多调制指数连续相位调制解调算法的研究（可编辑）

多调制指数连续相位调制解调算法的研究（可编辑） 硕士 学位 论文多调制指 数连续相 位调制解 调 算法的 研究 RESERCH ON DEMODULATION ALGORITHM FOR MULTI-H CONTINUOUS PHASE MODULATION 郑海荣 哈尔滨工业大学 2012 年 6 月 国内图书分类号:TN911.3学校代码:10213 国际图书分类号:621. 3 密级: 公开工学硕士学位论文多调制 指 数连续相 位调制解 调算法 的研究 硕 士 研 究 生 : 郑海荣 导 师 : 刘宁庆副 教授 申请学位 : 工学硕 士 学科 : 信息与通信工程 所 在 单 位 : 电子与信息工程学院 答 辩 日 期 : 2012 年 7 月 授 予 学 位 单 位 : 哈尔滨工业大学 Classified Index :TN911.3 U.D.C :621.3 Dissertation for the Master’s Degree in Engineering RESERCH ON DEMODULATION ALGORITHM FOR MULTI-H CONTINUOUS PHASE MODULATION Candidate : Zheng Hairong Supervisor : Associate Prof. Liu Ningqing Academic Degree Applied for : Master of Engineering Information and Communication Speciality : Engineering School of Electronics and Affiliation : Information Engineering Date of Defence : July, 2012 Degree-Conferring-Institution : Harbin Institute of Technology哈尔滨工业大学硕士毕业论文 摘 要 连续相位调制CPM 是一类包络恒定、 相位连续变化的高性能的 非线性数字调 制体制。由于包络恒定,CPM 对 信号幅度变化不敏感,所以尤其 适合于采用高效 非 线 性 放 大 器 的 通 信 系 统 ; 同 时 它 具有 连续 的 相 位 变 化 , 从 而 降 低 了 信 号 的 旁 瓣 功 率 , 所 以 具 有 较 高 的 功 率 效 率 和 频 谱 利 用 率 , 因 此 得 到 了 越 来 越 多 的 关 注 。 但 是,由于非线性特点,CPM 信号 在通信系统的接收机部分面临解调和同步困难这 样的问题。与线性调制方式相比,CPM 信号 有多种选择参数,可以提高频谱利用 率,但 CPM 信 号 的 处 理 就 会 越 复 杂 。CPM 接 收 机 可 以 通 过 最 大 似 然 序 列 检 测 MLSD 对接收到的信号进行相干解调来实现最优解调, 使用维特比译码算法对序 列进行检测。随着调制指数、调制信号集的增加以及记忆长度的加长,CPM 的 最 优 解调 算法 往 往 需 要 很 大 数 量 的 匹 配 滤 波 器 , 存 在 很 多 相 位 状 态 , 接 收 机 的 复 杂 度 随 指 数 增 加 , 常 常 通 过 减 少 接 收 机 滤 波 器 的 数 量 、 使 用 较 少 的 格 状 译 码 器 或 减 少搜索路径来降低复杂度,本文就是重点研究如何降低接收机的复杂度。 本文首先给出了多调制指数连续相位调制Multi-h CPM 的数学基本模型 ,指 出 各 参 数 的 意 义 , 并 给 出 它 信 号 状 态 的 表 示 形 式 及 网 格 图 结 构 , 分 析 了 各 参 数 对 频 谱 和 误 码 性 能 的 影 响 , 得 出 要 想 获 得 较 好 的 频 谱 特 性 会 使 解 调 复 杂 度 增 高 的结 论,并给出重要的美国先进靶场遥测计划组织ARTM 的 CPM 信号的参数。 其次, 详细的 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 了二进制和多进制 多调制指数 CPM 信号 分解成脉冲幅度调 制PAM 加 权和的形式, 给出仿真实例 。 对这两种情况的伪符号和脉冲波形进行分 析 , 指 出 需 要 的 相位 状 态 数 和 脉 冲 波 形 长 度 有 关 。 通 过 选 取 含 信 号 能 量 比 较 高 的 脉冲波形可以来近似表示 CPM 信号。 最后, 研究了最优解调算法 最大似然序列检测的基本原理, 使用 MATLAB 进 行 了 系 统 仿 真 , 分 析 主 要 参 数 对 误 码 率 的 影 响 。 然 后 基 于 这 个 方 法 提 出 频 率 脉 冲 截断的次优化算法, 以有限的误码率损失 来降低接收机的复杂度 。 又基于 CPM 信 号的脉冲幅度调制PAM 分解表示 , 通过减少分解的脉冲波形和进行脉冲波形 的平 均 来 对 信 号 进 行 近似 表 示 , 减 少 了 匹 配 滤 波 器 的 使 用 , 仿 真 系 统 的 性 能 得 出 次 优 化算法的误码率,和最优算法进行比较 只有很少的增加。 关键词 : 多 调 制 指 数 连 续 相 位 调 制 ; 最 大 似 然 序 列 检 测 ; 维 特 比 译 码 ; 幅 度 脉 冲 调制;频率脉冲截断 - I - 哈尔滨工业大学硕士毕业论文 Abstract Continuous phase modulation which has constant envelop and continuous phase is a kind of high performance nonlinear digital modulation system. Because of constant envelope, modulation signal is not sensitive to signal amplitude variation, so especially suitable for the high nonlinear communicarions system. At the same time it has continuous phase change, which reduces the signal side-lobe power, so it has the high power efficiency and spectrum efficiency, so CPM has get more and more attentionHowever, its nonlinear makes the signal difficult to demodulate and difficult to synchronize. Compared with linear modulation mode, CPM signal can improve spectrum efficiency by choosing parameters, but it also increase the complexity of the receiver. CPM receiver can through the imum likelihood sequential detection docking received for the coherent demodulation signal to achieve the optimal demodulation, and use viterbi decoding algorithm to detection. Along with the modulation index, modulation signal set to increase and memory length extension, Based on imum likelihood sequential detection CPM of demodulation often needs to a large number of matched filter, existence many phase state, The complexity of the receiver with index increased, Often, by reducing the receiver filter number, use less case shape decoder or reduce search path to reduce complexity, This paper is the key research how to reduce the complexity of the receiverFirstly, this paper analyzed the basic principle of multi-h continuous phase modulation, gave it signals the representation of a state and trellis, analyzed parameters on the effect of frequency spectrum and bit error performance, draw a conclusion that to get a better frequency spectrum characteristics will make demodulation increased complexity, and gave important ARTM CPM signal parameters Secondly, this paper studied multi-h CPM was exactly represented by a sum of pulse amplitude modulation PAM waveforms, and gave the simulationThrough the analysis of pseudosymbols and signal pulses, pointed out that there was a relationship between state numbers and pulse wave length. By choosing including signal energy higher pulse waveform can come to approximate CPM signalFinally, this paper studied the optimal demodulation algorithm imum likelihood sequential detection basic principle, by the symstem simulation with MATLAB, analyzed of the influence of the main parameters of the bit error rate- II - 哈尔滨工业大学硕士毕业论文 And then based on this method, the paper proposed pulse frequency truncation optimization algorithm. This technique can reduce the complexity of the complexity, and loss of limited bit error rate performance. Based on the pulse amplitude modulation PAM representation of multi-h continuous phase modulation CPM, by reducing the number of pulses and averaging the multi-h pulses, the signal was an approximate representation to reduce the use of matched filters, through the simulation system and compared with the optimal algorithms, bit error rate increases a little Keywords: Multi-h CPM, imum likelihood sequence detection MLSD, Viterbi decoder, Pulse amplitude modulation PAM, Frequency pulse truncation - III - 哈尔滨工业大学硕士毕业论文 目 录 摘 要I Abstract II 第 1 章 绪 论1 1.1 课题研究的背景及意义 1 1.2 连续相位调制的研究现状2 1.3 连续相位调制解调算法的研究现状. 4 1.4 本文主要研究内容和结构安排 6 第 2 章 连续相位调制技术的分析 8 2.1 CPM 信号模型. 8 2.2 CPM 信号状态表示 10 2.2.1 单调制指数 CPM 信号状态分析. 11 2.2.2 多调制指数 CPM 信号状态分析. 11 2.3 CPM 信号频谱特性及误码性能. 13 2.4 本章小结. 15 第 3 章 连续相位调制信号的脉冲幅度调制分解. 16 3.1 二进制多调制指数 CPM 信号的 PAM 分解. 16 3.1.1 原理分析16 3.1.2 仿真实例19 3.2 多进制多调制指数 CPM 信号的 PAM 分解. 19 3.2.1 原理分析19 3.2.2 仿真实例21 3.3 本章小结. 24 第 4 章 多调制指数连续相位调制的相干解调算法 25 4.1 基于维特比译码的最大似然序列检测算法25 4.1.1 仿真实例28 4.1.2 性能分析31 4.2 频率脉冲截断次相干解调算法. 31 4.2.1 仿真实例32 - IV - 哈尔滨工业大学硕士毕业论文 4.2.2 性能分析33 4.3 基于 PAM 分解的 CPM 解调优化算法 33 4.3.1 二进制仿真实例35 4.3.2 基于 PAM 分解的 CPM 解调次优化算法 36 4.4 各算法性能比较. 42 4.5 本章小结. 42 结 论43 参考文献. 44 哈尔滨工业大学学位论文原创性声明及使用授权说明 48 致 谢49 - V - 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 第1章 绪 论 1.1 课题研究的背景 及意义 在 无 线 通 信 领 域 , 面 对 有 限 的 频 谱 资 源 、 信 道 带 宽 的 限 制 ,并且 随 着 用 户 对 高 速 移 动 数 据 业 务 和 无 线 多 媒 体 业 务 需 要 的 不 断 增 长 , 通 信 系 统 的 设 计 要 考 虑 使 用 具 有 较 高 的 频 谱 利 用 率 和 功 率 效 率 的 调 制 方 式 。 在 军用 卫星 通 信 系 统 中 , 要求 在 恶 劣 的 通 信 环 境 下 , 仍 具 有 高 功 率 效 率 、 有 限 的 带 宽 并 且 保 持 稳 定 的 高 速 数 据 通信。 通 信 系 统 的 两 个 最 重 要 的 指 标 是 有 效 性 和 可 靠 性 , 因 此 设 计 系 统 选 择 调 制 方 式 时 要 考 虑 : 信 号 要 具有 较 高 的 频 谱 效 率 ; 带 外 辐射 功率 小 、 功 率 谱 密 度 曲 线 下降快 , 可以 减 小 邻 道 干 扰 ; 调 制 信 号 包 络 恒 定 、 允 许 采 用 非 线 性 功 率 放 大 器 。 通 信 系 统 中 的 调 制 方 式 有 很 多 种 , 目 前 采 用 的 主 要 可 以 分 为 两 类 , 一 类 是 移 相 键 控PSK, 这类调制会产生相位跃变 , 带来频 谱扩展, 同 时对线性度要求很高但实 现简单。 另一类是在第二代移动通信系统全球通GSM 系统中使用的高斯最小频移 键控GMSK,它是在 MSK 之前加一个高斯滤波器来抑制旁瓣的输出,同时 接收 端可以使用非线性的放大器,降低 了成本,但实现复杂。 连续相位调制Continuous Phase Modulation ,CPM 是一类包络恒定、相位连 续变化的非线性有记忆的网格编码 调制方式。由于包络恒定,CPM 对信号幅度变 化 不 敏 感 , 抗 非 线 性 信 道 和 衰 落 能 力 强 , 所 以 尤 其 适 合 于 采 用 高 效 非 线 性 放 大 器 的 通 信 系 统 ; 同 时 它 具 有 平 滑 的 相 位 变 化 , 在 符 号 交 替 时 刻 没 有 相 位 突 变 , 从而 降 低 了 信 号 的 旁 瓣 功 率 , 所 以 具 有 较 高 的 功 率 效 率 和 频 谱 利 用 率 , 可 以 有 效 地 进 行多路传输。 另外与 PSK 调制方 式相比,CPM 信号具有一定的编码效益 , 可以将 CPM 调制器分解成一个连续相位编码器和一个无记忆的调制器, 将 CPM 作为串 行级联码使用时能够具有类似 Turbo 码的性能。在深空通信中,与 LDPC 码、卷 积 码 等 编 码 方 案 联 合 使 用 具 有 很 大 的 应 用 前 景 。 因为 连 续 相 位 调 制 拥 有 较 好 的 频 谱性能, 提高了系统的容量, 同时 可使用功率效率高的非线性放大器来降低成本, 可 以 应 用 于 功 率 和 带 宽 均 受 限 的 卫 星 通 信 、 移 动 通 信 、 短 波 通 信 、 无 线 电 遥 测 和 深空通信等信道, 因此在未来具有广阔的应用前景和研究价值。 在全球通 GSM 系 统广泛使用的 MSK 、GMSK 和 蓝牙系统中使用的 GFSK 信号都 是 CPM 信号的特 例,目前使用 CPM 的实际通信系统越来越多。 CPM 恒定包络、 高的频谱和功率效率这些优点对于通信系统中的 发射机和传 输媒介都是很有用的,但是,由于非线性特点,CPM 信号在通信系统的接收机部 - 1 - 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 分 面 临 解 调 和 同 步 困 难 这 样 的 问 题 。 进 一 步 提 高 频 谱 效 率 和 功 率 利 用 率 , 可 以 通 过使用多进制、 加大关联长度和合理使用较多的调制指数, 但 CPM 信号的处理就 会越复杂。 已有研究指出多进制多调制指数的 CPM 信号能够获得比二进制更高的 数 据 效 率 和 频 谱 效 率 , 并 且 使 用 多 调 制 指 数 CPM , 例 如 美 军 卫 星 军 用 标 准 IL-STD-188-181B 中定义的多调制指数 CPMMulti-h CPM ,可以 提高不同序列之 间的最小欧氏距离,从而可以改善系统的误码性能。 和卷积码一样,CPM 可以 使 用网格图来表示信号的状态, 因此 CPM 接收机可以通过最大似然序列检测MLSD 对 接 收 到 的 信 号 进 行 相 干 解 调 来 实 现 最 优 解 调 , 使 用 维 特 比 译 码 算 法 对 序 列 进 行 检测。多调制指数 CPM 一般也使用维特比译码的方式进行解调, 随着调制指数、 调制信号集的增加以及记忆长度的加长, 基于最大似然序列检测的 CPM 的解调往 往 需 要 很 大 数 量 的 匹 配 滤 波 器 , 存 在 很 多 相 位 状 态 , 解 调 的 复 杂 度 随 指 数 增 加 , 常 常 通 过 减 少 网 格 状 态 数 和 减 少 使 用 的 匹 配 滤 波 器 数量 降 低 复 杂 度 。 也 就 是 说 CPM 的高功率效率和带宽效率是以接收机的复杂度为代价的。 虽然对 CPM 的研究很早就有, 但是对于多调制指数这个领域仍是比较新的 研 究 领 域 , 由 于 接 收 机 的 复 杂 度 很 高 , 并 没 有 得 到 很 广 泛 的 使 用 。 并 且 随 着 通 信 领 域新技术的出现, 如 OFDM 、MIMO 和信道编码等技术,CPM 和这些技术相结合 同样是一个很有吸引力的研究方向。尽管解调复杂度较高 ,但和以前用的 PSK 等 调制方式相比,在频谱效率和提高系统的容量方面,CPM 仍具有较强的吸引力, 在高速数据传输的 4G 移动通信系统 、 军用通信中具有广阔的应用前景。 因此, 对 CPM 信号 解调算法 进行优化具有理论和实际意义的,本文 重 点研究可以具有更高 频谱和功率效率的多调制指数的 CPM 的解调算法, 从减少匹配滤波器的使用和进 行 搜 索 的 网 格 状 态 数 两 方 面 进 行 考 虑 , 有 效 的 降 低 解 调 的 复 杂 度 , 简 化 接 收 机 的 结构,而只损失有限的误码性能 。 1.2 连续相位调制的研究现状 早在上世纪 70 年代 ,国外就已经掀起了对 CPM 信 号的研究热潮。T .Aulin 等人于 1981 年对连续相位调制的一般表达式、 频谱和误码性能等作出了详细的表 [1,2] 述 。 在部 分响应的 CPM 调制技术中, 作为 CPM 的一 个特例 高斯最小键控GMSK 已经被应用于 2G 通信系统中, 也就是 全球移动通信系统 GSM 。CPM 的特例连续 相位调制频移键控CPFSK 是上世纪 60 年代 末到 70 年 代初提出的,MSK 是调制 指数为 0.5 的一种 CPFSK , 码元转换期间没有相位突变 。GMSK 是在 MSK 的基础 上 改 进 的 结 果 。 因 为 这 一 类 调 制 方 式 不 仅 是 恒 包 络 调 制 方 式 , 而 且 功 率 效 率 和 频 带利用率较高,非常适合于应用在 移动通信系统中。 - 2 - 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 随 着 对 移 动 通 信 系 统 传 输 速 率 要 求 的 不 断 提 高 , 提 出 新 的 高 效 的 编 码 和 调 制 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 迫在眉睫。 为了进一步提高系统的性能 , 从上个世纪 80 年代中期, 人们开始 把目光放在卷积编码 CPM 的研究上 ,以改善其各方面性能并且 保持恒定的包络。 文献[3] 对 1990 年之前用于卫星通信的 调制和编码技术作了一个全面的概括, 并着 重指出 CPM 和 TCM 两项技术提高了深空和卫星通信的容量。CPM 信号本身以及 TCM 与 CPM 的联合一直面临着解调、解码复杂的局面,为了打破这种僵局,文 献[4,5] 进行 了努力, 并得到了几种针对特殊调制参数的低运算量算法。 为了尽一步 扩大 CPM 的应用范围, 在 1995-1999 期间, 对可用于卫星通信的 多调制指数 CPM Multi-h CPM 的研究 成为热点问题。 话题的核心仍然是关于如何降低 CPM 解调 复 杂度。20 世纪 80 年 代中期,卷积码被引入 CPM 中。随着 Turbo 码的出现.其解 码概念被应用到编码 CPM 系统检测。 进入 21 世纪以来, 在 Multi-h CPM 领域, 对其研究方兴未艾, 其中针对美 国 MIL-STD-188 系列中采用的 Multi-h CPM 的性能分析是这个领域的焦点之一 ;另 外一个焦点是由文献[6] 针对 Ka 频 段卫星信道的波动, 提出的自适应调节 多调制指 数 CPM ,它与传统固定的调制指数 CPM 相比,具有信道利用率高、接收机实现 简单的优点,除此以外,该文献的仿真结果可作为设计未来 Ka 频段最佳 CPM 卫 星接收机的依据。Multi-h CPM 相对于传统的 CPM 具有更好的功率和带宽效率, 在恶 劣 气 候 条 件 下 , 具 有 更 好 的 连 续 通 信 能 力 。 随 着 通 信 的 发 展 , 信 道 编码 不断 地被重视,在 Turbo 码出现后, 有学者证明了串行级联码可以比并行级联码得到更 好的性能, 又引发了对串行级联连续相位调制 SCCPMSerial concatenate CPM 的研 究热潮。SCCPM 由文献[7] 最先 提出, 并得出连续相位调制与串行级联码结合起来 的 SCCPM 的频带利用率远远高于简单的载波调制 的结论。 对 于 SCCPM 来说, 一 个棘手的问题就是 CPM 本身有大量的可调参数, 很难找到一个既能满足带宽效率 和又具有合理的复杂度 SCCPM 方案。针对此问题,文献[8] 提出了一种寻找最优 解的基于仿真的方法。 为了改变 SCCPM 的解 调都依赖于最优的最大后验概率解调 的局面,文献[9] 针对 卫星通信信道提出了基于 laurent 脉冲分解的次优解调方案, 这种方案不需要前导符号,同时具有较低的运算量。 在航空遥感方面,文献[10] 提出了 一种 SCCPM 方案, 其中的 CPM 选用了目 前美国军事卫星使用的 SOQPSKshaped-offset quadrature phase shift keying 和 航空 遥感所用的 PCM/FMpulse code modulation/frequency modulation ,而外码选用了 TPCturbo-product codes 和 SCCCserially concatenated convolutional codes 。 在卫星 信 道 的 上 行 链 路 方 面 , 文 献[11] 基 于 联 合 边 界 技 术 和 EXIT (extrinsic information transfer ) , 提出了设计满足要求的错误门限和瀑布区域的最优 SCCPM 设计步骤, - 3 - 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 该 方 案 已 被 欧 洲 航 天 局ESA 采 纳 , 并 用 于 卫 星 宽 带 系 统 中 的 三 种 业 务 高速 internet 、电 视、电话 。 2003 年的文 献[12] 在 谈 到 采 用 数 字 调 制 解 调 技 术 和 纠 错 编 码 技 术 来 增 强 卫 星 通信网的抗摧毁抗干扰能力时, 指出 “MSK 、GMSK 、LREC 以及可 旋转变化调制 指数H 的多指数相位调制技术MHPM 开始被使用,TCM 将是卫星通信调制技术中 的一个新的发展方向” 。2005 年的文献[13] 再 次 预 测 了CPM 技术将在卫星通信调制 解调领域得到广泛应用的趋势。文献[14] 分析 了基于MSK 的卫星跳频系统的性能, 其中的MSK 是CPM 的 一 个 特 例 , 目 前 已 得 到 广 泛 应 用 。 文 献[15] 重 点 介 绍 了 国 外 军 事 通 信 领 域 的 几 种 主 流 的 连 续 相 位 调 制 技 术 。 文 献[16] 文 以 单 载 波 传 输 体 制 下 的CPM 信 号 为 对 象 , 以 非 协 作 数 字 通 信 为 背 景 , 以 实 现CPM 信 号 的 盲 解 调 为 目 标 文献[17] 研 究了CPM 调制的特点, 详细的介绍了使用最广泛的CPM 调制的特例?? MSK 的 数 字 复 调 制 解 调 原 理 , 通 过 仿 真 得 出Turbo 码、LDPC 码与CPM 调 制 分 别 进 行结合的性能、 复杂度以及应用背景 。 文献[18] 提出TTCM 和CPM 相结合的串行级 联编码调制方案, 得出该方案优点 。 文献[19] 中提出为了提高效率, 引入跳频来增 加它的抗干扰能力 。 文献[20] 研 究 了 未 编 码 的CPM 信 号 与 跳 频 通 信 系 统 结 合 的 问 题,仿真了系统的性能和频谱效率 。 我国对于二进制的连续相位调制技术的研究已经得出一些结论, 并得 到应用, 对于多进制固定调制指数的 CPM 研究虽然已有一些, 但没有具体的应用。 对于多 调制指数 CPM 的研究更是屈指可数,也没有系统的理论结果。 在 遥 测 领 域 , 美 国 军 方 ARTM 美 国 先 进 靶 场 遥 测 计 划 组 织 与 爱 德 华 兹 Edwards 空军基地一起对 Multi-h CPM 体制 多调制指数连续相位调制 进行研究, 得 到 具 有 很 高 的 频 带 利 用 率 的 调 制 体 制 来 作为 遥 测 新 体 制 的 第 二 步 目 标 , 进 而 可 [21,22] 以取代沿用了数十年 PCM/FM 调制体制 。多调制指数连续相位 调制 首先被应 用于美军卫星军用标准MIL-STD-188-181B, 最近几年, 在视距的测量LOS 上也 引起关注。 1.3 连续相位调制 解调算法的 研究现状 与一般的线性调制方式相比,CPM 信号的参数很多, 在数学表达式上 也要复 杂 得 多 , 这 种 复 杂 性 给 工 程 上 设 计 发 射 机 和 接 收 机 带 来 了 相 当 的 难 度 。 在 高 斯 白 噪声Additive White Gaussian Noise ,AWGN 信道下,最大似然序列检测MLSD 是 CPM 信号的最优解调算法, 但随着调制指数集的增加、 关联长度和进制数的增 加 , 最 优 的 最 大 似 然 检 测 需 要 很 多 匹 配 滤 波 器 和 存 在 很 大 的 网 格 状 态 数 , 一 般 采 用 维 特 比 译 码 器 进 行 序 列 判 决 , 通 过 减 少 接 收 机 使用 的 匹 配 滤 波 器 数 和 减 少 进 行 - 4 - 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 维特比译码的网格状态数来降低接受 机的复杂度。 从 80 年代起, 人们就开始对降 低 CPM 信号接收机的复杂度进行研究。 国内外对单个调制指数二进制和多进制的 CPM 系统的研究很多,这些研究都是从改变 CPM 的参数入手,来改变系统的一 方 面 的 性 能 , 但 同 时 可 能 会 带 来 系 统 另 一 个 方 面 性 能 的 下 降 。 研 究 比 较 广 泛 的 主 [23] 要是两个方面: 一是 CPM 信号调制和各种编码方法进行结合 , 这 样可以提高系 统 的 误 码 率 性 能 和 抗 干 扰 的 能 力 , 但 同 时 会 是 带 宽 变 大 , 频 谱 利 用 率 下 降 ; 二 是 基于 Laurent 分解算法 设计接收机结构,文献[24] 是对这 个方法的研究,通过损失 有限的误码率性能才降低接收机的复杂度 。 对于多调制指数的 CPM 系统由于研究 较少,实现较困难,在应用上仍然有很大的困难。 尽管复杂度很高,但由于多调制指数的 CPM 的带宽很小 ,频带利用率很高, 人们开始研究 CPM 信号的各种 分解方法来降低解调的复杂度, 以便可以广泛应用 于实际中。 已有的对 CPM 信号的分解方法, 主要有 Laurent 分解、 指数分解、Sinc 函数分解、walsh 分解等。其中最著名的且应用最广泛的是 Laurent 提出的二进制 CPM 的 Laurent 分解 ,即将 CPM 信号分解为脉冲幅度调制PAM 的形式 ,从而转 变为线性调制, 它是对 CPM 信号 的精确表示, 最有意义的, 而 其它分解方法都只 是在考虑使 CPM 信 号保持 最小 欧式距离距离条件下的近似最优。 并且基于 Laurent 的 CPM 信号的分解, 可以在保持性能不变的情况下, 降低接收机的复杂度, 减少 系统的成本。 对于 CPM 信号的 Walsh 分解, 文献[25] 和文献[26] 中分别进行了探讨, 研 究 了 减 少 状 态 数 接 收 机 的 设 计 和 符 号 定 时 、 载波同步 的 联 合 估 计 。1986 年, Laurent 提 出可以通过将 CPM 信 号线性的分解为脉冲幅度调制PAM 来解决 接收机 复杂度高这个问题,从而减少网格状态和匹配滤波器的数量。Laurent 已经证明 任 [27] 何二进制的单调制指数 CPM 信号都可以表示成 PAM 波形的叠加 。之后的 研究 表明,M 进制单调制指数 CPM 可以分解为脉冲幅度调制PAM 的形 式, 多 调制指 数的 CPM 信号同样也可以进行 PAM 分解,PAM 分解最早被考虑 在单 调制指数二 进制和单调制指数多进制 CPM 信号。 Mengali 和 Morelli 已 经得出固定调制指数的多进制 CPM 用 PAM 波形表示 的 [28,29] 形式 。在这里,对于多进制多 调制指数的 CPM 信 号进行 PAM 信号的分解。 首先通过二进制的多 h-CPM 信号的 PAM 表 达式推导出 M 进制 多 h-CPM 信号的 PAM 表达式。表 1-1 展示了 CPM 信号的 PAM 分解算法的发展历程。 另外, 文献[30,31] 针对 单调制指数 CPM 信号研究了减少状态序列检测RSSD 的方法,同样也可以推广到多调制指数的情况,文献[32] 做了简单的分析。 多 调 制 指 数 连 续 相 位 调 制 实 质 上 是 一 种 编 码 和 调 制 两 种 功 能 结 合 起 来 的 编 码 调 制 方 式 。 多 调 制 指 数 连 续 相 位 调 制 可 以 在 同 样 的 频 带 宽 度 条 件 下 提 供 优 于 一 般 - 5 - 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 [33] 的 CPM 系 统的误码率性能,提高系 统的功率利用率 。 参考文 献[34] 分析了多 调 制指数的 CPM 信号的性能, 对各种调制指数下的频谱带宽和误码率曲线进行了仿 真,得出的结论是通过合理选择 CPM 信号的调制指数,可以得到比 PCM-FM 频 谱 带 宽 和 误 码 率 更 好 的 性 能 。 但 这 个 优 点 是 以 牺 牲 接 收 端 的 复 杂 度 和 成 本 为 代 价 的 , 因 此 研 究 解 调 算 法 , 降 低 接 收 端 的 复 杂 度 可 以 使 多 调 制 指 数 连 续 相 位 调 制 得 到更广泛的使用。 表 1-1 展示 了 CPM 信号 的 PAM 分解算法的发展历程 年份 作者 进制数目 频带 调制指数 1986 Laurent 二进制 复基带 单调制指数,非整数 1992 Jung 二进制 通带 单调制指数,0.5 1995 Mengali&Morelli 多进制 复基带 单调制指数,非整数 多进制 复基带 单调制指数,整数 2003 Huang&li 2005 Perrins 多进制 复基带 多调制指数,非整数 1.4 本文主要研究内容和结构 安排 CPM 因两个优点而被广泛应用。 首先它是恒包络调制方式, 适用于 非线性 的 接收端,对放大器的要求可以降低,从而可以降低成本。另外,CPM 有高的频谱 和功率效率, 这 主要与 CPM 信号的三个因素有关, 调制指数, 序列的进制数, 频 率 脉 冲 的 长 度 和 形 状 。 通 过 合 理 的 选 择 这 些 因 素 , 可 以 获 得 较 高 的 功 率 效 率 和 较 好 的 频 谱 性 能 。 因 为 恒 包 络 就 意 味 着 非 线 性 。 而 且 提 高 频 谱 效 率 经 常 是 通 过 使 用 多进制和平滑、 长度较长的频率脉冲波形, 这些也会增加接收机的复杂度。 因此, CPM 调制的优势和劣势是相互对立存在的。 本文重点 研 究 如 何 降 低 接 收 机 的 复 杂 度 而 以 较 小 的 误 码 性 能 损 失 为 代 价 。寻 求次优 CPM 解调算法, 降低接收机的 复杂度, 减少匹配滤波器的数量和网格状态 数。对于同步问题这里不予考虑。 按照上述的主要研究内容,本论文的各章节安排如下: 第 1 章主 要介绍本课题的研究背景和连续相位调制的 研究现状、 研究热点, 指出本课题的研究意义, 并指 出现有的解调算法 现状, 得出本文研究的重点内容。 第 2 章是本文的基础理论部分,首先给出了 Multi-h CPM 信号的数学模型和 各参数特点, 详细的分析了 CPM 信号的状态, 给出了网格状态图的表示形式, 并 对 各 参 数 对 信 号 的 频 带 利 用 率 和 误 码 率 等 性 能 的 影 响 做 了 总 结 式 的 表 述 ,指出 ARTM CPM 信号的参数。 - 6 - 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 第 3 章分别对二进制和多进制的 Multi-h CPM 信号进行 PAM 分解, 得出一般 的 表 达 式 , 并 各 自 举 例 得 出 脉 冲 波 形 的 仿 真 图 , 分 析 伪 符 号 和 脉 冲 波 形 的 特 点 , 得出可以通过减少脉冲波形来近似表示信号的结论 , 重点对 ARTM CPM 信号的脉 冲波形进行分析和仿真。 第 4 章在给 出最大似然序列检测 原理的基础上对 Multi-h CPM 进行 最优 解调, 得出误码性能。并且提出频率脉冲截断 的思想来改进 MLSD 最优算法 ,仿真误码 性能并比较接收机复杂度的改善 程度。利用 CPM 信号的 PAM 分解来设计和简化 接 收 机 的 结 构 , 同 时 会 带 来 误 码 率 性 能 上 的 降 低 , 仿 真 这 些 改 进 算 法 的 误 码 率 性 能,和 MLSD 进行对 比,得出结论。 - 7 - 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 第2章 连续相位调制技术 的分析 连 续 相 位 调 制 是 一 种 非 线 性 的 数 字 调 制 方 式 , 它 是 用 信 息 序 列 去 调 制 相 位 响 应函数,并且相位是时间的连续函数。一般的 PSK 调 制方式,其信号的相位在不 同 的 码 元 之 间 发 生 突 变 , 这 种 突 变 会 造 成 信 号 的 频 谱 有 较 大 的 旁 瓣 , 而 连 续 相 位 调 制 信 号 由 于 具 有 相 位 连 续 变 化 的 特 点 , 频 谱 的 旁 瓣 很 小 , 邻 道 干 扰 较 小 , 频 带 利用率和功率利用率较高。同时由于相位具有记忆特性,CPM 信号 本身具有一定 的编码效益,因此,CPM 技术是一种数字调制和信道编码相结合的高效体制。 由 于 CPM 信号包络恒定, 在接收端可以使用成本较低的非线性放大器, 但是,CPM 信号的非线性使接收机的解调和检测带来很大的复杂性。 多调制指数的 CPM 信号 是它的多个调制指数循环变化, 复杂度度比单调制指数更高。 在通信系统设计时, 要注重考虑降低系统的复杂度和减少成本, 本文也主要是考虑这两点对 CPM 的接 受机进行简化, 降低复杂度和降低成本。 下面具体介绍 多调制指数的 CPM 信号的 表达式及其特性。 2.1 CPM 信 号模型 复数基带形式的多调制指数 CPM 信号表达式如下: s t,exp j t, 2-1? nt,? 2 q t ?iT ,nT ?tn ?1 T2-2ii hi是 M 进制码元, 即 输 入 的 信 息 符 号 序 列 。 当 M 时 奇 数 时 , 取 值 集 合 为i?1, ?3, ?,M ?1 , 当 M 为偶 数时, 取值 集合为0, ?2, ?,M ?1 。 Ti ?i 是码元序列周期, 是调制指数,对于所有的符号固定不变时,称为单调制指 数 h i CPM ,当 是 个调制指数,调制指数 以 为周期循环变化,i 的下划线表示 ?hN N i h h 对 取模, 即调制指数随符号变化, 此时称为多调制指数 CPM , 这里我们主要 研 N hp 究这种情况。 调制指数为有理数, 写成 的形式,p 是所有调制指数分母的 hk ii11 最小公倍数。 的情况就是单调制指数 CPM , 的情况成为多调制指数 N h N h CPM , 是 本 文 主 要 研 究 的 对 象 。qt 是 相 位 脉 冲 响 应 函 数 , 它 是 某个 频 率 脉 冲 的? t 积分,即q tgd , 频 率 脉 冲 只 在 区 间 0,LT 上 有 值 ,L 为 记 忆 长 度 , 当0 - 8 - 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 L1 时 CPM 信号称为全响应 CPM ,L1 时称为部分响应 CPM ,并且qt 满足0,t0qt 2-3? 1 2,t ?LT常 用 的 频 率 脉 冲 函数gt 有矩形脉冲LREC 、 升 余 弦 脉 冲LRC 和高斯 最小? 相移键控脉冲GMSK ,下面给出它们的表达式。 1,0t LT LREC :g t 2LT? 0, 其 他?12 ?t 1cos , 0 ?tLT LRC :g t2LT LT2-4 0, 其 他?TT 1 2? 1 2? GMSK :g tQ 2B tln 2 ?Q 2 B tln 2? 22 2 12 x Q ?t? dt e2t LREC 表示 脉冲长度为 LT 的矩形脉冲, 图 2-1 示意了 L2 时的矩形脉冲和对 应的相位脉冲函数。LRC 是脉冲长度为 LT 的升余弦脉冲, 图 2-2 示意了 L3 时的 升余弦脉冲和对应的相位脉冲函数, 本文主要涉及到这两种频率脉冲函数。 当 L1 时,频率脉冲是矩形的 CPM 信号被称为连续相位频移键控CPFSK 。 当 M2 ,L1 ,h1/2 时,CPM 信号就是 GSM 系统中使用的 MSK 。CPM 信 号的 类型和频率脉冲函数gt 的选择及脉冲长度 L 有 关,因此选择不同的脉冲函数可? 以产生不同的 CPM 信号,能够得到需要的频谱性质。 图 2-3 画 出 了 MSK 调制信 号的波形图,图 2-4 画出了两个调制指数的一个基带 CPM 信号 波形。 0.5 0.5 0.45 0.45 qt gt 0.4 0.4 0.35 0.35 gt 0.3 0.3 qt 0.25 0.25 0.2 0.2 0.15 0.15 0.1 0.1 0.05 0.05 0 0 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 t/T t/T 图 2-1 2RC 频 率脉冲和对应的相位脉冲函数 图 2-2 3RC 频 率脉冲和对应的相位脉冲函数 - 9 - 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 MSK信号 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 -0.2 -0.4 -0.6 -0.8 -1 0 5 10 15 20 25 t/T图 2-3 MSK 调制信号的波形图 CPM信号 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 -0.2 -0.4 -0.6 -0.8 -1 0 10 20 30 40 50 60