現(xiàn)代調(diào)制與解調(diào)

1、 16QAM調(diào)制技術(shù)的深入 研究及仿真 班級：011214班 姓名：李晨亮 學(xué)號：01121376一16QAM調(diào)制技術(shù)基本介紹1.發(fā)展原因及現(xiàn)狀 在現(xiàn)代通信中，提高頻譜利用率一直是人們關(guān)注的焦點(diǎn)之一。近年來，隨著通信業(yè)務(wù)需求的迅速增長，尋找頻譜利用率高的數(shù)字調(diào)制方式已成為數(shù)字通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)、研究的主要目標(biāo)之一。正交振幅調(diào)制QAM(Quadrature Amplitude Modulation)就是一種頻譜利用率很高的調(diào)制方式，其在中、大容量數(shù)字微波通信系統(tǒng)、有線電視網(wǎng)絡(luò)高速數(shù)據(jù)傳輸、衛(wèi)星通信系統(tǒng)等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。在移動通信中，隨著微蜂窩和微微蜂窩的出現(xiàn)，使得信道傳輸特性發(fā)生了很大變化。 過去

2、在傳統(tǒng)蜂窩系統(tǒng)中不能應(yīng)用的正交振幅調(diào)制也引起人們的重視。QAM數(shù)字調(diào)制器作為DVB系統(tǒng)的前端設(shè)備，接收來自編碼器、復(fù)用器、DVB網(wǎng)關(guān)、視頻服務(wù)器等設(shè)備的TS流，進(jìn)行RS編碼、卷積編碼和QAM數(shù)字調(diào)制，輸出的射頻信號可以直接在有線電視網(wǎng)上傳送，同時(shí)也可根據(jù)需要選擇中頻輸出。它以其靈活的配置和優(yōu)越的性能指標(biāo)，廣泛的應(yīng)用于數(shù)字有線電視傳輸領(lǐng)域和數(shù)字MMDS系統(tǒng)。作為國際上移動通信技術(shù)專家十分重視的一種信號調(diào)制方式之一，正交振幅調(diào)制（QAM）在移動通信中頻譜利用率一直是人們關(guān)注的焦點(diǎn)之一，隨著微蜂窩（Microcell）和微微蜂窩（Picocell）系統(tǒng)的出現(xiàn)，使得信道的傳輸特性發(fā)生了很大變化，接收機(jī)

3、和發(fā)射機(jī)之間通常具有很強(qiáng)的支達(dá)分量，以往在蜂窩系統(tǒng)中不能應(yīng)用的但頻譜利用率很高的WAM已引起人們的重視，許多學(xué)者已對16QAM及其它變型的QAM在PCN中的應(yīng)用進(jìn)行了廣泛深入地研究。數(shù)字調(diào)制具有3種基本方式：數(shù)字振幅調(diào)制、數(shù)字頻率調(diào)制、數(shù)字相位調(diào)制，這3種數(shù)字調(diào)制方式都存在不足之處，如：頻譜利用率低、抗多徑抗衰弱能力差、功率譜衰減慢、帶外輻射嚴(yán)重等。為了改善這些不足，近幾十年來人們不斷提出一些新的數(shù)字調(diào)制解調(diào)技術(shù)，以適應(yīng)各種通信系統(tǒng)的要求。其主要研究內(nèi)容圍繞著減小信號帶寬以提高信號頻譜利用率；提高功率利用率以增強(qiáng)抗噪聲性能；適應(yīng)各種隨參信道以增強(qiáng)抗多徑抗衰落能力等。例如，在恒參信道中，正交振幅

4、調(diào)制（QAM）方式具有高的頻譜利用率，因此正交振幅調(diào)制（QAM）在衛(wèi)星通信和有線電視網(wǎng)絡(luò)高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)阮I(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。所謂正交振幅調(diào)制是用兩個獨(dú)立的基帶波形對兩個互相正交的同頻載波進(jìn)行抑制載波的雙邊帶調(diào)制。在這種調(diào)制中，已調(diào)載波的振幅和相位都隨兩個獨(dú)立的基帶信號變化。采用多進(jìn)制正交振幅調(diào)制，可記為MQAM（M2）。增大M可提高頻率利用率，也即提高傳輸有效性。下面介紹MQAM的基本原理。2.16QAM的基本原理MQAM信號表示式可寫成 (2.1.1)其中，Ai和Bi是振幅，表示為 (2.1.2)其中，i,j=1,2,，L，當(dāng)L=1時(shí)，是4QAM信號；當(dāng)L=2時(shí)，是16QAM信號；當(dāng)L=4時(shí)，是

5、64QAM信號。選擇正交的基本信號為 (2.1.3) 在信號空間中MQAM信號點(diǎn) (i,j=1,2,L) (2.1.4) 圖2.1.1是MQAM的星座圖，這是一種矩形的MQAM星座圖。 圖2.1.1 MQAM信號星座圖為了說明MQAM比MPSK具有更好的抗干擾能力，圖2.1.2示出了16PSK和16QAM的星座圖，這兩個星座圖表示的信號最大功率相等，相鄰信號點(diǎn)的距離d1，d2分別為： 2DPSK 16QAM 結(jié)果表明，d2d1，大約超過1.64dB。合理地比較兩星座圖的最小空間距離應(yīng)該是以平均功率相等為條件?？梢宰C明，在平均功率相等條件下，16QAM的相鄰信號距離超過16PSK約4.19dB。

6、星座圖中，兩個信號點(diǎn)距離越大，在噪聲干擾使信號圖模糊的情況下，要求分開兩個可能信號點(diǎn)越容易辦到。因此16QAM方式抗噪聲干擾能力優(yōu)于16PSK。圖2.1.2 16QAM和16PSK的星座圖MQAM的星座圖除正方形外，還有圓形、三角形、矩形、六角形等。星座圖的形式不同，信號點(diǎn)在空間距離也不同，誤碼性能也不同。MQAM和MPSK在相同信號點(diǎn)數(shù)時(shí)，功率譜相同，帶寬均為基帶信號帶寬的2倍。3. 16QAM的調(diào)制解調(diào)原理：MQAM的調(diào)制解調(diào)框圖如圖2.2.1所示。在發(fā)送端調(diào)制器中串/并變換使得信息速率為Rb的輸入二進(jìn)制信號分成兩個速率為Rb/2的二進(jìn)制信號，2/L電平轉(zhuǎn)換將每個速率為Rb/2的二進(jìn)制信號

7、變?yōu)樗俾蕿镽b/（2lbL）的電平信號，然后分別與兩個正交載波相乘，再相加后即得MQAM信號。在接收端解調(diào)器中可以采用正交的相干解調(diào)方法。接受到的信號分兩路進(jìn)入兩個正交的載波的相干解調(diào)器，再分別進(jìn)入判決器形成L進(jìn)制信號并輸出二進(jìn)制信號，最后經(jīng)并/串變換后得到基帶信號。MQAM調(diào)制MQAM的解調(diào)圖2.2.1 MQAM調(diào)制解調(diào)框圖2.3 QAM的誤碼率性能矩形QAM信號星座最突出的優(yōu)點(diǎn)就是容易產(chǎn)生PAM信號可直接加到兩個正交載波相位上，此外它們還便于解調(diào)。對于M下的矩形信號星座圖（k為偶數(shù)），QAM信號星座圖與正交載波上的兩個PAM信號是等價(jià)的，這兩個信號中的每一個上都有個信號點(diǎn)。因?yàn)橄辔徽环至?/p>

8、上的信號能被相干判決極好的分離，所以易于通過PAM的誤碼率確定QAM的誤碼率。M進(jìn)制QAM系統(tǒng)正確判決的概率是式中是進(jìn)制PAM系統(tǒng)的誤碼率，該P(yáng)AM系統(tǒng)具有等價(jià)QAM系統(tǒng)的每一個正交信號中的一半平均功率。通過適當(dāng)調(diào)整M進(jìn)制PAM系統(tǒng)的誤碼率，可得其中是每個符號的平均信噪比。因此M進(jìn)制QAM的誤碼率為)可以注意到，當(dāng)k為偶數(shù)時(shí)，這個結(jié)果對M情形時(shí)精確的，而當(dāng)k為奇數(shù)時(shí)，就找不到等價(jià)的進(jìn)制PAM系統(tǒng)。如果使用最佳距離量度進(jìn)行判決的最佳判決器，可以求出任意k1誤碼率的嚴(yán)格上限其中是每比特的平均信噪比。4. 16QAM的改進(jìn)方案：為了適應(yīng)不同的需要，QAM有一些改進(jìn)方案，如正交部分響應(yīng)幅度調(diào)制（MQP

9、R）、非線性正交振幅調(diào)制（NLA-QAM）、疊加式正交振幅調(diào)制（SQAM）等，還可以把QAM調(diào)制與信道編碼技術(shù)結(jié)合起來設(shè)計(jì)，取得最優(yōu)的可靠性和有效性，這種技術(shù)稱為網(wǎng)格編碼調(diào)制（TCM）。1.MQPR調(diào)制這是一種在多電平正交調(diào)制中，上下兩支路的同相和正交基帶信號都用部分響應(yīng)信號（通常采用第類和第類部分響應(yīng)）的調(diào)制方式。QPR與QAM相比，在相同信息傳輸速率條件下，嚴(yán)格帶寬受限的QPR優(yōu)于QAM。2.NLA-QAM調(diào)制QAM信號在進(jìn)行傳輸之前，還要進(jìn)行功率放大，而高效的功率放大是非線性的功率放大器，故而需考慮非線性對QAM的特性沒有明顯的影響措施，這就是NLA-QAM調(diào)制。NLA-QAM信號的產(chǎn)生

10、方法與QAM不相同，但解調(diào)的方法與QAM完全一樣。3.SQAM調(diào)制QAM調(diào)制信號在碼元轉(zhuǎn)換時(shí)刻有相位跳變的時(shí)刻，旁瓣分量比連續(xù)相位的調(diào)制信號要高。要改善QAM的頻譜特性，應(yīng)改善其基帶波形以平滑碼元轉(zhuǎn)換時(shí)的相位變化，SQAM就是從這個角度提出的。SQAM的基本脈沖波形是由兩個寬度為TB的升余弦波形與一個寬度為2TB的升余弦波形疊加而成。采用正交調(diào)制方式時(shí)，在下支路要延時(shí)TB/2，并且上下兩支路放大倍數(shù)相差60dB。SQAM信號的功率譜與QAM相比，旁瓣分量得到有效地抑制。 3系統(tǒng)的組成框圖，子系統(tǒng)組成框圖及圖符塊參數(shù)設(shè)置16QAM的調(diào)制解調(diào)框圖如下所示：二.仿真的系統(tǒng)總體電路圖：（這是我用sys

11、temview 所進(jìn)行的仿真，其中部分電路是參考網(wǎng)上的一些電路圖設(shè)計(jì)出來的。)圖5.2 16QAM調(diào)制解調(diào)電路框圖5.1.1信號源部分本次仿真在信號源部分采用了偽隨機(jī)序列發(fā)生器，本系統(tǒng)只對基帶信號碼元速率設(shè)定為16000kbps。信源t0為激勵信號，頻率為16000HZ，t1為偽隨機(jī)序列發(fā)生器。t3為串并轉(zhuǎn)換模塊，將信源分成兩路輸出。t16和t37為2-4電平轉(zhuǎn)換模塊，該部分是將之前的兩路信號再進(jìn)行串并轉(zhuǎn)換然后進(jìn)行二四電平轉(zhuǎn)換。5.1.2 串并轉(zhuǎn)換模塊圖5.4 串并轉(zhuǎn)換模塊t5為時(shí)鐘序列，以雙極性為脈沖序列，頻率為8000HZ，作為t12和t14的觸發(fā)器時(shí)鐘信號。系統(tǒng)首先將輸入的偽隨機(jī)序列同時(shí)

12、送入兩個觸發(fā)器的數(shù)據(jù)端端口。T6和t7對觸發(fā)器提供使能端及清零端的偏置。由于觸發(fā)器的置數(shù)端和清零端都是低電平有效，所以設(shè)置正弦信號發(fā)生器頻率和相位都為0，并以余弦端輸出至兩個端口端，這樣觸發(fā)器就能正常工作。5.1.3 2/4電平轉(zhuǎn)換模塊對于t23、t25、t28所組成的電路就是之前進(jìn)行的串并轉(zhuǎn)換電路。但要注意，此時(shí)t21的脈沖序列周期要變成原來的兩倍，這是因?yàn)榻?jīng)過串并轉(zhuǎn)換后，并行電路的碼元寬度變成串行的兩倍。對于t30，其input0為t31提供，t31為正弦函數(shù)，設(shè)定頻率和相位為0，幅度為-2，取cos輸出接至t30input0。另一個input1由t32提供，幅值為2。t30的控制端為并行

13、輸出的第一路。對t34與t30設(shè)置相似，但是其input0和1分別由提供-1和1的正弦信源提供。5.2.1 相干解調(diào)5.2.2 4/2電平判決圖 5.11 4/2電平轉(zhuǎn)換模塊對于電平判決，我們可以將四電平分成兩級，第一級為門限值為0V的一級。這一級將四電平分為正值和負(fù)值，正值時(shí)兩位二進(jìn)制輸出的第一位為1，負(fù)值時(shí)兩位二進(jìn)制輸出第一位為0。第二級分成兩個部分，第一個部分判決門限為2V，在第一級輸出為1的前提下，如果第二級大于2V時(shí)輸出第二位為1，小于2V時(shí)輸出第二位為0；同樣在第一級輸出為0的前提下，如果第二級大于-2V時(shí)輸出第二位為1，小于-2V時(shí)輸出第二位為0。該部分的功能是有電路中t77、t

14、81、t83實(shí)現(xiàn)的。t84是完成對第二級輸出的組合。由于第二級輸出的二進(jìn)制由t81和t83產(chǎn)生，所以必須在第一級確定的情況下對第二級輸出進(jìn)行選擇。t84實(shí)現(xiàn)的就是這個功能。t84的輸入控制端由t77提供，也就是第一級輸出的二進(jìn)制控制。在第一級輸出為1時(shí)，我們控制t81的結(jié)果輸出即可，所以t84的input1與t81輸出端相連，input0與t83輸出端相連。從而完成了第二路（就是并行數(shù)據(jù)第二路）的數(shù)據(jù)輸出。5.2.3 毛刺消除模塊5.2.4 并串轉(zhuǎn)換模塊本系統(tǒng)中的并串轉(zhuǎn)換模塊由兩個異或門，一個與門，兩個D觸發(fā)器構(gòu)成。我們以下面的數(shù)字電路做說明。systemview并串轉(zhuǎn)換子系統(tǒng)該電路中，第一個

15、輸入為并行數(shù)據(jù)的第一路輸入，第二個為其中一個時(shí)鐘信號，第三個為兩個觸發(fā)器的輸入時(shí)鐘信號，第四個為并行數(shù)據(jù)第二路信號。D觸發(fā)器的清零和置數(shù)端口不再說明。時(shí)鐘的設(shè)置是，第二個輸入時(shí)鐘周期（一個時(shí)鐘周期包括一個上升單元和下降單元）與輸入信號相同，第三個輸入（D觸發(fā)器的時(shí)鐘）時(shí)鐘周期為輸入信號的一半。當(dāng)?shù)诙€輸入為0時(shí)，第一路信號可以通過與門送至后面的或門，而第二路信號的輸出端不能通過與門到下一級或門，所以此時(shí)D觸發(fā)器的輸出為第一路信號。當(dāng)?shù)诙€輸入為1時(shí)，則第二個觸發(fā)器的輸出信號可以通過與門送至第一個觸發(fā)器的輸入的，經(jīng)觸發(fā)器CLK激發(fā)即可輸出第二路信號。從而實(shí)現(xiàn)并變串的轉(zhuǎn)換。將最后得到的兩路信號在進(jìn)

16、行并串轉(zhuǎn)換即可。該電路圖部分中t190和t207實(shí)現(xiàn)的就是上面的經(jīng)過四二電平轉(zhuǎn)換和波形整形后進(jìn)行的并串轉(zhuǎn)換子系統(tǒng)。三數(shù)據(jù)以及性能分析（1）輸入基帶信號和解調(diào)后輸出信號（2）一路輸入信號和解調(diào)后一路輸出信號（3）二路輸入信號和解調(diào)后二路輸出信號（4）調(diào)制后一路二路以及總信號（5）接收端輸入信號5眼圖和星座圖（1） 調(diào)制前星座圖和相位路徑轉(zhuǎn)換圖（2） 解調(diào)后相位路徑轉(zhuǎn)換圖（3） 眼圖（無噪聲）（4） 眼圖（低噪聲）（5） 眼圖（高噪聲）6主要信號的功率譜密度曲線（1） 基帶信號頻譜（2） 調(diào)制后16QAM信號頻譜（3） 接收端輸入信號頻譜（有噪聲）7濾波器幅頻特性曲線8抗噪聲特性曲線結(jié)論： 將16Q