16QAM调制解调技术分析仿真

引言

在通信信息高度发达的今天，频带资源显得十分有限。 经过几代通信人的努力，研究得到了利用率比较高的数字调 制方式-QAM (Quadrature Amplitude)。时至今日 QAM 已经 成为研究设计数字通信系统的主要内容之一。近年来在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 通广集团下属的一个通信机部门、曾长华等(南京邮电大 学)提出一种算法，是基于软件无线电的QAM调制以及西 安电子科技大学ISN国家重点实验室的侯立正、李维英等的 16QAM调制系统主要部分的底层设计等，都是这方面研究成 果的体现。

正交振幅调制时域表达式如下：

由公式(1)可知，调制信号由两个分别被一组离散的振 幅｛Am｝，｛Bm｝调制的载波构成，且这两个载波相位相差90。。(Tb 是码元宽度，m=1, 2…M),其中振幅｛A„｝，｛B„｝可以表示成：

在评价QAM的性能时我们通常使用的几个参数有：峰 值一一均值比星座点间最小欧几里德距离dmn和最小相位 偏移，min。

在不同的数字传输系统应用中，其参数要求不尽相同。

(1)峰值一一均值比

其中,Ppea表示信号的峰值功率,Pave表示信号的平均功率。Y越小，调制信号的包络起伏越小即抗非线性失真的能力越强。

（2）星座点间最小欧几里德距离dmn

我们将QAM信号星座图上星座点间的最小距离称为最 小欧几里德距离，用dmm表示。最小距离dmm越大，调制信 号抗高斯白噪声的性能越好。

（3）最小相位偏移，min

我们将标准QAM星座图上信号点之间相位的最小偏移 量称为最小相位偏移，用9mn表示。最小相位偏移量9mn越大, 调制信号抗相位抖动能力越强。

由理论分析可以得到在一个星座图确定的QAM系统中 不可能实现将这三个指标同时达到最高。所以在实际的工程 应用中设计者一般应用自适应的设计调节方法使得参数值满 足不同传输系统要求。

16 QAM调制解调原理

如前所述，当进制数M>4时，正交幅度调制信号的时域 表达式为：

式中,I(t)、Q (t)为双极性多进制信号。

当M=16时,I (t)、Q (t)为通过正交调幅法或者复合相移 法产生的双极性四电平信号。信号的dmin大于MPSK、MASK 等其他调制方式的多进制已调信号，性能上表现为抗噪声能力 较MPSK等调制方式更优。

2 16 QAM系统结构

16 QAM的结构

上文提到，在实际的工程应用中，一般通过正交调幅法 或复合相移法生成I(t)、Q (t)。其中前者是用两路相位相差 90。的四电平振幅键控信号叠加产生，后者是用两路四相移相 键控信号叠加而成。

用正交振幅调制方法产生16 QAM信号的调制器和解调 器原理方框图如图1所示。

由16 QAM系统结果图可以得到调制系统的具体工作流 程，以四个二进制代码abcd为例说明：ac经串/并变换器转 换为上支路信号，bd转换为下支路信号，转换后的信号码速 率都为RJ2(Rb为原始信号串/并变换之前的码速率)。转换 之后两路二电平信号通过2-4电平转换器变为四电平信号。此 时,，(t)和Q(t)都是四进制格雷码，码速率变为Rb/4。经过 乘法器调制之后输出四进制双极性振幅调制信号(()cosset、 Q (t) sin/*。

MQAM的功率谱密度曲线除了载频两边的第一个零点频 率分别为兀±Rb/lbM之外与2PSK、4PSK类似。(fc为载波频率) 如果二进制信号中“1”和“0”出现的次数相等时，MQAM 调制后的信号频谱中无离散谱。

2.2数字QAM解调系统结构

解调器的载波和符号定时同步含不含有反馈控制信号是 数字解调与模拟解调最大的区别。在数字部分完成载波同步 和符号定时同步。在调制系统中，模数转换器(ADC)的任务 就是划分数字与模拟部分的边界。

相比于模拟QAM解调系统，数字QAM解调系系统构 造结构简单，易于在工程中实现且成本花费少等优点。更重 要的是，模拟系统作为应用在中高频的信号频率阶段的电路 系统，存在相位失真，非线性失真等使系统优化变得极为困 难的问题。综合考虑之后，现阶段的工程应用较多的是数字

QAM解调系统。数字QAM解调系统的结构如图2所示。

从图2中可以看出，数字QAM解调系统主要有以下几 个部分:

(1)下变频模块

接收端接收的调制信号经高频头被还原称为基带信号。

(2) AGC控制

根据信号实际情况调节输出的幅度，使得幅度一直不超 出模数转换器件的参考范围。与此同时使得峰峰值更接近参 考电位。

⑶A/D采样

通过采样，量化等处理将模拟信号变为数字信号。一般 情况下模数变换的位置代表了系统数字化程度的高低，模数 转换离高频头越近，系统的数字化程度越高。

(4)符号定时恢复

模数采样后的信号会因为噪声、信道带宽和器件不稳定 等一系列干扰因素而产生较大的误差。在数字接收机中为了提 高控制精度，采用稳定的信号源进行不同步采样，完全由数 字电路而不是模拟系统中的返回控制值实现符号定时的恢复, 大大提高了信号精度。

( 5)载波恢复模块

出现下变频后的“基带信号”中心频率偏离零点的问题 主要是因为以下两点:一是收端和发端的本振时钟不完全同步; 二是信道的快速变化特性所致。不仅如此，信号的相位在传 输中也会受到一定程度的影响。所以，载波回复模块的功能 就是把伪基带信号搬移至基带的同时跟踪该基带信号的相位。

均衡模块

引起信号的幅度畸变的原因有：无线信道的瑞利衰落、 多径延迟以及有线信道的多次反射等。在数字QAM调制解 调系统中的均衡模块主要利用盲均衡和自适应均衡的技术相 结合的方法解决上述问题。

信道前端纠错模块(FEC)

信道编码的采用是为了提高信号传输时抗干扰的能力, 在解调系统中接入前端纠错模块用来进行信道解码。

3 16 QAM调制及解调的仿真分析

使用MATLAB软件作为工具进行计算机模拟，使用一些 典型的参数，目的是为了在实现调制解调的同时使系统不用过分 复杂。通过运行m文件［4］实现16QAM信号的调制与解调。是 由Matlab的随机函数产生的0、1序列作为软件中输入的信源。

Matlab 仿真

用Matlab作为仿真工具编程仿真有关QAM误码率性能 指标的对比分析。采用加性高斯白噪声(AWGN)的信道，分 别得到16QAM调制和QPSK调制的误码率。图3所示是运 行程序所得到的误码率，即信噪比曲线图。

3.2 仿真波形分析

16QAM 在不同信噪比情况下的误码律绘制曲线可以看出，在进制数都为 16 的情况下，即信息传输速率相同的情况下，相同信噪比下 QAM 信号的误码率要小于 PSK 信号，即 QAM的抗噪声性能要优于 PSK。

4 结 语

通过基本原理与仿真分析可以看出，QAM 作为一种广泛被中、大容量数字微波通信系统、有线电视网络数据传输、卫星通信系统等领域使用的调制解调技术，拥有非常良好的发展前景。

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