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基于已知特性信道的QAM系统的仿真和性能分析

来源：华佗小知识

第31卷第2期昆明理工大学学报(理工版)

2006年4月　JournalofKunmingUniversityofScienceandTechnology(ScienceandTechnology)Vol.31　No12

　Apr.2006

宋耀莲,邵玉斌,张起晶,江晶

(昆明理工大学信息工程与自动化学院,云南昆明650051)

摘要:论述了正交幅度调制(QAM)的原理和特性,并在已知特性的通信信道上进行QAM调制

和解调仿真,对具有符号间干扰(ISI)的信道进行线性均衡和判决反馈均衡来提高QAM调制解调的性能.通过对得到的仿真结果进行比较和分析,在理论上,得到合理设计QAM系统的方法.这些分析方法和得到的结论对工程中的QAM调制解调系统实现具有一定的价值.关键词:正交幅度调制;线性均衡器;符号间干扰;信噪比;调剂解调

中图分类号:TN915.05　　文献标识码:A文章编号:1007-855X(2006)01-0057-05

SimulationandPerformanceAnalysisontheSystemofQuadratureAmplitude

ModulationandDemodulationBasedontheKnownChannelsSONGYao2lian,SHAOYu2bin,ZHANGQi2jing,JIANGJing

(FacultyofInformationEngineeringandAutomation,KunmingUniversityofScienceandTechnology,Kunming650051,China)

Abstract:Thebasictheoryandperformanceofthequadratureamplitudemodulationanddemodulationisde2scribed.Throughtheknownchannels,quadratureamplitudemodulationanddemodulationissimulated.Whentheintersymbolinterferenceexistsinthechannels,itisnecessarytoadoptlinearequalizerordecision-feedbackequalizertoimprovetheperformanceofthesystem.Thentheresultsareanalyzedandcomparedinordertode2signtheapplicablesystem,whicharevaluabletothesystemofquadratureamplitudemodulationanddemodula2tion.

Keywords:quadratureamplitudemodulationanddemodulation;linearMSEequalizer;theintersymbolinterfer2

ence;signal-to-noise;modulationanddemodulation

0引言

在通信中,数字基带信号不可能在诸如无线信道、光纤信道等传输媒质中直接传输.与模拟信号一样,必须经调制后才能在这些媒质中传输.信号在传输过程中需要占用一定的带宽,且数字信号传输比模拟信号传输对带宽的要求更高.在通信高速发展的今天,随着各种增值业务的不断产生,对通信质量要求越来越高,使信号传输对频带需求也越来越多,但由于技术和频带资源等的,要在有限的带宽内,在不影响原有的业务的情况下,实现传输大数据量的音频、视频信号,必须采用特殊的调制方式来解决有限带宽和

大量数据传输之间的矛盾.QAM是相位和幅度联合的调制方式,综合了幅移键控(ASK)和相移键控(PSK)的优点.采用多进制正交幅度调制(MQAM)可以提高信息传输速率,且MQAM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要优越得多,有效地缓解了传输网络的带宽矛盾.目前,QAM在中、高速调制解调器中得到了广泛应用,如:在大、中容量的微波通信、非对称数字用户环路(ADSL)、数字电视广播-有线方式(DVB-C)和视频点播(VOD)等等通信系统中使用.本文在参考文献[1]的基础上,对星座图映射理论进行了进一步改进,用同一算法仿真实现任意进制的QAM星

收稿日期:2005-07-15.

第一作者简介:宋耀莲(1977～),女,硕士研究生.主要研究方向:通信系统与个人通信网络技术.

E-mail:sy1719@163.com;songyaolian.student@sina.com

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座图,并验证了公式(4)适合任意进制的QAM调制.同时,结合线性均衡和判决反馈理论,对已知特性的信道来仿真M进制QAM,并对仿真结果进行分析.

1正交幅度调制(QAM)原理

ωct和sinωct上,称为正交由信息序列{ak}形成的两个分离的k比特符号同时加在两个正交载波cos

PAM或QAM,调制信号波形可表示为

[1,6]

(1)

ωct+Qmsinωct　　　　　　Sm(t)=Pmcos其中:m=1,2,…,M.M为正交幅度

调制的调制状态数(M=2,n为一正

整数,表示每个码元代表的比特位数).调制信号式由两路相互正交的载波叠加而成的,两路载波分别被两组离散的振幅序列{Pm}、{Qm}进行幅度调制.MQAM调制框图如图1所示.首先把输入序列经过串/并转换分成两路,在根据星座图进行2-L电平转换,其中L=

M是每路的电平幅度个数,然后进行低通虑波和载波调制,把两路调制后的信号相加就是公式(1)所示的调制信号.图2是MQAM解调框图.假设信道是理想信

道,在无噪生的情况下,图2的输入是公式(1)所示的调制信号,首先把经过信道的已调信号分别与两路正交载波相乘,两路信号分别表示为如公式

(2)、(3)所示

[5]

.然后两路信号分别

进行低通虑波除去高次谐波,再经抽样判决得到L个电平后,经L-2电平转换得到相应的二进制序列,最后把

两路二进制序列进行并/串转换得到输出信号.

ωct=(Pmcosωct+Qmsinωct)=1Pm+1Pmcos2ωct+1Qmsin2ωct(2)　　P(t)=Sm(t)cos

222

ωct=(Pmcosωct+Qmsinωct)sinωct=1Qm-1Qmcos2ωct+1Pmsin2ωct　　Q(t)=Sm(t)sin

222

(3)

2MQAM系统仿真

由于QAM的错误概率主要取决于信号点间的最小距离,所以需要了解信号点星座图座图为矩形和十字型,本文以矩形星座图为例,进行仿真和分析星座图越大,则每个符号代表的比特数越多

[1][4][5]

[2,3]

[1]

.调制信号矢

量端点在信号空间的坐标系中的分布图称为调制星座图,其中的信号矢量端点称为星象点.常规的信号星

.如图3和图4所示,若n为偶数,则星

座图是正方形,若n为奇数,则星座图为长方形.星座图上的每个点由相位和正交方向上的不同电平表示.

,但是检测电平和相位也越困难.由图5可知:要达到与

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小星座图相同的QAM性能,需要增加信道的信噪比,星座图每增大一倍,信噪比需要增加4dB左右.

对于M=2的矩形信号星座图,QAM信号星座等效于在两个正交载波上的两个PAM信号,每个具有

M=2个信号点(当n为偶数时),M元QAM的错误概率为

n/2

[1]

(4)

　　　　　　PM=1-[1-2(1-其中,

ζav

1M)]Q(

3ζav

M-1N0

)

是平均符号信噪比(SNR).理论上公式(4)对于n为偶数时是精确的,通过仿真结果可看到,公

式(4)对于n为奇数时也适用.图5是MQAM错误概率的理论值与理想信道中采用MQAM调制解调得到的仿真结果的比较,“3”号是仿真得到的结果,“-”是理论结果.通过比较可知,M=4,8,16,32,,128时,仿真结果与理论结果完全符合,所以公式(4)适用于n为任意正整数的情况.同时由图5可以发现,相邻两曲线间的距离近似相等,相差大约4dB.一般数字调制方式下,通常一个码元只携带1bit的信息,而QAM调制的调制信号幅度和相位都携带信息.对于M进制QAM,值越大,所携带的信息量也越多,但性能

会逐渐下降,所以要使MQAM系统有良好的性能必须增加信道的信噪比.例如:16QAM中一个码元携带4bit的信息,QAM中一个码元携带6bit的信息,大大提高了信道的利用率.但是由图5可知,在M=

的情况下,要达到与M=16相同的错误概率,信道信噪比需要增加大约8dB.虽然QAM调制具有充分利用带宽、抗噪声强等特点,但在具有符号间干扰的信道中,采用QAM调制时,需要采用均衡技术来辅助,否则无法进行QAM调制解调.本文针对三个已知谱特性不同的信道进行了

M元QAM仿真,通过仿真结果分析信道、均衡和QAM三者之间的关系.三个信道的冲激响应分别如图6

所示

[1]

图7是信道a、b、c通过线性均衡后,进行M=的QAM调制解调得到的仿真结果,可知对于特性较

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好且无谱零点的信道a来说,得到的结果接近理论值,而对具有谱零点的信道b和c来说,在信噪比较小的情况下,性能很差,完全不能进行通信.虽然信道b具有一个谱零点,而信道c具有两个谱零点,但在信噪比小的情况下,二者差别不大,随着信噪比的增加,大约在30dB左右,信道b和信道c的MQAM性能开始变好.以信道c为例,与信道a相比,其性能相差大约34dB.且信道b在线性均衡条件下的QAM系统的性能比信道c的好.因此,在线性均衡条件下,特性较好且无谱零点的信道的M元QAM系统的性能也较好,特性差的信道需要高的信噪比,在实际通信中难以实现,所以线性均衡不能满足性能差的信道的通信要求.

由于在线性均衡情况下,信道b和信道c的M元QAM性能较差,为了提高信道b和信道c的QAM性能,需要采用更复杂的均衡技术,在这里采用判决反馈均衡技术.仍以M=的QAM调制解调为例进行仿真,得到的结果如图8所示,可见信道b和信道c的QAM性能都提高了很多.但信道a在判决反馈均衡情况下,虽然QAM系统性能仍比较好,但比在线性均衡情况下下降了大约5dB.信道b和信道c在判决反馈均衡情况下,性能较好的信道b的QAM性能不如性能最差的信道c.由图9可以看到,信道c在判决反馈情况下的QAM系统性能,比相同条件下线性均衡时的性能好10dB左右.因此,在QAM系统中,对信道进行判决反馈均衡时,特性较好的信道的性能不一定好.

图10是信道c在线性均衡条件下,M取不同值时的错误概率.图10与图5比较可知,M元QAM系统的性能无论是采用线性均衡,还是采用判决反馈均衡,都具有理想信道下QAM系统性能的特点:①随着M

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的增大,信息的传输速率提高,但性能下降,需要增加信道信噪比;②相邻两曲线间距离近似相等.

3结论

QAM调制能有效地提高频谱利用率,调制效率高,但是信息传输速率越高,即M越大,要求传送途径

的信噪比就越高.所以高速率的QAM调制是以牺牲信噪比为代价的.对不同特性的具有符号间干扰的信道进行QAM调制解调时,得到的性能也不同.如果仅对信道进行均衡,判决反馈均衡一定优于线性均衡.对于特性好的信道来说,判决反馈均衡性能比线性均衡性能的优势不明显.无论采用线性均衡,还是判决反馈均衡,都是特性好的信道的性能好.但是在QAM系统中进行均衡则不同:特性好且无谱零点的信道用判决反馈均衡,性能反而不如线性均衡的性能.对于特性好的信道,采用复杂的均衡技术不一定得到好的效果,但是特性好的信道的判决反馈均衡还是比特性差的信道好得多.对于特性差且具有谱零点的信道,信道特性不能完全决定QAM系统性能的优劣,与跟信道冲激响应长度等有关.要根据实际情况选取合适的均衡技术来改善信道,或者综合QAM和均衡技术的性能选取合适的信道,总之,对于特性差的信道,必须采用复杂的均衡技术,系统才能得到良好的性能.因此,均衡在QAM系统中很重要,系统的复杂性主要来自于均衡器的设计.参考文献:

[1]PROAKISJG.数字通信・第3版[M].北京:电子工业出版社,2001.

[2]约翰・G・普罗克斯,马苏德・萨勒赫.现代通信系统[M].刘树棠译.西安:西安交通大学出版社,2001.[3]龙腾,JOHNMC,刘峰.xDSL技术与应用[M].北京:电子工业出版社,2002.

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[6]CAHNCR.CombinedDigitalPhaseandAmplitudeModulationCommunicationSystems[J].IRETrans.Commun,1960,CS-8:177-195.

[7]CAMPOPIANOCN,GLAZERBG.AcherentDigitalAmplitudeandPhaseModulationScheme[J].IRETrans.Commun.

1962,CS-10:90-95.

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