TD-LTE基帶調制解調技術分析

張長青

（中國移動通信集團湖南有限公司岳陽分公司 湖南岳陽 414000）

1 引言[1]

信息傳遞方式分為基帶傳輸和載波傳輸。由信源直接生成的信號，無論模擬信號還是數字信號，都是基帶信號。把信源生成的數字信號直接送入線路傳輸就是基帶傳輸，如音頻市話、計算機間數據傳輸。載波傳輸是用原信號去改變載波的某一參數實現頻譜搬移，如用二進制信號改變正弦波的幅度或初相的基帶調制。基帶信號頻率較低，傳送內容和距離有限，為了使信號能以電磁波方式傳輸，信號占用頻帶位置必須足夠高，占用頻帶寬度不能超過天線通頻帶，因此基帶信號必須經過基帶調制才能有效傳輸。

基帶調制載波通常為正弦波，將基帶信號調制到載波上，既要使載波的一個或幾個參量承載信號信息，還要使已調信號頻譜適合在給定的帶通信道中傳輸。利用載波的振幅、頻率、相位調制數字信號分別叫幅移鍵控ASK、頻移鍵控FSK、相移鍵控PSK調制方式?；鶐д{制一般分為線性調制和非線性調制，前者是指已調信號的頻譜結構與原基帶信號的頻譜結構基本相同，只是占用的頻率位置不同。后者則完全改變，不僅頻譜位置不同，接收方還有很多新的應譜分量。ASK屬于線性基帶調制，FSK和PSK屬于非線性基帶調制。

TD-LTE系統是一個全網IP系統，而IP傳輸是典型的基帶傳輸，數據信號比特流只能是串行方式傳輸，無法實現無線蜂窩通信中的多址技術，更不能滿足有限帶寬的天線發送技術，必須將基帶傳輸轉變為載波傳輸。所以，在TD-LTE系統中，基帶調制以前和基帶解調部分之后是全IP基帶傳輸過程，在基帶調制與解調之間則是載波傳輸過程，在些過程中，系統將執行導頻插入、子載波映射、IFFT變換和CP插入及其逆過程。

TD-LTE的基帶調制技術主要有相移鍵控PSK和正交幅度調制QAM兩類，其中PSK又有二進制相移鍵控BPSK或2PSK和四進制相移鍵控QPSK或4PSK兩種，QAM也有4進制正交幅度調制16QAM和8進制正交幅度調制64QAM兩種。它們擔負著對系統不同信道的數字調制解調，為系組合不同的調制編碼方式MCS，以適應信道狀態的時變。本文從調制解調原理出發，通過MATLAB仿真，較為全面地分析了這兩類四種基帶調制解調技術，比較它們之間的區別，指出它們為應用于對應信道的原因。

2 相移鍵控PSK調制解調分析[2-3]

相移鍵控是一種多進制數字相位調制技術，一種利用載波不同相位狀態表征數字信息的調制方式，可分為絕對多進制相位鍵控MPSK和相對多進制相位鍵控MDPSK兩類，其中的M主要有二進制和四進制，即二進制絕對制相位鍵控2PSK或BPSK、二進制相對制相位鍵控2DPSK或BDPSK，以及四進制絕對制相位鍵控4PSK或QPSK、四進制相對制相位鍵控4DPSK或QDPSK。相移鍵控是TD-LTE基帶調制系統的主要調制方式。

2.1 二進制相移鍵控調制解調原理

2.1.1 二進制絕對相移鍵控2PSK調制解調過程

絕對相移鍵控PSK是利用載波相位（初相）直接表示數字信號的相移方式。在2PSK中，常用相位0和π表示"0"和"1"。設2PSK已調信號時域表達式為y(t)=s(t)cosωct，其中cosωct為調制載波，s(t)為雙極性數字基帶信號，若不考慮噪聲，則調制輸出可表示為y(t)=±cosωct=cos(ωct+φn)。其中，初相φn=0代表基帶信號"1"，φn=π代表基帶信號"0"，這就是2PSK對基帶信號的調制過程。若將已調信號y(t)與原載波 c osωct相乘，可得 z (t)=y(t)cosωc=[cosφn+cos(2ωct+φn)]/2，經低通濾波后的解調輸出為 ，根據發端2PSK初相定義規定和收端x(t)與φn的關系特性，可得抽樣判決準則x(t)≥0判為數據"0"，x(t)<0判為數據"1"，這就是2PSK對基帶信號的解調過程。

2PSK信號的調制方法有兩種：模擬調制和數字調制，前者利用模擬調制方法來實現數字調制，即把數字調制看成是模擬調制的一個特例，把數字基帶信號當做模擬信號的特殊情況處理。在模擬調制中，2PSK信號可看作是雙極性基帶信號作用下的DSB調幅信號；后者利用數字信號的離散取值特點通過開關鍵控載波，從而實現數據調制，這種方法通常稱為鍵控法。也就是說，數字調制是用數字基帶信號控制開關電路，進而完成選擇不同初相的載波輸出。

2.1.2 二進制相對相移鍵控2DPSK調制解調過程

相對調相又叫二相相對調相，是一種二進制差分相移鍵控，記為2DPSK。2DPSK利用載波信號相位的相對關系表示數字信號的"1"和"0"。變換規則是：數據信號"1"使已調信號的相位變化0相位，數據信號"0"使已調信號的相位變化π相位。與2PSK不同的是，2DPSK不是利用載波相位的絕對數值傳送數字信息，而是用前后碼元的相對載波相位值傳送數字信息。所謂相對載波相位是指本碼元初相與前一碼元初相之差。若設本碼元初相與前碼元初相差為△φ，則有△φ=0表示數字"1"，△φ=π表示數字"0"。

2DPSK波形的相同相位并不對應相同的數字信號，前后碼元的相對相位才唯一確定數字信號。說明解調2DPSK信號時，不依賴某一固定載波相位參考，只要前后碼元的相對相位關系不破壞，鑒別該相位關系就可正確恢復數字信號，因而可避免2PSK解調中"倒π"現象。其實，可先將原比特序列{an}（也叫絕對碼）變換成差分比特序列 {bn}（也叫差分碼或相對碼），再對相對碼作2PSK調制，最后反轉相對碼為絕對碼，完成2DPSK調制解調。

絕對碼與相對碼的轉換公式為：bn=an⊕bn-1，an=bn⊕bn-1,其中⊕為模二和（異或），且b0=0。則2DPSK常用調制方法是：先對數字信號按轉換公式差分編碼，將絕對碼變為相對碼，再按2PSK方式與載波相乘，完成基帶信號調制；解調方法同樣采用2PSK方式，將2DPSK信號與調制載波相乘，再通過反轉換公式將相對碼換為絕對碼，從而恢復發送的二進制數字信息，這種解調法也叫相干解調法，是一種常用方法。

2.2 四進制相移鍵控調制解調過程

四進制相移鍵控利用載波四種不同相位表示數字信息。因每個相位代表兩個比特信息，每個四進制碼元可以用兩個二進制碼元組合表示，所以四進制相移鍵控可被分解為兩個二進制相移鍵控之和。若兩個二進制碼元中的前一比特用a表示，后一比特用b表示，調制時系統定義這種雙比特碼元ab四種狀態與載波初相的關系有兩種方式，A方式：00=>0°，10=>90° ，11=>180° ，01=>270° ；B 方 式 ：00=>225° ，10=>315°，11=>45°，01=>135°。解調時，系統定義這種雙比特碼元ab四種狀態與載波極性關系為：--=>00，+-=>10，++=>11，-+=>01。

四進制相移鍵控調制方法有多種，其中正交調制是由兩個正交2PSK控構成。首先，用串并變換將二進制數據按奇偶位分開，使基帶數據分為兩組比特流，其次對這兩路比特流分別乘以彼此正交的cosct和sinct載波，最后再將這兩路比特流相加，形成四進制相移鍵控調制輸出信號。解調時同樣用彼此正交的cosct和sinct載波分別乘以該輸出信號，重新分出兩路信號，通過抽樣判決，再按奇偶位重新合并兩路信號，還原基帶數據。與二進制相移鍵控一樣，四進制相移鍵控也有絕對相移鍵控4PSK和相對相移鍵控4DPSK方式。

2.3 四種相移鍵控調制過程比較

圖1 是通過MATLAB仿真得出的基帶脈沖數據、BPSK、BDPSK、QPSK、QDPSK等相移鍵控調制波形，基帶脈沖的time坐標是脈沖周期的倍數，相移鍵控調制波的symb坐標是TD-LTE資源粒子在時域上對應的符號單位。為了直觀，僅取10基帶數據脈沖，并設載波周期等于基帶脈沖周期，可以清晰地看到脈沖數據變化時對應的調制載波的相移也發生了變化。

圖1 BPSK、BDPSK、Q PSK、Q DPSK調制波比較

由于載波是余弦函數，BPSK調制波在"1"脈沖周期時的初相為0，在"0"脈沖周期時的初相為"π"，因BPSK是絕對相移鍵控，調制波初相與基帶脈沖關系直接對應；BDPSK是相對相移鍵控，調制時先將基帶信號絕對碼變為相對差分碼，再進行BPSK調制，所以BDPSK調制波初相只與差分碼對應，不能與基帶直接比對。圖中還可看出，QPSK調制波在雙碼元為"10"時的初相是"π/2"，雙碼元為"11"時的初相是"π"，雙碼元為"00"時的初相是"0"，所以QPSK調制方式采用的是A方式。同樣，QDPSK的初相移對應的雙碼元是相對差分碼，所以不能與基帶絕對碼元比較。

TD-LTE系統經過OFDM調制后進入無線信道傳輸，承載資源的最小資源粒子RE在時域的最小單位是符號，在頻域的最小單位是子載波，所以每個符號中包含的比特位數直接決定了RE承載資源的能力。圖1中可以看出，BPSK、BDPSK調制波對應著每個比特碼元，即在BPSK和BDPSK基帶調制波中，每符號只有一比特數據，因而只能調制出2種狀態。在QPSK和QDPSK調制波中，每符號有2比特數據，能夠承載的信息狀態有4種。

3 正交幅度調制QAM調制解調分析

正交幅度調制QAM是應用廣泛的數字調制技術，尤其是多進制正交幅度調制MQAM，因具有很高的頻帶利用率而成為頻率資源有限的TD-LTE系統的主要基帶調制方式。QAM在兩個同頻正交相差π/2的正弦載波上進行幅度調制，是一種振幅、相位聯合鍵控，載波的振幅和相位作為兩個獨立參量同時受到基帶信號調制。設調制信號為：Sk(t)=Akcos(ω0t+θk)，其中，kT

QAM可同時對Xk和Yk中振幅Ak與相位θk進行調制。若θk僅取π/4和-π/4，Ak僅取+A和-A，則QAM為4QAM，即1比特2進制正交振幅調制。若θk仍取2個角度值，Ak取4個幅度值，則QAM為16QAM，即2比特4進制正交振幅調制。若θk還取2個角度值，Ak取8個幅度值，則QAM為64QAM，即3比特8進制正交振幅調制。目前，16QAM和64QAM是TD-LTE系統中基帶調制的主要方式。

3.1 16QAM的調制解調過程[2]

16QAM調制信號的產生方法主要有兩種，即由兩路正交獨立的4ASK信號疊加形成16QAM信號的正交調幅法，和由兩路獨立的QPSK信號疊加形成16QAM信號的復合相移法。在正交調幅法中，QAM調制信號采用兩個正交載波cosω0t和sinω0t，每個載波都被一個獨立比特序列調制。若發送信號為：Um(t)=AmcgT(t)cosωct+AmsgT(t)sinωct，其中 m=1,2,…,M，Amc和Ams是振幅調制電平集合，其電平值是m比特序列映射為信號振幅而獲得的。

在16QAM調制中，系統先按規律（如奇偶位）將一路串行比特數據串并轉換，分為兩路比特流，每路比特流再按每2比特數據取值，即每路取值有4種狀態，對應4個電平，載波振幅調制時一般取±1V和±3V電平值。因在同樣符號誤碼率下，格雷碼誤碼率更小，所以在由兩條支路編碼組成的QAM星座圖中對應的比特數據編碼多用格雷碼。表1為16QAM格雷編碼與調制振幅電平對照表。

表1 ：16QAM格雷碼電平對照表

根據表1，系統為每條支路的比特數據作2-4電平變換，即每2比特數據用4種電平中的一個取代。再將兩條支路上變換后的電平分別與載波的cos和sin相乘后相加，重新合為一路振幅和相位都已發生變化的串行比特流，完成16QAM調制。16QAM調制信號在傳輸中會串入高斯噪聲和瑞利散射。16QAM解調，將加噪信號分別乘以載波的cos和sin，重新將一路串行比特數據分成兩條比特流，經低通濾波除去高頻成分，再根據表1抽樣判決，完成4-2電平轉換，最后將兩路比特數據按前面規律并串轉換，恢復基帶信號。

3.2 64QAM的調制解調過程[4]

64QAM的調制解調原理與16QAM一樣，只是載波調制幅度電平由4個變為8個。另外，為了得到優良的調制信號，星座點間的最小間距應盡可能大。64QAM還受成形濾波器輸入比特位限制，寬度越大則濾波器資源占用率快速上升。為了同時滿足成形濾波器資源利用率和信號幅度的需要，64QAM調制幅度電平值一般設為±1V、±3V、±5V、±7V，并將電平值用補碼表示。表2為64QAM格雷編碼與調制振幅電平對照表。

表2 ：64QAM格雷碼電平對照表

3.3 2種正交振幅調制過程比較[5]

從表1和表2中可以看出，每條支路上的映射前比特數據分別為2個和3個，對應的電平值分別為4個和8個，將兩條正交支路合起來形成星座圖后，4比特值和6比特值分別對應的是16種狀態和64種狀態。所以，16QAM又叫2比特4進制16狀態正交幅度調制，64QAM叫3比特8進制64狀態正交幅度調制。顯然，64QAM不僅攜帶的信息量更大，信道利用率也更高。

從圖2中還能看出，基帶脈沖是18比特，16QAM中每支路symb為2比特，64QAM中每支路symb為3比特。另外，16QAM調制波中不僅有2種初相變化，也有4種振幅變化；64QAM調制波中同樣有2種初相變化，但振幅則存在4種變化。在16QAM電平圖和64QAM電平圖中，可以看到分別有4種和8種電平值。

4 結束語

MPSK相對MQAM要簡單得多，實現容易、調制速度快、調制效率高、硬件成本低，帶寬占用小，比特噪聲弱，在帶寬和功率方面有一定優勢。但隨著M增大，相鄰相位距離逐漸減小，使得噪聲容限隨之減小，難以保證誤碼率要求，實際應用中僅局限于低M值調制方式。為了改善M大時噪聲容限，推出了QAM。16QAM調制中4比特映射成1個符號，64QAM調制中6比特映射成1個符號，所以64QAM數據速率高，但卻存在幅度解調中的高誤碼率，只有信道條件好時才使用，否則只能用16QAM調制方式。

已調信號在接收方解調時，因噪聲和碼間串擾存在失真，須尋找降低誤碼率接收方式。相干解調和非相解調是基帶解調中的兩種主要方式。在接收方通過載波相位信號去檢測信號達到解調目的方式叫相干解調，反之叫非相干解調。相干解調實現簡單，且誤碼率低，但在解調方需要獲得與調制方相同的載波和相位，即傳輸同步要求高。TD-LTE系統是同步系統，所以解調方式都采用相干解調法。

在TD-LTE下行物理信道的基帶調制中，PDSCH信道采用 4PSK、16QAM、64QAM，PDCCH和 PBCH與 PCFICH信道均采用4PSK，PHICH信道采用2PSK。在TD-LTE上行物理信道的基帶調制中，PUSCH信道采用 4PSK、16QAM、64QAM，PUCCH信道采用2PSK和4PSK。只有下行PHICH和上行PUCCH采用2PSK調制方式，4PSK幾乎所有上下信道都采用，說明2PSK因其每符號傳送比特數為1，傳輸效率太低，僅用于簡單的控制信令ACK和NACK。在速率要求不高的簡單數據傳輸和控制信令傳送時，4PSK是最佳選擇。

TD-LTE業務信道下行PDSCH根據UE上報的CQI、PMI、RI選擇調制方式和編碼速率，所以PDSCH支持多種基帶調制方式，可靈活選擇終端。另外，基站還可根據測量的RSRP和SNR計算MCS，從而分配相應的調制方式和編碼速率。由于各基帶調制方式滿足2PSK:4PSK:16QAM:64QAM=>21:22:24:26=>1:2:4:6，說明更高階調制方式可以提高頻譜利用率和數據吞吐率?？梢灶A見，隨著智能終端的普及和終端性能的提高，16QAM、64QAM，甚至更高階調制技術將廣泛應用于TD-LTE系統。

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