QAM与OFDM英文原理_OFDM

QAM、OFDM

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vi CONTENTS

1.4.4 OFDM/CDMA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

1.4.5 Adaptive Antennas in OFDM Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

1.4.6 Decision-Directed Channel Estimation for OFDM . . . . . . . . . . 26

1.4.6.1 Decision-Directed Channel Estimation for Single-User

OFDM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

1.4.6.2 Decision-Directed Channel Estimation for Multi-User

OFDM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

1.4.7 Detection Techniques for Multi-User SDMA-OFDM . . . . . . . . . 31

1.4.8 OFDM Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

1.5 History of QAM-Based Coded Modulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

1.6 QAM in Multiple Antenna Based Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

1.7 Outline of the Book . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

1.7.1 Part I: QAM Basics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

1.7.2 Part II: Adaptive QAM Techniques for Fading Channels . . . . . . . 38

1.7.3 Part III: Advanced QAM

Adaptive OFDM Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

1.7.4 Part IV: Advanced QAM

Turbo-Equalised Adaptive TCM, TTCM, BICM, BICM-ID and

Space-Time Coding Assisted OFDM, CDMA and MC-CDMA Systems 40

1.8 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

2 Communications Channels 43

2.1 Fixed Communication Channels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

2.1.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

2.1.2 Fixed Channel Types . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

2.1.3 Characterisation of Noise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

2.2 Telephone Channels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

2.3 Mobile Radio Channels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

2.3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

2.3.2 Equivalent Baseband and Passband Systems . . . . . . . . . . . . . . 51

2.3.3 Gaussian Mobile Radio Channel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

2.3.4 Narrow-Band Fading Channels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

2.3.4.1 Propagation path loss law . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

2.3.4.2 Slow fading statistics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61

2.3.4.3 Fast fading statistics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61

2.3.4.4 Doppler spectrum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66

2.3.4.5 Simulation of narrowband channels . . . . . . . . . . . . . 67

2.3.4.5.1 Frequency domain fading simulation . . . . . . . 68

2.3.4.5.2 Time domain fading simulation . . . . . . . . . . 69

2.3.4.5.3 Box-M

uller algorithm of AWGN generation . . . 69

2.3.5 Wideband Channels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70

2.3.5.1 Modelling of Wideband Channels . . . . . . . . . . . . . . 70

2.4 Mobile Satellite Propagation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74

2.4.1 Fixed-Link Satellite Channels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74

2.4.2 Satellite-to-Mobile Channels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74

2.5 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75

CONTENTS vii

3 Introduction to Modems 77

3.1 Analogue-to-Digital Conversion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77

3.2 Mapping . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79

3.3 Filtering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81

3.4 Modulation and Demodulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84

3.5 Data Recovery . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85

3.6 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86

4 Basic QAM Techniques 87

4.1 Constellations for Gaussian Channels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87

4.2 General Pulse Shaping Techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90

4.2.1 Baseband Equivalent System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90

4.2.2 Nyquist Filtering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93

4.2.3 Raised-Cosine Nyquist Filtering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96

4.2.4 The Choice of Roll-Off Factor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96

4.2.5 Optimum Transmit and Receive Filtering . . . . . . . . . . . . . . . 97

4.2.6 Characterisation of ISI by Eye Diagrams . . . . . . . . . . . . . . . 99

4.2.7 Non-Linear Filtering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102

4.3 Methods of Generating QAM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103

4.3.1 Generating Conventional QAM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103

4.3.2 Superposed QAM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104

4.3.3 Offset QAM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104

4.3.4 Non-Linear Ampliﬁcation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107

4.4 Methods of Detecting QAM Signals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108

4.4.1 Threshold-Detection of QAM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108

4.4.2 Matched-Filtered Detection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108

4.4.3 Correlation Receiver . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112

4.5 Linearisation of Power Ampliﬁers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113

4.5.1 The Linearisation Problem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113

4.5.2 Linearisation by Predistortion [134] . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113

4.5.2.1 The Predistortion Concept . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113

4.5.2.2 Predistorter Description . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114

4.5.2.3 Predistorter Coefﬁcient Adjustment . . . . . . . . . . . . . 118

4.5.2.4 Predistorter Performance . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119

4.5.3 Postdistortion of NLA-QAM [423] . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121

4.5.3.1 The Postdistortion Concept . . . . . . . . . . . . . . . . . 121

4.5.3.2 Postdistorter Description . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123

4.5.3.3 Postdistorter Coefﬁcient Adaptation . . . . . . . . . . . . 126

4.5.3.4 Postdistorter Performance . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126

4.6 Non-differential Coding for Square QAM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127

4.7 Differential Coding for Square QAM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128

4.8 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131

viii CONTENTS

5 Square QAM 133

5.1 Decision Theory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133

5.2 QAM Modulation and Transmission . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135

5.3 16-QAM Demodulation in AWGN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136

5.4 64-QAM Demodulation in AWGN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138

5.5 Recursive Algorithm for the Error Probability Evaluation of M-QAM . . . . 142

5.5.1 System Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142

5.5.2 BER of 16-QAM Constellation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143

5.5.2.1 Approximation 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144

5.5.2.2 Approximation 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144

5.5.3 BER of Arbitrary Square M-QAM Constellations . . . . . . . . . . . 145

5.5.3.1 Approximation 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145

5.5.3.2 Approximation 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146

5.5.4 Numerical Examples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147

5.6 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148

6 Clock and Carrier Recovery 149

6.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149

6.2 Clock Recovery . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149

6.2.1 Times-Two Clock Recovery . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150

6.2.2 Early-Late Clock Recovery . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150

6.2.3 Zero-Crossing Clock Recovery . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151

6.2.4 Synchroniser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152

6.3 Carrier Recovery . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153

6.3.1 Times-n Carrier Recovery . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155

6.3.2 Decision Directed Carrier Recovery . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157

6.3.2.1 Frequency and Phase Detection Systems . . . . . . . . . . 160

6.4 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164

7 Trained and Blind Equaliser Techniques 167

7.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167

7.2 Linear Equalisers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168

7.2.1 Zero-Forcing Equalisers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168

7.2.2 Least Mean Squared Equalisers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172

7.2.3 Decision Directed Adaptive Equalisers . . . . . . . . . . . . . . . . 175

7.3 Decision Feedback Equalisers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177

7.4 Fast Converging Equalisers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180

7.4.1 Least Squares Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180

7.4.2 Recursive Least Squares Method [55] . . . . . . . . . . . . . . . . 184

7.4.2.1 Cost Function Weighting . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184

7.4.2.2 Recursive Correlation Update . . . . . . . . . . . . . . . . 185

7.4.2.3 The Ricatti Equation of RLS Estimation . . . . . . . . . . 185

7.4.2.4 Recursive Equaliser Coefﬁcient Update . . . . . . . . . . . 186

7.5 Adaptive Equalisers for QAM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188

7.6 Viterbi Equalisers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190

7.6.1 Partial Response Modulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190

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