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面向卫星通信高阶调制解调16-APSK算法实现地研究.pdf
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面向卫星通信高阶调制解调16-APSK算法实现地研究.pdf
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面向卫星通信高阶调制解调16-APSK算法实现研究
图2
图2
图2
图2
插图索引
卫星通信系统的基本组成框图……………………………………………7
16.APSK信号集……………………………………………………………8
编码的星座图………………………………………………………………9
星座最小欧氏距离与相对半径的关系……………………………………10
图2.5卫星信道的仿真模型……………………………………………………..11
图2.6非线性卫星信道中16-APSK信号外内圆半径之比与误码率关系曲线…12
图2.7
16-QAM信号星座图……………………………………………………..13
图2.8
16.PSK信号星座图………………………………………………………13
图2.9高斯白噪声信道中的信噪比与误码率关系曲线……………………………14
图2.10经过功率放大器的信号输入输出特性图………………………………..15
图2.1l非线性幅度失真下信噪比与误码率关系曲线……………………………16
图2.12高斯白噪声信道中的星座图(16.APSK)………………………………17
图2.13加入相位失真(16一APSK)…………………………………………………………17
图2.14高斯白噪声信道中的星座图(16.QAM)………………………………17
图2.15加入相位失真(16.QAM)………………………………………………17
图2.16高斯白噪声信道中的星座图(16.PSK)………………………………..17
图2.17加入相位失真(16一PSK)………………………………………………..17
图2.18非线性卫星信道中的信噪比与误码率关系曲线…………………………18
图2.19问接学习预失真模型…………………………………………………………….19
图2.20没有经过预处理的16-APSK的星座图…………………………………22
图2.2l经过预处理后16.APSK的星座图……………………………………….22
图2.22
16-APSK信噪比与误码率的关系曲线……………………………………22
图3.1
16.APSK调制的原理图………………………………………………….24
图3.2
16-APSK调制的系统模型………………………………………………一26
图3.3
16-APSK调制信号………………………………………………………一26
图3.4
16-APSK解调原理图…………………………………………………….27
图3.5符号同步的原理图………………………………………………………一29
图3.6内插滤波器的模拟模型…………………………………………………一29
图3.7内插时间关系图………………………………………………………….30
图3.8内插滤波器的SIMULINK实现…………………………………………….32
图3.9平方定时误差检测的算法流程…………………………………………..32
VI
附表索引
表3.1
bl(i)的取值…………………………………………………………………一3
1
表4.1量化的取值…………………………………………………………………4l
VⅡI
面向]!星通信高阶调制解调16-APSK算法实现研究
调制的目的是为了使信号特性和信道特性能够匹配,选择什么样的调制方式
应该取决于系统的信道特性。显然信道特性的类型不同,其相适应的调制方式也
是有所区别的。
从时域上来说,尽量使调制信号的包络恒定。卫星通信信道一个最主要的特
点就是非线性,它会使已调波的包络发生波动,从而会引起相位失真和频谱扩展,
从而要求调制后的波形包络尽量恒定,PSK具有恒定包络的特点,但是由于有不
连续的相位转移,因此会占用较宽的带宽,同时随着带宽资源的使用越来越紧张,
仅仅使用PSK调制也是不现实的。从频域上来说,要求己调波具有良好的频谱特
性。采用的调制信号的旁瓣应尽可能地小,包含较少的能量,以减少邻道问的干
扰。
卫星通信一般使用的是微波频段,由于其业务的日趋繁忙,同时通信容量
的迅速增加,导致了射频频谱非常的拥挤,从而射频频谱的扩展,使得带宽资源
的使用越来越紧张,花费的代价也越来越大。为了应对这样的局面,国际上也对
各种通信系统的频带利用率与占用率作出了比较严格的规定。尤其是对于卫星通
信系统(频率属于特高频与微波频段)与移动通信系统(频率属于L与S频段)做出了
更为严格的规定。因此尽量使用高阶的调制方式来达到提高系统的带宽利用率的
目的。
QPSK(Quadrature
Phase
Shift
Keying,正交相移键控)调制技术是恒包络
的,具有频带利用率较高、抗干扰能力强、带宽较窄等特点,因此一般被作为卫
星通信的最佳调制技术,但这显然有碍于卫星通信系统效率的提高,尤其是大功率
通信卫星和装备了点波束的通信卫星【l
J。16一QAM(1
6-Quadrature
Amplitude
Modulation,l
6进制的正交振幅调制)是一种很高效的数字调制解调方式,这种
调制解调技术具有能充分利用带宽,且具有抗噪声能力强等优点,因此在有线电
视网络高速数据传输和中、大容量数字微波通信系统以及一些卫星通信的领域中
得到广泛应用。为了能够较好的利用大功率、点波束通信卫星高功率增益的特点,
同时考虑到转发器的行波管放大器和发射机功率放大器的非线性特性对高阶调制
方式的影响【21,有必要研究分析对比典型的高阶调制方式(如16.APSK,16一QAM,
16.PSK),找出实用的高阶调制方式能更好的适应非线性卫星信道的特性,同时
找出最理想的最优的星座图设计。
1.2.2
APSK的发展与现状
与传统的矩形QAM(Quadrature
Amplitude
Modulation,正交振幅调制)相
比,APSK是不一样的幅度相位调制方式,其星座分布呈中心向外沿半径发散,
被称为星形QAM。
面向卫星通信高阶调制解调1
6-APSK算法实现研究
1.2.3基于软件无线电调制解调方案实现的研究
软件无线电有多功能、多频段通信能力和很强的灵活性,它通过增加一些软
件模块,可以很容易地实现一些新的功能。由于它可以和其它任何体制的电台实
现空中接口,因此可以进行不同制式间的通信,同时也可以作为其它电台的射频
中继。更新软件模块和改变软件模块都可以通过无线加载来完成。用户也可以根
据自己所需的功能,加载所需要的软件模块,这样可以达到降低系统的成本,从
而节约用户的费用开支。
在软件无线电的调制中,通过一个通用数字信号处理平台为支撑,利用各种
软件来产生调制信号。每一种调制算法都被做成软件模块的形式,只需调用相应
的模块,就能产生所需的调制信号。由于调制是做成了软件模块的形式,
因此,
可以通过更新调制模块的软件来适应调制体制的发展【l
71。现有的通信体制中,通
信信号的种类是很多的,在以前的方式中,我们是通过对载波的幅度、频率和相
位进行变换达到调制的目的,但这种方式不利于在软件无线电中多模式调制的统
一结构的构建,因此需要从信号空间映射的角度来定义信号的调制,也就是说通
过N维矢量信号空间将调制信号与已调信号联系起来。因此在软件无线电中,广
泛采用正交调制,同时从理论上来说,各种通信信号都可以采用正交调制的方法
实现。
在软件无线电的解调中,具体实现各种解调算法时,可用各自的解调子程序
实现,同时经过标准的参数接口进行调用,以尽量符合软件无线电的软件结构形
式【l引。软件无线电的解调一般采用数字相干解调的方法。由于在调制端几乎都是
用正交调制的方式实现,因此正交解调法从理论上说可以对所有的调制方式实现
解调。对信号进行分解得到同相与正交两个分量,就可以对各种调制样式进行解
调了。
在现代通信领域中,卫星通信属于最重要的通信方式之一。但是,由于
卫星通信系统的设备种类比较繁多,同时设备的管理与维护工作比较复杂,
这些因素使得卫星通信系统的更新换代周期长,不利于适应现代高科技的发
展步伐。而软件无线电拥有软件定义功能与开放式模块化结构的技术思想的
优势,能很好地解决卫星通信系统存在的这些问题。因此,研究具有软件无
线电特征的卫星通信系统是很有意义的。
FPGA(Field--Programmable
Gate
Array,现场可编程门阵列)的主要用途
有两个方面【191:一是作为ASIC(Application
Specific Integrated
Circuit,专用集成电
路1设计的快速原型系统,由于生产ASIC的费用非常昂贵,而FPGA的开发费用要
小得多:二是验证新算法的物理实现,很多应用场合,设计人员提出一些新的算法,
为了验证算法硬件的可实现性和算法的正确性,通常用FPGA作为实现的一种载
硕士学位论文
体。
FPGA由于开发周期短、功能强,可靠性高和保密性好的特点广泛地应用在各
个领域幽1。FPGA应用领域的不断扩大和半导体计工工艺的不断进步,都促使了
其快速的发展,FPGA已经.成为了调制解调实现的首选方案。
1.3论文所做主要工作及论文结构
本文针对非线性卫星信道的特点,对16-APSK、16-QAM、16一PSK进行了研
究,给卫星通信调制解调体制的选择提供了一定的依据,同时针对非线性卫星信
道对16.APSK的内外圆半径进行了优化,然后研究了16.APSK的调制解调算法,
在simulink中实现了系统,接着提出了一种新的软解调算法,并进行了实现,能
极大地减小计算的复杂度,最后提出了16.APSK调制解调在FPGA中的实现方案。
本文的主要工作成果体现在以下几个方面:
1.在非线性卫星信道中对16.APSK星座进行了优化,得出了更具实际意义
的内外圆的半径比率;
2.本章重点针对非线性卫星信道中研究16一APSK性能及星座优化。首先分
析了16.APSK的信号空间点的距离,同时通过计算机仿真得到了大多参考文献中
采用的16一APSK的内外圆的半径比率的取值,然后在非线性卫星信道中对星座进
行了优化,得出了更具实际意义的内外圆的半径比率。接着分别分析了非线性幅
度失真、非线性相位失真对信号的影响,然后对比分析了16-APSK、16-QAM、
16.PSK在非线性卫星信道中信噪比与误码率的性能。为补偿非线性对信道的影
响,对自适应预失真算法进行了研究;
3.介绍了16.APSK的调制解调,对符号同步和载波恢复的原理与实现方法
进行了研究,在simulink中实现了系统仿真,证明系统的设计是合理正确的;
4.提出了一种新的快速获取软判决信息的算法,与经典算法做了误码率对比
分析,并用Verilog语言进行了实现,设计了16一APSK调制解调算法FPGA实现
方案。
本文具体内容和结构安排如下:
第一章:绪论。介绍了本文的研究背景及意义,国内外研究的状况,以及本
文的研究内容和研究思路;
第二章:16.APSK在非线性卫星信道中性能的对比研究及星座优化。本章首
先介绍了16.APSK的相关理论,分析了16.APSK的信号空间点的距离,同时通
过计算机仿真得到了大多参考文献中采用的16.APSK的内外圆的半径比率的取
值,然后在非线性卫星信道中对星座进行了优化,得出了更具实际意义的内外圆
的半径比率,接着分别分析了非线性幅度失真、非线性相位失真对信号的影响,
然后对比分析了16一APSK、16一QAM、16.PSK在非线性卫星信道中信噪比与误码
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