CN109005139A - 一种正交幅度调制解调方法及其星座图优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种正交幅度调制解调方法及其星座图优化方法。本发明将接收端信号进行模数转换，输入到数字信号处理单元，在数字信号处理单元采用参数估计方法估计接收信号的频率、幅度和相位，进而得到正交幅度调制中I分量和Q分量的幅度，再进行星座图映射，实现解调。根据所选择的参数估计算法的性能对星座图进行优化，星座图上的点分布在参数估计精度高的位置。本发明能克服载波频移对正交幅度调制系统的影响，能对抗多普勒频移实现快速解调。

Description

一种正交幅度调制解调方法及其星座图优化方法

技术领域

本发明涉及通信领域的调制解调方法，特别涉及一种正交幅度调制解调方法及其星座图优化方法。

背景技术

正交幅度调制方法(Quadrature amplitude modulation,QAM)就是用两个调制信号对频率相同、相位正交的两个载波进行调幅，将已调信号加在一起进行传输，同时利用了幅度和相位两个因素进行调制，具有频谱利用率高、功率谱密度高等优势，在高速有线数据传输系统中具有广泛应用，并且是移动通信技术专家十分重视的一种信号调制方式。

目前常用的QAM解调方法是相干解调，需要解调端的本地振荡器提供与接收信号同频的相干载波来实现解调，如果频率发生了偏移，会导致系统误码率较大，因此载波恢复技术对于QAM系统来说非常重要。一般来说，通过本地锁相环恢复载波，并保持相位锁定，经典的基于锁相环的载波恢复算法有科斯塔斯环法、平方环法、ML算法等。即，传统的解调方法是先进行载波恢复再进行相干解调。一些学者提出QAM的自适应解调算法，通过自适应滤波器同时进行载波频率恢复和解调，一般通过迭代的方式使滤波器系数收敛，实时性较差。

在多普勒频移严重的通信环境里，比如在水下通信环境，通过声音信号作为传输载体，多普勒频移现象严重；水下环境复杂，多普勒频偏较不稳定，使得在接收端产生很大的载波偏移，造成较大的误码率。另外，高阶QAM也应用在下一代移动通信中，在终端高速运行的移动通信环境下，多普勒频偏也是在解调时需要考虑的重要因素，因此研发能够抗频偏的调制解调方法尤为重要。

发明内容

本发明的目的在于克服现有方法的缺点与不足，提供一种正交幅度调制解调方法，克服载波频移对调制解调系统的影响，在求得载波频偏的同时实现快速解调。

本发明的另一目的在于提供一种星座图优化方法。

正交幅度调制方法，具体是是将输入数据调制到正交的两个同频载波分量的幅度上：I分量和Q分量，其中I分量为Q分量为其中ω_c 分别为载波的频率和相位，A_c和A_s为根据发送数据得到的载波幅度。将两个分量叠加，发送的调制信号为：

即：其中设传输信道存在载波频移和加性噪声，可得接收端信号为：

其中为接收端的载波频率，其中Δω为载波频移。z(t)为加性噪声。

本发明通过以下的技术方案实现解调：

一种正交幅度调制解调方法，将接收端信号进行模数转换，得到N点样本序列

将样本序列输入到数字信号处理单元，采用参数估计方法求得接收端的信号参数从而同时实现频移估计和解调，即在公式1中，估计参数A，和得到估计值分别为和可以得到I分量的幅度估计值

以及Q分量的幅度估计值

再进行星座图映射，实现解调。

上述正交幅度调制解调方法是同时调制幅度和相位的调制方法，其特征在于参数估计方法采用现有的正弦信号参数估计方法，估计正弦信号的频率、幅度和相位。而公式1和公式2幅度和相位的估计性能则提供一种星座图分布调整方法。

基于所述正交幅度调制解调方法的星座图优化方法，根据参数估计方法的性能来设置和优化星座图的分布，星座图的点分布在参数估计算法精度高的位置，星座图上的点可以是均匀分布也可以是非均匀分布。具体方法是：1)仿真或者实验得到所使用的相位和幅度估计算法的估计均方误差性能图。2)确定要构造的QAM调制的进制数，即可确定构造星座图的点数M。3)从上述估计均方误差性能图中找到幅度估计均方误差和相位估计均方误差最小的M种幅度和相位的组合，即使得最小的M种情况。其中α与β是对幅度估计均方误差和相位估计均方误差的加权因子，根据实际需求而定。4)在星座图平面上，描绘上述幅度和相位估计均方误差最小的M种情况的位置形成星座图点。

本发明与现有方法相比，具有如下优点和有益效果：

(1)利用参数估计算法准确估计出载波频率，对抗载波频率偏移，在实现载波频移估计的同时实现解调。

(2)现有大量的正弦信号参数估计算法可利用，可根据实际应用对精度和计算速度的要求选择合适的参数估计算法。

(3)可根据参数估计算法的性能指导星座图的设计，通过提高估计精度以提高解调准确性、降低误码率。

附图说明

图1为本发明解调方法框图；

图2为本发明星座图优化方法中相位估计算法的性能图；

图3为本发明星座图构造示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施和保护不限于此，需指出的是，以下若有未特别详细说明之过程，均是本领域技术人员可参照现有技术实现的。

一种正交幅度调制解调方法，解调方法如图1所示，将接收信号进行模数转换，得到样本序列其中将样本序列输入到数字信号处理单元，采用参数估计方法求得接收端的信号参数从而同时估计参数A，和得到估计值分别为 和在本实施例中，载波估计的方法采用基于导数的窄带正弦频率分析方法。具体的参数估计过程为：

步骤1：估计载波频率。先对接收到的样本序列y[n]，设为N点，补零至总长度为4N，进行傅里叶变换得到Y[k]，寻找傅里叶变换后的功率谱上谱峰所在的位置k₀，估计载波频率为：

其中Δ为窄带宽度，假定Δ＝4，

步骤2：估计幅度和相位。在本实施例中采用DFT谱均方误差最小化法估计幅度和相位。定义代价函数：

其中C_k是的傅里叶变换表达式，S_k是的傅里叶变换表达式。最小化J，求解

可得幅度为：

相位为：

从而有：

步骤3：估计I分量和Q分量的幅度。可以得到I分量的幅度估计值为Q分量的幅度估计值为步骤4：将映射为星座图中的点，实现解调。

星座图优化方法是根据参数估计方法的性能来设置和优化星座图的分布，星座图的点分布在参数估计算法估计精度高的位置，星座图上的点可以是均匀分布也可以是非均匀分布。下面结合例子来说明根据参数估计精度优化星座图的分布方法。由于接收序列是假设初始相位有因此噪声环境下，相位估计算法的性能对星座图的映射具有重要的影响。假设选用的参数估计算法，经过仿真或者理论分析，可以得到该算法的幅度估计性能不受幅度值的影响，而该算法的[0,π]相位估计性能如图2所示，[-π,0]的相位性能与[0,π]的性能关于0相位偶对称。通过分析可以得到相位估计误差最小的16个相位有：

[0.16π,0.33π,0.51π,0.74π,0.58π,0.68π,0.02π,0.1π,,0.25π,0.39π,0.44π,0.48π,0.65π,0.83π,0.91π,0.98π]即(28.8°,59.4°,91.8°,133.2°,104.4°,122.4°,3.6°,18°,45°,70.2°,79.2°,86.4°,117°,149.4°,163.8°,176.4°)因此，构造星座图的时候，要使得最小，在这个实施例中，由于幅度估计的性能不受幅度值影响，故设置β＝0，α＝1，即选择相位估计均方误差最小的点。假如是构造4QAM，则星座图如图301所示，选择了估计误差最小的四个相位的位置(28.8°,-59.4°,91.8°,-133.2°)，幅度可任意选择，构成了4QAM。其中相位28.8°幅度为3的点写作：(28.8°,3)，它代表00，(91.8°,3)代表01，(-133.2°,1)代表10，(-59.4°,1)代表11。假如是构造8QAM，则星座图可以如图302所示，选择了(28.8°,3)代表000，(91.8°,3)代表001，(-133.2°,1)代表010，(-59.4°,1)代表011，(3.6°,1)代表100，(104.4°,1)代表101，(-122.4°,3)代表110，(-18°,3)代表111。同理，如果构造16QAM，则如图303所示，利用了上述16个估计误差最小的相位来构造。如果需要构造更高阶数QAM星座图，可以再寻找更多个估计误差最小的相位集。

本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种正交幅度调制解调方法，其特征在于包含如下步骤：

步骤1，将接收端信号进行模数转换：将输入数据调制到正交的两个同频载波分量的幅度上：I分量和Q分量；其中I分量为Q分量为其中ω_c、分别为载波的频率和相位，A_c和A_s为根据发送数据得到的载波幅度；将两个分量叠加，发送的调制信号为：

即：其中设传输信道存在载波频移和加性噪声，得接收端信号为：

其中为接收端的载波频率，其中Δω为载波频移，A为幅度，z(t)为信道中的加性噪声，将接收信号进行模数转换得到N点样本序列

其中

步骤2，参数估计：将样本序列y[n]输入到数字信号处理单元，采用参数估计方法求得接收正弦信号的频率幅度和相位其中频率是对的估计，已经包含了载波频移，可对抗载波频移对解调系统的影响；而幅度和相位则是上述样本序列的幅度和相位的估计结果；

步骤3,实现解调：根据幅度和相位得到正交幅度调制中I分量和Q分量的幅度，即I分量幅度为Q分量幅度为再实现星座图映射。

2.根据权利要求1所述的一种正交幅度调制解调方法，其特征在于步骤2具体的参数估计过程为：

步骤2.1：估计载波频率；先对接收到的样本序列y[n]，设为N点，补零至总长度为4N，进行傅里叶变换得到Y[k]，寻找傅里叶变换后的功率谱上谱峰所在的位置k₀，估计载波频率为：

其中Δ为窄带宽度，

步骤2.2：估计幅度和相位；采用DFT谱均方误差最小化法估计幅度和相位；定义代价函数：

其中C_k是的傅里叶变换表达式，S_k是的傅里叶变换表达式；最小化J，求解

可得幅度为：

相位为：

从而有：

步骤3：估计I分量和Q分量的幅度，得到I分量的幅度估计值为Q分量的幅度估计值为

步骤4：将映射为星座图中的点，实现解调。

3.基于权利要求2所述的一种正交幅度调制解调方法的星座图优化方法，其特征在于包括：1)仿真或者实验得到步骤2所使用的相位和幅度估计算法的估计均方误差性能图；2)确定要构造的QAM调制的进制数，即可确定构造星座图的点数M；3)从所述估计均方误差性能图中找到幅度估计均方误差和相位估计均方误差最小的M种幅度和相位的组合，即使得最小的M种情况，其中α与β是对幅度估计均方误差和相位估计均方误差的加权因子；4)在星座图平面上，描绘上述幅度和相位估计均方误差最小的M种情况的位置形成星座图点。

4.根据权利要求3所述的星座图优化方法，其特征在于所述β＝0，α＝1。