QAM传输系统的设计与实现

QAM传输系统的设计与实现什么是QAM？信号传输的过程中需要都要占用一定的带宽，数字信号的传输比模拟信号对带宽的需求更高。随着卫星有效载荷种类的增多和分辨率的不断提高，需要传输的信息量越来越大。为了将这些信息实时传输到地面，对卫星上数传系统的传输能力的要求就越来越高。为了在有限的带宽信道中有效的传输大量的数据，人们研制了各种调制方式来解决有限带宽和大量数据传输之间的矛盾。例如可以采用多进制数字调制(包括幅度、频率、和相位多进制调制)、联合调制、网格调制等等。其中幅度和相位联合调制方式，即QAM（QuadratureAmplitudeModulation）调制方式综合ASK(AmplitudeShiftKeying)与PSK(PhaseShiftKeying)的优点，并通过采用多进制调制方式来提高频带利用率(提高信息传输速率)，因此它在频带利用率和接收端误译码率等指标上，比单一调制正弦波的一个参数的调制方式都要优越，但它的设备复杂程度也是比较高的。随着电子技术的不断发展，设备复杂性也在相对地降低，因此QAM方式是目前高速调制解调器中比较好的的调制方式。QAM调制解调技术在数字通信领域的应用优势以WCDMA、CDMA2000和TD-SCDMA为代表的第三代移动通信网络除了支持传统的话音业务以外，还推出了大容量的宽带数据服务，与以GSM、CDMA1595标准为代表的第二代移动通信系统相比，在技术上，3G系统的上下行速率理论上可以达到2Mbit/s左右的水平，它可以提供包括视频在内的各种多媒体宽带应用服务，诸如下载或流媒体类业务，需要系统提供更高的传输速率和更多的延迟。为了满足此要求，WCDMA对空口接口作了改进，引入了HSDPA技术，使之可支持高达10Mbit/s的峰值速率。在HSDPA系统中引进了AMC技术，在HSDPA系统中AMC的调制选择了低阶的QPSK和高阶的16QAM，作为其调制方式。同样，作为宽带无线接入技术，韩国引入了WIBro技术，它可采用三种调制方式，包括QPSK、16QAM、64QAM等。而目前作为中国国内唯一拥有自主知识产权的高速率无线宽带接入技术—McWiLL，McWiLL终端接入设备CPE亦采用QPSK/8PSK/QAM16/QAM64自适应调制技术。IEEE802.16a标准即WiMAX有很强的的市场竞争力，真正成为城域网的无线接入手段。为了抵抗多径效应等，WIMAX协议中引入了新的物理层技术，而WiMAX协议物理层的OFDM符号的构造方案亦采用QAM调制方式[4-5]。移动通信系统中的另一研究热点即数字集群移动通信系统，也采用QAM数字调制技术[4-5]。与频率调制MSK、GMSK，相位调制OQPSK、π/4-QPSK等相比，QAM是一种相位和振幅联合控制的数字调制技术。它不仅可以得到更高的频谱效率，而且可以在限定的频带内传输更高速率的数据。在数字广播电视传输中，QAM成为DVB-C系统标准的调制方式。QAM除了是DOCSISl.1标准中规定的调制方式之外，而且成为现代CATV双向网、宽带接入技术ADSL、VADSL中规定的调制方式[4-5]。脉冲编码调制脉冲编码调制(pulsecodemodulation——PCM)是典型的编码方式，通常把从模拟信号抽样、量化、直到变为二进制符号的基本过程称为PCM。其原理框图如下图所示：差分脉冲编码调制PCM体制需要用64kb的速率传输1路数字信号，而传输一路模拟电话仅占用4kHZ带宽。相比之下，采用PCM，则数码率太高，传输PCM信号占用更大带宽。例如，对于频带为1MHz的可视电话信号进行编码，根据采样定理，采样速率，若每样值采用8位编码，则数码率为16Mbit/s。对于电视信号，图像信号宽带为6MHz，若也采用8位编码，则数码率将达100Mbit/s。为了降低数字电话信号的比特率，改进方法之一是采用预测编码方法。预测编码方法有多种，差分脉冲编码调制，简称差分脉码调制DPCM，是其中广泛应用的一种基本预测方法。DPCM编解码基本原理DPCM是一种利用信号样值之间的关联特性进行高效率波形编码的方法。当信号样值序列中邻近样值之间存在明显的关联时，那么样值的差值方差就会比较样值本身的方差要小。PCM中直接传输样值本身，而在DPCM中，传输数据为样值的差值，在量化误差不变的条件下，就可以用较少的比特数来表示码字，也就提高了波形编码的效率。DPCM的组成方框如下图所示：QAM调制原理正交振幅调制（QAM）就是用两个相互独立的数字基带信号对相互正交且频率相同的两路载波信号进行双边带调制，因为这种已调信号在同一带宽内频谱正交，所以可用来实现同相和正交两路并行的数字信号传输。正交振幅调制（QAM）信号的一般表示式为：上式中，是基带信号的幅度，是单个基带信号的波形，宽度为。QAM信号调制原理结构图如下图所示：)cos()()(ncSnnMQAMtnTtgAtsnAnA)(SnTtgSTQAM解调原理MQAM信号的解调通常采用正交相干解调法，其解调器原理图如下所示解调端接收到的带有噪声的已调MQAM信号作为输入，与本地恢复的两个相互正交的载波信号进行相乘运算后，再经过低通滤波也就是匹配滤波器，输出两路多电平基带信号X(t)和Y(t)。多电平判决器对多电平基带信号进行判决和检测，再经L电平到2电平转换和并/串变换器最终输出二进制码流。QAM传输系统的构建与仿真模拟信源数字通信系统模型：数字通信系统是利用数字信号来传递信息的通信系统，数字通信涉及的技术问题很多，其中主要有信源编码与译码、数字调制与解调等，系统框图如下图所示。QAM传输系统的模型此QAM传输系统设计要求：（1）模拟信号源输出模拟信号，此模拟信号可以是声音信号或图像信号；（2）在发送端，模拟信号经过DPCM编码，实现数据压缩及模拟信号数字化，再经过QAM调制后发射出去；（3）通过信道传输，信道一方面提供通路，另一方面不可避免地得来噪声，主要考虑加性噪声，如高斯白噪声；（4）在接收端，先经过QAM解调，再对其进行DPCM解码，允许一定失真情况下最终恢复出原始信号。QAM传输系统的仿真Simulink模块库中提供了16QAM调制模块、16QAM解调模块、DPCM编码模“DPCMEncoder”及DPCM解码模块“DPCMDecoder”等模块，利用这些模块构建模拟信源的QAM数字传输测试模型，如图所示。在发送端，信源利用信号发生器产生一200Hz正弦信号，对其先进行DPCM编码完成模数转换，再进行16QAM数字调制，然后发送经信道传输。要求仿真时间长度为20s，步进为1/32000s。Gain模块用于调整输入信号的幅度。在接收端，对接收到的已调信号先进行16QAM解调，再进行DPCM解码完成数模转换。设置AWGN信道噪声方差为0.01启动仿真。此系统QAM调制信号的星座图和眼图如下图所示。在接收端，对接收到的已调信号先进行16QAM解调，再进行DPCM解码完成数模转换。设置AWGN信道噪声方差为0.01启动仿真。此系统QAM调制信号的星座图和眼图如下图所示。仿真结果通过示波器观察发送端原始的输入信号和接收端恢复出的信号。示波器输出波形如下图所示：若在发送端信源利用信号发生器产生一800Hz三角波信号，经过此系统传输，在接收端通过示波器观察发送端原始的输入信号和接收端恢复出的信号。示波器输出波形如下图所示：由以上两图所示的仿真结果表明此QAM传输系统可以实现模拟信号的数字化传输。应用实例的仿真在现代的数字通信中，和人们生活联系最为紧密的就是声音信号和图像信号的传输。这里我们以语音信号（文件名GDGvoice8000.WAV）为例来验证此传输系统的性能。使用Simulink中的DSP模块库的音频输入输出模块可以对真实的音频信号进行处理，并基于DPCM编解码模块、QAM调制解调模块构建语音信号的QAM数字传输测试模型，如下图所示。在发送端，对一段音频信号先进行PCM编码完成模数转换，再进行QAM数字调制，然后发送经信道传输。要求仿真时间长度为20s，步进为1/32000s。Gain模块用于调整输入声音信号的幅度。在接收端，对接收到的已调信号先进行解调，再进行DPCM解码完成数模转换。重新设置AWGN信道(不考虑通信信道信号时,由宽频范围描述的统计随机无线噪声)噪声方差分别为0.01、0.001数量级或其以下时，启动仿真，均可听到在特定的误码率下传输的DPCM解码语音信号。尽管有明显的“咯咯”解码噪声，但话音基本能听懂。同时，通过示波器观察发送端原始的输入信号和接收端恢复出的信号，如下图图所示：通过上面的验证可看出，在此仿真中，不管使用扬声器来聆听话音信号，还是通过示波器观察接收端恢复的语音信号，两种方法的结果都说明在一定的信道误码情况下，所构建的QAM传输系统可以实现语音信号的正确传输。结论：QAM调制技术不仅可以得到更高的频谱效率，而且可以在限定的频带内传输更高速率的数据，所以被广泛地应用。尤其在带宽资源不是很丰富的移动通信和卫星通信中更显现出该调制技术的优越性。本次仿真存在的不足：在研究模拟信号数字化——DPCM时，没能够将自适应技术引入量化和预测过程，未实现模拟信号的自适应差分脉码调制ADPCM。谢谢大家！祝大家新年快乐！