多載波調制在通信系統的應用

１、多載波調制ＭＣＭＭＳＭ的由來(lái)

　　近年來(lái)，高速率通信系統發(fā)展很快，可以看到很多不同的通信系統采用“多載波調制ＭＣＭ（Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｃａｒｒｉｅｒ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）”或“多路副載波調制ＭＳＭ（Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｓｕｂｃａｒｒｉｅｒ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）”的技術(shù)方案。不論電通信或光通信，也不論有線(xiàn)通信或無(wú)線(xiàn)通信，都有實(shí)際使用ＭＣＭ？ＭＳＭ的情況。具體地說(shuō)，無(wú)線(xiàn)電射頻通信、光纖通信以至光無(wú)線(xiàn)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ＭＣＭＭＳＭ。

　　所謂多載波調制是指傳送線(xiàn)路上每次傳送信號時(shí)利用多個(gè)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(xiàn)路向接收端傳送。如傳送線(xiàn)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－ｓｙｍｂｏｌ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ）”。因此，ＭＣＭ對于實(shí)現高速數字通信非常有利。

　　有類(lèi)似的情況：例如在射頻無(wú)線(xiàn)電通信，曾經(jīng)使用“正交頻分多路ＯＦＤＭ（Ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘ）”，證明確有成效，因而很多情況曾經(jīng)或正在實(shí)際使用ＯＦＤＭ，包括無(wú)線(xiàn)移動(dòng)通信蜂窩網(wǎng)基臺以及數字電視、不對稱(chēng)數字用戶(hù)線(xiàn)（ＡＤＳＬ）和有些局域網(wǎng)（ＬＡＮ），都曾經(jīng)使用ＯＦＤＭ，收到一定效果。另一些多路用途，包括城市的“有線(xiàn)電視ＣＡＴＶＣａｂｌｅ Ｔｅｌｅｖｉｓｉｏｎ？”，它在光纖線(xiàn)路上利用“副載波多路ＳＣＭ（Ｓｕｂ ｃａｒｒｉｅｒ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘ）”，同時(shí)傳送多路模擬電視信號。在有些“局域網(wǎng)”，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(wú)線(xiàn)通信的應用

　　在光無(wú)線(xiàn)通信，多路副載波調制ＭＳＭ受到優(yōu)先考慮，因為利用了ＭＳＭ，可以實(shí)現高速數字通信而不需要均衡。過(guò)去大多使用單路載波調制，包括開(kāi)關(guān)鍵控ＯＯＫ和Ｍ進(jìn)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(gè)光載波進(jìn)行調制。這可以用信號強度調制ＩＭ，或用調頻ＦＭ、調相ＰＭ。最簡(jiǎn)單的ＭＳＭ系統是利用直接檢測的強度調制（ＩＭＤＤ），設備簡(jiǎn)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ＩＭＤＤ的ＭＳＭ系統，光的平均功率效率較差，這是它的主要缺點(diǎn)。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(shí)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(jìn)行調制。在利用ＭＳＭ的光無(wú)線(xiàn)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(diǎn)序列ＳＳＰＳ？Ｓｕｂｃａｒｒｉｅｒ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｏｉｎｔ Ｓｅｑｕｅｎｃｅ？”，每一符號由多路副載波傳送，就是說(shuō)，每一符號在幾個(gè)副載波上有信號點(diǎn)。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(lái)使用“通斷鍵控ＯＯＫ（ｏｎ－ｏｆｆ Ｋｅｙｉｎｇ）”和“Ｍ進(jìn)脈位調制ＭＰＰＭ（Ｍ－ａｒｙ Ｐｕｌｓｅ Ｐｏｓｉｔｉｏｎ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）”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(guò)１０Ｍｂａｕｄ，則在傳送過(guò)程中如遇到多徑分散的情況必將發(fā)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(lái)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(yōu)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(lái)制作相干檢測要比光相干檢測容易實(shí)現。

　　多路副載波調制的傳輸系統使用的發(fā)信機和收信機，可以采取四進(jìn)制移相鍵控的制式ＱＰＳＫ（Ｑｕａｔｅｒ ｎａｒｙ Ｐｈａｓｅ Ｓｈｉｆｔ Ｋｅｙｉｎｇ）。發(fā)信機用Ｎ路副載波ωｎ(ｎ＝１，２，…Ｎ)。在每一符號的持續時(shí)間Ｔ以?xún)?，發(fā)信機發(fā)送Ｋ個(gè)信息比特。編碼器把Ｋ個(gè)信息比特變換為一個(gè)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(fā)信機增加一個(gè)基帶偏置信號ｂ(ｔ)使ＭＳＭ復數沒(méi)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(gè)基帶偏置信號ｂ(ｔ)是一個(gè)常數與一個(gè)基帶脈幅調制（ＰＡＭ）信號之和，如采用矩形的發(fā)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(shí)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(shí)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(wú)線(xiàn)通信可以考慮采用多路副載波調制ＭＳＭ。大氣光通信的優(yōu)點(diǎn)是它在設計完善以后不受無(wú)線(xiàn)電干擾、城市噪音和電子脈沖沖擊等不良影響。在實(shí)際應用，大氣光通信可以用作“無(wú)線(xiàn)接入線(xiàn)ＷＬＬ（Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｌｏｃａｌ Ｌｏｏｐ）”，使用戶(hù)連接城市通信網(wǎng)。當然，在大氣中傳送的光波一般不是可見(jiàn)光而是紅外波。它們在傳輸過(guò)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(fā)生的湍流也將引起接收光束的起伏。已經(jīng)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(shí)，曾經(jīng)使用二進(jìn)制移相鍵控ＢＰＳＫ和二進(jìn)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(guān)系作比較，結果顯示ＢＰＳＫ比ＢＰＰＭ優(yōu)約３ｄＢ。這兩種系統都不需對接收機門(mén)限作估計，而在使用通斷鍵控ＯＯＫ時(shí)，都有必要對接收機門(mén)限作動(dòng)態(tài)估計。

　　總的結論認為：大氣無(wú)線(xiàn)光通信系統確實(shí)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。