CN103401827B - 一种mppsk调制的多载波实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种MPPSK调制的多载波实现方法，以MPPSK调制为基础，利用一个以上频谱空隙传输两路以上MPPSK信号。本发明所提出的一种MPPSK调制信号的多载波传输实现方式，通过将各路MPPSK信号降低一定的调制阶数，利用同一码元周期的不同部分进行调制，从而消除多路MPPSK调制信号间的干扰；相对于MPPSK的单载波调制提高了信息速率而又不损失误码性能，为提高频谱利用率提供了一种参考方案。

Description

一种MPPSK调制的多载波实现方法

技术领域

本发明涉及数字通信中的信息调制与解调技术，尤其涉及一种MPPSK调制的多载波实现方法，属于高效数字信息传输技术。

背景技术

高速增长的宽带无线业务需求直接导致了无线电频谱资源的日益紧张，在单位频带内传输更高速的信息已成为新一代通信系统的核心竞争指标和关键共性技术。然而，由于传统无线通信系统采用了经典的矩形频谱划分模式，加上理想带通滤波器的不可实现，使得空间频谱出现大量未使用的频谱“空洞”以及未充分使用的频段，因此严重降低了频谱利用率。

多元位置相移键控（MPPSK：M-ary Position Phase Shift Keying）调制（见“多元位置相移键控调制和解调方法”，发明专利号：ZL200710025202.1）作为一种可与其它通信系统共享频谱的调制方式，能够有效填补频谱空隙并能利用未充分使用的频段传输信息，从而提高了频谱利用率。MPPSK调制的多载波传输可充分发挥其优势，利用更多的频谱空隙从而进一步提高频谱利用率，因此有必要对MPPSK调制的多载波实现进行研究。

MPPSK调制是一种可对位置和相移均进行键控的二维调制，主要利用信息序列在一个码元周期内对正弦载波的不同位置进行相移键控。与EBPSK（见“统一的正交二元偏移键控调制和解调方法”，专利号：ZL200710025203.6）调制相比，在相同的码元周期内，MPPSK可传输更多的信息数据。在一个码元周期T_s＝NT内，MPPSK调制的简化表达式为：

$f_k\left(t\right)=\left\{\begin{array}{ccc}\sin {\mathrm{\&omega;}}_{c}t& 0\&le;t<\mathrm{NT}& k=0\\ \left\{\begin{array}{ccc}\sin {\mathrm{\&omega;}}_{c}t& 0\&le;t\&le;(k-1)\mathrm{KT}& \\ -\sin {\mathrm{\&omega;}}_{c}t& (k-1)\mathrm{KT}<t<(k-r_g)\mathrm{KT}& 1\&le;k\&le;M-1\\ \sin {\mathrm{\&omega;}}_{c}t& (k-r_g)\mathrm{KT}\&le;t<\mathrm{NT}& \end{array}\right.& & \end{array}\right.---\left(1\right)$

其中，k＝0,1,…,M-1为发送的信息序列，ω_c为载波角频率，T＝2π/ω_c为载波周期，0≤r_g＜1为符号保护间隔控制因子，由M、N、K和r_g共同构成了改变信号带宽、传输效率和解调性能的“调制参数”。当k＝1和r_g＝0时，MPPSK退化成EBPSK，因此在一定程度上，可以称MPPSK为扩展的EBPSK，覆盖范围更广，且使用更灵活。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种MPPSK调制的多载波实现方法，可充分发挥MPPSK调制的优势、利用多路MPPSK信号在更多频谱空隙传输信息的参考方案。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种MPPSK调制的多载波实现方法，以MPPSK调制为基础，利用一个以上频谱空隙传输两路以上MPPSK信号。

优选的，将各路MPPSK信号降低一定的调制阶数，利用同一码元周期的不同时段分别进行调制，从而消除多路MPPSK调制信号的信道间干扰（ICI：Internal ChannelInterference）。

上述优选法方案的一种具体实施方法为：所述MPPSK信号中，有n路（可以是所有路MPPSK信号，也可以是所有路MPPSK信号中的n路MPPSK信号）MPPSK信号的载频差在设定范围内，记该n路MPPSK信号的载频为f_c1,f_c2,…,f_ci,…,f_cn，且f_c1＜f_c2＜…＜f_ci＜…＜f_cn，记MPPSK信号的一个码元周期为T_si＝N_i/f_ci，选择合适的调制参数N_i（式(1)）使得每路MPPSK信号的码元周期相同，即T_s＝T_s1＝T_s2＝…＝T_si＝…＝T_sn；将T_s均分成n份，第1路MPPSK信号的跳变位置调制在T_s的第1部分，以此类推，第i路MPPSK信号的跳变位置调制在T_s的第i部分，i＝1，2，3…，n。

有益效果：本发明提供的MPPSK调制的多载波实现方法，具有如下优势：

1、可提高频谱效率：单载波MPPSK可与其他用户共享频谱，利用频谱空隙“见缝插针”式地传输信息，本发明则进一步实现了MPPSK调制的多载波传输，可利用更多的频谱空隙从而提高频谱利用率；

2、不增加各路MPPSK信号的调制复杂度：本发明通过降阶的方式实现了MPPSK调制的多载波传输，不会增加各路MPPSK信号的调制复杂度；

3、消除了多路MPPSK的ICI，将MPPSK调制拓展到了多载波传输，相对于MPPSK调制的单载波传输提高了信息速率而又不损失误码性能。

附图说明

图1是单载波MPPSK频谱占用示意，利用两个用户间的频谱空隙插入一路MPPSK信号；

图2是在三个用户的两个频谱空隙中插入两路MPPSK信号的示意图；

图3是在两个用户的谱间隙中插入两路MPPSK信号的示意图；

图4是未采用多载波实现方式的两路MPPSK冲击滤波器输出波形，借以考察干扰情况；

图5是本发明所述MPPSK多载波实现方式的调制位置分配示意图；

图6是MPPSK调制示意图；

图7是本发明实现的MPPSK多载波信息速率关于n的曲线；

图8是本发明实施例中的第1路误码率曲线对比图；

图9是本发明实施例中的第2路误码率曲线对比图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

1、MPPSK多载波的应用场景

MPPSK调制是在EBPSK调制的基础上发展而来，由于采用了多进制传输，在相同的码元速率下，信息速率能成倍提高，而保持发射功率和传输带宽几乎不变。因此，具有更高的频谱利用率，和与传统调制方式共享频谱的能力。

由于传统调制方式采用了经典的矩形频谱划分模式，加上理想带通滤波器的不可实现，使得两个用户之间出现频谱空隙或保护间隔，而MPPSK的功率谱特征使其便于“见缝插针”式地利用这些频谱空隙传输信息。单载波MPPSK与其他用户共享频谱的情形如图1所示，用户1和用户2是两个传统窄带调制信号，而MPPSK调制信号的边带功率谱密度可比噪声更低，延伸至两个用户的谱间隙及下方。

当我们需要在多个用户的谱间隙之间插入多路MPPSK调制信号、从而更加充分地利用频谱资源时，就要考虑MPPSK调制信号的多载波传输问题。图2给出了在3个用户的两个谱间隙中插入两路MPPSK信号的示意图，多路情况可以此类推。此外还有一种需要用到多载波的情况，就是两个用户之间的谱间隙较大而足以容纳多路MPPSK信号，图3给出了在两个用户的谱间隙中插入两路MPPSK信号的示意图。

2、多路MPPSK信道间干扰

多载波实现的关键是要消除ICI。由于EBPSK信号的时域稀疏特点，各载波信号间的干扰很小，只需使各路信号的判决区域在时间上分开就可实现多载波传输。然而，MPPSK多路信号的ICI要比EBPSK信号严重，其多载波实现也比EBPSK更困难。由于采用了多元位置调制，在MPPSK码元周期内的可用位置都已被占满的情况下，发生ICI的可能非常大。以0码元为例，只要此码元周期内遭遇到其它MPPSK信号的非0码元，就会被误判为相应跳变位置上的非0码元。

MPPSK解调主要借助一种称为“数字滤波器”的无限冲激响应数字滤波器（见“用于增强不对称二元调制信号的冲击滤波方法”，发明专利号：ZL200910029875.3）。图4是两路MPPSK信号通过第1路冲击滤波器后的输出波形，第1路载频f_c1＝11MHz，第2路载频f_c2＝10MHz，其它调制参数相同，即M＝16，K＝2，N＝30，r_g＝0。第1路作为主信号，由于第2路的载频会对第1路造成较大干扰，而载频作为不携带信息的部分又可在接收端通过陷波方式去除，因此第2路仿真中采用了去掉载波的形式。10倍采样频率，每300个采样点为1个码元，可以看出，第1路的0码元被第2路的跳变波形所干扰，第3个码元也受到了一定程度的干扰。

总的来说，MPPSK多路信号ICI的主要原因，就是多路信号重叠时，原信号的码元周期内会出现其它位置的跳变，影响正确解调，因为MPPSK本身是对跳变位置的调制。因此，要想实现其多载波传输，必须通过某种方式消除ICI。

3、MPPSK调制的多载波实现方式

从前述分析可以看出，MPPSK的ICI是由于单个码元周期内多个位置出现跳变导致的，如果能使各路信号的跳变位置在码元内区分开来，就可以消除ICI。因此，本发明提出了一种基于跳变位置区分的MPPSK多载波实现方式。具体思路如下：

设有n路载频相近的MPPSK调制信号，记该n路MPPSK信号的载频为f_c1,f_c2,…,f_ci,…,f_cn，且f_c1＜f_c2＜…＜f_ci＜…＜f_cn，记MPPSK信号的一个码元周期为T_si＝N_i/f_ci，选择合适的调制参数N_i(式(1)）使得每路MPPSK信号的码元周期相同，即T_s＝T_s1＝T_s2＝…＝T_si＝…＝T_sn；将T_s均分成n份，第1路MPPSK信号的跳变位置调制在T_s的第1部分，以此类推，第i路MPPSK信号的跳变位置调制在T_s的第i部分，i＝1，2，3…，n。调制位置的分配如图5所示，那么这n路信号的跳变在时间上就是不重叠的，理论上不会发生ICI。

采用这种方式能够实现一定数量的MPPSK多载波传输，同时不会增加各路MPPSK信号的调制复杂度。各路信号的调制与单载波调制一样，如图6所示，将各路MPPSK调制符号基本波形的采样值存储在波形表中，由输入码元序列的符号值查表并通过数模转换器（DAC）送出相应的MPPSK已调信号波形。利用这种硬件查表的实现方式，即使插入不为零的保护间隔r_g，也不会增加额外的运算量和开销。

4、降阶的作用

不难看出，本发明申请所提出的MPPSK调制多载波实现方式，本质是通过降低单载波MPPSK的调制阶数，将码元周期分成若干时段，从而容许多路较低调制阶数的MPPSK同时传输。因此有必要对降阶的作用进行说明。

与EBPSK调制相比，MPPSK的优势在于实现了高阶调制，在相同的码元速率下，信息速率能成倍提高，而保持发射功率和传输带宽几乎不变。因此在给定了调制参数K和N（式(1)）后，最大调制阶数已确定，单载波MPPSK往往利用最大调制阶数M_max以达到更高的频谱利用率，其信息速率为：

R＝R_Blog₂M_max (2)

其中R_B＝f_c/N为码元速率。而当采用本发明提出的多载波传输方式，将各MPPSK信号的调制阶数降低为M_max/n时，多载波MPPSK的信息速率为：

R′＝nR_Blog₂（M_max/n) (3)

实现MPPSK多载波传输的目的在于利用更多的频谱间隙获得更高的频谱利用率，如果R′＞R，那么用所述方式来实现MPPSK的多载波传输，就是有意义的。相当于通过降阶取得了一个折衷，容许多路载波同时传输从而获得比单载波更高的传输速率。

假设M_max=256，n＝2，分别带入式(2)和(3)中，得到R＝8R_B，R′＝14R_B，意味着利用所述方式实现双载波MPPSK传输，可获得接近单载波MPPSK最高阶调制2倍的速率。当R_B和M_max给定时，式(3)就是关于n的函数，绘制成曲线如图7所示，可以看出，MPPSK多载波的信息速率关于n非线性递增。由此说明n＞2时，此种多载波实现方式仍然可用，从而可以填补更多的频谱间隙，提高频谱利用率。

总的来说，本发明所提出的多载波实现方式通过降阶减小了各MPPSK调制信号的信息速率，但同时也消除了各路MPPSK信号间的ICI，实现了MPPSK调制信号的多载波传输，整体信息速率仍然较大，且随载波个数增加呈增大的趋势。

需要说明的是，本发明所述MPPSK多载波实现方式更适用于码元周期较长即N较大的情况，N越大，调制阶数越高，可降阶的空间越大。而为了与传统调制方式共享频谱，MPPSK的参数N一般选得较大，特别是载频较高时。因此，MPPSK本身的调制特征也为其多载波传输提供了可能。

5、实施例

本发明以两路为例，对所述MPPSK多载波实现方式的误码性能进行了仿真。第1路载频f_c1＝10MHz，调制参数为K₁＝2，N₁＝30，M₁＝8，r_g1＝0；第2路载频f_c2＝11MHz，调制参数为K₂＝2，N₂＝33，M₂＝8，r_g2＝0。码元周期相等，即T_s1＝T_s2＝N₁/f_c1＝N₂/f_c2，被分为两部分，第1路非0码元的跳变位置调制在前半部分，而第2路非0码元的跳变位置调制在后半部分。

分别仿真了两路的误码率，包括仅第1路（即未加入第2路）和仅第2路（即未加入第1路）的误码率，以及两路同时传输情况下第1路和第2路各自的误码率，加性高斯白噪声（AWGN）信道。仿真结果如图8和图9所示。

可以看出，双载波MPPSK误码率仿真结果几乎与只有单路信号时相一致，说明多载波调制相对于单载波调制并没有损失误码性能。两路信号均能正常解调，验证了本发明所述MPPSK调制信号多载波传输实现方式的可行性。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种MPPSK调制的多载波实现方法，以MPPSK调制为基础，其特征在于：利用一个以上频谱空隙传输两路以上MPPSK信号；将各路MPPSK信号降低一定的调制阶数，利用同一码元周期的不同时段分别进行调制；所述MPPSK信号中，有n路MPPSK信号的载频差在设定范围内，记该n路MPPSK信号的载频为f_c1,f_c2,…,f_ci,…,f_cn，且f_c1＜f_c2＜…＜f_ci＜…＜f_cn，记MPPSK信号的一个码元周期为T_si＝N_i/f_ci，选择合适的调制参数N_i使得每路MPPSK信号的码元周期相同，即T_s＝T_s1＝T_s2＝...＝T_si＝…＝T_sn；将T_s均分成n份，第1路MPPSK信号的跳变位置调制在T_s的第1部分，以此类推，第i路MPPSK信号的跳变位置调制在T_s的第i部分，i＝1，2，3…，n。