中文摘要 無線通信中，提高帶寬效率，在有限的信道帶寬中傳輸更多的 數(shù)據(jù)直是個令人關(guān)注的問題。本文主要討論在2 5 k h z 信道條件下 建立個具有高帶寬效率和較好誤碼性能的無線數(shù)字傳輸系統(tǒng)。 建立該系統(tǒng)的一種方式是基于單載波調(diào)制技術(shù)。文中討論了以 m s k 調(diào)制技術(shù)結(jié)合預(yù)調(diào)濾波器提高帶寬效率的系統(tǒng)構(gòu)建方案。該方 案需要考慮到濾波器的帶寬壓縮效率，濾波器引起的碼間干擾，濾 波器對系統(tǒng)誤碼性能的影響等幾個關(guān)鍵因素。文中通過仿真結(jié)果著 重分析和比較了不同的預(yù)調(diào)濾波器帶來的帶寬效率和碼間干擾后， 進一步分析了它們對系統(tǒng)誤碼性能的影響。f 在系統(tǒng)誤碼仿真中引入 了一種有助于改善誤碼性能的鑒頻加多電平判決的解調(diào)方法，文中 對此方法也進行了詳細的推導和分析，并給出根據(jù)此方法計算出的 誤碼理論值，結(jié)合系統(tǒng)誤碼性能的蒙特卡羅仿真值，對比分析各種 預(yù)調(diào)濾波器對系統(tǒng)誤碼性能的影響。綜合考慮帶寬效率、誤碼性能 和實現(xiàn)復雜程度以后，構(gòu)建出基予單載波調(diào)制技術(shù)的無線數(shù)字傳輸 系統(tǒng)，并給出系統(tǒng)參數(shù)和性能指標。、 構(gòu)建所需系統(tǒng)的另一種方案則是基于o f d m 技術(shù)。結(jié)合q p s k 調(diào)制，文中討論了建立這樣一個高帶寬效率的o f d m 傳輸系統(tǒng)所需 要著重考慮的幾個參數(shù)：子載波數(shù)目、循環(huán)前綴長度和成形濾波器 的參數(shù)。由仿真結(jié)果分析比較了選用不同的參數(shù)組合對系統(tǒng)性能的 影響，選出最優(yōu)的參數(shù)組合，結(jié)合一種不會引起頻譜擴展的峰值校 正方法，組建出優(yōu)化傳輸系統(tǒng)。通過分析仿真結(jié)果，文中確定了峰 值校正門限，給出了最優(yōu)傳輸系統(tǒng)的參數(shù)和性能指標。 文章最后對基于上述兩種方式構(gòu)建的系統(tǒng)進行了比較并作出總 結(jié)。 v v 4 關(guān)鍵詞；無線數(shù)字傳輸系統(tǒng)，帶寬效率，預(yù)調(diào)濾波器，o f d m a b s tr a c t i nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n ，i n c r e a s i n g b a n d w i d t he f f i c i e n c yt o t r a n s f e rm o r ed a t ai nt h eb a n d 1 i m i t e dc h a n n e la l w a y si s at a s kd e s e r v e f o ra t t e n t i o n w ew i l ld i s c u s st h ec o n s t r u c t i o no f ad i g i t a lt r a n s m i s s i o n s y s t e mw i t hh i g hb a n d w i d t he f f i c i e n c ya n dg o o d e r r o rr a t ep e r f o r m a n c e i 1 1t h ec o n d i t i o no f2 5 k h zw i r e l e s sc h a n n e l o n e w a y t oc o n s t r u c tt h i ss y s t e mb a s eo ns i n g l e - c a r r i e rm o d u l a t i o n t e c h n i q u e t oi n c r e a s et h eb a n d w i d t he f f i c i e n c y ，s u c has y s t e ms c h e m e u s et h em s km o d u l a t i o nm e t h o dc o m b i n i n gw i t hap r e m o d u l a t i o n f i l t e r s e v e r a li m p o r t a n tf a c t o r sl i k et h eb a n d w i d t hc o m p r e s s i o ne f f i c i e n c y ， i s ic a u s e db yf i l t e ra n dt h ea f f e c t i o no ns y s t e mp e r f o r m a n c et h a ta r i s e f r o mf i l t e r i n gs h o u l db ec o n s i d e r e d a c c o r d i n gt ot h es i m u l a t i o nr e s u l t ， t h eb a n d w i d t he f f i c i e n c yb r o u g h tb yd i f f e r e n tp e m o d u l a t i o nf i l t e r sa n d t h ei s ic a u s eb yt h e ma r ea n a l y z e da n dc o m p a r e d t h e nt h es y s t e m e r r o rr a t e p e r f o r m a n c e i sa l s o a n a l y z e d i nt h ea r t i c l e a sw eh a v e i n t r o d u c e dam u l t i l e v e ld e c i s i o nm e t h o dw i t hd i s c r i m i n a t o rd e t e c t i o nt o i m p r o v et h ee r r o rr a t ep e r f o r m a n c e ，t h ed e d u c i n ga n da n a l y z i n gf o r t h i s m e t h o da r ep r e s e n ti nt h i sa r t i c l e t h et h e o r e t i c a le r r o rr a t ea n dt h e m o n t ec a r l os i m u l a t i o nr e s u l ta r es h o w e di n f i g u r e t o c o m p a r et h e s y s t e me r r o rr a t ep e r f o r m a n c ea f f e c t e db yd i f f e r e n tp r e m o d u l a t i o n f i l t e r c o n s i d e r i n gt h eb a n d w i d t he f f i c i e n c y ，t h e e r r o rr a t ep e r f o r m a n c ea n d t h e c o m p l e x i t y f o rr e a l i z a t i o n t o g e t h e r ，w e c o n s t r u c ta d i g i t a l t r a n s m i s s i o ns y s t e mw i t hs i n g l e - c a r r i e rm o d u l a t i o nt e c h n i q u eu s i n gt h e o p t i m u mp r e m o d u l a t i o n f i l t e r t h e nt h e s y s t e mp a r a m e t e r s a n d p e r f o r m a n c ei n d e x e sa r ep r e n s e n t a n o t h e rs c h e m et oc o n s t r u c ts u c hat r a n s m i s s i o ns y s t e mi n2 5 k h z c h a n n e li st h e u s i n g o fo f d mt e c h n i q u e w i t h q p s km o d u l a t i o n m e t h o de m p l o y e di no u ro f d ms y s t e m ，t h e r ea r es e v e r a l i m p o r t a n t p a r a m e t e r sr e l a t i n g t ob a n d w i d t h e f f i c i e n c y s h o u l db ec o n s i d e r c a r e f u l l y t h e ya r et h en u m b e ro fs u b c a r r i e r ，t h el e n g t ho fc y c l ep r e f i x a n dt h ep a r a m e t e r so f p u l s es h a p i n gf i l e r t h ea n a l y s eo f t h es i m u l a t i o n r e s u l ts h o wt h a ts y s t e mp e r f o r m a n c e ( i n c l u d i n gb a n d w i d t he f f i c i e n c y a n de r r o rr a t e p e r f o f i n a n c e ) v a r yw i t ht h e d i f f e r e n tc o m b i n a t i o no f t h e s e p a r a m e t e r s c h o o s i n g a n o p t i m u m c o m b i n a t i o no ft h e s e p a r a m e t e r sa c c o r d t ot h e c o m p a r i s o n o fs i m u l a t i o n r e s u l t ，w e c a n c o n s t r u c ta n o p t i m u m o f d m s y s t e m w h i c h e m p l o y a p e a k - a m p l i t u d e - s u p p r e s s i o n m e t h o di na d d i t i o n t h i s p e a k 。a m p l i t u d e 。s u p p r e s s i o n m e t h o dw o n t c a u s e p o w e rs p e c t r u m d e n s i t ye x p a n d i n g t h et h r e s h o l dl e v e lf o rs u p p r e s s i o ni sd e t e r m i n e db y s i m u l a t i o nr e s u l t t h e o p t i m u mp a r a m e t e r sf o rt h i s s y s t e ma n dt h e p e r f o r m a n c ei n d e x e sa r ep r e s e n t e dt o o a c o m p a r i s o nb e t w e e nt h es i n g l e c a r r i e r s y s t e ma n dt h eo f d m s y s t e mi sa l s om a d ei nt h i sa r t i c l e as u m m a r i z a t i o ni s p r e s e n ta tt h e l a s tc h a p t e r k e yw o r d s ：w i r e l e s s d i g i t a l t r a n s m i s s i o n s y s t e m b a n d w i d t h e f f i c i e n c y , p r e m o d u l a t i o nf i l t e r ，o f d m m 獨創(chuàng)性聲明 本人聲明所呈交的學位論文是本人在導師指導下進行的研究工作 及取得的研究成果。據(jù)我所知，除了文中特別加以標注和致謝的地方 外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果，也不包含為 獲得電子科技大學或其它教育機構(gòu)的學位或證書而使用過的材料。與 我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻均已在論文中作了明確的 說明并表示謝意。 簽名：壟墓! 雖日期；文一，歹年歹月門日 關(guān)于論文使用授權(quán)的說明 本學位論文作者完全了解電子科技大學有關(guān)保留、使用學位論文 盼規(guī)定，有權(quán)保留并向國家有關(guān)部門或機構(gòu)送交論文的復印件和磁盤， 允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)電子科技大學可以將學位論文的全 部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進行檢索，可以采用影印，縮印或掃描 等復制手段保存、匯編學位論文。 ( 保密的學位論文在解密后應(yīng)遵守此規(guī)定) 簽名：崔皇越 導師簽名： 日期：年月日 第一章緒論 1 1 窄帶無線數(shù)據(jù)傳輸中的問題 在帶限信道中進行數(shù)據(jù)傳輸所面臨的各種挑戰(zhàn)可以歸結(jié)為兩大問題： 一個是帶寬效率問題。另一個則是功率效率問題。由于帶限信道特別是無 線帶限信道的帶寬資源非常有限，因此很有必要充分利用好帶寬資源，提 高信道利用率，使得在有限的帶寬中能夠傳輸更多數(shù)據(jù)。但是帶寬效率的 提高是以功率效率的保證為前提的。功率效率描述了在一定功率條件下， 數(shù)字信息信號正確傳送的能力。它可以通過在特定的誤碼概率( 如1 0 - 3 ) 下，接收機輸入端的信號噪聲比( s n r ) 或者是比特能量和噪聲功率譜密 度的比值( e b n o ) 來衡量。只有保證一定的數(shù)據(jù)傳輸正確率，帶寬效率的 提高才有意義。因此要建立一個窄帶傳輸系統(tǒng)，既要考慮帶寬效率，也要 考慮功率效率，同時還需考慮實現(xiàn)復雜度，系統(tǒng)的穩(wěn)定性等問題。根據(jù)系 統(tǒng)設(shè)計的不同要求有不同的側(cè)重或折中。 1 2 提高帶寬效率的方法 可以通過選擇合適的調(diào)制方案和選擇合適的預(yù)調(diào)成形濾波器來提高帶 寬效率，提升信道利用率。各種調(diào)制方案可能會在帶寬效率和功率效率的 表現(xiàn)上各不相同。某些調(diào)制方案主要側(cè)重于帶寬效率的提高；某些調(diào)制方 案則有良好的功率效率但帶寬效率并不突出；還有些調(diào)制方案在功率效率 和帶寬效率問進行折中。預(yù)調(diào)成形濾波器主要用于壓縮調(diào)制帶寬，提高信 道利用率。此外，采用各種抗衰落和抗干擾技術(shù)( 分集、均衡等) 在提高 數(shù)據(jù)的傳輸誤碼性能的同時也有助于提高信道利用率。 1 3 以兩種傳輸方式在2 5 k h z 信道條件下設(shè)計傳輸系統(tǒng) 傳統(tǒng)的窄帶無線數(shù)字傳輸，一般都是采用單載波傳輸方式，而傳統(tǒng)的 多載波傳輸方式由于不允許頻譜重疊，對帶寬資源耗費較大，因此應(yīng)用很 少，一個典型的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)如下圖所示： 圖1 1 無線傳輸系統(tǒng) 在2 5 k h z 信道中建立單載波數(shù)字傳輸系統(tǒng)，可以通過選擇合適的預(yù)調(diào) 濾波器和合適的調(diào)制技術(shù)來提高帶寬效率并保證較好的誤碼性能。 近幾年來正交頻分復用( o f d m ) 技術(shù)越來越受到人們的關(guān)注。與傳統(tǒng) 的不允許頻譜重疊的多載波調(diào)制技術(shù)不同，o f 嘣技術(shù)允許頻譜重疊，有著 比單載波傳輸方式更高的帶寬效率。另外這項技術(shù)還有著良好的抗多徑性 能。因此在窄帶傳輸中也可以應(yīng)用o f d m 技術(shù)。在2 5 k h z 信道中建立一個 o f d m 數(shù)字傳輸系統(tǒng)，需要考慮的參數(shù)比單載波復雜很多，但是這樣一個系 統(tǒng)可以充分發(fā)揮o f d m 技術(shù)帶寬效率高的特點，提升信道利用率。 1 4 國內(nèi)外研究概況及發(fā)展趨勢 基于2 5 k h z 信道的數(shù)字傳輸系統(tǒng)，主要應(yīng)用于數(shù)字集群系統(tǒng)中。數(shù)字 集群系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于各種行業(yè)和各種部門的調(diào)度通信中。幾種比較典型的 數(shù)字集群系統(tǒng)包括歐洲電信標準協(xié)會( e t s i ) 開發(fā)的t e t r a 系統(tǒng)、摩托羅 拉的i d e n 系統(tǒng)等。數(shù)字集群系統(tǒng)已經(jīng)從早期的純話音調(diào)度通信發(fā)展到現(xiàn)代 的集話音、數(shù)據(jù)、短消息、圖像等多媒體通信。因此需要不斷發(fā)展通信技 術(shù)使調(diào)度通信系統(tǒng)的功能逐步完善、不斷強大，以滿足各式各樣用戶日益 提高的需求。而提高信道利用率就是要滿足現(xiàn)代日益增大的通信量的需要。 1 5 研究工作 本文作者的主要工作是研究在2 5 k h z 信道條件下，無線數(shù)字傳輸系統(tǒng) 的構(gòu)建。該系統(tǒng)應(yīng)該具有高帶寬效率，同時保證較好的誤碼性能。系統(tǒng)分 別以兩種方式構(gòu)建，種是單載波方式，種是使用o f d m 技術(shù)。 2 電子科技大學碩士論文 首先是以單載波方式構(gòu)建一個基于2 5 k h z 信道的系統(tǒng)，完成的主要工 作：l 、分析并選擇合適的調(diào)制方式；2 、通過仿真比較，分析各種預(yù)調(diào)濾 波器的濾波效果及其產(chǎn)生的碼間干擾；3 、以各種預(yù)調(diào)濾波器結(jié)合m s k 調(diào) 制技術(shù)及多電平判決方法組建基于2 5 k h z 信道的仿真模型；4 、完成系統(tǒng) 的誤碼性能仿真及分析；5 、構(gòu)建優(yōu)化系統(tǒng)。 以o f d m 技術(shù)構(gòu)建基于2 5 k h z 信道的數(shù)字傳輸系統(tǒng)，完成的主要工作 有：1 、分析以o f d m 技術(shù)構(gòu)建此系統(tǒng)所帶來的高帶寬效率：2 、分析子載 波數(shù)目、循環(huán)前綴長度、成形濾波器等參數(shù)的選擇對于所組建系統(tǒng)的影響； 3 、通過仿真比較，選擇多組合適的參數(shù)組合構(gòu)建系統(tǒng)仿真模型；4 、仿真 和分析系統(tǒng)的性能，確定優(yōu)化系統(tǒng)參數(shù)；5 、進步仿真分析了一種不會引 入頻譜擴展的降低峰值一平均功率比的校正方法，確定校正門限；6 、構(gòu)建 優(yōu)化o f d m 系統(tǒng) 最后完成對上述兩個系統(tǒng)的比較。 3 皇三型墊盔蘭堡主絲莖一 第二章以單載波調(diào)制技術(shù)組建帶限數(shù)字傳輸系統(tǒng) 2 12 5 k h z 信道中的數(shù)據(jù)傳輸 本章主要討論以單載波調(diào)制技術(shù)在2 5 k h z 信道中組建一個數(shù)字傳輸系 統(tǒng)的問題。我們希望所組建的系統(tǒng)能在給定的2 5 k h z 信道帶寬范圍內(nèi)取得 高信道利用率，也就是說能盡量提高數(shù)據(jù)傳輸速率。同時我們還需要考慮 保持較好的誤碼性能。另外系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)應(yīng)該盡量簡化，使得實現(xiàn)更簡單。 因此我們要建立的是一個基于2 5 k h z 信道的具有較高帶寬效率和較好誤碼 性能，且比較易于實現(xiàn)的無線數(shù)字傳輸系統(tǒng)。在完成系統(tǒng)設(shè)計的過程中， 需要進行以下工作：選定調(diào)制方式：通過仿真，比較各種預(yù)調(diào)濾波器的濾 波器效果并觀察其產(chǎn)生的碼問干擾；對系統(tǒng)的誤碼性能進行理論計算和仿 真，對得出的誤碼結(jié)果進行分析比較；最后確定優(yōu)化的系統(tǒng)方案，完成系 統(tǒng)的構(gòu)建。 2 2 各種調(diào)制方式的簡述及比較 要確定系統(tǒng)方案，首先要確定系統(tǒng)采用的調(diào)制方式。目前常見的調(diào)制 方式包括：相移鍵控( p s k ) ，頻移鍵控( f s k ) ，幅度鍵控( a s k ) ，正交幅 度調(diào)制( q a m ) 等。 二進制相移鍵控( b p s k ) 和四相相移鍵控( q p s k ) 是兩類典型的相移 鍵控方式。為了解決b p s k 中1 8 0 0 相位模糊問題，可以對發(fā)端數(shù)據(jù)進行差 分編碼，得到差分相移鍵控( d p s k ) 。d p s k 除了解決相位模糊問題外，與 b p s k 的另一個差別在于其接收端可采用非相干接收方式，簡化了接收機的 結(jié)構(gòu)。b p s k 可定義為： r ? 一 s b 讎( f ) = r e ( t ) 1 2 ，e bc o s ( 2 月f c t + 吼) ( 2 一1 ) vo b 式中m ( t ) 為幅度隨輸入數(shù)據(jù)變化的脈沖( 比如矩形脈沖) ，e 。為比特能 量，死為比特周期，正為載波中心頻率，只為初相。 q p s k 調(diào)制方式則實現(xiàn)了在個調(diào)制符號中傳輸兩比特數(shù)字，所以其帶 寬效率比b p s k 的帶寬效率高兩倍。q p s k 信號可以定義為： 4 皇王型墊奎堂堡主笙奎 s 刪，= 詹c o s c 2 礬t + ( i - 1 ) 抄嘲，i = 1 , 2 , 3 , 4 ( 2 _ 2 ) 在q p s k 信號中，碼元轉(zhuǎn)換瞬間的最大相移為z ，會導致信號的包絡(luò)在 瞬間通過零點，而這種過零點信號在非線性放大時將帶來旁瓣再生。可以 對q p s k 進行改進得到0 0 p s k ( 交錯q p s k ) 調(diào)制方式。0 0 p s k 的表達式為： 嘛( ，) ；妻，( f ) p o 一2 i t b ) c o s 2 蕕f + z m 口( t ) p q 一2 i t b 一矗) s m 2 f , f ( 2 3 ) 0 t s 2 死 其他 ( 2 4 ) 。，( f ) 和m o ( t ) 是輸入數(shù)據(jù)的奇拙特流和偶比特流。在0 q p s k 信號中偶 比特流和奇比特流錯開一個比特周期，即0 q p s k 信號的正交分量的跳交將 比同相分量的跳變延遲一個比特周期。這樣就不會出現(xiàn)0 p s k 信號中同相分 量和正交分量同時跳變的情況，從而可以將最大相位跳變降到等，避免了 包絡(luò)的瞬間過零點現(xiàn)象。圖2 一l 示出了b p s k 和q p s k 的星座圖a 圖2 2 則給出了這兩種調(diào)制方式的功率譜密度。 圖2 1b p s k 和q p s k 的星座圖 圖2 2b p s k 和q p s k 的功率譜密度 5 一皇王型堇查堂堡主墮蘭 一 一一 由圖2 2 可見，q p s k 比b p s k 的帶寬效率高2 倍。而且兩者在加性 高斯白噪聲信道中的比特差錯概率相等1 1 1 , 也就是說兩者有同樣的功率效 率。 雖然q p s k 有良好的帶寬效率和功率效率，但是從圖2 2 也可以看到 其旁瓣衰減很慢，造成較大的帶外輻射，對鄰近信道產(chǎn)生干擾。采用連續(xù) 相位的m s k 調(diào)制方式可以有效的降低帶外輻射 m s k 信號是一種調(diào)制指數(shù)為0 5 的連續(xù)相位的f s k ，在一個周期內(nèi)相位 變化為要，其表達式為： s 刎= c o s ( 2 , v e t + 熹f + x k ) ，惦f ( 七+ 1 ) 巧，k = o 一1 2 ( 2 5 ) 二 其中為輸入數(shù)據(jù)，為相位常數(shù)，滿足： x 。：。h ， ”“ ( 2 6 ) 靠。1 址l 士蛔，；g k - i 、” 由2 5 和2 6 式可以推導出m s k 信號的正交表達式，表達式形式與 2 - - 3 完全一樣，只是式中k o 不再是矩形脈沖，而是半正弦脈沖： 加) ； 8 嗡0 鰣或死 ( 2 7 ) 【 o ， 其他 因此m s k 可以看作是一種特殊形式的o q p s k 信號。圖2 3 給出了m s k 信號和o p s k 信號的功率譜密度對比。從圖中可以看到，m s k 信號的第一主 瓣帶寬比q p s k 信號略大。q p s k 信號的主瓣在如2 處，而m s k 信號的第一 主瓣在0 7 5 億處。但是m s k 信號旁瓣的衰落速度卻比o p s k 信號快很多，因 此帶外衰減也小了很多。為了進一步抑制m s k 信號的帶外衰減可以使用高 斯濾波器作為預(yù)調(diào)成形濾波器得到g m s k 調(diào)制方式。在本章第四節(jié)中我們將 迸論及這一調(diào)制方式的功率譜特點。 6 皇至型夔查堂堡主墮奎 圖2 3m s k 和q p s k 的功率譜密度 采用多進制正交幅度調(diào)制方式可以獲得很高的帶寬效率。正交幅度調(diào) 制可用下式表示： y 。刪( f ) = 一mo o s 2 x f c t 一如s i l l 堿f ，o g t g t ( 2 8 ) 一。，為獨立的振幅，根據(jù)信號點的位置確定。q a m 調(diào)制可以有多種 星座結(jié)構(gòu)。圖2 4 給出了1 6 q a i h 的方型和星型結(jié)構(gòu)的星座圖。 圖2 41 6 q a m 的星座圖 星座圖信號點的密集程度可以反映帶寬效率的大小，信號點越密集， 帶寬效率越高。同時星座圖信號點間距離的最小值，又反映了功率效率的 大小，這個最小值越小，功率效率就越低。多進制調(diào)制星座圖的信號點比 較密集，相應(yīng)的，它們的帶寬效率都比較高，但是它們的星座圖中信號點 7 一 皇王型堇查堂堡主笙蘭一 問的最小距離也比較小，因此功率效率一般也比較小。圖2 - - 5 示出的1 6 q a m 信號的功率譜密度表明其第一旁瓣寬度僅為0 2 5 r b ，在加入預(yù)調(diào)濾波器抑 制其旁瓣功率輻射后，可以得到很高的帶寬效率，但其功率效率比較低， 而且由于不是恒包絡(luò)調(diào)制，在無線衰落信道中受到的影響也比諸如m s k 等 恒包終調(diào)制方式大得多。 圖2 51 6 q a m 的功率譜圖 綜合以上的討論，為了在無線數(shù)字傳輸中得到帶寬效率和功率效率的 折中，既能得到較高的帶寬效率又可以保持較好的功率效率，可以使用m s k 調(diào)制或q p s k 調(diào)制，兩者的帶寬效率差距不大，但由于m s k 調(diào)制更易于實現(xiàn)， 決定選取m s k 作為本系統(tǒng)的主要調(diào)制方式，配合適當?shù)念A(yù)調(diào)成形濾波器， 進行數(shù)字傳輸系統(tǒng)的仿真論證。 2 3 傳輸系統(tǒng)方案 本章所要組建的無線數(shù)字傳輸系統(tǒng)框圖如圖2 6 所示 圖2 6 無線數(shù)字傳輸系統(tǒng)模型 8 皇量型堇查蘭堡主堡奎 一 系統(tǒng)中發(fā)信端預(yù)調(diào)濾波器的參數(shù)我們將在接下來的部分詳細討論。與 發(fā)信端預(yù)調(diào)濾波器主要用于脈沖成形不同，接收端的帶通濾波器主要是濾 除信號噪聲，因此其帶寬要求遠沒有發(fā)端濾波器對帶寬的要求嚴格，主要 是考慮實現(xiàn)結(jié)構(gòu)簡單，且能盡量減少對接收信號的損傷。而巴特沃斯濾波 器就是一種易于實現(xiàn)的濾波器，經(jīng)過仿真比較后發(fā)現(xiàn)，采用影乃= o 6 5 的 5 階巴特沃斯帶通濾波器即可獲得令人滿意的濾波效果，對噪聲抑制較好， 同時信號損傷也很少。其中b ，為帶通濾波器3 d b 帶寬。t b 為傳輸數(shù)據(jù)的比 特周期。 圖2 6 中鑒頻器輸出隨頻率變化的電平作為積分清除器的輸入。積 分清除器輸出相位變化幅度，經(jīng)過多電平判決后恢復發(fā)送端輸入信號。用 這種方法可以保持較好的誤碼性能。積分清除器在個積分周期內(nèi)對輸入 進行積分，輸出隨相位變化的電平。在一個積分周期結(jié)束后對積分器清零 再對下一個周期的輸入數(shù)據(jù)進行積分輸出。對積分器輸出進行判決即可恢 復發(fā)端發(fā)送的數(shù)據(jù)。判決采用多電平判決方法。判決電平的選擇與積分器 輸出電平的路徑有關(guān)，結(jié)合積分器輸出信號的眼圖可以更清楚的看到這一 點： 圖2 7 接收端積分器輸出信號眼圖 圖2 7 示出積分周期1 5 1 - ，積分區(qū)間 ( k 要) t 。，k n ，k = 2 ，3 的 積分器輸出信號眼圖。圖中出現(xiàn)路徑1 和路徑2 ，兩個路徑形成的原因在 于前一個碼元的極性不同。前個碼元為+ 1 ，則積分器輸出路徑1 所 9 一 皇王型墊奎蘭堡主絲塞 一 - _ _ _ 一一。 示的信號，如前一個碼元為一l ，積分器輸出路徑2 所示的信號。兩個路徑 中都分別形成兩個大分權(quán)，分權(quán)1 和分權(quán)2 。當前碼元為+ l 時形成電 平較高的分權(quán)1 ，當前碼元為一l 時路徑形成低電平的分杈2 。所以可 以將分權(quán)的中點作為判決電平。若積分器的輸出大于判決電平，當前碼元 判為+ l ，否則為一1 。兩條路徑就可以得到兩個判決電平。至于選 ：二者中的哪一個作為當前輸出的判決電平，就由前一個碼元決定，前一個 碼元為+ l 時選判決電平1 ，前一個碼元為一1 時選判決電平2 。從 上邊的分析可以看到，這種多電平判決方法實際上充分利用了碼間干擾信 息。在這種多電平判決方法中，在判決時刻積分器的輸出實際上等于鑒頻 器輸出眼圖的面積，因此積分器輸出眼圖的張開度要大于鑒頻器輸出眼圖 的張開度，所以可以得到較好的誤碼性能。 在實際實現(xiàn)中二電平判決可以用如下圖所示的簡單結(jié)構(gòu)實現(xiàn)： 判決 判決 圖2 8 多電平判決的實現(xiàn)結(jié)構(gòu) 2 4 幾種預(yù)調(diào)濾波器 采用圖2 6 所示的系統(tǒng)傳輸方案后，預(yù)調(diào)濾波器的選擇就非常關(guān)鍵， 將對系統(tǒng)的帶寬效率和誤碼性能起主要的影響作用。下面將介紹幾種典型 的預(yù)調(diào)濾波器，它們是：高斯低通濾波器，巴特沃斯低通濾波器，升余弦 濾波器，最優(yōu)f i r 濾波器。 高斯低通濾波器的傳遞函數(shù)為： = e x “一口2 ，2 ) 1 0 ( 2 9 ) 皇量型堡奎蘭堡主壘壅 一一一 其中。：竺里，b 為濾波器3 d b 帶寬 4 2 n 高斯低通濾波器的傳遞函數(shù)平滑，沒有過零點。濾波器輸出過沖低且 輸出脈沖面積恒定。圖2 - - 8 示出隨著b t ( 3 d b 帶寬與碼元周期乘積) 的 變化，濾波器幅頻特性相應(yīng)的變化： 圖2 - - 9 高斯低通濾波器幅頻特性圖 巴特沃斯低通濾波器的傳遞函數(shù)可表示為： 俐2 而1 萬 2 1 0 o 其中兀為濾波器截止頻率，n 為濾波器階數(shù)。從式中易看出隨著n 的增大，i - h ( f ) l 將衰減更快。圖2 1 0 給出了5 階巴特沃斯低通濾波器的 頻率特性，左圖是隨b t 變化的線性幅頻特性，右圖則是b t = 0 4 時的歸一 化幅頻和相頻特性圖，其中幅度以分貝為單位。 圖2 1 05 階巴特沃斯低通濾波器頻率特性圖 巴特沃斯濾波器的特點是通帶內(nèi)具有最平坦的幅頻特性。由圖可以看 出隨著濾波器階數(shù)增加，過渡帶變窄。另外巴特沃斯濾波器可以以模擬濾 波器形式實現(xiàn)，也可以以數(shù)字i i r 濾波器形式實現(xiàn)。其相頻特性曲線表明， 巴特沃斯濾波器并不是線性相位的濾波器，所以信號通過濾波器后可能會 出現(xiàn)較大的畸交。這點在2 5 2 節(jié)將會討論到。在m a t l a b 中巴特沃斯濾 波器可以用b u t t e r 函數(shù)實現(xiàn)。 前面兩個濾波器都可以以模擬濾波器形式實現(xiàn)。下面介紹兩個f i r 數(shù) 字濾波器。當采用數(shù)字濾波器來進行預(yù)調(diào)濾波時，圖2 6 所示的系統(tǒng)模型 中需加入a d 和d a 模塊，變?yōu)槿缦滦问剑?圖2 1 1使用數(shù)字預(yù)調(diào)濾波器的系統(tǒng)模型 其中接收模塊與圖2 5 的接收模塊相同。 f i r 濾波器可以做到良好的線性相位特性，但是其階數(shù)一般都比較高， 實現(xiàn)復雜度也比較高。 升余弦濾波器的傳遞函數(shù)可表示為： 一一皇蘭型壟查蘭堡主堡苧 一 h u ) = 1 o s i 卅( 1 一a ) 2 t 扎2 t “墊劍2 a ) ( 1 一口) 2 r ( 1 + a ) 2 t 其中。為滾降因子，0 s 口1 ，a 為0 時對應(yīng)矩形濾波器。升余弦濾波 器是滿足奈奎斯特準則的一類濾波器。在每個抽樣時刻，濾波器輸出只對 當前符號有響應(yīng)，對其他符號的響應(yīng)全為零。m a t l a b 中可以用f i r r c o s 函數(shù)實現(xiàn)一個具有線性相位的f i r 升余弦濾波器。此函數(shù)的輸入?yún)?shù)中還 提供窗函數(shù)的選擇項，可以選擇不同窗函數(shù)。窗函數(shù)的選擇對f i r 升余弦 濾波器的性能有一定的影響。幾種典型窗函數(shù)的性能指標如表2 1 所示， 表中n 為窗口寬度。其中矩形窗有著最小主瓣寬度，但是旁瓣衰減很小。 h a m m i n g 窗的主瓣寬度雖然是同長度矩形窗的兩倍，但是其旁瓣衰減和阻 帶衰減都比較大。而b l a c k m a n 窗的阻帶衰減在這幾種窗函數(shù)中是最大的， 但是主瓣寬度又是最大的，是矩形窗的3 倍。在預(yù)調(diào)濾波器濾波效果及碼 間干擾的仿真和分析一節(jié)中將對采用矩形窗、h a m m i n g 窗、b l a c k m a n 窗 的升余弦濾波器進行比較。 主瓣寬 阻帶最小衰減 窗函數(shù)第一旁瓣相對主瓣衰減( d b ) 度 ( d b ) 鋤 矩形 一1 3 2 1 8 x h a n n i n g 一3 1 4 4 8 廳 h a m m i n g 一4 l一5 3 1 2 n b l a c k m a n一5 77 4 8 n - b a r t l e t t _ 一 一2 52 5 表2 1 幾種典型的窗函數(shù)性能指標 電子科技大學碩士論文 圖2 1 2 則給出了加窗升余弦濾波器的幅頻特性?？梢钥吹?，加矩形 窗的濾波器有著最窄的主瓣，但是旁瓣衰減速度較慢。與此相反，加 b l a c k m a n 窗的濾波器旁瓣衰減很快，衰減幅度也很大，但是其主瓣遠比加 矩形窗大。而加h a m m i n g 窗的情況則介于兩者之間，是它們的折中。正是 由于h a m m i n g 窗在主瓣寬度和旁瓣衰減之間都得到較好的指標，因此 h a m m i n g 窗是應(yīng)用最為廣泛的一種窗函數(shù)。 圖2 一1 2 加窗升余弦濾波器歸一化幅頻特性 在討論最佳f i r 濾波器之前先給出與之相關(guān)的幾個參數(shù)：通帶紋波 如，阻帶衰減以，通帶截止角頻率q ，阻帶起始角頻率q 。，這幾個參數(shù) 的定義如下圖所示，和蟊的單位均為d b ： 另外定義： 一 口 丑 圖2 一1 3 最佳f i r 濾波器參數(shù)定義 1 4 一 皇蘭型墊奎堂堡主堡塞 - _ _ 一。 ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) 這兩個頻率量在后面的討論中經(jīng)常用到，因此在此先做說明 最佳濾波器是指在切比雪夫準則意義上的最佳化，即濾波器的頻率響 應(yīng)0 扣) 在所感興趣的頻率范圍內(nèi)與理想濾波器的頻率響應(yīng)如( e 拍) 之間 的最大逼近誤差最小。這個問題可以表述如下：3 1 1 0 h ( e 7 。) 1 + ，0 國q ， ( 2 1 4 ) 一瓦s 日( e 7 。) 疋，q j c o z ( 2 - - 1 5 ) 引入一個固定的加權(quán)因子j ，七滿足： 6 。= 硒| ( 2 - - 1 6 ) 則有： 1 一七蟊s h ( e 。) s 1 + 七瓦，0 國q 口( 2 - 1 7 ) 則切比雪夫準則可以表示為： 蟊= m i n m a x i e ( e j 。) i 】) ( 2 - - 1 8 ) h ( k ) c ae o ，q 。】u 【q 。，療】 式中加權(quán)誤差函數(shù)球拍) 定義為： 球均：j t h ( e j 8 j ) - i ，。艇q p ( 2 1 9 ) ll h ( e 7 。) l ，q 。國1 - 對這一逼近問題的求解，p a r k s m c c l e l l a i l 算法是一種很好的方法釘。 在m a t l a b 中r e m e z 函數(shù)正是用p a r k s m c c l e l l a n 算法實現(xiàn)最佳f i r 濾 波器的。圖2 1 4 給出了最佳f i r 濾波器的頻率特性，其中占。= 3 d b ，以 = = - 4 0 d b ，臼d = 6 5 k h z ，f s = 1 3 k h z 。 瓦 墮幼 f f 一一 皇三型墊奎堂堡主堡塞 _ ，_ 一 圖2 1 4 最佳f i r 濾波器頻率特性 2 5 關(guān)于濾波器影響系統(tǒng)帶寬效率和信號波形的仿真及分析 為了找到合適的預(yù)調(diào)濾波器，按照圖2 6 組建仿真模型。通過仿真， 比較各種濾波器的輸出信號跟圖以及應(yīng)用各種預(yù)調(diào)濾波器后的已調(diào)信號功 率譜。選擇達到頻譜要求的濾波器作為預(yù)調(diào)濾波器，對系統(tǒng)進行誤碼性能 分析，進一步分析濾波器產(chǎn)生的碼問干擾對系統(tǒng)性能的影響。最后選出帶 寬效率和誤碼性能都較佳的濾波器作為預(yù)調(diào)濾波器完成傳輸系統(tǒng)的構(gòu)建。 在本小節(jié)中主要是給出已調(diào)信號的功率譜仿真結(jié)果以觀察濾波器對調(diào)制帶 寬的壓縮效果，同時給出預(yù)調(diào)濾波器輸出眼圖，初步分析預(yù)調(diào)濾波器產(chǎn)生 的碼間干擾。下一節(jié)我們將進一步給出預(yù)調(diào)濾波器對系統(tǒng)誤碼性能影響的 理論分析和仿真結(jié)果。 2 5 1 功率譜模板及信號的眼圖 為了能夠減小對臨近信道的干擾，應(yīng)將當前信道內(nèi)發(fā)射數(shù)據(jù)的帶外輻 射加以抑制并盡量減小調(diào)制帶寬，而這些衰減的幅度需要有一個定量的規(guī) 定。因此，在比較各濾波器的濾波效果之前，我們首先定義圖2 1 5 所示 的功率譜模板，模板規(guī)定在信道邊界處( 對于2 5 k h z 信道即為正4 1 2 5 k ) 已調(diào)信號的功率譜應(yīng)衰減至一3 0 d b 以下( 正處的功率歸一化為3 d b ) ，而 在正+ 2 5 k 處應(yīng)衰減至一6 0 d b 或一6 0 d b 以下。 1 6 弋 圖2 1 5 功率譜模板 頻率( k h 0 同時我們注意到，當輸入為雙極性的矩形波時，經(jīng)過預(yù)調(diào)濾波器濾波 后，符號高頻部分的濾除使得符號的波形變得平滑，同時符號周期被擴展， 產(chǎn)生碼間干擾，此時觀察到的符號電平已不只是兩電平，而是類似于四電 平數(shù)據(jù)了。一個典型的經(jīng)過濾波器以后的信號波形如圖2 - - 1 6 所示。碼間 二f = 擾的程度還可以非常直觀的從眼圖看出。眼圖的眼睛張開度和跡線的粗 細很直觀的反應(yīng)了碼問干擾的大小和幅度畸變的大小。眼睛張開越大，說 明碼間干擾越小，同時眼睛垂直張開聞隔之半就是噪聲容限。而較細的跡 線反映著較小的幅度畸變和過零點失真。斜邊的斜率則反應(yīng)了定時誤差靈 敏度，更陡的斜率也就意味著對定時誤差更敏感。 圖2 1 6 濾波器輸出信號波形與輸入信號波形對比 我們所希望的預(yù)調(diào)濾波器應(yīng)該具有良好的帶寬壓縮效率并且產(chǎn)生的 皇王型墊盔堂堡主笙蘭一 碼問干擾盡可能的少。因此我們首先從考察已調(diào)信號功率譜和濾波器輸出 眼圖兩方面著手分析濾波器的性能。對于碼間干擾的大小，我們還可以從 f 一節(jié)的誤碼分析中進行比較。 2 5 2 仿真結(jié)果及結(jié)果分析 我們首先來觀察未采用脈沖成形濾波器的m s k 調(diào)制信號的功率譜，如 圖2 1 7 所示。從圖中看出，即使輸入數(shù)據(jù)速率只有1 0 k b p s ，m s k 調(diào)制信 號的功率譜密度仍不能滿足模板規(guī)定。因此有必要用成形濾波器對信號進 行預(yù)調(diào)濾波，壓縮信號帶寬，減少帶外輻射。 圖2 1 7 m s k 調(diào)制信號功率譜：a ) r b = 1 0 k b p sb ) r b = 1 9 2 k b p s 在系統(tǒng)加入成形濾波器后，通過變換輸入數(shù)據(jù)的速率和濾波器的參 數(shù)，仿真和觀察已調(diào)信號的功率譜，濾波器輸出信號的眼圖。對大量仿真 結(jié)果進行比較分析后，發(fā)現(xiàn)在滿足圖2 1 5 模板規(guī)定的條件下，為了避免 輸出信號的碼間干擾過大，輸入數(shù)據(jù)速率最高可取到1 9 2 k b p s 左右，繼續(xù) 增大輸入數(shù)據(jù)的速率會使得信號質(zhì)量惡化至不可用，這點將在后面分析中 論及。下面給出輸入數(shù)據(jù)速率為1 9 2 k b p s 的條件下，仿真得到的已調(diào)信號 功率譜和濾波器輸出信號眼圖，并且對仿真結(jié)果進行分析。 1 8 皇王型墊盔蘭堡主堡苧一 圖2 一1 8已調(diào)信號功率譜及濾波器輸出眼圖( 高斯低通預(yù)調(diào)濾波) 高斯低通作為預(yù)調(diào)濾波器的已調(diào)信號功率譜及濾波器輸出眼圖如圖2 1 8 所示。圖中采用商斯濾波器進行預(yù)調(diào)濾波并取b t = o 2 5 。發(fā)射信號的 功率譜已經(jīng)滿足圖2 一1 5 所示模板的規(guī)定。同時可以看到濾波器輸出眼圖 有比較大的噪聲容限，同時幅度畸變和過零點畸變都很小，且對定時誤差 也不敏感的。 圖2 一1 9 已調(diào)信號功率譜及濾波器輸出眼圖( 巴特沃斯低通預(yù)謂濾波) 圖2 一1 9 則給出了5 階巴特沃斯低通濾波器作為預(yù)調(diào)濾波器時已調(diào)信 號的功率譜及濾波器輸出信號眼圖。其中b t = o 4 。雖然已調(diào)信號功率譜滿 足模板要求，但可以很明顯看到濾波器輸出眼圖畸變很大。這是由于濾波 器頻率響應(yīng)的相位非線性造成輸出信號產(chǎn)生幅度畸變而引起的。這種畸變 電子科技大學碩士論文 增大了碼間干擾也嚴重影響了系統(tǒng)性能，這點在誤碼性能仿真中得到證明。 下面給出升余弦f i r 濾波器分別加h a m m i n g 窗、矩形窗、b l a c k m a n 窗 對對濾波器輸出信號及已調(diào)信號功率譜的影響。濾波器濾波器階數(shù)6 0 ，截 止頻率7 5 k h z ，滾降系數(shù)0 6 。輸入數(shù)據(jù)速率r b = 1 9 2 k b p s 。 圖2 2 0 已調(diào)信號功率譜及濾波器輸出眼圖( 升余弦加h a m m i n g 窗預(yù)調(diào)濾波) 圖2 2 1 已調(diào)信號功率譜及濾波器輸出眼圖( 升余弦加矩形窗預(yù)調(diào)濾波) 皇王型墊奎蘭堡主絲苧一 圖2 2 2已調(diào)信號功率譜及濾波器輸出眼圈( 升余弦加b l a c k m a n 窗預(yù)調(diào)濾波) 由圖2 2 0 、圖2 2 1 、圖2 2 2 比較看出，b l a c k m a n 窗未滿足功率 譜模板要求，因此不予考慮。加h a m m i n g 窗和加矩形窗的功率譜均符合功 率譜模板要求，其中加矩形窗的帶寬壓縮效果更好。但是在眼圖比較中， 加h a m m i n g 窗的眼圈張開度更大，跡線更細，說明產(chǎn)生的碼間干擾更小。 在兩者都滿足帶寬要求的情況優(yōu)先考慮碼問干擾較小的一個，因此決定選 擇h a m m i n g 窗。觀察圖2 2 0 可以看到，升余弦濾波器對調(diào)制帶寬的壓縮 效果與高斯低通濾波器近似，但是從眼圖可以看出，升余弦濾波器輸出信 號的噪聲容限比高斯濾波器輸出信號大，而且其極細的軌跡線表明信號幾 乎沒有什么畸變。可以預(yù)見，使用升余弦濾波器作為預(yù)調(diào)濾波器的系統(tǒng)誤 碼性能應(yīng)該比使用高斯低通濾波器的系統(tǒng)好。 下面給出最佳f i r 濾波器作為預(yù)調(diào)濾波器的情況。濾波器階數(shù)4 0 ， f p = t k h z ，f 。= 1 4 k h z ，占。= 3 d b ，以= 一4 0 d b 。如圖2 2 3 所示，它對調(diào)制 帶寬的壓縮雖稍遜于高斯濾波器和升余弦濾波器，但已滿足模板規(guī)定。輸 出眼圖的噪聲容限好于高斯濾波器而略小于升余弦濾波器。濾波器輸出信 號的畸變也較小。 圖2 2 3 己調(diào)信號功率譜及濾波器輸出眼圖( 最佳f i r 濾波器預(yù)調(diào)濾波) 2 1 皇王型堇奎蘭堡主墮塞 一 以上給出的四種濾波器都取到了滿足調(diào)制帶寬和帶外輻射要求的參 數(shù)。如果進一步調(diào)整濾波器的參數(shù)，