1、邮电设计技术/2016/07收稿日期：2016-05-25面向5G的高速基带数字调制技术应用研究关键词：5G； 高速数字调制； 毫米波技术； 三维正交幅度调制doi：10 .16463/ki.issn1007 -3043 .2016 .07.008中图分类号：TN 929 .5文献标识码：A文章编号：1007 -3043 （ 2016 ） 07 -0033 -06摘 要：5G 是一个万物互联的高速率 、 高可靠性移动通信系统 ， 必然使用高速基带数字调制解调技术 。 目前技术成熟 、 应用广泛的是基于二维星座映射的 QAM方式 ， 但因受到幅度阶梯数的瓶颈限制 ， 调制能力最高的正方星座是25
2、6 QAM 和 1024 QAM ， 对传输环境的信噪比要求很高 ， 很难用于移动通信系统 。 显然 ， 基于三维星座的高速数字调制方式 ， 将会成为 5G 系统的重要技术 。 在简单分析二维数字调制技术 QAM 的性能后 ， 又分析了毫米波通信对高阶 QAM 的影响 ， 并重点研究了三维正交幅度调制技术的误码率公式 ， 并对三维 QAM 的三维星座和误码率进行了仿真 。Abstract：The 5G is a mobile digital communication system with high speed and reliability， in which everything is
3、connected. The highrate baseband digital modulation technique is must used. Currently the QAM based on two-dimension constellation mapping ismature and widely used. But it is limited by the bottleneck of the amplitude ladder number， the tetragonal constellations withthe highest modulation capability
4、 are 256 QAM and 1024 QAM ， the requirements of which on the signal n oise rate of transmis-sion environment is very high ， is difficult to be used to mobile communication system. Obviously， high speed digital modula-tion mode based on three-dimension constellation will be the key technique in 5G sy
5、stem. After simply analyzing the capabilityof two dimension QAM ， it analyzes the effects of the millimeter wave communication on the higher order QAM ， researchesthe BER formula of three dimension QAM ， simulates three-dimension constellation a nd BER of three-dimension QAM.Keywords：5G； High speed
6、modulation ； Millimeter wave； Three-dimension QAM1 概述未来5G网络将是一个可以承载社会关键基础通信设施和基本应用的共享式支撑平台，将是一个全球性海量接入和万物互联的移动通信系统，其热点区域的超高密度蜂窝网络、工控与监管系统的低时延和高可靠性标准，密集住宅区、办公室、体育场、露天集会、地铁、高速和高铁等广域覆盖区域的超高流量密度、超高速移动性和超高连接数密度等特征，预示着5G网络必将是一个数据速率极高的移动通信系统。根据IMT-2020（5G）推进组制订的5G愿景与需求和5G网络技术架构白皮书的相关内容，5G在广域覆盖区可为用户提供高达10 M
7、bit/s的体验速率，在热点区可使用户满足高达10 Gbit/s体验速率和10 Tbit/km2流量密度，这些反映5G系统所拥有的高数据速率，无不说明5G的基带数字调制过程必须使用高速率数字调制解调技术。在数字通信中，包括用户和系统信号在内的所有数据都是二进制比特流。根据通信理论，二进制数据流传输速率的高低首先取决于基带调制方式。基带调张长青（中国移动通信集团湖南有限公司岳阳分公司，湖南岳阳414000）Zhang Changqing（China Mobile Group Hunan Co.，Ltd. Yueyang Branch，Yueyang 414000，China）Study on H
8、igh Speed BasebandDigital Modulation Techniques for 5G本期关注Monthly Focus张长青面向5G的高速基带数字调制技术应用研究33ChaoXing2016/07/DTPT制载频承载二进制数据流的物理量有振幅、频率和相位。单位载频物理量承载的二进制数据（1个符号包含的二进制数据）越多，数据流的速率越大。幅移键控（ASK）调制方式用振幅阶梯数来表述二进制数据，阶梯数越多，承载二进制数据量越大，数据传输率越高。频移键控（FSK）调制方式用载波中不同子载频表述二进制数据，载波频带越宽，数据传输率越高。相移键控（PSK）调制方式用载波的不同相位
9、表述二进制数据，相位差值越多，数据传输率越高。当振幅阶数、子载频数和相位差数较多时，虽然调制速率较高，但物理量间的相互影响也较多，要获得较高的传输质量，只能提高信噪比和接收灵敏度。由于无线信道的复杂性和发射端发射功率的限制，移动通信接收端的标准信噪比值一般不大，ASK、FSK和PSK等通过控制一个物理量的一维数字调制方式的调制能力有限。基于二维星座复平面的正交幅度调制方式（QAM），虽然控制了相位和幅度2个物理量，但仅利用了载波相位2个相差90的值，将1路载波分成相互正交的2路载波，每路载波再实行ASK数字调制，所以QAM调制速率只是ASK的2倍，提高QAM的调制速率，主要是振幅阶梯数，同样存
10、在ASK的技术瓶颈。目前，广泛应用于通信领域的256QAM和1024QAM，是最高调制速率的QAM，但它们对信噪比的要求很高，无法应用于无线通信。其实，从调制过程来看，ASK、FSK和PSK是可以混合的，虽然可以提高调制速率，但解调技术较难，所以成熟的混合方式只有QAM。电磁波是横波，传播属性不仅有振幅、频率和相位，还有振幅极化、相位极化等。所谓极化，是指电磁波的电偏振矢量E波和磁偏振矢量H波。在电磁波中，任何情况下E波与H波都相互正交。光是电磁波，偏振技术十分成熟，用偏振片就能在物理上将同一束光的E光与H光分离，全息技术与3D影视就是利用E光与H光携带相位不同的同一物体影像，通过不同偏振片过
11、滤出E光成像和H光成像在人眼中合成为三维视觉影像的。基于三维调制星座的三维极化调制技术，发射端对无线信号幅度、极化辐角和极化相位角进行三维联合调制解调，接收端通过信号幅度检测及波达方向（DOA）极化参数估计，实现对三维联合调制信号解调。仿真表明，三维极化调制解调具有传输速率高和误码率低的优点，具有承载高速传输速率的高阶数字调制能力。本文首先分析了高阶QAM数字调制解调方式的性能，说明高阶QAM应用对通信环境品质要求较高。其次，分析了毫米波通信技术对高阶QAM数字调制技术应用的相关影响，说明毫米波传输的通信环境质量较为优越，有能力支持高阶QAM数字调制技术应用。然后重点研究了基于QAM成熟技术的
12、三维正交幅度调制解调技术，从理论上分析了三维正交幅度调制解调技术的误码率公式，并根据三维调制星座原理，采用Matlab仿真，研究了三维正交幅度调制解调技术实现的仿真过程，并与三维理论误码率公式、二维QAM调制解调方式进行了仿真比较，指出三维64QAM与二维16QAM具有几乎相同的误码率，但调制速率却提高了30，说明三维正交幅度调制解调技术具有很高的研究和应用价值。最后总结了几种高速数字调制技术应用的条件和差别。2 高阶 QAM 调制方式性能分析因为要求信道的信噪比较高，目前阶数最高的256QAM和1024QAM主要应用于高清数字电视。传统的有线电视网络大多采用750 MHz的光纤同轴电缆混合网
13、（HFC），用以传输几十套模拟电视节目和一百多套标清数字电视节目。由于标清数字电视节目码流一般为5 Mbit/s，对应模拟标准频道带宽为8 MHz，若采用64QAM基带调制技术，调制码流的正常速率大约为38 Mbit/s，在6.875符号率下可传输68套标清数字电视节目。由于高清数字电视节目的标准码流速率高达2027 Mbit/s，1套高清数字电视节目要占用45标清数字电视节目带宽，传送2套高清数字电视节目的码流速率往往在40 Mbit/s以上，若仍以64QAM作为基带调制方式，750 MHz的HFC频道资源非常紧张。若系统全部升级为高清电视节目，基带调制方式只能采用传输速率更高的256QAM
14、或1024QAM。在256QAM和1024QAM高阶数字调制方式中，每个调制符号或每个调制载频周期内，载波的所有调制物理量分别承载的二进制数据是8和10比特，与4QAM方式中每个调制符号仅能承载2比特数据相比，高阶基带调制的数据传输率分别提高了4和5倍，但误码率也提高许多。图1所示为4QAM、256QAM和1024QAM 3种调制方式，采用Matlab仿真和理论公式算出的误码率曲线，可以看出，仿真数据点与理论曲线基本吻合，理论曲线可以作为参考来分析高阶QAM调制性能。若以电信基本标准10-6误比特率为参考，本期关注Monthly Focus张长青面向5G的高速基带数字调制技术应用研究34Cha
15、oXing邮电设计技术/2016/074QAM 方式对应的信噪比仅为15 dB，256QAM 和1024QAM方式对应的信噪比高达33和40 dB，设信号功率为S，噪声功率为N，根据公式10lg（S/N）=15 dB，则这3种方式中信号功率应该是噪声功率的31、3 162和10 000倍，差别之大令人咋舌。高阶基带调制方式形成的高信噪比，还将影响载波占用无线传输信道的带宽。根据香农定理：C=Blog21+SN（1）式中：C最大传输率B信道带宽S信号功率N噪声功率若将上面仿真与理论计算得到的信噪比数据代入香农公式，则4QAM、256QAM和1024QAM对应的传输带宽分别为5B、11.6B和13
16、.2B，这说明在相同情况下，由于信噪比值的较大差别，使得高阶QAM占用传输信道的带宽将是低阶QAM的2倍多。对于3 GHz以下频率资源十分紧张的传统无线通信频谱来说，这种因信噪比增高，为保持原有高速数据传输率而使信道频带增加的情况是不可取的。所以，传统移动通信系统中多采用低阶和中阶基带数据调制方式，LTE采用的基带数字调制方式就是16QAM和64QAM。显然，在现有条件下，所有通信系统若要应用高阶QAM基带调制技术，就必须尽可能地降低环境噪声，或提升发射端的发射功率，或优化接收端的接收能力。目前，256QAM和1024QAM多用于高清数字电视系统，是因为有线电视通信，不仅信道条件优异，环境噪声
17、影响极小，还可以在收发端应用各种新技术，既可方便提升发射端的发射功率，也可方便提高接收端的接收性能，从而达到提高信噪比和接收信号品质的目的。5G是移动通信系统，一方面无线信道的复杂性与多变性无法与有线信道相比，环境噪声和多径干扰不容小觑；另一方面系统的设计理念也不允许终端的技术复杂度和制造成本过高；且不管是基站还是终端，现代移动信号发射功率的阈值都较低。所以5G系统若要应用高阶QAM基带调制技术，只能寻找其他出路。3 毫米波应用对基带调制方式的影响毫米波属于微波，但位于微波高端，波长范围是110 mm，通信属性接近光传播，具有频带宽、频率高、波长短、波束窄、方向性好、直线传播、干扰源少、稳定性
18、高、频谱资源费低或免费等优点，同时也具有大气衰减强烈、传播距离短和绕射性能差等缺点。毫米波通信是一种品质高、参数稳定和技术成熟的无线传输技术，主要应用于卫星通信、空间通信、军事和特定移动通信等领域。5G系统有一项关键技术是密集型接入网络，以支持海量终端接入和海量数据率传输的需求，这类密集型基站的覆盖半径不大。如果5G采用毫米波技术，毫米波通信的许多优点完全满足密集型接入网的技术要求，其外界干扰源极少、通信底噪功率较低等优异的无线信道环境，客观上可以较大地提升标准移动通信发射功率条件下无线信道的信噪比，为应用高阶QAM提供了重要的信道条件。根据波束角计算公式：=70CDf（2）式中：C光速D天线
19、尺寸f载波频率当D=0.5 m时，若取毫米波频率f=35 GHz，则=1.2，取毫米波f=60 GHz，则=0.7，但若取厘米波f=3.5 GHz，则=12。显然，毫米波无线信号的方向性特强，90以上的波束能量都集中在58的范围内，波能量的集中和约束，辐射功率密度的提高和辐射波瓣的集中，带来的当然是波与波间干扰减少的效果和点对点通信的准确性，若使用大规模MIMO天线，这种效果将会更大更理想，通信信号间的干扰也会更小，甚至可图1 QAM仿真与理论误码率曲线100 20 30 40SNR/dBBER10-810-610-410-2100仿真4QAM理论4QAM理论1024QAM理论256QAM仿真
20、256QAM仿真1024QAM本期关注Monthly Focus张长青面向5G的高速基带数字调制技术应用研究35ChaoXing2016/07/DTPT以忽略不计。其实，毫米波通信因为是短距通信，通信过程中的干扰主要是区内的波束间干扰，区间干扰几乎为零。又因为大气衰减较大，理论上背景噪声同样很小。所以，5G系统若能采用毫米波，极低的环境噪声和信道间干扰，会大大地提高毫米波信道的信噪比。毫米波的另一个重要特性是极宽的频带。60 GHz是毫米波的第一个大气衰减窗口，频率资源免费，带宽极大。由于传输速率随着带宽的增加而增加，不考虑其他条件，60 GHz毫米波理论上的传输速率极限可以达到数个Gbit/
21、s。与传统的普通天线比较，因频谱资源和带宽的限制，要达到Gbit/s高速传输速率，只能使用复杂的高阶数字调制解调技术，又因信道信噪比的要求较高，大大增加了实现的难度，技术上很难完成。60 GHz毫米波无线通信技术因为有足够的带宽资源，无需使用复杂的基带数字调制技术，就可以在较低的信噪比条件下达到Gbit/s的传输速率。5G若能采用毫米波技术，通过损失部分带宽来获取极高的数据速率，也不失为一种较为明智的选择。当然，其他方法也可实现高阶数字调制。4G支持BPSK、QPSK、16QAM和64QAM 4种基带数字调制，其中低速BPSK和QPSK主要用来传输信令，中速16QAM和高速64QAM用于业务数
22、据传输。同样，4G终端按接收能力也分为几个等级，高等级终端支持64QAM方式，可以享用高速数据率，普通终端只能应用16QAM方式，享受中速业务数据率，这说明提高终端的接收能力来使用高速数字调制技术，同样可以在5G中应用，虽然要提高终端的技术难度和制造成本，但256QAM和1024QAM等高速数字调制方式必竟已是应用广泛的成熟技术，随着科技的发展和5G的商用，更新、更先进的支持256QAM和1024QAM等高阶调制方式的终端技术，必将极大地降低技术难度与制造成本。所以，与高阶QAM技术相关的其他技术研究，仍然是面向5G应用的重要选择。4 三维正交幅度调制技术研究4.1 三维正交幅度调制误码率公式
23、脉冲振幅调制（PAM）是脉冲载波的幅度随基带信号变化的一种调制方式，是最简单的数字调制方式之一，工作原理与ASK相似，不同的是，PAM是数字脉冲载波，ASK是模拟谐波载波。若PAM的脉冲载波是冲激脉冲序列，则抽样定理就可以看作是脉冲振幅调制的工作原理，根据该原理，M阶PAM调制信号的符号错误率或误码率就可以表述为：PpamM=1-MMP（）d （3）式中：接收信号的相位P（）相位为的概率密度函数一般情况下，由于P（）的积分式比较复杂，不能简化，难以解析计算，除了M=2和4外，在大数值信噪比情况下，P（）的积分式可以用误差函数Q近似代替：Ppam2Q2EsN0sinM=2Q2kEbN0sinM=
24、41-1MQ3kM-1EbN0（4）式中，Q（x）=12erfcx2是误差函数，M=2k是PAM调制阶数或星座点数，k=log2M是每个PAM调制符号所占用（包含）的基带数据比特数，Es是基带数据的比特能量，Eb=Es/log2M=Es/k是基带数据的平均比特能量，N0是信道噪声功率谱密度。若用以dB为单位的信噪比（SNR）来分析调制误码率，应取公式Eb/N0=10SNRU，其中U（0.05U0.1）是一个调整参数值。若基带数据使用格雷码，则M阶PAM调制信号的误码率可近似表示为：PpamgrayPpamlog2M=Ppamk=4k1-1MQ3kM-1EbN0（5）由于方形QAM调制方式可以看
25、成是2个PAM调制方式的线性组合，方形QAM的信号星座图则可以认为与正交载波上的2个PAM信号点是等价的，所以二维M阶QAM的误码率可以用PAM调制信号的公式表示：P2Dqam=1-（ ）1-Ppamgray2（6）同理，如果将三维调制方式的星座看成是立方信号星座图，是由3个PAM调制方式的线性组合而成，其中的每一维都与PAM信号点等价，参考式（6），则三维调制中的M阶QAM调制误码率公式同样可以简单地表示为：P3Dqam=1-（ ）1-Ppamgray3（7）4.2 三维正交幅度调制 Matlab 仿真本期关注Monthly Focus张长青面向5G的高速基带数字调制技术应用研究36Chao
26、Xing邮电设计技术/2016/07图2所示是三维64QAM的星座图，其中（a）是未加噪声前的信号映射星座图；（ b）是已加噪声后的信号映射星座图。显然，该星座与二维16QAM星座相比，相当于在Z轴上，增加了3层二维16QAM星座。由于每一维的调制符号都包含2位二进制比特基带数据，二维16QAM的4位二进制数可以表述16种调制状态，所以二维16QAM的星座图也只有16个星座点。由于三维64QAM的6位二进制数，可以表述64种调制状态，所以三维64QAM的星座图支持64个星座点。从每个星座点周边最近几个星点的距离来看，二维QAM中最近的是直角边为d2D1上的星点，最远的是对角斜边为d2D2上的星
27、点；三维QAM中最近的是直角边为d3D1上的星点，最远的是立体对角斜边为d3D2上的星点。显然，三维QAM各星点受到周边的影响不会比二维QAM高，因为d2D1= d3D1，但d2D2 d3D2。图3所示为二维16QAM和二维64QAM与三维64QAM的误码率比较曲线，其中数据点是用Matlab根据对应的星座图模拟仿真得到，曲线是用式（6）和（7）求得，不同的是二维QAM曲线中的调整参考值U=0.069，三维QAM曲线中的调整参考值U=0.092。在Matlab仿真中，信源二进制比特数为12万个，先将信源比特数据，按每6位对应1个星座点，完成信源与星座的映射，图2（a）星座图就是这时的映射情况；
28、然后，将星座符号送入无线信道，经过高斯噪声后进入接收端，图2（b）星座图就接收端星座的实际情况；最后，再利用发射端的星座映射表来判决，并按照接收端星座点对应6位二进制比特数表，逆映射出二进制信源数据。当然，这种模拟只是一种简单方式，传输符号只受噪声影响，没有考虑多径等复杂过程，目的是为了了解三维线性正交幅度调制方式的可行性和调制性能。从图3中可以看出，不管是理论曲线，还是模拟仿真数据，三维64QAM的误码率与二维16QAM十分接近，特别是仿真数据几乎重叠，这是因为它们每一维的每个调制符号都只包含2个比特的二进制数据，而二维或三维之间又彼此相互正交，即每一维的调制符号在理论上不相干，虽然三维QA
29、M调制方式的调制维数增加了，但调制维数的增加对系统性能的影响极小。而三维64QAM的误码率与二维64QAM相差较大，虽然它们的每个总调制符号都包含6比特二进制数，这是因为二维64QAM的每一维调制符号包含3比特二进制数，而三维64QAM的每一维调制符号中只包含2比特二进制数。按照理论曲线的发展，超过10-6次误码率后，三维64QAM的调制性能有可能超越二维16QAM，这是非常有应用价值的潜在发展趋势。另外，由于在三维64QAM和二维16QAM调制方式中，每个自由度都能调制二位比特数据，在相同调制性能的前提下，三维64QAM的调制速率要超过二维16QAM的1/3，原因是前者多了一个调制自由度。所
30、以，与二维QAM相比，理论上三维QAM调制方式具有极大的性能优势，这也是目前研究三维数字调制解调技术成为热门的重要因素之一。5G系统的高数据速率的需求，必须有基带数据的高速率调制方式支撑。三维正交幅度调制技术的研究与应用，具有重要的现实意义和长远意义。参考文献11虽然对三维极化幅度调制解调器进行了分析与研究，给出了调制和解调方案，但因使用极化参数作为新的调制变量，三维极化幅度调制信号表达式很复杂，且基于矢量天线实现三维解调的方法在应用中有一定难度，还需要进一步研究和实践。参考文献12根据三维调制信号的特性，提出了一种三维调制信号的多重图2 三维QAM调制信号星座三堆64QAM星座图 SNR=2
31、0 dB时星座图420-2-4420-2-44-202420-2-4420-2-44-20244图3 二、三维QAM调制仿真情况比较BERSNR/dB0 5 10 15 20 25 3010010-110-210-310-410-510-63D 64QAM仿真3D 64QAM理论2D 16QAM仿真2D 16QAM理论2D 64QAM仿真2D 64QAM理论本期关注Monthly Focus张长青面向5G的高速基带数字调制技术应用研究37ChaoXing2016/07/DTPT信号分类（MUSIC）的解调方法，同样需要通过搜索接收信号的空间谱，及信号幅度检测和波达方向（DOA）等极化参数来估计
32、极化辅助角与极化相位差等信息，才能恢复制出基带信号，技术难度和复杂度仍然不可小视，且仅仅处于理论分析和仿真实验阶段。三维极化幅度调制解调研究，任重道远。在基于三维星座映射的调制与解调的模拟中，实现三维线性正交幅度调制和解调的方法，与QAM一样简单实用，星座图表映射原理与技术成熟的QAM完全一致，如下的工作就是寻找3个具有正交特性或互呈无关性的载波。事实上，笔者正在从事这方面的研究，取sin（x）、cos（x）、sin（x）cos（x）作为承载比特数据的3个载波，因为这3个载波间，前2个实际上正是QAM的二维载波，第3个载波又是前2个载波的乘积，除了倍频外，没有其他差别，所以与前2个载波存在一定
33、无关性和正交关系，有关这方面的研究工作，将在另一篇论文中予以详细分析。5 结束语毫米波通信技术对5G有很强的吸引力，若5G能够应用毫米波技术，对基带数字调制技术应用肯定有影响，但既不能肯定没有必要采用高速数字调制技术，也不能肯定采用高速数字调制技术就没有信道困难。5G通信既是高速率数据通信系统，更是高可靠性通信系统，要想获得高速率和高性能的基带数据调制过程，只能扩展调制参数和自由度，建立三维矢量空间星座，使数字调制方式的调制能力在保证系统性能的前提下得到较大提升。三维极化幅度调制解调技术的复杂性较高，难以满足5G的设计理念。三维正交幅度调制解调技术，秉承成熟的二维QAM技术，具有极好的应用前景
34、，能满足5G系统的技术目标，虽然还要做大量的研究工作，但从现有的成熟技术和理论仿真来看，实现的目标不会太远。参考文献：1 5G愿景与需求白皮书EB/OL.2016-03-08. http：/ 5G网络技术架构白皮书EB/OL.2016-03-08. http：/ 王映民，孙韶辉. TD-LTE-Advanced移动通信系统设计M.北京：人民邮电出版社，2012.4 张长青. TD-LTE QAM仿真和误码率性能研究J. 移动通信，2013（24）：26-30.5 戴源，朱晨鸣. TD-LTE无疑网络规划与设计M.北京：人民邮电出版社，2012.6 焦方源.基于多径信道的1024QAM信号BER
35、控析与仿真J.常熟理工学院学报，2008（2）：116-120.7 何晓哲. 60 GHz毫米波无线通信系统调制及信道容量分析D.青岛：中国海洋大学，2011.8 李若萌.无线通信中高阶连续极化调制技术研究D.北京：北京邮电大学出版社，2015.9 滕振宇. Ka及毫米波通信干扰技术研究D.南京：南京理工大学，2008.10张长青. LTE-A高阶基带调制技术256QAM分析J.电信网技术，2015（11）：34-38.11宋汉斌，张俊博，阵晓光，等.三维极化幅度调制解调器J.通信学报，2012（9）：15-22.12张俊博，阵晓光.一种三维调制信号的MUSIC解调方法J.信息与电子工程，20
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