第 4 章 調制與編碼

LTE（長期演進）下行鏈路PHY（物理層）鏈可以看作應用于下行鏈路共享信道（DLSCH）和物理下行鏈路共享信道（PDSCH）的處理的組合。DLSCH處理也稱為下行鏈路傳輸信道（TrCH）處理。它包括循環冗余校驗(CRC)碼附加、數據子塊處理、基于turbo編碼器的信道編碼、速率匹配、混合自動重復請求(HARQ)處理和碼字重構等步驟。碼字是PDSCH處理的輸入，包括加擾、調制、多天線多輸入多輸出(MIMO)處理、時頻資源映射和正交頻分復用(OFDM)傳輸。我們將這個兩步DLSCH和PDCH處理鏈的組件細分為三個部分，將在接下來的三章中討論。

在本章中，我們研究LTE標準中使用的調制和編碼方案。這些包括所有組合的DLSCH和PDSCH處理步驟，不包括MIMO和OFDM操作。接下來的兩章將討論OFDM和MIMO。首先，我們將研究PDSCH處理中的耦合操作，包括加擾和調制。然后我們將研究TrCH處理，包括一系列操作，這些操作將邏輯信道和用戶比特有效負載映射到碼字，這些碼字被傳遞到共享物理信道。

我們將創建Matlab?程序，在發射機和接收機中完全指定TrCH處理。我們將使用MATLAB函數研究不同調制方案和不同編碼速率對加性高斯白噪聲（AWGN）信道模型誤碼率（BER）性能的影響。這些操作完全指定如何處理用戶數據位，以產生用于后續MIMO和OFDM功能塊傳輸的輸入符號。MIMO和OFDM的細節在接下來的兩章中被研究。

4.1 LTE調制方案

LTE標準中使用的調制方案包括QPSK（正交相移鍵控）、16QAM（正交幅度調制）和64QAM。圖4.1顯示了這三種調制方案的星座圖。

在QPSK調制的情況下，每個調制符號可以具有四個不同值中的一個，這些值被映射到星座圖中的四個不同位置。QPSK需要2位來編碼它的四個不同的調制符號中的每一個。16QAM調制涉及使用16個不同的信令選擇，因此利用4比特信息對每個調制符號進行編碼。64QAM調制涉及64個不同的可能信令值，因此需要6位來表示單個調制符號。

多個調制方案的可用性有助于實現基于信道條件的自適應調制。當無線電鏈路相對干凈——即，信噪比（SNR）相對高——我們可以使用密集星座的調制方案，例如64QAM。在這種情況下，發送單個碼元導致6比特的傳輸，因此可以增加吞吐量。然而，隨著信道變得更加嘈雜，我們應該使用具有更多碼間分離的調制方案，例如QPSK。這又將減少每個樣本的位數，并降低吞吐量。

在LTE的調制映射，它指定如何調制符號位序列分配到每一個這樣的表，如表4.1和4.2的QPSK和16QAM所示。64QAM調制映射表尺寸過大，可以參考文獻[1]。

我們注意到位(bit)到符號(symbols)的映射既不是基于典型的二進制，也不是基于灰階編碼(graycoded)方法。 LTE 定義使用了一種星座映射的方式。LTE使用同樣的方式定義了的調制符號，這種方式平均信號功率是一個統一的標準。

4.1.1 MATLAB 案例

模擬LTE下行鏈路的第一步，我們從LTE調制方式開始。如下的兩個MATLAB算法顯示了LTE的調制和解調算法，在此我們調用了系統工具箱。

1function y = Modulator( u,Mode )
 2%% Initialization
 3persistent QPSK QAM16 QAM64
 4if isempty(QPSK)
 5    QPSK = comm.PSKModulator(4,'BitInput',true,'PhaseOffset',pi/4,...
 6        'SymbolMapping','Custom','CustomSymbolMapping',[0 2 3 1]);
 7
 8    QAM16 = comm.RectangularQAMModulator(16, 'BitInput',true,...
 9        'NormalizationMethod','Average power', 'SymbolMapping',...
10        'Custom','CustomSymbolMapping', [11 10 14 15 9 8 12 13 1 0 4 5 3 2 6 7]);
11
12    QAM64 = comm.RectangularQAMModulator(64, 'BitInput',true,...
13        'NormalizationMethod','Average power', 'SymbolMapping',...
14        'Custom', 'CustomSymbolMapping', [47 46 42 43 59 58 62 63 45 44 40 ...
15        41 57 56 60 61 37 36 32 33 49 48 52 53 39 38 34 35 51 50 54 55 7 ...
16        6 2 3 19 18 22 23 5 4 0 1 17 16 20 21 13 12 8 9 25 24 28 29 15 14 ...
17        10 11 27 26 30 31]); 
18end
19
20%% Processing
21switch Mode
22    case 1
23        y = step(QPSK,u);
24    case 2
25        y = step(QAM16,u);
26    case 3
27        y = step(QAM64,u);    
28end

調制器函數具有兩個輸入參數：輸入比特流（U）和表示調制模式（MODE）的參數。作為其輸出，函數計算調制符號。該函數實現了LTE標準中使用的三種不同類型的調制器。例如，在QPSK的情況下，我們使用一個COM.PSK調制器系統對象，并將其調制順序設置為4。類似地，對于16QAM和64QAM，我們使用comm.RectangulatQAMModulator() 系統對象，并將它們的調制順序分別設置為16和64。根據調制模式的值，我們處理輸入比特以產生調制符號作為輸出。