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第３１卷第２期 昆明理工大学学报（理工版） Ｖｏ１．３１ Ｎｏ．２ ２００６年４月 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｋｕｎｍｉｎｇ Ｕ￣ｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ（Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ） Ａｐｔ。２００６ 基于已知特性信道的ＱＡＭ系统的仿真和性能分析 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）ｏｌ一００５７一Ｏ５ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｎ ｔｈｅ Ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ Ｑｕａｄｒａｔｕｒｅ Ａｍｐｌｉｔｕｄｅ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｄｅｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ Ｋｎｏｗｎ Ｃｈａｎｎｅｌｓ ＳＯＮＧ Ｙａｏ—ｌｉａｎ，ＳＨＡＯ Ｙｕ—ｂｉｎ，ＺＨＡＮＧ Ｑｉ—ｊｉｎｇ，ＪＩＡＮＧ Ｊｉｎｇ （Ｆａｃｕｌｔｙ ｏｆ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｎｄ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ，Ｋｕｎｍｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ｎａｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｋｕｎｍｉｎｇ ６５００５１，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｂａｓｉｃ ｔｈｅｏｒｙ ａｎｄ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｑｕａｄｒａｔｕｒｅ ａｍｐｌｉｔｕｄｅ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ｄｅｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ ｉｓ ｄｅ— ｓｃｒｉｂｅｄ．Ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ｋｎｏｗｎ ｃｈａｎｎｅｌｓ，ｑｕａｄｒａｔｕｒｅ ａｍｐｌｉｔｕｄｅ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ｄｅｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ ｉｓ ｓｉｍｕｌａｔｅｄ．Ｗｈｅｎ ｈｔｅ ｉｎｔｅｒｓｙｍｂｏｌ ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ ｅｘｉｓｔｓ ｉｎ ｔｈｅ ｃｈａｎｎｅｌｓ，ｉｔ ｉｓ ｎｅｃｅｓｓａｒｙ ｔｏ ａｄｏｐｔ ｌｉｎｅａｒ ｅｑｕａｌｉｚｅｒ ｏｒ ｄｅｃｉｓｉｏｎ—ｆｅｅｄｂａｃｋ ｅｑｕａｌｉｚｅｒ ｔｏ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ．Ｔｈｅｎ ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ａｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ ａｎｄ ｃｏｍｐａｒｅｄ ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｄｅ－ ｓｉｇｎ ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｂｌｅ ｓｙｓｔｅｍ，ｗｈｉｃｈ ａｒｅ ｖａｌｕａｂｌｅ ｔｏ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ ｑｕａｄｒａｔｕｒｅ ａｍｐｌｉｔｕｄｅ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ｄｅｍｏｄｕｌａ— ｔｉｏｎ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｑｕａｄｒａｔｕｒｅ ａｍｐｌｉｔｕｄｅ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ｄｅｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ；ｌｉｎｅａｒ ＭＳＥ ｅｑｕａｌｉｚｅｒ；ｔｈｅ ｉｎｔｅｒｓｙｍｂｏｌ ｉｎｔｅｒｆｅｒ— ｅｎｃｅ；ｓｉｇｎａｌ—ｔｏ—ｎｏｉｓｅ；ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ｄｅｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ 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）、数字电视广播一有线方式（ＤＶＢ—Ｃ）和视频点播（ＶＯＤ）等等通信系统中使用．本文在 参考文献［ｉ］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（１９７７一），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．ｃｏｒｎ；ｓｏｎｇｙａｏｌｉａｎ．ｓｔｕｄｅｎｔ＠ｓｉｎａ．ｃｏｌｎ 维普资讯 http://www.cqvip.com
５８ 昆明理工大学学报（理工版） 第３ｌ卷 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 由信息序列｛ａ ｝形成的两个分离的ｋ比特符号同时加在两个正交载波ＣＯ８０）。ｔ和ｓｉｎｗ。ｔ上，称为正交 ＰＡＭ或ＱＡＭ，调制信号波形可表示为¨ Ｊ： Ｉｓ （ｔ）＝Ｐ ＣＯＳＯ）。ｔ＋Ｑ ｓｉｎｗ ｔ ● （１） 其中： ＝１，２，…， 们为正交幅 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 的载波叠加而成的，两路载波分别被 位数）．调制信号式由两路相互正交 两组离散的振幅序列｛Ｐ ｝、｛Ｑ ｝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２一 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 图１ ＭＱＡＭ调制器 Ｆｉｇ．１ ＭＱＡＭ ｍｏｄｕｌａｔｏｒ 流 路正交载波相乘，两路信号分别表示 为如公式（２）、（３）所示 Ｊ．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 个电平后， 经 一２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． 图２ ＭＱＡＭ解调器 Ｆｉｇ．２ ＭＱＡＭ ｄｍｏｄｕｌａｔｏｒ Ｐ（ ）＝Ｉｓ （ ）ｃ。ｓ ＝（Ｐｍｃ。ｓ 。 ＋Ｑ ｎ ）＝ １ ＋ １ Ｐｍｃ。ｓ２ ＋ Ｑ ｓｉｎ２ （２） Ｑ（ ）＝ｓ （ ）ｓｉｎ ＝（Ｐ ｃ。ｓ ＃＋Ｑ ｓｉｎ 。 ）ｓｉｎ ＝ Ｑ 一 Ｑ ｃ。ｓ２ ＋号Ｐ ｎ２ （３） ２ ＭＱＡＭ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…．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 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 ・ ．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． 星座图越大。则每个符号代表的比特数越多… ，但是检测电平和相位也越困难．由图５可知：要达到与 维普资讯 http://www.cqvip.com
第ｌ期 宋耀莲瑁 玉斌，张起晶，等：基于已知特性信道的ＱＡＭ系统的仿真和性能分析 ５９ 小星座图相同的ＱＡ．Ｍ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４ ｄＢ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 ＝２．／２个信号点（当ｎ为偶数时）， 元ＱＡＭ的错误概率为…： １＝厂 ——７－ ｌ＿［１—２（１一 ）］Ｑ（√ ） （４） ， 其中， 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 』＇０ 式（４）对于 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，“ ”号是仿真得到的结果，“一”是理论结果．通过比较可知，Ｍ＝４，８，１６，３２，６４，１２８ 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４ ｄＢ．一般数字调制方式下，通常一个码元只携带ｌ ｂ 的信息，而 ＱＡＭ调制的调制信号幅度和相位都携带信息．对于 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４ ｂｉｔ的信息，６４ＱＡＭ中一个码元携带６ ｂｉｔ的信息，大大提高了信道的利用率．但是由图５可知，在Ｍ＝６４ 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８ ｄＢ． 褂 船 比特ＳＮＲ（ｄＢ） 图３ Ｍ＝６４星座图 Ｆｉｇ．３ Ｍ＝６４ ｃｏｎｓｔｅｌｌａｔｉｏｎ ［ｔｌ４ Ｍ＝１２８ｍ座图 Ｆｉｇ・４ Ｍ＝１２８ ｃｏｎｓｔｅｌｌａｔｉｏｎ 图５ 取不同值时的错误概率 Ｆｉｇ．５ Ｔｈｅ ｅｒｒｏｒ ｐｒｏｂａｂｉｌｉｔｙ ｗｉｔｈ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ 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 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 ．． ０６８Ｓ ∑Ｉ＾ｌ ＝１ 。４。７ ０４０７ ａ４６０ ０．４６０∑Ｉ＾Ｉ ．）．２２７ ｌ ｒ ｌＩ ｏ２２ １ （ａ）ａ信道Ｔ （ｂ）ｂ信道 ｆ ｆ ｌ ｌ ｌ （ｃ）ｃ信道 图６ ３种离散时间信道特性 Ｆｉｇ．６ Ｔｈｒｅｅ ｄｉｓｃｒｅｔｅ－ｔｉｍｅ ｃｈａｎｎｅｌ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ 图７是信道ａ、ｂ、Ｃ通过线性均衡后，进行Ｍ＝６４的ＱＡＭ调制解调得到的仿真结果，可知对于特性较 维普资讯 http://www.cqvip.com
昆明理工大学学报（理工版） 第３ｌ卷 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３Ｏ ｄＢ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３４ ｄＢ．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 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． 图７三信道６４ＱＡＭ线性均衡比较 图８三信道６４ＱＡＭ￣ＩＪ决反馈均衡比较 Ｆｉｇ．７ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ６４ＱＡＭ ｌｉｎｅａｒ Ｆｉｇ．８ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ６４ＱＡＭ ｄｅｃｉｓｉｏｎ－ ＭＳＥ ｅｑｕａｌｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｒｅｅ ｃｈａｎｎｅｌｓ ￣ｅｄｂａｃｋ ｅｑｕａｌｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｒｅｅ ｃｈａｎｎｅｌｓ 由于在线性均衡情况下，信道ｂ和信道ｃ的 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 ＝６４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８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５ ｄＢ．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６４ＱＡＭ系统性能，比相同条件下线性均衡时的性能好ｌＯ ｄＢ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． ｛；｛ 媸 船 Ⅱ 靶 比特ＳＮＲ／ｄＢ 图９信道ｃ线性均衡和判决反馈均衡比较 图ｌ０信道ｃ在 取不同的值时的错误概率 Ｆｉｇ．９ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ｌｉｎｅａｒ ＭＳＥ ａｎｄ ｄｅｃｉｓｉｏｎ． Ｆｉｇ．１０ Ｔｈｅ ｅｒｒｏｒ ｐｒｏｂａｂｉｌｉｔｙ ｗｉｔｈ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ￣ｅｄｂａｃｋ ｅｑｕａｌｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｒｅｅ ｃｈａｎｎｅｌ ｃ ｏｆｃｈａｎｎｅｌ ｃ 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， 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 维普资讯 http://www.cqvip.com
第１期 宋耀莲，邵玉斌，张起晶，等：基于已知特性信道的ＱＡＭ系统的仿真和性能分析 ６ｌ 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问干扰的信 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］ＰＲＯＡＫＩＳ Ｊ Ｇ．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，ｊＯＨＮ Ｍ Ｃ，刘峰．ｘＤＳＬ技术与应用［Ｍ］．北京：电子工业出版社。２００２． ［４］章倩苓．高性能宽带ＱＡＭ调制／解调器的ＶＬＳＩ结构设计研究［ＥＢ／ＯＬ］．复旦大学．万方数据库． ［５］罗伟雄．１６ＱＡＭ调制与解调的实现［ＥＢ／ＯＬ］．北京理工大学．万方数据库． ． ［６］ＣＡＨＮ Ｃ Ｒ．Ｃｏｍｂｉｎｅｄ Ｄｉｇｉｔａｌ Ｐｈａｓｅ ａｎｄ Ａｍｐｌｉｔｕｄｅ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍｓ［Ｊ］．ＩＲＥ Ｔｒａｎｓ．Ｃｏｍｍｕｎ，１９６０。ＣＳ一 ８：１７７—１９５． ［７］ＣＡＭＰＯＰＩＡＮＯ Ｃ Ｎ，ＧＬＡＺＥＲ Ｂ Ｇ．Ａｃｈｅｒｅｎｔ Ｄｉｇｉｔａｌ Ａｍｐｌｉｔｕｄｅ ａｎｄ Ｐｈａｓｅ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ Ｓｃｈｅｍｅ［Ｊ］．ＩＲＥ Ｔｒａｎｓ．Ｃｏｍｍｕｎ． １９６２．ＣＳ一１０：９０—９５．
