后者利用數(shù)字信號的離散取值特點通過開關(guān)鍵控載波，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)調(diào)制，這種方法通常稱為鍵控法。也就是說，數(shù)字調(diào)制是用數(shù)字基帶信號控制開關(guān)電路，進(jìn)而完成選擇不同初相的載波輸出。

2.1.2 二進(jìn)制相對相移鍵控2DPSK調(diào)制解調(diào)過程

相對調(diào)相又叫二相相對調(diào)相，是一種二進(jìn)制差分相移鍵控，記為2DPSK。2DPSK利用載波信號相位的相對關(guān)系表示數(shù)字信號的"1"和"0"。變換規(guī)則是：數(shù)據(jù)信號"1"使已調(diào)信號的相位變化0相位，數(shù)據(jù)信號"0"使已調(diào)信號的相位變化π相位。與2PSK不同的是，2DPSK不是利用載波相位的絕對數(shù)值傳送數(shù)字信息，而是用前后碼元的相對載波相位值傳送數(shù)字信息。所謂相對載波相位是指本碼元初相與前一碼元初相之差。若設(shè)本碼元初相與前碼元初相差為△φ，則有△φ=0表示數(shù)字"1"，△φ=π表示數(shù)字"0"。

2DPSK波形的相同相位并不對應(yīng)相同的數(shù)字信號，前后碼元的相對相位才唯一確定數(shù)字信號。說明解調(diào)2DPSK信號時，不依賴某一固定載波相位參考，只要前后碼元的相對相位關(guān)系不破壞，鑒別該相位關(guān)系就可正確恢復(fù)數(shù)字信號，因而可避免2PSK解調(diào)中"倒π"現(xiàn)象。其實，可先將原比特序列{an}（也叫絕對碼）變換成差分比特序列 {bn}（也叫差分碼或相對碼），再對相對碼作2PSK調(diào)制，最后反轉(zhuǎn)相對碼為絕對碼，完成2DPSK調(diào)制解調(diào)。

絕對碼與相對碼的轉(zhuǎn)換公式為：bn=an⊕bn-1，an=bn⊕bn-1,其中⊕為模二和（異或），且b0=0。則2DPSK常用調(diào)制方法是：先對數(shù)字信號按轉(zhuǎn)換公式差分編碼，將絕對碼變?yōu)橄鄬Υa，再按2PSK方式與載波相乘，完成基帶信號調(diào)制；解調(diào)方法同樣采用2PSK方式，將2DPSK信號與調(diào)制載波相乘，再通過反轉(zhuǎn)換公式將相對碼換為絕對碼，從而恢復(fù)發(fā)送的二進(jìn)制數(shù)字信息，這種解調(diào)法也叫相干解調(diào)法，是一種常用方法。

2.2 四進(jìn)制相移鍵控調(diào)制解調(diào)過程

四進(jìn)制相移鍵控利用載波四種不同相位表示數(shù)字信息。因每個相位代表兩個比特信息，每個四進(jìn)制碼元可以用兩個二進(jìn)制碼元組合表示，所以四進(jìn)制相移鍵控可被分解為兩個二進(jìn)制相移鍵控之和。若兩個二進(jìn)制碼元中的前一比特用a表示，后一比特用b表示，調(diào)制時系統(tǒng)定義這種雙比特碼元ab四種狀態(tài)與載波初相的關(guān)系有兩種方式，A方式：00=>0°，10=>90° ，11=>180° ，01=>270° ；B 方 式 ：00=>225° ，10=>315°，11=>45°，01=>135°。解調(diào)時，系統(tǒng)定義這種雙比特碼元ab四種狀態(tài)與載波極性關(guān)系為：--=>00，+-=>10，++=>11，-+=>01。

四進(jìn)制相移鍵控調(diào)制方法有多種，其中正交調(diào)制是由兩個正交2PSK控構(gòu)成。首先，用串并變換將二進(jìn)制數(shù)據(jù)按奇偶位分開，使基帶數(shù)據(jù)分為兩組比特流，其次對這兩路比特流分別乘以彼此正交的cosct和sinct載波，最后再將這兩路比特流相加，形成四進(jìn)制相移鍵控調(diào)制輸出信號。解調(diào)時同樣用彼此正交的cosct和sinct載波分別乘以該輸出信號，重新分出兩路信號，通過抽樣判決，再按奇偶位重新合并兩路信號，還原基帶數(shù)據(jù)。與二進(jìn)制相移鍵控一樣，四進(jìn)制相移鍵控也有絕對相移鍵控4PSK和相對相移鍵控4DPSK方式。

2.3 四種相移鍵控調(diào)制過程比較

圖1 是通過MATLAB仿真得出的基帶脈沖數(shù)據(jù)、BPSK、BDPSK、QPSK、QDPSK等相移鍵控調(diào)制波形，基帶脈沖的time坐標(biāo)是脈沖周期的倍數(shù)，相移鍵控調(diào)制波的symb坐標(biāo)是TD-LTE資源粒子在時域上對應(yīng)的符號單位。為了直觀，僅取10基帶數(shù)據(jù)脈沖，并設(shè)載波周期等于基帶脈沖周期，可以清晰地看到脈沖數(shù)據(jù)變化時對應(yīng)的調(diào)制載波的相移也發(fā)生了變化。

圖1 BPSK、BDPSK、Q PSK、Q DPSK調(diào)制波比較

由于載波是余弦函數(shù)，BPSK調(diào)制波在"1"脈沖周期時的初相為0，在"0"脈沖周期時的初相為"π"，因BPSK是絕對相移鍵控，調(diào)制波初相與基帶脈沖關(guān)系直接對應(yīng)；BDPSK是相對相移鍵控，調(diào)制時先將基帶信號絕對碼變?yōu)橄鄬Σ罘执a，再進(jìn)行BPSK調(diào)制，所以BDPSK調(diào)制波初相只與差分碼對應(yīng)，不能與基帶直接比對。圖中還可看出，QPSK調(diào)制波在雙碼元為"10"時的初相是"π/2"，雙碼元為"11"時的初相是"π"，雙碼元為"00"時的初相是"0"，所以QPSK調(diào)制方式采用的是A方式。同樣，QDPSK的初相移對應(yīng)的雙碼元是相對差分碼，所以不能與基帶絕對碼元比較。

TD-LTE系統(tǒng)經(jīng)過OFDM調(diào)制后進(jìn)入無線信道傳輸，承載資源的最小資源粒子RE在時域的最小單位是符號，在頻域的最小單位是子載波，所以每個符號中包含的比特位數(shù)直接決定了RE承載資源的能力。圖1中可以看出，BPSK、BDPSK調(diào)制波對應(yīng)著每個比特碼元，即在BPSK和BDPSK基帶調(diào)制波中，每符號只有一比特數(shù)據(jù)，因而只能調(diào)制出2種狀態(tài)。在QPSK和QDPSK調(diào)制波中，每符號有2比特數(shù)據(jù)，能夠承載的信息狀態(tài)有4種。

3 正交幅度調(diào)制QAM調(diào)制解調(diào)分析

正交幅度調(diào)制QAM是應(yīng)用廣泛的數(shù)字調(diào)制技術(shù)，尤其是多進(jìn)制正交幅度調(diào)制MQAM，因具有很高的頻帶利用率而成為頻率資源有限的TD-LTE系統(tǒng)的主要基帶調(diào)制方式。QAM在兩個同頻正交相差π/2的正弦載波上進(jìn)行幅度調(diào)制，是一種振幅、相位聯(lián)合鍵控，載波的振幅和相位作為兩個獨立參量同時受到基帶信號調(diào)制。設(shè)調(diào)制信號為：Sk(t)=Akcos(ω0t+θk)，其中，kT

QAM可同時對Xk和Yk中振幅Ak與相位θk進(jìn)行調(diào)制。若θk僅取π/4和-π/4，Ak僅取+A和-A，則QAM為4QAM，即1比特2進(jìn)制正交振幅調(diào)制。若θk仍取2個角度值，Ak取4個幅度值，則QAM為16QAM，即2比特4進(jìn)制正交振幅調(diào)制。若θk還取2個角度值，Ak取8個幅度值，則QAM為64QAM，即3比特8進(jìn)制正交振幅調(diào)制。目前，16QAM和64QAM是TD-LTE系統(tǒng)中基帶調(diào)制的主要方式。

3.1 16QAM的調(diào)制解調(diào)過程[2]

16QAM調(diào)制信號的產(chǎn)生方法主要有兩種，即由兩路正交獨立的4ASK信號疊加形成16QAM信號的正交調(diào)幅法，和由兩路獨立的QPSK信號疊加形成16QAM信號的復(fù)合相移法。在正交調(diào)幅法中，QAM調(diào)制信號采用兩個正交載波cosω0t和sinω0t，每個載波都被一個獨立比特序列調(diào)制。若發(fā)送信號為：Um(t)=AmcgT(t)cosωct+AmsgT(t)sinωct，其中 m=1,2,…,M，Amc和Ams是振幅調(diào)制電平集合，其電平值是m比特序列映射為信號振幅而獲得的。

在16QAM調(diào)制中，系統(tǒng)先按規(guī)律（如奇偶位）將一路串行比特數(shù)據(jù)串并轉(zhuǎn)換，分為兩路比特流，每路比特流再按每2比特數(shù)據(jù)取值，即每路取值有4種狀態(tài)，對應(yīng)4個電平，載波振幅調(diào)制時一般取±1V和±3V電平值。因在同樣符號誤碼率下，格雷碼誤碼率更小，所以在由兩條支路編碼組成的QAM星座圖中對應(yīng)的比特數(shù)據(jù)編碼多用格雷碼。表1為16QAM格雷編碼與調(diào)制振幅電平對照表。

表1 ：16QAM格雷碼電平對照表

根據(jù)表1，系統(tǒng)為每條支路的比特數(shù)據(jù)作2-4電平變換，即每2比特數(shù)據(jù)用4種電平中的一個取代。再將兩條支路上變換后的電平分別與載波的cos和sin相乘后相加，重新合為一路振幅和相位都已發(fā)生變化的串行比特流，完成16QAM調(diào)制。16QAM調(diào)制信號在傳輸中會串入高斯噪聲和瑞利散射。16QAM解調(diào)，將加噪信號分別乘以載波的cos和sin，重新將一路串行比特數(shù)據(jù)分成兩條比特流，經(jīng)低通濾波除去高頻成分，再根據(jù)表1抽樣判決，完成4-2電平轉(zhuǎn)換，最后將兩路比特數(shù)據(jù)按前面規(guī)律并串轉(zhuǎn)換，恢復(fù)基帶信號。

3.2 64QAM的調(diào)制解調(diào)過程[4]

64QAM的調(diào)制解調(diào)原理與16QAM一樣，只是載波調(diào)制幅度電平由4個變?yōu)?個。另外，為了得到優(yōu)良的調(diào)制信號，星座點間的最小間距應(yīng)盡可能大。64QAM還受成形濾波器輸入比特位限制，寬度越大則濾波器資源占用率快速上升。為了同時滿足成形濾波器資源利用率和信號幅度的需要，64QAM調(diào)制幅度電平值一般設(shè)為±1V、±3V、±5V、±7V，并將電平值用補(bǔ)碼表示。表2為64QAM格雷編碼與調(diào)制振幅電平對照表。

表2 ：64QAM格雷碼電平對照表

3.3 2種正交振幅調(diào)制過程比較[5]

從表1和表2中可以看出，每條支路上的映射前比特數(shù)據(jù)分別為2個和3個，對應(yīng)的電平值分別為4個和8個，將兩條正交支路合起來形成星座圖后，4比特值和6比特值分別對應(yīng)的是16種狀態(tài)和64種狀態(tài)。所以，16QAM又叫2比特4進(jìn)制16狀態(tài)正交幅度調(diào)制，64QAM叫3比特8進(jìn)制64狀態(tài)正交幅度調(diào)制。顯然，64QAM不僅攜帶的信息量更大，信道利用率也更高。

從圖2中還能看出，基帶脈沖是18比特，16QAM中每支路symb為2比特，64QAM中每支路symb為3比特。另外，16QAM調(diào)制波中不僅有2種初相變化，也有4種振幅變化；64QAM調(diào)制波中同樣有2種初相變化，但振幅則存在4種變化。在16QAM電平圖和64QAM電平圖中，可以看到分別有4種和8種電平值。

4 結(jié)束語

MPSK相對MQAM要簡單得多，實現(xiàn)容易、調(diào)制速度快、調(diào)制效率高、硬件成本低，帶寬占用小，比特噪聲弱，在帶寬和功率方面有一定優(yōu)勢。但隨著M增大，相鄰相位距離逐漸減小，使得噪聲容限隨之減小，難以保證誤碼率要求，實際應(yīng)用中僅局限于低M值調(diào)制方式。為了改善M大時噪聲容限，推出了QAM。16QAM調(diào)制中4比特映射成1個符號，64QAM調(diào)制中6比特映射成1個符號，所以64QAM數(shù)據(jù)速率高，但卻存在幅度解調(diào)中的高誤碼率，只有信道條件好時才使用，否則只能用16QAM調(diào)制方式。

已調(diào)信號在接收方解調(diào)時，因噪聲和碼間串?dāng)_存在失真，須尋找降低誤碼率接收方式。相干解調(diào)和非相解調(diào)是基帶解調(diào)中的兩種主要方式。在接收方通過載波相位信號去檢測信號達(dá)到解調(diào)目的方式叫相干解調(diào)，反之叫非相干解調(diào)。相干解調(diào)實現(xiàn)簡單，且誤碼率低，但在解調(diào)方需要獲得與調(diào)制方相同的載波和相位，即傳輸同步要求高。TD-LTE系統(tǒng)是同步系統(tǒng)，所以解調(diào)方式都采用相干解調(diào)法。

在TD-LTE下行物理信道的基帶調(diào)制中，PDSCH信道采用 4PSK、16QAM、64QAM，PDCCH和 PBCH與 PCFICH信道均采用4PSK，PHICH信道采用2PSK。在TD-LTE上行物理信道的基帶調(diào)制中，PUSCH信道采用 4PSK、16QAM、64QAM，PUCCH信道采用2PSK和4PSK。只有下行PHICH和上行PUCCH采用2PSK調(diào)制方式，4PSK幾乎所有上下信道都采用，說明2PSK因其每符號傳送比特數(shù)為1，傳輸效率太低，僅用于簡單的控制信令A(yù)CK和NACK。在速率要求不高的簡單數(shù)據(jù)傳輸和控制信令傳送時，4PSK是最佳選擇。

TD-LTE業(yè)務(wù)信道下行PDSCH根據(jù)UE上報的CQI、PMI、RI選擇調(diào)制方式和編碼速率，所以PDSCH支持多種基帶調(diào)制方式，可靈活選擇終端。另外，基站還可根據(jù)測量的RSRP和SNR計算MCS，從而分配相應(yīng)的調(diào)制方式和編碼速率。由于各基帶調(diào)制方式滿足2PSK:4PSK:16QAM:64QAM=>21:22:24:26=>1:2:4:6，說明更高階調(diào)制方式可以提高頻譜利用率和數(shù)據(jù)吞吐率?？梢灶A(yù)見，隨著智能終端的普及和終端性能的提高，16QAM、64QAM，甚至更高階調(diào)制技術(shù)將廣泛應(yīng)用于TD-LTE系統(tǒng)。

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