TETRA2自适应调制解调系统性能分析

张小艳， 王 彬

（哈尔滨工业大学 通信技术研究所，黑龙江 哈尔滨 150001）

0 引言

陆地集群无线电系统 TETRA(Terrestrial Trunk Radio System)[1-2]是欧洲电信标准协会（ETSI）制定的基于时分多址的专用移动通信标准。TETRA2在现有的TETRA网络上做了一些改进，在调制解调方面，能够根据传播环境自适应的选择调制方式，已达成协议的主要的调制方案有π/4-DQPSK、4QAM、16QAM和64QAM。

多电平正交幅度调制(MQAM)是一种灵活、高效的数字调制解调方式，通过相位和振幅的联合控制，来获得更高的数据传输速率和更高的频谱利用率。本文主要研究TETRA2系统采用的MQAM技术，通过分析信噪比估计误差对系统产生的影响，对自适应调制解调算法进行改进，从而提高系统性能。

1 自适应调制解调系统模型

链路自适应是提高无线信道频谱利用率的一种有效方法。采用自适应调制，系统能根据信道的传输条件，自适应地选择合适的调制电平数，最大限度地提高系统吞吐量，对提高系统的频谱利用率具有重要的意义。

本文研究自适应调制解调采用的系统模型如下页图1所示[3-5]。()iα为信道的时变增益，()ni为均值为零，方差为2σ的高斯白噪声。发送端根据估计的SNR＾γ和瞬时BER的要求，通过调整MQAM星座图的大小来改变速率。假设接收端的信息准确无误的反馈到发送端，且无延时。

图1 自适应调制解调系统模型

2 自适应调制解调算法的研究

根据信道状态的变化，自适应改变调制方式，可以得到更低的平均误码率和更高的频谱效率。因此，在自适应调制技术的研究中有两个关键问题：自适应调制算法的研究和信道估计误差对自适应调制系统性能的影响。在本文的研究中采用的准则是保证一定的误码率和发送功率，使传送速率最大，同时选择调制方式采用的是门限法[6-7]。假定可用的调制方式共有n种，分别表示为{M1,M1,…,Mn},其星座图的大小是依次递增的；相应的，将信道SNRγ的取值范围也划分为n个区间。

其中信噪比范围 Si对应于一种调制方式Mi。发送端通过接收端反馈的信道状态信息为下一个分组传输选择相应的调制方式。当γ的估值位于区间i[γi, γi+1)，(0 ≤ i≤ n -1)时，则下一次传输就采用Mi。

3 信道估计误差对系统性能的影响

在自适应调制解调系统中,一个至关重要的参数就是信噪比的选择门限。该参数在信道状态信息完全已知和存在误差的情况下是不同的。在加性高斯白噪声（AWGN）信道中，SNR门限值可由MQAM调制的误码率得到。MQAM的误码率为：

接收端，信道估计采用最大似然估计的方法[8-10]。当估计的 SNR 值[ γi, γi+1)时, 所选的调制方案应该能够使得系统的BER不大于系统设定的目标值BER0。

信噪比估计采用输入判决器之前的信号，此时QAM信号可以表示为如下形式：

其中kr是真实的星座信号，A为幅度的量值，包括了信道的衰落，kx为星座图映射值，kn是均值为零，实部和虚部的方差均为2σ的复高斯白噪声。将式(4)的实部(即同相分量)和虚部(即正交分量)分别考虑可重新写成:

αk_I/Q表示接收幅度值相对与最大幅度值的比例系数，对应的取值概率空间用β表示。由于QAM信号的星座是对称的，其信号实部和虚部的平均功率相同，因此需要估计的信噪比可表示为[7-9]：

从式(6)可以看出，信噪比的估计包含了两个参数maxA和2σ。把信噪比表示dB的形式可以得到：

对数似然函数为：L为用于估计的数据长度，对该对数似然函数求偏导并令之为零，可以得到：

将式(9)代入式(7)，即可得到估计的信噪比。

4 仿真结果及分析

TETRA2采用的QAM调制，其星座图为方形，图2所示为16QAM星座图的映射方案。

图2 16QAM星座图

通过Matlab仿真，在AWGN信道中，MQAM的BER性能曲线如图3 所示，假设系统所设定的门限BER0=10-4时，根据图3，SNR的转换阈值分别为：0γ=9.104，1γ=13.046，2γ=17.572。

图3 4QAM、16QAM、64QAM的BER曲线

即当9.104γ＜≤13.046时，调制方式为4QAM；当13.046γ＜≤17.572时，调制方式为16QAM；当γ≥17.572时，调制方式为64QAM。

信道估计的结果如图 4所示，从仿真图中可以看出对SNR的估计基本符合真实的信道状态，但还是存在一定的估计误差，尤其是在低信噪比时，估计误差较大。估计带来的误差从而影响了SNR 的选择门限值，新的SNR转换阈值分别为：0γ=9.726，1γ=13.841，2γ=18.067。

图4 最大似然估计的估计值与真实值的比较

5 结语

在自适应调制解调系统中，信噪比估计性能将会对系统产生影响，通过采用最大似然估计仿真，结果表明，由于估计误差的存在，发送端在自适应选择调制方案时信噪比门限值均有一定程度的提高。因此，针对估计误差对自适应调制解调算法进行修正将会改进系统性能，从而更适于跟踪信道变化。

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