QAM调制解调

QAM调制与解调软硬件实现刘军涛西南科技大学信息工程学院四川绵阳621002【摘要】本文介绍了QAM调制、解调和判决原理，讨论了QAM的误码率性能，并在SystemView下对系统进行了仿真，观察并分析了原始输入信号、调制信号、解调信号、星座图以及QAM信号的功率谱图。【关键词】正交幅度调制QAM、误码率性能、SystemView仿真1引文随着通信业迅速的发展，传统通信系统的容量已经越来越不能满足当前用户的要求，而可用频谱资源有限，业不能靠无限增加频道数目来解决系统容量问题。另外，人们亦不能满足通信单一的语音服务，希望能利用移动电话进行图像等多媒体信息的通信。但由于图像通信比电话需要更大的信道容量。高效、可靠的数字传输系统对于数字图像通信系统的实现很重要，正交幅度调制QAM是数字通信中一种经常利用的数字调制技术，尤其是多进制QAM具有很高的频带利用率，在通信业务日益增多使得频带利用率成为主要矛盾的情况下，正交幅度调制方式是一种比较好的选择。2QAM调制解调原理2．1QAM调制正交幅度调制QAM是数字通信中一种经常利用的数字调制技术，尤其是多进制QAM具有很高的频带利用率，在通信业务日益增多使得频带利用率成为主要矛盾的情况下，正交幅度调制方式是一种比较好的选择。正交幅度调制（QAM）信号采用了两个正交载波tftfcc2sin2cos和，每一个载波都被一个独立的信息比特序列所调制。发送信号波形如图2.1.1所示2,2sin)(2cos)()(tftgAtftgAtucTmscTmcmMm,...,2,1图2.1.1M=16QAM信号星座图式中{mcA}和{msA}是电平集合，这些电平是通过将k比特序列映射为信号振幅而获得的。例如一个16位正交幅度调制信号的星座图如下图所示，该星座是通过用M＝4PAM信号对每个正交载波进行振幅调制得到的。利用PAM分别调制两个正交载波可得到矩形信号星座。QAM可以看成是振幅调制和相位调制的结合。因此发送的QAM信号波形可表示为),2cos()()(ncTmmntftgAtu,,....,2,11Mm,,....,2,12Mn如果,211kM,222kM那么QAM方法就可以达到以符号速率)(21kkRB同时发送12221logMMkk个二进制数据。图2.1.2给出了QAM调制器的框图。3图2.1.2QAM调制器框图2．2QAM的解调和判决假设在信号传输中存在载波相位偏移和加性高斯噪声。因此r(t)可以表示为)()2sin()()2cos()()(tnftgAftgAtrcTmscTmc其中是载波相位偏移，且tftntftntncscc2)(2cos)()(将接收信号与下述两个相移函数进行相关)2cos()()(1tftgtcT)2sin()()(2tftgtcT如图2.2.1所示，相关器的输出抽样后输入判决器。使用图2.2.1中所示的锁相环估算接收信号的载波相位偏移，相移)(1t和)(2t对该相位偏移进行补偿。4图2.2.1QAM信号的解调和判决假设图中所示的时钟与接收信号同步，以使相关器的输出在适当的时刻及时被抽样。在这些条件下两个相关器的输出分别为sincos1scmcnnArcossin2scmcnnAr其中dttgtnnTTcc)()(210dttgtnnTTss)()(210噪声分量是均值为0，方差为20N的互不相关的高斯随机变量。最佳判决器计算距离量度2),(mmsrsrDMm,...2,12．3QAM的误码率性能矩形QAM信号星座最突出的优点就是容易产生PAM信号可直接加到两个正交载波相位上，此外它们还便于解调。对于M＝k2下的矩形信号星座图（k为偶数），QAM信号星5座图与正交载波上的两个PAM信号是等价的，这两个信号中的每一个上都有22kM个信号点。因为相位正交分量上的信号能被相干判决极好的分离，所以易于通过PAM的误码率确定QAM的误码率。M进制QAM系统正确判决的概率是2)1(McPP式中MP是M进制PAM系统的误码率，该PAM系统具有等价QAM系统的每一个正交信号中的一半平均功率。通过适当调整M进制PAM系统的误码率，可得)13()11(20NEMQPavMM其中0NEav是每个符号的平均信噪比。因此M进制QAM的误码率为1(1MPMP)2可以注意到，当k为偶数时，这个结果对M＝k2情形时精确的，而当k为奇数时，就找不到等价的M进制PAM系统。如果使用最佳距离量度进行判决的最佳判决器，可以求出任意k1误码率的严格上限20)1(3211NMEQPavM0)1(34NMkEQavb其中0NEavb是每比特的平均信噪比。63QAM调制解调的SystemView仿真图3.1为QAM调制解调的SystemView仿真实验电路图。图3.1QAM仿真电路图图3.2为子系统15的并串转换仿真电路图图3.2并串转换仿真电路图7图3.4为子系统70串并转换仿真电路图。图3.4串并转换仿真电路图图3.3为子系统43的抽样判决仿真电路图。图3.3抽样判决仿真电路图图3.5为输入的2电平伪随机码信号。图3.52电平伪随机码波形8图3.6为在噪声干扰下的QAM调制信号。图3.6噪声干扰下的QAM调制信号图3.7为解调后的信号。图3.7解调后信号图3.8为并串转换后I路输入信号。图3.8I路输入信号9图3.9为并串转换后Q路输入信号。图3.9Q路输入信号图3.10为载波恢复后低通滤波后Q路信号。图3.10载波恢复后低通滤波后Q路信号图3.11为载波恢复后低通滤波后I路信号图3.11载波恢复后低通滤波后I路信号10图3.12为抽样判决后I路信号。图3.12抽样判决后I路信号图3.13为抽样判决后Q路信号。图3.13抽样判决后Q路信号图3.15为QAM信号的功率谱图。图3.15QAM信号的功率谱11图3.14为仿真的M为4的QAM星座图。图3.14M＝4的QAM星座图4结论由QAM调制解调原理以及在SystemView下的仿真，可以看到QAM信号具有很高的频带利用率以及较好的信噪比。在通信业务日益增多使得频带利用率成为主要矛盾的情况下，正交幅度调制方式是一种较好的选择。参考文献[1]曹志刚钱亚生.现代通信原理.清华大学出版社.1992年8月[2]王立宁乐光新詹菲.MATLAB与通信仿真.人民邮电出版社.2000年1月[3]M-QAM调制技术及其在移动通信中的应用.移动通信杂志.2001年第一期