通信中星座图简介

数字通信中几种调制方式的星座图由于实际要传输的信号（基带信号）所占据的频带通常是低频开始的，而实际通信信道往往都是带通的，要在这种情况下进行通信，就必须对包含信息的信号进行调制，实现基带信号频谱的搬移，以适合实际信道的传输。即用基带信号对载波信号的某些参量进行控制，使载波的这些参量随基带信号的变化而变化。因为正弦信号的特殊优点（如：形式简单，便于产生和接受等），在大多数数字通信系统中，我们都选用正弦信号作为载波。显然，我们可以利用正弦信号的幅度，频率，相位来携带原始数字基带信号，相对应的分别称为调幅，调频，调相三种基本形式。当然，我们也可以利用其中二种方式的结合来实现数字信号的传输，如调幅-调相等，从而达到某些更加好的特性。一．星座图基本原理一般而言，一个已调信号可以表示为：()()cos(2)NmnkstAgtft0tT（1）00001,2......1,2.......1,2........1,2........NNmmnnkk上式中，()gt是低通脉冲波形，此处，我们为简单处理，假设()1gt，0tT，即()gt是矩形波，以下也做同样处理。假设一共有0N（一般0N总是2的整数次幂，为2，4，16，32等等）个消息序列，我们可以把这0N个消息序列分别映射到载波的幅度mA，频率nf和相位k上，显然，必须有0000Nmnk才能实现这0N个信号的传输。当然，我们也不可能同时使用载波信号的幅度、频率和相位三者来同时携带调制信号，这样的话，接收端的解调过程将是非常复杂的。其中最简单的三种方式是：(1).当nf和k为常数，即0000,1,1mNnk时，为幅度调制(ASK)。(2).当mA和k为常数，即00001,,1mnNk时，为频率调制(FSK)。(3).当mA和nf为常数，即00001,1,mnkN时，为相位调制(PSK)。我们也可以采取两者的结合来传输调制信号，一般采用的是幅度和相位结合的方式，其中使用较为广泛的一项技术是正交幅度调制(MQAM)。我们把（1）式展开，可得：()()cos2cos()sin2sinNmnkmnkstAgtftAgtft(()cos)cos2(()sin)sin2mknmknAgtftAgtft（2）根据空间理论，我们可以选择以下的一组基向量：22[()cos2,()sin2]nngggtftgtft其中g是低通脉冲信号的能量，20()TggtdtT。这样，调制后的信号就可以用信号空间中的向量[cos,sin]22ggmkmkAA来表示。当在二维坐标上将上面的向量端点画出来时，我们称之为星座图，又叫矢量图。也就是说，星座图不是本来就有的，只是我们这样表示出来的。星座图对于判断调制方式的误码率等有很直观的效用。由此我们也可以看出，由于频率调制时，其频率分量始终随着基带信号的变化而变化，故而其基向量也是不停地变化，而且，此时在信号空间中的分量也为一个确定的量。所以，对于频率调制，我们一般都不讨论其星座图的。二．星座图的几个例子下面我们就除频率调制之外的其他几种调制方式分别说明。1．MASK调制MASK调制是多进制幅度调制，故其载波频率cf和相位()一般取=0为一常数，于是，其已调信号可以写成：()()cos2cos2mmcmcstAgtftAft(21)mAmMd，01.....1mM，2d是两相邻信号幅度之间的差值，此时，每个已调信号的波形可携带2logM比特的信息。基向量为：2[cos2]cgft，式中20()TggtdtT。则MASK调制信号可以用信号空间中的向量为：[]2gmmsA来表示，其星座图是在X轴上的一些离散的点。ASKconstellation图一在Matlab中自带了画星座图的函数，上面的图调用了modmap('ask',8)。2．MPSK调制MPSK是多进制相位调制，是利用载波的多种不同相位来表征数字信息的调制方式。分为绝对相位调制和相对相位调制，此处，我们仅对绝对相位调制进行讨论。对于一个M相相位调制，其已调信号可以表示为：22()()cos(2)cos(2)mccmmstAgtftAftMM0,1.....1mM其中A信号幅度，cf是载波频率，为初始相位。选择一组基向量：22[()cos2,()sin2]ccgggtftgtft其中20()Tggtdt。则信号空间的向量表示为：22[cos(),sin()]22ggmmAAMM图二中分别画出2,4M时候的星座图。当2M时，一般取0，载波的相位只有0和，分别代表01和，如(a)所示；当4M时，取0，则载波的相位分别为30,,22和，如(b)所示；若取4，则载波的相位分别为357,4444，和，如(c)所示。图中圆的半径为2gA。(a)2M,0(b)4M,0(c)4M,4图二3．正交幅度调制(MQAM)一个MQAM信号可以看成是在两个正交载波上进行幅度调制的叠加：()()cos2()sin2mmccmscstAgtftAgtftcos2sin2mccmscAftAft其中()gt是低通脉冲波形，此处我们仍然假设为矩形波。cf是载波频率，,mcmsAA是一组幅值，0,1.....1mM，这样可以将不同的信号序列映射到不同的幅值电平上。选择基向量：22[()cos2,()sin2]ccgggtftgtft其中20()Tggtdt。-3-113-3-1130123456789101112131415In-phaseQuadratureQASKConstellation-7-5-3-11357-7-5-3-113570123456789101112131415161718192021222324252627282930313233343536373839404142434445464748495051525354555657585960616263In-phaseQuadratureQASKConstellation(a)MQAM-16的星座图(b)MQAM-64的星座图图三则MQAM信号在空间中可以表示为：[,]22ggmcmsAA这样可以得到MQAM调制的星座图。如图三所示。以上是MQAM调制的方形星座图，我们还可以画出MQAM调制的圆形星座图。()cos2sin2mmccmscstAftAftcos(2)(cos)cos2(sin)sin2mcmmmcmmcAftAftAft其中，22msmmcAAA，arctan()mmcmsAA，于是，我们可以把MQAM调制看成是幅度调制和相位调制的结合。我们选取22[()cos2,()sin2]ccgggtftgtft作为基向量。则在信号空间中可以表示为：[cos,sin]22ggmmmmAA这样我们可以画出上面的圆形的MQAM调制的星座图。三．星座图的作用下面简要说明一下星座图在实际情况中的应用。前面已经说了，星座图对于判断调制方式的误码率等有很直观的效用。下面我们利用Matlab对于QPSK(M=4)调制举一个例子来说明：分别选取信噪比为0dB,10dB,20dB，在接收端观察接收到的信号向量。程序：Fd=1;%消息序列的采样速率Fs=3;%已调信号的采样速率M=4;forSNR_dB=0:10:20Eb_N0=10^(SNR_dB/10);sgma=sqrt(1/(8*Eb_N0));x=randint(10,1,M);%产生0,1,2,3等概分布的10个序列作为消息序列y=dmodce(x,Fd,Fs,'psk',M);%对x进行数字基带调制，方式为QPSKynoise=y+sqrt(Fs/Fd)*sgma*(randn(length(y),1)+j*randn(length(y),1));%模拟信道，加噪figure(SNR_dB+1)axis([-1.2,1.2,-1.2,1.2])holdonfori=0:M-1plot(cos(2*pi*i/M),sin(2*pi*i/M),'.','MarkerSize',20)%完美的星座图endplot(ynoise,'+')%接收端实际接收到的信号的矢量图holdoffend-1-0.500.51-1-0.500.51-1-0.500.51-1-0.500.51(a)QPSKSNR=0dB(b)QPSKSNR=10dB-1-0.500.51-1-0.500.51(c)QPSKSNR=20dB图三分析：如图三所示，其中黑点是没有加入噪声时的实际情况噪声条件下的信号映射到空间中的矢量图，而加号(+)是在信道传输中。由此我们可以看出此时系统近似的误码率。(a)是信噪比是0dB时的情况，由于此时的噪声很大（其能量和要传输的信号一样大），在星座图上可以看出，信号受噪声影响很大，与理想情况下的矢量点偏离较远，误码率也就很高。(b)是信噪比是10dB时的情况，此时的噪声的能量是要传输信号能量的十分之一。我们可以看出，在信号空间中实际信号的分布比较集中了，误码率明显降低。(c)信噪比是20dB时的情况，此时的噪声的能量是要传输信号能量的百分之一。我们可以看出，在信号空间中实际信号的分布非常集中了，此时的误码率已经是非常低了。[参考书目]：1．樊昌信等.通信原理(第五版)国防工业出版社2．曹志刚等.现代通信原理清华大学出版社3．Proakis现代通信系统——使用Matlab刘树棠译西安交通大学出版社4．钟麟等Matlab仿真技术与应用教程国防工业出版社