多載波調制在通信系統的應用

2019-11-03 09:15:26

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供稿：網友

中科院資深院士張煦

　　摘要：首先簡單解釋多載波調制ＭＣＭ多路副載波調制ＭＳＭ的由來和在高速率通信系統的可能利用。其后著重地提出多路副載波調制適合于光無線通信的應用。最后說明大氣光通信對多路副載波調制的影響。

　　關鍵詞多載波調制多路副載波調制高速通信系統光無線通信大氣光通信

　?。?、多載波調制ＭＣＭＭＳＭ的由來

　　近年來，高速率通信系統發展很快，可以看到很多不同的通信系統采用“多載波調制ＭＣＭ（ＭｕｌｔｉｐｌｅＣａｒｒｉｅｒＭｏｄｕｌａｔｉｏｎ）”或“多路副載波調制ＭＳＭ（ＭｕｌｔｉｐｌｅＳｕｂｃａｒｒｉｅｒＭｏｄｕｌａｔｉｏｎ）”的技術方案。不論電通信或光通信，也不論有線通信或無線通信，都有實際使用ＭＣＭＭＳＭ的情況。具體地說，無線電射頻通信、光纖通信以至光無線通信等通信系統，凡是傳輸較高數字速率的系統就有可能利用ＭＣＭＭＳＭ。

　　所謂多載波調制是指傳送線路上每次傳送信號時利用多個不同的但依次排列的載波，每路載波各自受到數字信號的調制。這些載荷數字信息信號的多路載波一同沿線路向接收端傳送。如傳送線路有不良的頻率選擇性和多途徑通路等情況，用了多載波調制可以有效地減小“符號間干擾ＩＳＩ（Ｉｎｔｅｒ－ｓｙｍｂｏｌＩｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ）”。因此，ＭＣＭ對于實現高速數字通信非常有利。

　　有類似的情況：例如在射頻無線電通信，曾經使用“正交頻分多路ＯＦＤＭ（ＯｒｔｈｏｇｏｎａｌＦｒｅｑｕｅｎｃｙＤｉｖｉｓｉｏｎＭｕｌｔｉｐｌｅｘ）”，證明確有成效，因而很多情況曾經或正在實際使用ＯＦＤＭ，包括無線移動通信蜂窩網基臺以及數字電視、不對稱數字用戶線（ＡＤＳＬ）和有些局域網（ＬＡＮ），都曾經使用ＯＦＤＭ，收到一定效果。另一些多路用途，包括城市的“有線電視ＣＡＴＶＣａｂｌｅＴｅｌｅｖｉｓｉｏｎ”，它在光纖線路上利用“副載波多路ＳＣＭ（ＳｕｂｃａｒｒｉｅｒＭｕｌｔｉｐｌｅｘ）”，同時傳送多路模擬電視信號。在有些“局域網”，利用ＳＣＭ傳送多路數字光信號，容許直接檢測，可以降低成本。

２、多載波調制在光無線通信的應用

　　在光無線通信，多路副載波調制ＭＳＭ受到優先考慮，因為利用了ＭＳＭ，可以實現高速數字通信而不需要均衡。過去大多使用單路載波調制，包括開關鍵控ＯＯＫ和Ｍ進制脈沖位置調制?，F在ＭＳＭ是讓多路副載波載荷的電信號對一個光載波進行調制。這可以用信號強度調制ＩＭ，或用調頻ＦＭ、調相ＰＭ。最簡單的ＭＳＭ系統是利用直接檢測的強度調制（ＩＭＤＤ），設備簡單。這樣利用多路寬帶副載波，可以減少多途徑信號的碼間干擾，也可以防止其它的噪音干擾。但是，在這樣ＩＭＤＤ的ＭＳＭ系統，光的平均功率效率較差，這是它的主要缺點。這是因為多路副載波的電信號是受調制的正弦波的總和，既有正值又有負值，而光強度瞬時功率必須不是負的。因此對于多路副載波的電信號必須加直流偏置，才能對光載波強度進行調制。在利用ＭＳＭ的光無線系統，需要使用分組碼藉以減小直流偏置并改善系統的功率效率。對此，可考慮使用“副載波信號點序列ＳＳＰＳＳｕｂｃａｒｒｉｅｒＳｉｇｎａｌＰｏｉｎｔＳｅｑｕｅｎｃｅ”，每一符號由多路副載波傳送，就是說，每一符號在幾個副載波上有信號點。這就可能減小直流偏置，從而提高系統的功率效率。

　　高速數字通信系統原來使用“通斷鍵控ＯＯＫ（ｏｎ－ｏｆｆＫｅｙｉｎｇ）”和“Ｍ進脈位調制ＭＰＰＭ（Ｍ－ａｒｙＰｕｌｓｅＰｏｓｉｔｉｏｎＭｏｄｕｌａｔｉｏｎ）”等制式，都是屬于單載波調制系統。這樣的系統傳送寬頻帶信號如符號率超過１０Ｍｂａｕｄ，則在傳送過程中如遇到多徑分散的情況必將發生“符號間干擾ＩＳＩ（Ｉｎｔｅｒ－ｓｙｍｂｏｌＩｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ）”。而在改用多路副載波調制系統以后，在同樣高速率傳送，每一路副載波的符號率將低于原來的單載波系統載波的符號率，因此受到畸變很小，可以不需要均衡。另外，多路副載波系統需用的器件，可以是微波所用的器件，比光器件容易制作，并且微波振蕩器的穩定性和微波濾波器的頻率選擇性都優于相應的光器件特性。而且，射頻振蕩器的相位噪聲低，它用來制作相干檢測要比光相干檢測容易實現。

　　多路副載波調制的傳輸系統使用的發信機和收信機，可以采取四進制移相鍵控的制式ＱＰＳＫ（ＱｕａｔｅｒｎａｒｙＰｈａｓｅＳｈｉｆｔＫｅｙｉｎｇ）。發信機用Ｎ路副載波ωｎｎ＝１，２，…Ｎ。在每一符號的持續時間Ｔ以內，發信機發送Ｋ個信息比特。編碼器把Ｋ個信息比特變換為一個具有符號幅度ａｍ的矢量。因為ＭＳＭ信號ｓ（ｔ）可能有正的或負的，所以發信機增加一個基帶偏置信號ｂｔ使ＭＳＭ復數沒有負的，即ｘｔ＝Ａｓｔ＋ｂｔ，其中Ａ是正的因數。這樣，平均光功率將是ρ＝ＡＥｓｔ＋ＡＥｂｔ。一般地，這個基帶偏置信號ｂｔ是一個常數與一個基帶脈幅調制（ＰＡＭ）信號之和，如采用矩形的發送脈沖，則載波頻率ωｎ＝ｎ２πＴ，ｎ＝１，２，…Ｍ，Ｅｘｔ＝０，不管怎樣的信號集ａｍ。因此平均光功率只是取決于偏置信號：ρ＝ＡＥｂｔ。

　　所以，只要適當選擇偏置信號，就可以減小平均光功率。偏置可以是固定偏置，也可以是隨時間變化的偏置。固定偏置的值可以與ＭＳＭ信號的最小值相同。隨時間變化的偏置可以用符號間最小容許的偏置，它可以使平均功率較小。

３、大氣光通信對多載波調制的影響

　　在大氣中傳送的光無線通信可以考慮采用多路副載波調制ＭＳＭ。大氣光通信的優點是它在設計完善以后不受無線電干擾、城市噪音和電子脈沖沖擊等不良影響。在實際應用，大氣光通信可以用作“無線接入線ＷＬＬ（ＷｉｒｅｌｅｓｓＬｏｃａｌＬｏｏｐ）”，使用戶連接城市通信網。當然，在大氣中傳送的光波一般不是可見光而是紅外波。它們在傳輸過程中必將遇到大氣的分子吸收以及散射和湍流等影響。在晴朗天氣，大氣中有些分子引起各種吸收帶，相應地引起接收光束的起伏變化。微熱起伏引起折射率變化而發生的湍流也將引起接收光束的起伏。已經確認，大氣光通信系統使用ＭＳＭ，將使大氣通路得到良好性能。

　　在試驗大氣光通信系統時，曾經使用二進制移相鍵控ＢＰＳＫ和二進制脈位調制ＢＰＰＭ，互相作比較。在晴朗天氣、各種閃爍情況下，對兩種制式的誤碼率與信噪比關系作比較，結果顯示ＢＰＳＫ比ＢＰＰＭ優約３ｄＢ。這兩種系統都不需對接收機門限作估計，而在使用通斷鍵控ＯＯＫ時，都有必要對接收機門限作動態估計。

　　總的結論認為：大氣無線光通信系統確實有必要使用多路副載波調制系統ＭＳＭ，藉以得到較好的通信性能。

----《通信世界報》