CN100418334C - π/2相移的非正方形M-QAM调制解调方法及其系统 - Google Patents

Abstract

π/2相移的非正方形M-QAM调制解调方法及其系统属于数字信息调制解调技术，其特征在于：它通过在奇偶时刻分别传输两个相差π/2的信号星座图，可以有效地消除非正方形M-QAM调制中180度相位跳变，从而降低信号的包络起伏，首次把降低包络起伏的思想引入到QAM调制解调技术中，使其具有更好的对抗非线性信道的特性，提高传输效果。

Description

π/2相移的非正方形M-QAM调制解调方法及其系统

技术领域

本发明属于数字信息传输技术领域，特别涉及一种π/2相移的非正方形M-QAM调制解调技术。

背景技术

常用的数字调制解调技术包括幅移键控(ASK)，频移键控(FSK)和相移键控(PSK)以及正交幅度相位(QAM)调制解调技术，以及由它们变化扩展得到的一些调制解调技术。其中，由于QAM调制方式和其它数字调制方式相比在同样地频谱利用率条件下，能达到更好的传输性能，因此越来越多的受到人们的重视，也广泛的应用于各种数字通信系统中。比较常用的是16QAM、64QAM以及256QAM这些正方形QAM调制，但是像8QAM、32QAM以及128QAM这些非正方形的QAM调制方式也引起了越来越多的关注。

但是，数字信号的传输信道是非理想的，一般来讲，传输信道会受到多径信号的干扰和由功率放大器饱和引起的非线性失真。对于多径干扰，一般用分集接收和信道均衡的方法来消除，这种方法对常用的数字调制方式都有很好的效果，可以基本消除多径信号的影响。对由于功率放大器饱和引起的非线性失真，常用的方法是预失真，就是根据非线性失真的特性，在发送端对调制信号的星座图进行人为干预，使其在经过非线性信道后，恢复为理想的星座图。但是，这种方法需要对非线性失真的特性有比较清楚的了解，而且还需要在发送端以功率为代价，这在功率受限的系统中是难以实现的。

对于常用的PSK调制方式，还有一种技术用来对抗非线性失真，就是恒包络(ConstantEnvelop-CE)技术以及准恒包络(Almost Constant Envelop-ACE)技术，它是通过调整载波信号的包络或者相位，使得调制之后的信号经过滤波器之后，能够保持包络恒定或者近似恒定，这样就可以使其在功率放大器的线形范围内，从而减少非线性失真。比如说连续相位调制(CPM)，高斯最小相移键控(GMSK)调制，π/4正交相移键控(π/4QPSK)调制等方式，都是利用这种思想。

由于QAM调制方式同时利用了信号的幅度和相位来传递信息，因此它更容易受到信道非线性的影响。非线性信道的AM-AM响应和AM-PM响应，会使QAM信号的星座图发生畸变，严重影响其传输性能。在利用QAM调制的系统中，对抗信道非线性的常用办法是利用上面提到的预失真或者信道的非线性均衡，前面已经提到，预失真技术不仅需要对信道的非线性特性有很清楚的了解，而且还要以功率为代价；而非线性均衡一般都有较高的复杂度，不易实现；而且它不同于对多径信号的均衡，均衡效果不是非常理想。因此，本发明针对QAM信号在非线性信道中的传输，提出了一种π/2相移的非正方形M-QAM调制方式，它借鉴了π/4QPSK中消除180度相位跳变的思想，首次把降低包络起伏的方法引入到QAM调制中，并且设计了一种利用编码的正方形2M-QAM调制来实现π/2相移的非正方形M-QAM调制方法。从而使这种调制方式比常用的QAM调制能够更好的对抗信道的非线性特性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种比常用的QAM调制能够更好的对抗信道非线性失真的π/2相移的非正方形M-QAM调制解调方法及其系统。

本发明所述的调制解调方法的特征在于，它通过数字信号处理电路依次按以下步骤实现：

步骤1)在发送端，利用分频电路对数据时钟分频，得到奇偶时刻控制信号；

步骤2)用步骤1)得到的奇偶时刻控制信号控制一个发送端的二选一开关，把送进所述开关的两路相差π/2的本地载波信号在奇时刻和偶时刻按所述开关分别选通输出；

步骤3)用步骤2)得到的载波信号对数据信号在M-QAM调制器中对数据进行调制，其中，M＝2²ⁿ⁺¹，n＝1，2…，；

步骤4)将步骤3)得到的调制信号送入信道进行传输；

步骤5)在接收端，用M-QAM解调器对从信道接收的调制信号进行解调，并用载波恢复电路再从M-QAM解调器输出的含有载波的接收信号中恢复出载波信号；

步骤6)把步骤5)得到的载波信号相移π/2后得到两路相差π/2的恢复载波信号，并把所述信号送到接收端的二选一开关中供选择输出；同时把所述载波信号送到一个使接收端和发送端的奇偶时刻控制信号同步的同步电路；

步骤7)用步骤6)中接收端二选一开关输出的载波信号在步骤5)中所述的M-QAM解调器中对接收到的调制信号进行相干解调，得到基带数据；

步骤8)把步骤7)得到的基带数据送入时钟恢复电路，在所述的同步电路输出的同步信号同步下，恢复出接收端的数据和时钟信号，再对时钟信号进行分频，得到接收端的奇偶时刻控制信号；

步骤9)把步骤8)得到的接收端的奇偶时刻控制信号送到接收端的二选一开关，当接收端的两路相差π/2的载波信号到达时，接收端的二选一开关便向所述的M-QAM解调器分别选通输出相应的载波信号。

本发明所述的调制解调系统的特征在于：它是分别在数字信号处理芯片中实现的，它包括：

在发送端，含有：

M-QAM调制器，其中M＝2²ⁿ⁺¹，n＝1，2…，设有数据信号输入端以及载波信号输入端，还有一个与信道无线连接的调制信号输出端；

发送端的分频电路，设有一个时钟信号输入端；

发送端的二选一开关，它的选通控制信号端与上述分频电路的奇偶时刻控制信号输出端相连；

本地载波输出电路，它的输出端与上述发送端的二选一开关的本地载波信号输入端相连；

发送端的π/2相移电路，它的输入端与上述本地载波输出电路的本地载波信号输出端相连；而它的输出端与上述的发送端二选一开关的相移π/2后的本地载波信号的输入端相连；

在接收端，含有：

M-QAM解调器，其中M＝2²ⁿ⁺¹，n＝1，2…，它设有一个与上述信道输出相连的调制信号输入端，一个本地载波输入端，一个解调后的基带信号输出端和一个含有载波的信号输出端；

接收端的二选一开关，它的载波信号输出端与上述的M-QAM解调器的本地载波输入端相连；

载波恢复电路，它设有一个与上述的M-QAM解调器的输出端相连的解调信号输入端；它的载波信号输出端与上述接收端的二选一开关的载波信号输入端相连；

接收端的π/2相移电路，它的输入端与上述载波恢复电路的载波信号输出端相连；而它的输出端与上述接收端的二选一开关的相移π/2后的载波信号的输入端相连；

同步电路，它的输入端与上述载波恢复电路的载波信号输出端相连；

时钟恢复电路，它的一个输入端与上述M-QAM解调器的解调数据输出端相连；另外一个输入端与上述的同步电路的同步信号输出端相连；同时分别设有数据和时钟信号的输出端；

接收端的分频电路，它的输入端与上述时钟恢复电路的时钟信号输出端相连；它的输出端与上述接收端的二选一开关的选通控制信号输入端相连。

QAM调制信号在经过非线性信道后，信号星座图会发生畸变，从而严重的影响其传输性能。本发明提出了一种π/2相移的非正方形M-QAM调制解调技术，可以有效的消除非正方形M-QAM调制中的180度相位跳变，从而降低信号的包络起伏，具有更好的对抗非线性信道的性能。

为了对本发明提出的π/2相移的非正方形M-QAM调制解调方式进行评价，并与常用的QAM调制方式进行比较，我们在非线性信道下对两种调制方式进行了仿真，分别分析了其频谱特性和误码特性，图4给出了两种调制方式在经过滚降滤波(α＝0.3)和Saleh非线性信道模型后的频谱特性，可以看出，对于高阶的频率扩散，本发明提出的π/2相移的非正方形M-QAM调制方式比常用的QAM调制方式有5个dB以上的改善；

图5给出了在不同强度的Saleh非线性模型中，常用的QAM调制解调方式和本发明提出的π/2相移的非正方形M-QAM调制解调方式的误码性能的比较，可以看出，本发明提出的π/2相移的非正方形M-QAM调制解调方式比常用的QAM调制解调方式有1个dB以上的误码性能改善，而且随着信噪比的提高，改善越来越明显。

在下文以及附图中，我们以π/2相移的非正方形8QAM调制解调方式为例来说明本发明提出的π/2相移的非正方形M-QAM调制解调技术的原理，并把它与常用的8QAM调制解调技术进行了比较，说明了其在非线性信道中传输的优点，并给出了计算机仿真的比较结果。

附图说明

图1为常用的8QAM调制解调方式的星座图。

图2为本发明提出的π/2相移的非正方形8QAM调制解调技术的星座图。

图3为本发明提出的实现π/2相移的非正方形M-QAM调制触调的系统框图。

图4为仿真得到的本发明和常用8QAM调制方式的频谱比较。

图5为仿真得到的本发明和常用8QAM调制方式在不同非线性强度下的误码率比较。

具体实施方式

由于信道普遍存在非线性特性，使得用QAM调制方式调制的数据的星座图在信道传输中会发生畸变，从而影响传输性能。本发明提出了一种通过在奇偶时刻分别传输两个相差π/2的星座图的方法，消除了信号传输中的180度相位跳变，降低了包络的起伏，因此比常用的QAM调制方式能够更好的对抗信道的非线性。

首先，在发送端，用分频之后的时钟作为奇偶时刻控制信号，控制载波信号的相位，在奇时刻保持相位不变，在偶时刻使载波相移π/2，然后用经过控制的载波对基带数据进行调制，这样，就使得调制后的数据在奇偶时刻的星座图相差π/2，避免了180度相位跳变。数据经过信道传输后，在接收端，首先由载波恢复电路从接收到的数据中恢复出载波，然后用时钟恢复电路从基带数据中恢复出时钟，恢复出的时钟和数据送入同步电路，在与发送端时钟同步之后，把恢复出的时钟分频作为接收端的奇偶时刻控制信号，用这个控制信号对恢复出的载波的相位进行选择，然后用选择后的载波去进行解调。这就是整个接收端的具体实施方式。

本发明可以在数字信号处理器(DSP)、现场可编程门阵列(FPGA)、专用集成电路(ASIC)中得到实现。

上面结合附图对本发明的具体实施例进行了详细说明，但本发明并不限制于上述实施例，在不脱离本申请的权利要求的精神和范围情况下，本领域的技术人员可作出各种修改或改型。

Claims (2)

1. π/2相移的非正方形M-QAM调制解调方法，其特征在于，它通过数字信号处理电路依次按以下步骤实现：

步骤1)在发送端，利用分频电路对数据时钟分频，得到奇偶时刻控制信号；

步骤2)用步骤1)得到的奇偶时刻控制信号控制一个发送端的二选一开关，把送进所述开关的两路相差π/2的本地载波信号在奇时刻和偶时刻按所述开关分别选通输出；

步骤3)用步骤2)得到的载波信号对数据信号在M-QAM调制器中对数据进行调制，其中，M＝2²ⁿ⁺¹，n＝1，2…，；

步骤4)将步骤3)得到的调制信号送入信道进行传输；

步骤5)在接收端，用M-QAM解调器对从信道接收的调制信号进行解调，并用载波恢复电路再从M-QAM解调器输出的含有载波的接收信号中恢复出载波信号；

步骤6)把步骤5)得到的载波信号相移π/2后得到两路相差π/2的恢复载波信号，并把所述信号送到接收端的二选一开关中供选择输出；同时把所述载波信号送到一个使接收端和发送端的奇偶时刻控制信号同步的同步电路；

步骤7)用步骤6)中接收端二选一开关输出的载波信号在步骤5)中所述的M-QAM解调器中对接收到的调制信号进行相干解调，得到基带数据；

步骤8)把步骤7)得到的基带数据送入时钟恢复电路，在所述的同步电路输出的同步信号同步下，恢复出接收端的数据和时钟信号，再对时钟信号进行分频，得到接收端的奇偶时刻控制信号；

步骤9)把步骤8)得到的接收端的奇偶时刻控制信号送到接收端的二选一开关，当接收端的两路相差π/2的载波信号到达时，接收端的二选一开关便向所述的M-QAM解调器分别选通输出相应的载波信号。

2. 根据权利要求1所述的π/2相移的非正方形M-QAM调制解调方法所提出的系统，其特征在于：它的发送部分和接收部分是分别在数字信号处理芯片中实现的，包括：

在发送端，含有：

M-QAM调制器，其中M＝2²ⁿ⁺¹，n＝1，2…，设有数据信号输入端以及载波信号输入端，还有一个与信道无线连接的调制信号输出端；

发送端的分频电路，设有一个时钟信号输入端；

发送端的二选一开关，它的选通控制信号端与上述分频电路的奇偶时刻控制信号输出端相连；

本地载波输出电路，它的输出端与上述发送端的二选一开关的本地载波信号输入端相连；

发送端的π/2相移电路，它的输入端与上述本地载波输出电路的本地载波信号输出端相连；而它的输出端与上述的发送端二选一开关的相移π/2后的本地载波信号的输入端相连；

在接收端，含有：

M-QAM解调器，其中M＝2²ⁿ⁺¹，n＝1，2…，它设有一个与上述信道输出相连的调制信号输入端，一个本地载波输入端，一个解调后的基带信号输出端和一个含有载波的信号输出端；

接收端的二选一开关，它的载波信号输出端与上述的M-QAM解调器的本地载波输入端相连；

载波恢复电路，它设有一个与上述的M-QAM解调器的输出端相连的解调信号输入端；它的载波信号输出端与上述接收端的二选一开关的载波信号输入端相连；

接收端的π/2相移电路，它的输入端与上述载波恢复电路的载波信号输出端相连；而它的输出端与上述接收端的二选一开关的相移π/2后的载波信号的输入端相连；

同步电路，它的输入端与上述载波恢复电路的载波信号输出端相连；

时钟恢复电路，它的一个输入端与上述M-QAM解调器的解调数据输出端相连；另外一个输入端与上述的同步电路的同步信号输出端相连；同时分别设有数据和时钟信号的输出端；

接收端的分频电路，它的输入端与上述时钟恢复电路的时钟信号输出端相连；它的输出端与上述接收端的二选一开关的选通控制信号输入端相连。

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