16QAM調(diào)制解調(diào)技術(shù)分析仿真

引言

在通信信息高度發(fā)達(dá)的今天，頻帶資源顯得十分有限。 經(jīng)過幾代通信人的努力，研究得到了利用率比較高的數(shù)字調(diào) 制方式-QAM (Quadrature Amplitude)。時(shí)至今日 QAM 已經(jīng) 成為研究設(shè)計(jì)數(shù)字通信系統(tǒng)的主要內(nèi)容之一。近年來在QAM 的研究方面取得了里程碑式的成果，上海506研究所和天津 通廣集團(tuán)下屬的一個(gè)通信機(jī)部門、曾長(zhǎng)華等(南京郵電大 學(xué))提出一種算法，是基于軟件無線電的QAM調(diào)制以及西 安電子科技大學(xué)ISN國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的侯立正、李維英等的 16QAM調(diào)制系統(tǒng)主要部分的底層設(shè)計(jì)等，都是這方面研究成 果的體現(xiàn)。

正交振幅調(diào)制時(shí)域表達(dá)式如下：

由公式(1)可知，調(diào)制信號(hào)由兩個(gè)分別被一組離散的振 幅｛Am｝，｛Bm｝調(diào)制的載波構(gòu)成，且這兩個(gè)載波相位相差90。。(Tb 是碼元寬度，m=1, 2…M),其中振幅｛A?｝，｛B?｝可以表示成：

在評(píng)價(jià)QAM的性能時(shí)我們通常使用的幾個(gè)參數(shù)有：峰 值一一均值比星座點(diǎn)間最小歐幾里德距離dmn和最小相位 偏移，min。

在不同的數(shù)字傳輸系統(tǒng)應(yīng)用中，其參數(shù)要求不盡相同。

(1)峰值一一均值比

其中,Ppea表示信號(hào)的峰值功率,Pave表示信號(hào)的平均功率。Y越小，調(diào)制信號(hào)的包絡(luò)起伏越小即抗非線性失真的能力越強(qiáng)。

（2）星座點(diǎn)間最小歐幾里德距離dmn

我們將QAM信號(hào)星座圖上星座點(diǎn)間的最小距離稱為最 小歐幾里德距離，用dmm表示。最小距離dmm越大，調(diào)制信 號(hào)抗高斯白噪聲的性能越好。

（3）最小相位偏移，min

我們將標(biāo)準(zhǔn)QAM星座圖上信號(hào)點(diǎn)之間相位的最小偏移 量稱為最小相位偏移，用9mn表示。最小相位偏移量9mn越大, 調(diào)制信號(hào)抗相位抖動(dòng)能力越強(qiáng)。

由理論分析可以得到在一個(gè)星座圖確定的QAM系統(tǒng)中 不可能實(shí)現(xiàn)將這三個(gè)指標(biāo)同時(shí)達(dá)到最高。所以在實(shí)際的工程 應(yīng)用中設(shè)計(jì)者一般應(yīng)用自適應(yīng)的設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)方法使得參數(shù)值滿 足不同傳輸系統(tǒng)要求。

16 QAM調(diào)制解調(diào)原理

如前所述，當(dāng)進(jìn)制數(shù)M>4時(shí)，正交幅度調(diào)制信號(hào)的時(shí)域 表達(dá)式為：

式中,I(t)、Q (t)為雙極性多進(jìn)制信號(hào)。

當(dāng)M=16時(shí),I (t)、Q (t)為通過正交調(diào)幅法或者復(fù)合相移 法產(chǎn)生的雙極性四電平信號(hào)。信號(hào)的dmin大于MPSK、MASK 等其他調(diào)制方式的多進(jìn)制已調(diào)信號(hào)，性能上表現(xiàn)為抗噪聲能力 較MPSK等調(diào)制方式更優(yōu)。

2 16 QAM系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

16 QAM的結(jié)構(gòu)

上文提到，在實(shí)際的工程應(yīng)用中，一般通過正交調(diào)幅法 或復(fù)合相移法生成I(t)、Q (t)。其中前者是用兩路相位相差 90。的四電平振幅鍵控信號(hào)疊加產(chǎn)生，后者是用兩路四相移相 鍵控信號(hào)疊加而成。

用正交振幅調(diào)制方法產(chǎn)生16 QAM信號(hào)的調(diào)制器和解調(diào) 器原理方框圖如圖1所示。

由16 QAM系統(tǒng)結(jié)果圖可以得到調(diào)制系統(tǒng)的具體工作流 程，以四個(gè)二進(jìn)制代碼abcd為例說明：ac經(jīng)串/并變換器轉(zhuǎn) 換為上支路信號(hào)，bd轉(zhuǎn)換為下支路信號(hào)，轉(zhuǎn)換后的信號(hào)碼速 率都為RJ2(Rb為原始信號(hào)串/并變換之前的碼速率)。轉(zhuǎn)換 之后兩路二電平信號(hào)通過2-4電平轉(zhuǎn)換器變?yōu)樗碾娖叫盘?hào)。此 時(shí),，(t)和Q(t)都是四進(jìn)制格雷碼，碼速率變?yōu)镽b/4。經(jīng)過 乘法器調(diào)制之后輸出四進(jìn)制雙極性振幅調(diào)制信號(hào)(()cosset、 Q (t) sin/*。

MQAM的功率譜密度曲線除了載頻兩邊的第一個(gè)零點(diǎn)頻 率分別為?！繰b/lbM之外與2PSK、4PSK類似。(fc為載波頻率) 如果二進(jìn)制信號(hào)中“1”和“0”出現(xiàn)的次數(shù)相等時(shí)，MQAM 調(diào)制后的信號(hào)頻譜中無離散譜。

2.2數(shù)字QAM解調(diào)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

解調(diào)器的載波和符號(hào)定時(shí)同步含不含有反饋控制信號(hào)是 數(shù)字解調(diào)與模擬解調(diào)最大的區(qū)別。在數(shù)字部分完成載波同步 和符號(hào)定時(shí)同步。在調(diào)制系統(tǒng)中，模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)的任務(wù) 就是劃分?jǐn)?shù)字與模擬部分的邊界。

相比于模擬QAM解調(diào)系統(tǒng)，數(shù)字QAM解調(diào)系系統(tǒng)構(gòu) 造結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于在工程中實(shí)現(xiàn)且成本花費(fèi)少等優(yōu)點(diǎn)。更重 要的是，模擬系統(tǒng)作為應(yīng)用在中高頻的信號(hào)頻率階段的電路 系統(tǒng)，存在相位失真，非線性失真等使系統(tǒng)優(yōu)化變得極為困 難的問題。綜合考慮之后，現(xiàn)階段的工程應(yīng)用較多的是數(shù)字

QAM解調(diào)系統(tǒng)。數(shù)字QAM解調(diào)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

從圖2中可以看出，數(shù)字QAM解調(diào)系統(tǒng)主要有以下幾 個(gè)部分:

(1)下變頻模塊

接收端接收的調(diào)制信號(hào)經(jīng)高頻頭被還原稱為基帶信號(hào)。

(2) AGC控制

根據(jù)信號(hào)實(shí)際情況調(diào)節(jié)輸出的幅度，使得幅度一直不超 出模數(shù)轉(zhuǎn)換器件的參考范圍。與此同時(shí)使得峰峰值更接近參 考電位。

⑶A/D采樣

通過采樣，量化等處理將模擬信號(hào)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)。一般 情況下模數(shù)變換的位置代表了系統(tǒng)數(shù)字化程度的高低，模數(shù) 轉(zhuǎn)換離高頻頭越近，系統(tǒng)的數(shù)字化程度越高。

(4)符號(hào)定時(shí)恢復(fù)

模數(shù)采樣后的信號(hào)會(huì)因?yàn)樵肼?、信道帶寬和器件不穩(wěn)定 等一系列干擾因素而產(chǎn)生較大的誤差。在數(shù)字接收機(jī)中為了提 高控制精度，采用穩(wěn)定的信號(hào)源進(jìn)行不同步采樣，完全由數(shù) 字電路而不是模擬系統(tǒng)中的返回控制值實(shí)現(xiàn)符號(hào)定時(shí)的恢復(fù), 大大提高了信號(hào)精度。

( 5)載波恢復(fù)模塊

出現(xiàn)下變頻后的“基帶信號(hào)”中心頻率偏離零點(diǎn)的問題 主要是因?yàn)橐韵聝牲c(diǎn):一是收端和發(fā)端的本振時(shí)鐘不完全同步; 二是信道的快速變化特性所致。不僅如此，信號(hào)的相位在傳 輸中也會(huì)受到一定程度的影響。所以，載波回復(fù)模塊的功能 就是把偽基帶信號(hào)搬移至基帶的同時(shí)跟蹤該基帶信號(hào)的相位。

均衡模塊

引起信號(hào)的幅度畸變的原因有：無線信道的瑞利衰落、 多徑延遲以及有線信道的多次反射等。在數(shù)字QAM調(diào)制解 調(diào)系統(tǒng)中的均衡模塊主要利用盲均衡和自適應(yīng)均衡的技術(shù)相 結(jié)合的方法解決上述問題。

信道前端糾錯(cuò)模塊(FEC)

信道編碼的采用是為了提高信號(hào)傳輸時(shí)抗干擾的能力, 在解調(diào)系統(tǒng)中接入前端糾錯(cuò)模塊用來進(jìn)行信道解碼。

3 16 QAM調(diào)制及解調(diào)的仿真分析

使用MATLAB軟件作為工具進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬，使用一些 典型的參數(shù)，目的是為了在實(shí)現(xiàn)調(diào)制解調(diào)的同時(shí)使系統(tǒng)不用過分 復(fù)雜。通過運(yùn)行m文件［4］實(shí)現(xiàn)16QAM信號(hào)的調(diào)制與解調(diào)。是 由Matlab的隨機(jī)函數(shù)產(chǎn)生的0、1序列作為軟件中輸入的信源。

Matlab 仿真

用Matlab作為仿真工具編程仿真有關(guān)QAM誤碼率性能 指標(biāo)的對(duì)比分析。采用加性高斯白噪聲(AWGN)的信道，分 別得到16QAM調(diào)制和QPSK調(diào)制的誤碼率。圖3所示是運(yùn) 行程序所得到的誤碼率，即信噪比曲線圖。

3.2 仿真波形分析

16QAM 在不同信噪比情況下的誤碼律繪制曲線可以看出，在進(jìn)制數(shù)都為 16 的情況下，即信息傳輸速率相同的情況下，相同信噪比下 QAM 信號(hào)的誤碼率要小于 PSK 信號(hào)，即 QAM的抗噪聲性能要優(yōu)于 PSK。

4 結(jié) 語

通過基本原理與仿真分析可以看出，QAM 作為一種廣泛被中、大容量數(shù)字微波通信系統(tǒng)、有線電視網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸、衛(wèi)星通信系統(tǒng)等領(lǐng)域使用的調(diào)制解調(diào)技術(shù)，擁有非常良好的發(fā)展前景。

20211221_61c1ba5b47cf1__16QAM調(diào)制解調(diào)技術(shù)分析仿真