摘 要

多进制正交幅度调制（MQAM）是一种高效数字线性调制技术，它是同时对振幅和相位进行联合调制的。随着LTE的演进技术LTE-A的跟进应用以及第五代通信技术即5G技术的广泛研究，对于需要获取更高传输速率和更大信道容量的系统来说，高阶调制如256QAM越来越成为首选方式，而软比特解调是目前无线通信系统接收机的重要技术，其优点是能使译码器能获得更有效的纠错译码，从而提高系统的传输质量，因为在相同的容量条件下，采用软解调技术的解调器可以得到比采用硬解调的高2dB左右的附加编码增益。

本论文在分析研究了QAM的基本原理和系统结构以及基于对数似然比的软比特解调技术的基础上，提出了一种将软解调技术应用于256QAM的方案，并且结合Turbo编译码技术，通过MATLAB软件对软比特解调系统的误码率性能进行仿真，同时与硬比特解调系统的误码率性能进行比较分析，所得结果对于应用于LTE、5G技术的256QAM调制技术具有重要的指导作用。

基于对数似然比的软解调计算复杂度比较高，涉及到指数与对数的计算，因此本文提出了一种简化的软判决方案，能够有效降低计算复杂度。仿真结果表明，与硬解调技术相比，软解调技术对于系统的性能有着明显的提升作用，具有更多的优势。

关键词：256QAM；软判决；Turbo；对数似然比

Abstract

MQAM is a high-efficiency digital modulation technology that combines two-dimensional information of amplitude and phase. With the follow-up application of LTE-A and the wide study of 5G technology, high-order modulation such as 256QAM is increasingly becoming the preferred method for the system to obtain higher transmission rates and greater channel capacity. The soft-bit demodulation is an important technology for receivers in wireless communication systems. The advantage is that the decoder can obtain more effective error correction decoding, thereby improving the transmission quality of the system. Under the same capacity, the demodulator using the soft decision output can obtain an additional coding gain of about 2 dB ,compared to the hard decision output can be obtained.

Based on the analysis of the basic principle and system structure of QAM, this paper studies the 256QAM soft-bit demodulation technique based on log-likelihood ratio, and proposes a scheme to apply soft demodulation technology to QAM system. In combination with turbo decoding, I use MATLAB software to simulate the BER performance of the soft bit demodulation system, and compare it with the BER performance of the hard bit demodulation system. The results obtained plays an important role on the application of LTE and 5G technologies including 256QAM modulation technology.

The soft-demonstration based on log-likelihood ratio has high computational complexity and involves the calculation of exponent and logarithm. Therefore, a simplified soft-decision scheme is proposed in this paper, which can effectively reduce the computational complexity. The simulation results show that, compared with hard demodulation, soft demodulation has a significant performance improvement on bit error rate.

Key Words: 256QAM; soft-decision; Turbo; LLR

目 录

第1章 绪论 1

1.1 课题研究背景及目的 1

第2章 QAM的基本原理 3

2.1 QAM概述 3

2.1.1 调制信号 3

2.1.2 发展历程 3

2.2 QAM原理 4

2.2.1 星座图 5

2.2.2 误码率 6

2.2.3 频谱效率 7

第3章 Turbo编译码 9

3.1 Turbo码发展 9

3.2 Turbo编码器组成 10

3.3 Turbo码的交织器 11

3.4 Turbo码的译码 12

3.4.1 Turbo码的迭代译码原理 12

3.5 Turbo码译码算法 13

3.5.1 MAP算法 13

3.5.2 Max-Log-MAP算法 18

3.5.3 Log-MAP算法 19

第4章 软比特解调 20

4.1 软解调概述 20

4.2 传统的软解调 20

4.3 简化的软解调 22

第5章 设计方案 24

5.1 系统框图 24

5.2 256QAM模块 24

5.3 Turbo编译码 26

5.4 仿真分析 28

第6章 结论 29

参考文献 30

致谢 31

绪论

1.1 课题研究背景及目的

智能终端的迅速普及为移动通信注入了新的发展活力，同时也给移动通信网络带来新的挑战^[1]。如图1. 1所示，从全球范围看，全球移动数据总流量保持着快速增长的趋势，同时，我们可以看出智能设备产生的数据流量在所有的数据流量中的占比极大，甚至在2018年预计达到96%。这促使着全球的移动运营商都忙着建设4G网络的同时，也在研究下一代的5G网络技术，以便满足如今全球用户对于更高的无线带宽、更高安全性以及更快的网络连接速度的需求。

图1. 1 全球移动数据流量的增长趋势

而为了获取更好的系统性能，高阶调制则愈来愈成为了研究热门，如256QAM调制技术，同时为了更好地减小误码率，提高译码准确率，移动通信的信道编码常常使用Turbo技术。而当使用卷积编码或Turbo编码技术时，接收机希望解调器输出的是软比特，以作为随后的信道解码所需的输入。

从上世纪 40 年代末信息论创立以来，研究者们为了得到更好的纠错能力，不断研究发展出各种各样的信道编码或纠错码理论技术。同时，随着对于译码方法的深入研究以期待译码准确率能够达到最大并且计算复杂度较小的程度，软判决译码技术于是就渐渐出现在了人们视野中。与传统的硬判决译码技术不同，软判决译码是将通信调制系统中的解调器和信道译码器放在一起的，这使译码器能够利用接收信号的波形中的信息。在数学方面来讲，软比特是通过对数似然比的形式来表示的，对数似然比表示的是判决这个比特是“1”或“0”的概率。通过这种方法，我们将能够得到更高的译码准确率，提升系统性能。因此，若使用相同的调制技术与信道编码方案，软判决译码能获得比硬判决译码更大的编码增益效果。

正因为如此，软判决译码就便逐渐成为了研究热点。从分组码的软判决译码，到基于网格图的纠错码（包括分组码和卷积码）软判决译码，再到级联码的软输出迭代反馈译码，学者们取得了许多重要的研究成果，使得软判决译码成为一个非常广泛而且深入的研究领域^[2]。由于Turbo码的提出，软判决译码成为了通信系统解调技术中愈加重要的一部分，而基于概率的软判决译码也是当下研究学者们较为感兴趣的方案。所以人们不断在研究软判决译码技术如何应用于通信系统的信道编码中，同时使得译码算法的计算复杂度大为减小，性价比更高。

本论文在研究分析256QAM调制、Turbo编译码的基础上，提出一种将软比特解调应用于256QAM调制中的方案，为4G演进以及下一代的5G技术的研究提供指导作用。

QAM的基本原理

2.1 QAM概述

2.1.1 调制信号

在现代的无线通信系统中，我们常常需要运用数字调制技术来实现数字基带信号的通带传输。在通信系统中，发送端一般至少需要两个环节，一个环节是对于基带信号的处理，包括电信号的转换、编码等。另一个环节就是对信号进行调制的环节，这个调制主要指的就是将基带信号频谱从低频带迁移到以载波频率为中心的高频带中，这个频带与基带频率相比通常是很高的，这也是无线传输所提出的需求。而在接收端，处理过程就是先解调，解调过程是调制的逆过程，然后恢复出原基带信号。

除了能够实现频谱的特定搬移作用外，调制技术还能增加信号传输的可靠性以及有效性。合适的调制技术对于通信系统性能的提升具有十分重要的意义。

基于接受调制的参数的不同，我们通常有三种基本的信号调制方式，其一是对幅度进行调制即ASK，第二种是对频率进行调制即FSK，还有就是对相位进行调制，即PSK。此外。我们现在最广泛应用的是并非是这三种，而是一种混合调制技术即而本文所要介绍的正交振幅调制（Quadrature Amplitude Modulation），简称QAM。这是一种同时对振幅和相位进行联合调制的技术，其优点包括了频谱利用率高，传输速率高等等。

2.1.2 发展历程

自从我国在2001年的3月开始对自主研制的数字电视广播传输进行现场测试以后，我国逐渐进入了数字电视时代。2005年，数字电视用户超过了3000万，而在2010年，数字广播电视全面实现。

在有线数字电视传输标准的选择上，由于采用DVB-C标准的有线电视网的信道容量大、传输率高、传输质量高、频带宽，所以我国同西方、日本一样采用了DVB-C标准。

DVB-C的核心技术是QAM调制。其一般采用的是64QAM调制方式，有时也会采用16QAM、32QAM甚至更高的128QAM、256QAM方式。但是随着QAM调制方式的传输信息速率的提高，其抗干扰能力也会随之降低。QAM调制器的作用就是为了实现QAM调制，从最早的只能实现基带部分的数字化到后来的应用数字内插技术的调制，QAM调制技术不断发展，到了今天，我们已经能够实现从基带部分到中频正交调制部分的全部数字化，成功设计出了全数字系统。

此外，随着正交振幅调制调制技术的不断发展，出现了一种新的QAM调制器——IPQAM调制器。IPQAM调制器能够将IP信号转换成数字电视机顶盒接收到的射频信号。随着三网融合的逐渐推广应用，我们能够在有线电视网中共享到越来越多的，例如图书、视频之类的网络资源，，IPQAM在这个过程中起到了重要的作用。首先，互联网中的视频信息以IP格式传输到IPQAM调制器中，然后通过IPQAM来将其转换为RF格式传输到用户的机顶盒。随着智能电视的普及以及人们在网络视频点播上所花时间占比的增加，IPQAM调制技术的应用也变得越来越广泛。

2.2 QAM原理

正交幅度调制即QAM是目前应用最广泛的混合调制技术。它是用两路独立的数字基带信号对两个相互正交的同频载波进行抑制载波的DSB调制。已调制信号具有在同一带宽内频谱正交的特点，所以QAM是依靠这种已调信号来实现两路并行的数字信息传输的。进行载波调制的，是两个频率相同，相位相差90度的载波，一般就是正弦信号和余弦信号。输入的二进制信号通过串并转换模块变成两路并行信号，一个信号叫I路信号，另一个信号成为Q路信号，将两路信号分别于两个载波相乘混合就得到了调制信号。

M进制的正交幅度调制信号的数学表达式一般表示为

（2. 1）

在上式中，是基带信号幅度，是宽度为的单个信号波形，是基带信号相位。上式还可以变换为正交表示形式

（2. 2）

其中，是第n个码元振幅，与为基带信号。

256QAM调制工作原理如下图2. 1所示。系统将输入的原始比特流通过特定的映射方案映射到一个星座图上，这个星座图共有256个点，每个点是一个复数信号，然后经过串并转换模块将复数调制符号分成输出速率减半的两路信号，一路信号为复平面上的实部分量即I分量，另一路信号则是虚部分量即Q分量。然后采用2-16电平转换模块将0、1序列变成、、、、、、和等幅度的信号，经过预调制低通滤波器后，分别对同向载波和正交载波相乘。最后再将这两路信号合并还原为一路速率为R的256QAM调制信号，并发送到下级处理^[3]。

图2. 1 256QAM调制过程

如图2. 2所示，这是256QAM解调器的原理框图。由图中可以看出，经过加性高斯白噪声信道后，系统再次将速率为R的调制信号分成速率为R/2的两路信号，再分别用相位相差90^o的本地载波和进行载波恢复，经过预调制低通滤波后，两路分别进行16-2电平转换恢复成2进制比特信号，然后进行并串变换恢复成原始比特流信号。

图2. 2 256QAM解调过程

2.2.1 星座图

调制信号设计的问题可被简单地转换为数字意义上的怎样为调制选择一组复数，而表示复数选择方案或调制信号设计方案的图，通常被称为星座图或星座，可以显示出信号矢量端点的分布。

QAM 星座图的参数:

1. 最小欧几里得距离：最小欧几里得距离指的是信号星座图上两个点之间的距离最小值。该参数能够反映QAM信号在高斯信道中的抗噪声能力，因此我们需要可以选择设计合理的星座图分布来得到其最大值，从而得到较强的抗干扰能力。
2. 最小相位偏移：QAM 信号的星座点相位是存在偏移的，而其最小偏移即最小相位偏移反映了 QAM 信号抗相位抖动的能力以及对时钟恢复精确度的敏感性。此外，优化好的星座图也能够带来更好的传输性能。

对于MQAM的星座图，当M=16时共有16个点，M=64时有64个点，而本论文涉及到的256QAM星座图上共有256个点。

通过QAM的星座图，我们可以根据各星点的位置来了解各信号比特位占用系统的能量。每个码元点的比特能量能够用此点到原点的距离平方来表示，所以有

（2. 3）

是MQAM信号最小幅度的信号能量，A是所有基带信号的固定振幅大小，是第i个码元点与星座原点的距离平方。我们可以看出，MQAM调制信号的平均能量与复数平面上各个信号复数点到原点的距离的平方和成正比。在星座图中，若令两个星座点之间的最短距离为2，则256个星座点中每个星座点与原点的距离的平方和为41980，那么256QAM调制信号的平均符号能量为E_v256 =164。

2.2.2 误码率

本论文所讨论的误码率分析是基于理想的加性高斯白噪声信道假设的。

对于信号空间中常规符号分布的星座方案，我们一般只用考虑接收信号落在相邻判决区的情况。对于MPSK调制来说，误符号率近似于

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