VR-QAM调制技术刍议

论文导读：变速M-QAM调制就是根据衰落信道的传输特性，或根据传输源的特性自适应地调节信号的调制电平数或信号星座图。该算法在信号观察长度较大时，对不同的调制方式和滚降系数都有较好的数值稳定性和估值准确度，特别适用于调制识别和变速率调制等调制方式未知或变化的场合，是一种有效的实际算法。
关键词：自适应，变速率调制，变速率正交幅度调制

　　0 引 言
　　当今的移动通信技术最重要的是要解决如何在有限的频带资源中提供多媒体综合业务。传统的调制方式，如QPSK、MSK、GMSK等难以满足高容量、高速率的多媒体业务。而MPSK调制和M-QAM调制[3]则是具有高频带利用率，而且可以灵活地根据传输环境与传输信源的不同，自适应的调整调制速率的调制方式，因此能很好的缓和可用频带资源紧张状况及实现多速率的多媒体综合业务传输。但是相比之下，MPSK调制只利用了信号空间的相位信息，而M-QAM调制则同时利用了幅度与相位信息，充分利用了信号空间，故此，在这个意义上，后者要比前者具有较佳的性能和优势，
　　M-QAM的高频带利用率是以牺牲其抗干扰性来获得的，电平数越大，信号星座点数越多，其抗干扰性能越差。因此，除了可以通过选择星座图的类型改善其性能外，还可以根据不同的传输环境或传输信源的不同特点，来自适应地改变M-QAM调制信号的电平数，即星座点数，以保证获得预期的传输性能。当然，在这种情况下，相应的信号传输速率也随之产生变化，这就是所谓变速率M-QAM调制方式。变速率M-QAM调制方式由Steele和Webb最早提出[9]，并引起许多学者的关注。1995年，Steele与Webb已利用计算机软件仿真的方法研究变速率M－QAM调制技术在移动通信中的应用[6]。随后，张睿和李建东利用DSP芯片研究了在莱斯衰落信道中自适应地调节信号的调制电平数，以改善其传输特性[10]。李光球则从传输信源不同的角度，研究多分辨率M-QAM调制技术[11]。
　　1. VR-QAM调制技术的原理：
　　变速M-QAM调制就是根据衰落信道的传输特性，或根据传输源的特性自适应地调节信号的调制电平数或信号星座图。基带M-QAM调制信号内必须包含三种数据：信道检测数据、调制电平数据和用户数据。信道检测数据用于收发机判断对当前传输信道衰落的评估，作为确定下一次传输调制电平数的依据；而在接收端，调制电平数用于进行M-QAM数据解调。因此，根据信道的衰落情况，自适应地选择M-QAM调制电平数，以便在恶劣的信道环境中采用较少电平数的M-QAM调制，获得较好的抗干扰性能；而在较好的信道环境中则可以采用更多电平数的M-QAM调制，以在保证传输质量的前提下，获得更高的频带利用率。
　　对变速M-QAM调制方式而言，由于频带利用率最小为2，故与2DPSK(频谱利用率1)与4DPSK(频谱利用率为2)相比，其频谱利用率高得多。且传输系统信噪比越高，在相同的误码率情况下，频带利用率也越高。因此，在满足相同的传输质量要求下，采用变速率M-QAM调制可以解决现存的频谱资源紧张的难题。科技论文。
　　2. 电平数M的关系式
　　本节我们将以方形星座图为代表来讨论其相应的QAM系统的误码性能以及QAM系统的调制电平数M与信噪比r的关系式。在方形QAM信号星座图中，这里k是偶数，这个QAM信号星座图就等效于在正交载波上的两个PAM信号，其中每一个都有个信号点。由于以相位正交的信号分量用相干检测可以完全分开，所以QAM的差错概率很容易由PAM的差错概率来确定。具体地说，对M电平QAM系统一个正确判决的概率是：
　　(1)
　　这里是在这个等效QAM系统的每个正交信号中具有一半平均功率的电平PAM系统的差错概率。通过对M电平PAM系统差错概率适当地修正后,对M电平QAM的一个符号的差错概率为：
　　 (2)
　　(2)式中，可以明显得出，电平数与的数值具有一一对应的关系，所以只要判断出的数值就可以确定所需要的电平数.
3. 评估信噪比的算法
　　对于给定调制方式信号的信噪比估计，可以分为恒包络和非恒包络两大类。对于非恒包络信号的信噪比估计，已经有了一些方法：双正交通道信道估计方法[12]就是一种在高速移动环境下有效的信道估计方式。利用信号自相关矩阵的奇异值分解进行盲估计的方法[13]则适用于调制方式未知或不断变化的系统之中，下面将这种介绍和研究这两种方法，分析其原理与与缺点。
　　3.1 基于自相关矩阵奇异值分解的信噪比估计算法：
　　（1）由接收信号估计相关函数序列，估计公式表如下：
　　(3)
　　影响自相关矩阵及其奇异值表述信号的分辨率，选择合适的值是很重要的。选择过小，构造的自相关矩阵失真大，影响信噪比估计；选择过大，又增加不必要的计算量。
　　（2）由构造自相关矩阵，如下式所示:
　　(4)
　　 (3) 计算的奇异值分解，得到奇异值序列
　　 (4)确定信号子空间维数和含噪信号空间维数。
　　 （5）调制信号信噪比由下式计算得到：
　　(6)
　　该算法在信号观察长度较大时，对不同的调制方式和滚降系数都有较好的数值稳定性和估值准确度，特别适用于调制识别和变速率调制等调制方式未知或变化的场合，是一种有效的实际算法。
　　3.2 双正交通道信道估计方法
　　这种信道估计方法通过利用经历相同衰落的两个独立信道的联合估计来给出衰落信道下的参数估计值.这种估计方法不需要导频信息,而且受快衰落的影响较小,能够有效的克服深衰落的影响,而且可以应用更高维的调制方式.
　　正交通道信道估计算法系统的信道估计不需要导频信息，而且由于是靠两个通道进行联合估计，所以受各种深衰落的影响较小（因为两个通道经历相同的衰落，信号的提取只与信噪比有关而受信道的衰落影响较小），而且，由于估计的相位精度很高，所以可以利用高阶的调制方式。
　　文章[12]对此双正交通道信道估计方法进行了仿真，从其仿真的结果中可以看出，双正交通道信道估计方法在高速移动的环境中对系统性能的改善是极为有效的，并且对于深衰落造成的幅度衰落和相位偏移的影响也很小，也就是说利用此种信道估计方法，系统的性能不在受移动台移动速度快慢的制约。科技论文。因此这是一种适用于高数据速率，高速移动环境的一种极为有效的信道估计方式。
　　这种信道估计方法虽然有如此大的优点，但是必须有一个重要的前提，那就是需要两个独立的传输通道。因为双正交通道信道估计算法需要两个独立的信道来传输两个发送信号，而且要求这两个信号要经历相同的信道衰落和加性噪声干扰，所以传统的频分方式、时分方式都很难满足这种信道估计方式要求，只有应用现有的码分方式。科技论文。众所周知，在IS-95和IS-2000中，对于每一个用户而言，I、Q两路信号分别用两个PN码去扩频，因而只需简单的改变一下传送的信号形式，即在这两路正交信道中，不再只是传送I、Q信号而是传送如前所述的I、Q的组合信号，即双正交通道信号形式，在接收端通过这两个双通道的联合解调可以有效的克服深衰落的影响，恢复发送的信号。
　　5.总 结
　　VR-QAM是一种高频带利用率的调制技术，对高容量、高速率传输的第三代移动通信系统具有广阔的应用前景。但是，VR-QAM调制也是以牺牲其抗干扰性能来获取其高频带利用率的，这使VR-QAM信号在恶劣的无线信道中应用时传输质量大大下降。另外，VR-QAM是一种非恒包络调制技术，其抗非线性失真性能较差，故也限制其在移动通信中的应用。但是，通过制定一种优化的变速率QAM调制方案，我们便可以保证在一定的传输质量，即一定的误码率条件下，充分地利用其高频带利用率的特点，以便有效地将这种技术应用到移动通信系统中。

参考文献
[1] 吴伟陵，移动通信中的关键技术[M]，北京：北京邮电大学出版社，2000.11
[2]普罗克斯 萨勒赫；刘树棠，现代通信系统---使用MATLAB[M]，西安，西安交通大学出版社，2001.11
[3] 朱旭明；易清明，M-QAM调制技术及其在移动通信中的应用[J]，移动通信，2001.2,77-80
[4]Channels W.T. Webb，L. Hanzo Modern Quadrature AmplitudeModulation Principles and Applications for Fixed and Wireless[M]