自适应调制与编码技术的研究

摘 要 自适应调制与编码(AMC)技术是以数据传输速率与误码率之间的最佳平衡为准则，在满足传输质量的要求下，根据瞬时信道质量状况，选择与信噪比相匹配的最佳调制编码方案来实现的。这种方案由于提供了可变的多级调制编码方案，因此获得了较高的数据传输速率。本文对自适应调制与编码技术进行了研究。在自适应调制技术的研究中，通过对星座可调的自适应调制系统的分析，给出了门限判决准则。同时，论文还研究了星座图与符号率联合控制的自适应调制系统，给出了调制参数的选取规则，通过计算得出了载噪比判决门限和延时扩展判决门限。在自适应调制与编码系统的整体研究中，给出了系统的实现框图及调制编码方案的选取规则，并对系统性能进行了MATLAB仿真。 关键字： 自适应调制与编码，MQAM，MATLAB 引言 随着通信技术的发展，未来的移动通信系统将不仅要支持话音通信，同时还要支持高速率数据和多媒体业务的传输，这些业务要求速率高、时延低和误比特率低，但是无线通信系统自身的特点及其工作环境制约了对以上业务的传输质量，制约因素主要有三个方面： 1）移动通信信道是时变信道，该信道会引入严重的多径和阴影衰落。 2）随着移动通信传输业务量的不断增加，频谱资源就越发紧缺了。 3）通信终端必须体积小，功耗低，重量轻，这些要求限制了其性能的提高。 由于这些因素的存在，必须提高频谱效率，采用抗衰落技术来提高系统性能。大多数的调制和编码技术不能根据衰落的情况自适应变化，这些非自适应的技术在信道的状态比较差时需要一条固定的链路来保持系统的性能，所以，采用非自适应调制和编码技术的系统需要根据信道的最差状态来设计，这将导致信道的容量不能够完全被利用。而自适应系统可以根据信号的衰落调整调试和编码方式，使得信道容量得到最大的利用，最佳的自适应传输系统可以在衰落信道中逼近Shannon容量。 1.2 国内外研究现状分析 自适应传输的概念在60年代后期被首次提出，自适应通信系统需要在接收端有一个精确的信道估计和在接收端和发射端之间有一个可靠的反馈信道，但由于当时的硬件条件限制以及其他技术条件的不足，信道估计技术还比较落后，而且当时的系统大都为点到点的单工连接，无法满足发射机的反馈链路进行信息反馈，因而没有得到广泛的关注。随着通信技术的快速发展，20世纪90年代，信道自适应技术成功运用于有线通信，重新唤起了研究者们对无线信道自适应技术的兴趣，目前已经写入各大主流通信系统标准内。 自适应技术根据信道衰落程度实时调节传输参数，是提高频谱效率的有效措施之一。其基本原理是，当信道质量较好时，发射机调整发射功率、符号传输速率、调制星座大小、编码效率、编码结构或这些参数的组合，以较高的速率进行传输，而当信道质量恶化时，降低数据传输速率，从而充分利用无线信道的时变性，在不牺牲功率和误比特率的前提下，最大限度地提高链路的平均频谱利用率。为增加系统容量、峰值数据传输速率和有效覆盖范围，对某一用户而言，发射和接收信号功率、编码和调制方式等应随这些因素而变化。 目前，在自适应编码调制系统的研究中，系统自适应参数包括：星座集合大小、发射功率、码元速率、编码码率以及这些方式的结合。基于高斯信道Shannon容量定理，得出了基于注水原理（Water-filling）的门限功率自适应方案和信道SINR反比（Inversion）方案。在此基础上，Goldsmith等还提出了可变功率可变速率的多级正交幅度调制自适应调制系统，通过将调制阶数离散化并结合上述最优和次优方案，研究了衰落信道中频谱效率，结果表明，相对于非自适应系统，采用自适应调制方案可以获得20dB功率增益。目前最新的研究主要集中在OFDM、MIMO、STC等中的应用，基于OFDM空时编码的自适应调制技术，通过合并联合信源信道编码和空时编码以及正交频分复用来在无线信道中传输图像。适应系统通过最优的选择编码方式和在频带宽度内有效的速率和功率设置来达到最大的传输速率。 关于自适应调制，原创性的工作是由Hayes和Cavers做出的。到目前为止，自适应调制考察的调制方式主要是MQAM，在考察了各种功率控制策略之后，确定最佳的功率适应是一个时间的注水函数。并讨论了在考虑了平均功率的限制之后，速率和功率自适应的MQAM所能达到的最佳性能。自适应编码方面的研究是因为仅仅采用卷积码和分组码会降低链路自适应所带来的频谱效率上的改善。同未编码的自适应调制相比，自适应网格编码(TCM)可以带来3~6dB的编码增益。 1.3 本文的主要内容 本文对自适应调制与编码技术进行了深入的研究。主要工作体现在对自适应调制技术(MQAM)的研究，论文研究内容包括自适应调制技术。首先介绍自适应技术的基本思想和多进制正交振幅调制的基本原理，然后以星座可调的自适应调制系统和电平及符号率联合调制的自适应调制系统为研究对象，探讨自适应调制技术的门限判决规则，给出自适应调制系统的框图结构对自适应调制与编码系统进行整体的研究。最后给出该系统的实现框图，探讨调制编码方案的选取规则，用MATLAB进行性能仿真。