面向5G的高速基带数字调制技术应用研究

　　5G是一个万物互联的高速率、高可靠性移动通信系统，必然使用高速基带数字调制解调技术。目前技术成熟、应用广泛的是基于二维星座映射的QAM 方式，但因受到幅度阶梯数的瓶颈限制，调制能力最高的正方星座是 256QAM和1024QAM，对传输环境的信噪比要求很高，很难用于移动通信系统。显然，基于三维星座的高速数字调制方式，将会成为5G系统的重要技术。在简单分析二维数字调制技术QAM的性能后，又分析了毫米波通信对高阶QAM的影响，并重点研究了三维正交幅度调制技术的误码率公式，并对三维QAM的三维星座和误码率进行了仿真。

　　未来5G网络将是一个可以承载社会关键基础通信设施和基本应用的共享式支撑平台，将是一个全球性海量接入和万物互联的移动通信系统，其热点区域的超高密度蜂窝网络、工控与监管系统的低时延和高可靠性标准，密集住宅区、办公室、体育场、露天集会、地铁、高速和高铁等广域覆盖区域的超高流量密度、超高速移动性和超高连接数密度等特征，预示着5G网络必将是一个数据速率极高的移动通信系统。根据 IMT-2020（5G）推进组制订的《5G愿景与需求》和《5G 网络技术架构》白皮书的相关内容，5G在广域覆盖区可为用户提供高达10 Mbit/s的体验速率，在热点区可使用户满足高达10 Gbit/s体验速率和10 Tbit/km2 流量密度，这些反映5G系统所拥有的高数据速率，无不说明5G的基带数字调制过程必须使用高速率数字调制解调技术。

　　在数字通信中，包括用户和系统信号在内的所有数据都是二进制比特流。根据通信理论，二进制数据流传输速率的高低首先取决于基带调制方式。基带调制载频承载二进制数据流的物理量有振幅、频率和相位。单位载频物理量承载的二进制数据（1 个符号包含的二进制数据）越多，数据流的速率越大。幅移键控（ASK）调制方式用振幅阶梯数来表述二进制数据，阶梯数越多，承载二进制数据量越大，数据传输率越高。频移键控（FSK）调制方式用载波中不同子载频表述二进制数据，载波频带越宽，数据传输率越高。相移键控（PSK）调制方式用载波的不同相位表述二进制数据，相位差值越多，数据传输率越高。当振幅阶数、子载频数和相位差数较多时，虽然调制速率较高，但物理量间的相互影响也较多，要获得较高的传输质量，只能提高信噪比和接收灵敏度。

　　由于无线信道的复杂性和发射端发射功率的限制，移动通信接收端的标准信噪比值一般不大，ASK、 FSK和PSK等通过控制一个物理量的一维数字调制方式的调制能力有限。基于二维星座复平面的正交幅度调制方式（QAM），虽然控制了相位和幅度2个物理量，但仅利用了载波相位2个相差90°的值，将1路载波分成相互正交的2路载波，每路载波再实行ASK数字调制，所以QAM调制速率只是ASK的2倍，提高QAM的调制速率，主要是振幅阶梯数，同样存在 ASK 的技术瓶颈。目前，广泛应用于通信领域的 256QAM 和 1024QAM，是最高调制速率的QAM，但它们对信噪比的要求很高，无法应用于无线通信。其实，从调制过程来看，ASK、FSK 和 PSK 是可以混合的，虽然可以提高调制速率，但解调技术较难，所以成熟的混合方式只有 QAM。