TD-LTE基带调制解调技术分析

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）

1 引言[1]

信息传递方式分为基带传输和载波传输。由信源直接生成的信号，无论模拟信号还是数字信号，都是基带信号。把信源生成的数字信号直接送入线路传输就是基带传输，如音频市话、计算机间数据传输。载波传输是用原信号去改变载波的某一参数实现频谱搬移，如用二进制信号改变正弦波的幅度或初相的基带调制。基带信号频率较低，传送内容和距离有限，为了使信号能以电磁波方式传输，信号占用频带位置必须足够高，占用频带宽度不能超过天线通频带，因此基带信号必须经过基带调制才能有效传输。

基带调制载波通常为正弦波，将基带信号调制到载波上，既要使载波的一个或几个参量承载信号信息，还要使已调信号频谱适合在给定的带通信道中传输。利用载波的振幅、频率、相位调制数字信号分别叫幅移键控ASK、频移键控FSK、相移键控PSK调制方式。基带调制一般分为线性调制和非线性调制，前者是指已调信号的频谱结构与原基带信号的频谱结构基本相同，只是占用的频率位置不同。后者则完全改变，不仅频谱位置不同，接收方还有很多新的应谱分量。ASK属于线性基带调制，FSK和PSK属于非线性基带调制。

TD-LTE系统是一个全网IP系统，而IP传输是典型的基带传输，数据信号比特流只能是串行方式传输，无法实现无线蜂窝通信中的多址技术，更不能满足有限带宽的天线发送技术，必须将基带传输转变为载波传输。所以，在TD-LTE系统中，基带调制以前和基带解调部分之后是全IP基带传输过程，在基带调制与解调之间则是载波传输过程，在些过程中，系统将执行导频插入、子载波映射、IFFT变换和CP插入及其逆过程。

TD-LTE的基带调制技术主要有相移键控PSK和正交幅度调制QAM两类，其中PSK又有二进制相移键控BPSK或2PSK和四进制相移键控QPSK或4PSK两种，QAM也有4进制正交幅度调制16QAM和8进制正交幅度调制64QAM两种。它们担负着对系统不同信道的数字调制解调，为系组合不同的调制编码方式MCS，以适应信道状态的时变。本文从调制解调原理出发，通过MATLAB仿真，较为全面地分析了这两类四种基带调制解调技术，比较它们之间的区别，指出它们为应用于对应信道的原因。

2 相移键控PSK调制解调分析[2-3]

相移键控是一种多进制数字相位调制技术，一种利用载波不同相位状态表征数字信息的调制方式，可分为绝对多进制相位键控MPSK和相对多进制相位键控MDPSK两类，其中的M主要有二进制和四进制，即二进制绝对制相位键控2PSK或BPSK、二进制相对制相位键控2DPSK或BDPSK，以及四进制绝对制相位键控4PSK或QPSK、四进制相对制相位键控4DPSK或QDPSK。相移键控是TD-LTE基带调制系统的主要调制方式。

2.1 二进制相移键控调制解调原理

2.1.1 二进制绝对相移键控2PSK调制解调过程

绝对相移键控PSK是利用载波相位（初相）直接表示数字信号的相移方式。在2PSK中，常用相位0和π表示"0"和"1"。设2PSK已调信号时域表达式为y(t)=s(t)cosωct，其中cosωct为调制载波，s(t)为双极性数字基带信号，若不考虑噪声，则调制输出可表示为y(t)=±cosωct=cos(ωct+φn)。其中，初相φn=0代表基带信号"1"，φn=π代表基带信号"0"，这就是2PSK对基带信号的调制过程。若将已调信号y(t)与原载波 c osωct相乘，可得 z (t)=y(t)cosωc=[cosφn+cos(2ωct+φn)]/2，经低通滤波后的解调输出为 ，根据发端2PSK初相定义规定和收端x(t)与φn的关系特性，可得抽样判决准则x(t)≥0判为数据"0"，x(t)<0判为数据"1"，这就是2PSK对基带信号的解调过程。

2PSK信号的调制方法有两种：模拟调制和数字调制，前者利用模拟调制方法来实现数字调制，即把数字调制看成是模拟调制的一个特例，把数字基带信号当做模拟信号的特殊情况处理。在模拟调制中，2PSK信号可看作是双极性基带信号作用下的DSB调幅信号；后者利用数字信号的离散取值特点通过开关键控载波，从而实现数据调制，这种方法通常称为键控法。也就是说，数字调制是用数字基带信号控制开关电路，进而完成选择不同初相的载波输出。

2.1.2 二进制相对相移键控2DPSK调制解调过程

相对调相又叫二相相对调相，是一种二进制差分相移键控，记为2DPSK。2DPSK利用载波信号相位的相对关系表示数字信号的"1"和"0"。变换规则是：数据信号"1"使已调信号的相位变化0相位，数据信号"0"使已调信号的相位变化π相位。与2PSK不同的是，2DPSK不是利用载波相位的绝对数值传送数字信息，而是用前后码元的相对载波相位值传送数字信息。所谓相对载波相位是指本码元初相与前一码元初相之差。若设本码元初相与前码元初相差为△φ，则有△φ=0表示数字"1"，△φ=π表示数字"0"。

2DPSK波形的相同相位并不对应相同的数字信号，前后码元的相对相位才唯一确定数字信号。说明解调2DPSK信号时，不依赖某一固定载波相位参考，只要前后码元的相对相位关系不破坏，鉴别该相位关系就可正确恢复数字信号，因而可避免2PSK解调中"倒π"现象。其实，可先将原比特序列{an}（也叫绝对码）变换成差分比特序列 {bn}（也叫差分码或相对码），再对相对码作2PSK调制，最后反转相对码为绝对码，完成2DPSK调制解调。

绝对码与相对码的转换公式为：bn=an⊕bn-1，an=bn⊕bn-1,其中⊕为模二和（异或），且b0=0。则2DPSK常用调制方法是：先对数字信号按转换公式差分编码，将绝对码变为相对码，再按2PSK方式与载波相乘，完成基带信号调制；解调方法同样采用2PSK方式，将2DPSK信号与调制载波相乘，再通过反转换公式将相对码换为绝对码，从而恢复发送的二进制数字信息，这种解调法也叫相干解调法，是一种常用方法。

2.2 四进制相移键控调制解调过程

四进制相移键控利用载波四种不同相位表示数字信息。因每个相位代表两个比特信息，每个四进制码元可以用两个二进制码元组合表示，所以四进制相移键控可被分解为两个二进制相移键控之和。若两个二进制码元中的前一比特用a表示，后一比特用b表示，调制时系统定义这种双比特码元ab四种状态与载波初相的关系有两种方式，A方式：00=>0°，10=>90° ，11=>180° ，01=>270° ；B 方 式 ：00=>225° ，10=>315°，11=>45°，01=>135°。解调时，系统定义这种双比特码元ab四种状态与载波极性关系为：--=>00，+-=>10，++=>11，-+=>01。

四进制相移键控调制方法有多种，其中正交调制是由两个正交2PSK控构成。首先，用串并变换将二进制数据按奇偶位分开，使基带数据分为两组比特流，其次对这两路比特流分别乘以彼此正交的cosct和sinct载波，最后再将这两路比特流相加，形成四进制相移键控调制输出信号。解调时同样用彼此正交的cosct和sinct载波分别乘以该输出信号，重新分出两路信号，通过抽样判决，再按奇偶位重新合并两路信号，还原基带数据。与二进制相移键控一样，四进制相移键控也有绝对相移键控4PSK和相对相移键控4DPSK方式。

2.3 四种相移键控调制过程比较

图1 是通过MATLAB仿真得出的基带脉冲数据、BPSK、BDPSK、QPSK、QDPSK等相移键控调制波形，基带脉冲的time坐标是脉冲周期的倍数，相移键控调制波的symb坐标是TD-LTE资源粒子在时域上对应的符号单位。为了直观，仅取10基带数据脉冲，并设载波周期等于基带脉冲周期，可以清晰地看到脉冲数据变化时对应的调制载波的相移也发生了变化。

图1 BPSK、BDPSK、Q PSK、Q DPSK调制波比较

由于载波是余弦函数，BPSK调制波在"1"脉冲周期时的初相为0，在"0"脉冲周期时的初相为"π"，因BPSK是绝对相移键控，调制波初相与基带脉冲关系直接对应；BDPSK是相对相移键控，调制时先将基带信号绝对码变为相对差分码，再进行BPSK调制，所以BDPSK调制波初相只与差分码对应，不能与基带直接比对。图中还可看出，QPSK调制波在双码元为"10"时的初相是"π/2"，双码元为"11"时的初相是"π"，双码元为"00"时的初相是"0"，所以QPSK调制方式采用的是A方式。同样，QDPSK的初相移对应的双码元是相对差分码，所以不能与基带绝对码元比较。

TD-LTE系统经过OFDM调制后进入无线信道传输，承载资源的最小资源粒子RE在时域的最小单位是符号，在频域的最小单位是子载波，所以每个符号中包含的比特位数直接决定了RE承载资源的能力。图1中可以看出，BPSK、BDPSK调制波对应着每个比特码元，即在BPSK和BDPSK基带调制波中，每符号只有一比特数据，因而只能调制出2种状态。在QPSK和QDPSK调制波中，每符号有2比特数据，能够承载的信息状态有4种。

3 正交幅度调制QAM调制解调分析

正交幅度调制QAM是应用广泛的数字调制技术，尤其是多进制正交幅度调制MQAM，因具有很高的频带利用率而成为频率资源有限的TD-LTE系统的主要基带调制方式。QAM在两个同频正交相差π/2的正弦载波上进行幅度调制，是一种振幅、相位联合键控，载波的振幅和相位作为两个独立参量同时受到基带信号调制。设调制信号为：Sk(t)=Akcos(ω0t+θk)，其中，kT

QAM可同时对Xk和Yk中振幅Ak与相位θk进行调制。若θk仅取π/4和-π/4，Ak仅取+A和-A，则QAM为4QAM，即1比特2进制正交振幅调制。若θk仍取2个角度值，Ak取4个幅度值，则QAM为16QAM，即2比特4进制正交振幅调制。若θk还取2个角度值，Ak取8个幅度值，则QAM为64QAM，即3比特8进制正交振幅调制。目前，16QAM和64QAM是TD-LTE系统中基带调制的主要方式。

3.1 16QAM的调制解调过程[2]

16QAM调制信号的产生方法主要有两种，即由两路正交独立的4ASK信号叠加形成16QAM信号的正交调幅法，和由两路独立的QPSK信号叠加形成16QAM信号的复合相移法。在正交调幅法中，QAM调制信号采用两个正交载波cosω0t和sinω0t，每个载波都被一个独立比特序列调制。若发送信号为：Um(t)=AmcgT(t)cosωct+AmsgT(t)sinωct，其中 m=1,2,…,M，Amc和Ams是振幅调制电平集合，其电平值是m比特序列映射为信号振幅而获得的。

在16QAM调制中，系统先按规律（如奇偶位）将一路串行比特数据串并转换，分为两路比特流，每路比特流再按每2比特数据取值，即每路取值有4种状态，对应4个电平，载波振幅调制时一般取±1V和±3V电平值。因在同样符号误码率下，格雷码误码率更小，所以在由两条支路编码组成的QAM星座图中对应的比特数据编码多用格雷码。表1为16QAM格雷编码与调制振幅电平对照表。

表1 ：16QAM格雷码电平对照表

根据表1，系统为每条支路的比特数据作2-4电平变换，即每2比特数据用4种电平中的一个取代。再将两条支路上变换后的电平分别与载波的cos和sin相乘后相加，重新合为一路振幅和相位都已发生变化的串行比特流，完成16QAM调制。16QAM调制信号在传输中会串入高斯噪声和瑞利散射。16QAM解调，将加噪信号分别乘以载波的cos和sin，重新将一路串行比特数据分成两条比特流，经低通滤波除去高频成分，再根据表1抽样判决，完成4-2电平转换，最后将两路比特数据按前面规律并串转换，恢复基带信号。

3.2 64QAM的调制解调过程[4]

64QAM的调制解调原理与16QAM一样，只是载波调制幅度电平由4个变为8个。另外，为了得到优良的调制信号，星座点间的最小间距应尽可能大。64QAM还受成形滤波器输入比特位限制，宽度越大则滤波器资源占用率快速上升。为了同时满足成形滤波器资源利用率和信号幅度的需要，64QAM调制幅度电平值一般设为±1V、±3V、±5V、±7V，并将电平值用补码表示。表2为64QAM格雷编码与调制振幅电平对照表。

表2 ：64QAM格雷码电平对照表

3.3 2种正交振幅调制过程比较[5]

从表1和表2中可以看出，每条支路上的映射前比特数据分别为2个和3个，对应的电平值分别为4个和8个，将两条正交支路合起来形成星座图后，4比特值和6比特值分别对应的是16种状态和64种状态。所以，16QAM又叫2比特4进制16状态正交幅度调制，64QAM叫3比特8进制64状态正交幅度调制。显然，64QAM不仅携带的信息量更大，信道利用率也更高。

从图2中还能看出，基带脉冲是18比特，16QAM中每支路symb为2比特，64QAM中每支路symb为3比特。另外，16QAM调制波中不仅有2种初相变化，也有4种振幅变化；64QAM调制波中同样有2种初相变化，但振幅则存在4种变化。在16QAM电平图和64QAM电平图中，可以看到分别有4种和8种电平值。

4 结束语

MPSK相对MQAM要简单得多，实现容易、调制速度快、调制效率高、硬件成本低，带宽占用小，比特噪声弱，在带宽和功率方面有一定优势。但随着M增大，相邻相位距离逐渐减小，使得噪声容限随之减小，难以保证误码率要求，实际应用中仅局限于低M值调制方式。为了改善M大时噪声容限，推出了QAM。16QAM调制中4比特映射成1个符号，64QAM调制中6比特映射成1个符号，所以64QAM数据速率高，但却存在幅度解调中的高误码率，只有信道条件好时才使用，否则只能用16QAM调制方式。

已调信号在接收方解调时，因噪声和码间串扰存在失真，须寻找降低误码率接收方式。相干解调和非相解调是基带解调中的两种主要方式。在接收方通过载波相位信号去检测信号达到解调目的方式叫相干解调，反之叫非相干解调。相干解调实现简单，且误码率低，但在解调方需要获得与调制方相同的载波和相位，即传输同步要求高。TD-LTE系统是同步系统，所以解调方式都采用相干解调法。

在TD-LTE下行物理信道的基带调制中，PDSCH信道采用 4PSK、16QAM、64QAM，PDCCH和 PBCH与 PCFICH信道均采用4PSK，PHICH信道采用2PSK。在TD-LTE上行物理信道的基带调制中，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调制方式，4PSK几乎所有上下信道都采用，说明2PSK因其每符号传送比特数为1，传输效率太低，仅用于简单的控制信令ACK和NACK。在速率要求不高的简单数据传输和控制信令传送时，4PSK是最佳选择。

TD-LTE业务信道下行PDSCH根据UE上报的CQI、PMI、RI选择调制方式和编码速率，所以PDSCH支持多种基带调制方式，可灵活选择终端。另外，基站还可根据测量的RSRP和SNR计算MCS，从而分配相应的调制方式和编码速率。由于各基带调制方式满足2PSK:4PSK:16QAM:64QAM=>21:22:24:26=>1:2:4:6，说明更高阶调制方式可以提高频谱利用率和数据吞吐率。可以预见，随着智能终端的普及和终端性能的提高，16QAM、64QAM，甚至更高阶调制技术将广泛应用于TD-LTE系统。

[1]王映民，孙韶辉，等，TD-LTE-Advanced移动通信系统设计[M]．北京：人民邮电出版社，2012.

[2]樊昌信、曹丽娜，通信原理[M]．北京：国防工业出版社，2011.

[3]邓华，Matlab通信仿真及应用实例详解[M]．北京：人民邮电大学出版社，2003.

[4]于风云，张平，Q AM调制与解调的全数字实现[J]．现代电子技术，2005，(3)：53-55.

[5]谢炜，刘永亮，全数字64Q AM调制器的FPG W实现[J]．电子元器件应用，2009，3(3)：59-61.