基于多维信号星座图的高质量数字传输系统研究

A high-quality digital transmission system with multidimensional signal constellations is studied in this project. The proposed system can provide better error performance corresponding to the conventional one. In current digital communication systems, multilevel phase shift keying (MPSK) and quadrature amplitude modulation (QAM) are the most frequently exploited two-dimensional signal constellations. Minimum Euclidean distance (MED) of a constellation is a crucial parameter to error performance of a digital communication system. Since the noise immunity of transmitted signals is increased with MED, the probability of symbol error in the receiver can be reduced. If the number of signal points of a constellation is fixed and average power is normalized, the MED tends to increase with the dimension of signal space. The constellations studied in this project focus on the three-dimensional and four-dimensional signal space. Both single-carrier and multi-carrier modulation methods to transmit multidimensional signals are employed. In order to improve system performance, the proposed system will be combined with some coding techniques. The closed-form expressions for error probability of proposed system are derived. For verification, we compare the theoretical error probability with the experimental results by software and hardware simulation. As a development tendency of things, that is, the dimension of constellations is extended from low to high, the study outcomes can be a strong technical reference in the field of future communications, and satisfy the demands of people to high-quality digital communications.

项目研究一个基于多维信号星座图的数字传输系统，它能够提供较传统数字传输系统更好的差错性能。在现有的数字通信系统中，主流的调制形式仍然采用二维信号星座图，像多进制相移键控和正交振幅调制。由于在星座图信号点数量与平均功率不变的情况下，信号点间的最小欧式距离会随着信号所在空间维度的增加而变大，从而能够提高信号的抗干扰性，改善系统性能。项目将主要研究基于三维信号和四维信号星座图的数字传输系统。高质量的三维、四维信号星座图是项目的重要研究内容。多维信号的传输方法采用单载波和多载波调制方式两种。为了进一步提高系统性能，项目提出的系统也将结合一些编码技术。另外，除了针对不同信道环境下的系统差错概率数学表达式的分析与推导，系统的软硬件仿真也将同时进行，用于验证理论和未来实际的应用。作为事物发展的必要趋势，即从低维到高维，研究成果能够为未来通信领域提供一个强有力的技术参考，满足人们对高质量数字通信的需求。

本项目主要研究基于高维信号星座图的数字传输系统。相对于传统的二维信号星座图，在星座图尺寸和平均功率不变的条件下，高维信号具有更大的最小欧几里德距离，可以提供更大的噪声容限，有效提高数字通信系统的性能。项目的主要研究内容包括四个方面：三维、四维信号星座图设计、信号传输方法设计、系统性能分析和系统仿真。目前项目进展情况如下：. 1、星座图设计方面：基于传统的格子信号星座图，设计了两种新的高质量三维信号星座图；基于现有的三维信号星座图，提出了一种四维信号星座图设计方法，并设计了三种规则且具有一定可视性的四维信号星座图。. 2、信号传输方法设计：在传统的三维信号传输方法基础上，提出了一种新的高维信号传输方法，即高维信号分量组合法，其方法可以应用于三维和四维信号的传输，带宽效率较传统方法可以分别提高三分之一和二分之一。新的传输方法即可应用于单载波传输系统，也可应用于多载波传输系统。. 3、系统性能分析：对于提出的新的三维信号星座图，分析了其在加性高斯白噪声和瑞利信道环境下的系统性能，并推导了其误码率表达式。对于多载波基于高维信号的正交频分复用系统，主要研究了降低其峰均功率比的方法。提出了利用高维信号降低传统正交频分复用系统峰均功率比的方法，提出的方法可较传统的算法得到约1.1dB的性能增益。同时研究了Reed-Mullar解码方法对系统性能的影响，及目标检测算法。. 4、系统仿真：对于单载波和多载波高维信号传输系统，均完成了系统性能的仿真，验证了理论推导的正确性。特别是在正交频分复用系统峰均功率比降低方法和利用高维信号降低传统正交频分复用系统峰均比方面得到了正确且较为理想的仿真结果。. 通过对本项目目前的研究，我们对现有高维信号传输系统的性能进行了大幅的改善，特别是从高维信号星座图设计、带宽效率和正交频分复用系统峰均率比降低方法上取得了很大进步，为高维信号在数字通信系统中的应用提供了更多的理论基础，并为商业化提供了一定的技术支持。