軟件無線電臺QAM調(diào)制解調(diào)算法實現(xiàn)與仿真

1、軟件無線電臺QAM調(diào)制解調(diào)算法實現(xiàn)與仿真摘要：本文論述了適用于數(shù)字微波系統(tǒng)的權(quán)數(shù)字正交幅度調(diào)制解調(diào)方式，并根據(jù)星座圖的形狀指出了16QAM，64QAM（星座圖為矩形）與32QAM，128QAM（星座圖為十字形）再調(diào)制與解調(diào)方法上的區(qū)別，最后用ADS（Advanced Design System）對16QAM，32QAM，64QAM，128QAM全數(shù)字調(diào)制與解調(diào)過程進(jìn)行仿真，實驗證明，全數(shù)字正交幅度調(diào)制解調(diào)易于實現(xiàn)，且性能良好。關(guān)鍵詞：軟件無線電，QAM，調(diào)制解調(diào)，星座圖，誤碼率1 引言顧名思義，軟件無線電臺就是軟件控制的無線電收發(fā)信機(jī)，它的所有工作處理過程和工作參數(shù)都應(yīng)該是由軟件來定義和控制，

2、而不是像傳統(tǒng)無線電那樣由硬件來確定。從這個意義上來說，軟件無線電臺就是要將數(shù)字信號處理技術(shù)應(yīng)用于天線端的射頻（rf）信號處理，亦即將寬帶A/D和D/A變換器盡可能靠近天線端使用，而且其功能及各種工作參數(shù)都可以通過軟件來定義，所以，有人又將之稱作為軟件定義的無線電臺（sdr）。數(shù)字振幅調(diào)制、數(shù)字頻率調(diào)制何數(shù)字相位調(diào)制十?dāng)?shù)字調(diào)制的基礎(chǔ)，然而，這3種數(shù)字調(diào)制方式都存在不足之處。如頻譜利用率低、抗多徑衰落能力差、功率譜衰減慢、帶外輻射嚴(yán)重等。為了改善這些不足，幾十年來人們不斷提出易些新的數(shù)字調(diào)治解調(diào)技術(shù)，以適應(yīng)各種通信系統(tǒng)的要求。其主要研究內(nèi)容圍繞減小信號帶寬以提高頻譜利用率，提高功率利用以增強(qiáng)抗干擾

3、性能等。正交幅度調(diào)制解調(diào)（quadrature amplitude modulation and demodulation）就是一種高效的數(shù)字調(diào)制解調(diào)方式，他在中、大容量數(shù)字微波系統(tǒng)、有線電視網(wǎng)絡(luò)高數(shù)據(jù)傳輸、衛(wèi)星通信等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。單獨使用振幅何相位攜帶信息時，不能最充分利用信號平面，這可由矢量圖中信號矢量端點的分布直觀觀察到。多進(jìn)制振幅調(diào)制時，矢量端點在一條軸上分布；多進(jìn)制相位調(diào)制時，矢量點在一個圓上分布，這可能在不減小最小距離的情況下，增加信號的端點數(shù)?；谏鲜龈拍钜龅恼穹c相位結(jié)合的調(diào)制方式被稱為數(shù)字復(fù)合調(diào)制方式，一般的復(fù)合調(diào)制稱為幅相鍵控（APK），兩個正交載波幅相鍵控稱為正交振幅

4、調(diào)制（QAN）。它是2個已調(diào)正交載波信號的和。在電路實踐中，正交載波可用同相載波經(jīng)移相 后得到，所以取負(fù)號。g(t)為系統(tǒng)的單位脈沖響應(yīng)，取幅度為1，xk，yk分別表示所要傳輸?shù)亩范嚯婎l信號第k個碼元的值，ts是一個碼元的持續(xù)時間，c 是載波角頻率。2 調(diào)制原理在理想狀態(tài)下，MQAM的M個載波狀態(tài)可以調(diào)制log2M 個比特，如16QAM的載波狀態(tài)最多可調(diào)制一個4b的信號，也就是說MQAM的頻譜利用率為log2Mb/s/Hz。目前星座圖里的樣點數(shù)，例如16QAM，確定QAM的類型，16個樣點表示這是16QAM信號，星座圖里每個樣點表示一種狀態(tài)。16QAM有16態(tài)，每 位規(guī)定16態(tài)中的一態(tài)。16

5、QAM中規(guī)定了16種載波幅度和相位的組合，16QAM的每個符號或周期傳送4b。解調(diào)器根據(jù)星座圖及接受到載波信號的幅度和相位來判斷發(fā)送端發(fā)送的信息比特。16QAM也是二維調(diào)制技術(shù)，在實現(xiàn)時也采用正交調(diào)幅的方式，某星座點在1坐標(biāo)上的投影取調(diào)制同相載波的幅度，在Q坐標(biāo)上的投影去調(diào)制正交載波的幅度，然后將兩個調(diào)幅信號相加就是所需的調(diào)相信號?？梢娦亲c數(shù)越大，在一個周期內(nèi)可傳送的數(shù)據(jù)比特數(shù)就越多，頻譜利用率就越高。16QAM，32QAM，64QAM，128QAM的頻譜利用率理論值分別為4，5，6，7（單位：b/s/Hz）。此處的頻譜利用率理論值是指當(dāng)傳輸信號的頻譜為理想低通頻譜時所實現(xiàn)的頻譜效率，但在實

6、際應(yīng)用中達(dá)不到這一理論效率，因為在實際應(yīng)用中傳輸信號通常采用升余玄滾降波形，它所實現(xiàn)的頻譜效率要比理論效率下降一個滾降系數(shù)a倍。16QAM，32QAM，64QAM，128QAM的星座圖：當(dāng)M=16或64時星座圖為矩形，二M=32或128時則為十字形。前者M(jìn)為2的偶次方，即每個符號攜帶偶數(shù)個比特信息；后者M(jìn)為2的奇次方，每個符號攜帶奇數(shù)個比特信息。每個符號可分解為X，Y兩個分量，常標(biāo)為同相分量和正交分量，即1，Q分量。2.1 QAM 正交振幅調(diào)制(Quadrature Amplitude Modulation) QAM調(diào)制效率高，要求傳送途徑的信噪比高，適合有線電視電纜傳輸。在美國，正交調(diào)幅通常

7、用在地面微波鏈路，不用于國內(nèi)衛(wèi)星，歐洲的電纜數(shù)字電視采用QAM調(diào)制，而加拿大的衛(wèi)星是采用正交調(diào)幅。PSK只利用了載波的相位，它所有的星座點只能分布在半徑相同的圓周上。當(dāng)星座點較多時，星座點之間的最小距離就會很密，非常容易受到噪聲干擾的影響。調(diào)制技術(shù)的可靠性可由相鄰星座點之間的最小距離來衡量，最小距離越大，抵抗噪聲等干擾的能力越強(qiáng)，當(dāng)然前提是信號的平均功率相同。當(dāng)噪聲等干擾的幅度小于最小距離的1/2時，解調(diào)器不會錯判，即不會發(fā)生傳輸誤碼；當(dāng)噪聲等干擾的幅度大于最小距離的1/2時，將發(fā)生傳輸誤碼。因此PSK一般只用在8PSK以下，常用的是BPSK和QPSK。當(dāng)星座點進(jìn)一步增加時，也即需要更高的頻帶

8、利用率時，就要采用QAM調(diào)制了。在PSK中I信號和Q信號互相不獨立，為了得到恒定的包絡(luò)信號，它們的數(shù)值是受到限制的，這是PSK信號的基本特性。如果去掉這一限制，就得到正交幅度調(diào)制QAM。作為一個特例，當(dāng)每個正交信號只有兩個數(shù)值時，QAM與4-PSK完全相同。當(dāng)M4時QAM的信號星座呈正方形分布，而不再像PSK那樣沿著一個固定的圓周分布。QAM是幅度、相位聯(lián)合調(diào)制的技術(shù)，它同時利用了載波的幅度和相位來傳遞信息比特，因此在最小距離相同的條件下，QAM星座圖中可以容納更多的星座點，即可實現(xiàn)更高的頻帶利用率，目前QAM星座點最高已可達(dá)256QAM。我們以16QAM為例來說明QAM的特性。星座圖里的樣點

9、數(shù)目，例如16，確定QAM的類型。16個樣點表示這是16-QAM信號。星座圖里每個樣點表示一種狀態(tài)。16-QAM有16態(tài)，每4位規(guī)定16態(tài)中的1態(tài)。16QAM中規(guī)定了16種載波幅度和相位的組合。16-QAM的每個符號或周期傳送4位比特。解調(diào)器根據(jù)星座圖及接收到的載波信號的幅度和相位來判斷發(fā)送端發(fā)送的信息比特。QAM也是二維調(diào)制技術(shù)，在實現(xiàn)時也采用正交調(diào)幅的方式，某星座點在I坐標(biāo)上的投影去調(diào)制同相載波的幅度，在Q坐標(biāo)上的投影去調(diào)制正交載波的幅度，然后將兩個調(diào)幅信號相加就是所需的調(diào)相信號。由此可見，在同相軸和正交軸上的幅度電平不再是2個而是4個(16QAM)和6 個(32QAM)，所能傳輸?shù)臄?shù)碼率

10、也將是原來的4倍到5倍(不考慮滾降因子)。例如64QAM的星座圖，64QAM和256QAM用于下行數(shù)字電信號的傳送。64QAM的頻帶利用率可達(dá)5bitHz。但是我們并不能無限制地通過增加電平級數(shù)來增加傳輸數(shù)碼率。因為隨著電平數(shù)的增加，電平間的間隔減小，噪聲容限減小，同樣噪聲條件下誤碼增加。在時間軸上也會如此，各相位間隔減小，碼間干擾增加，抖動和定時問題都會使接收效果變差。16-QAM要保持和QPSK同樣的平均發(fā)射功率，星座圖的點必須更密集。隨著星座圖中點間距的縮小，3 具有矩形星座圖信號的調(diào)制與解調(diào)3.1 具有矩形星座圖的信號調(diào)制輸入數(shù)據(jù)序列經(jīng)串并變換成I，Q兩路,再經(jīng)2L電平變換及星座圖映射

11、，形成 xk,yk 。M為了抑制已調(diào)信號的帶外輻射，xk,yk要通過預(yù)調(diào)制低通濾波器，再分別與相互正交的2路載波相乘，形成2路ASK調(diào)制信號，最后將2路信號相加就可得到不同幅度和相位的已調(diào)QAM輸出信號。下面詳細(xì)解釋這部分的實現(xiàn)，MQAM信號共有M個信號點，代表一個M進(jìn)制信號集。每個符號用n=log2M個比特表示。使用矩形星座圖時，2路正交信號的電平代碼可分別用n/2b表示若M=16或64，n=log2M2L電平轉(zhuǎn)換后I，Q兩路的輸出的值分別由0，1，2，3或0，1，2，3，4，5，6，7組成。星座圖映射完成的時將由0，1，2，3或0，1，2，3，4，5，6，7組成的數(shù)字序列分別轉(zhuǎn)換成由-3，

12、-1，1，3或-7，-5，-3，-1，1，3，5，7組成的數(shù)字序列。由此可見，I路取值電平數(shù)為M，即X=-1，-3，1，3,.。Q路的取值方法與X完全相同。3.2 具有矩形星座圖的信號解調(diào) 將輸入信號分成2路分別與本地恢復(fù)的2個正交載波相乘，經(jīng)過低通濾波器濾掉倍頻分量得到x(t),y(t)。再根據(jù)本地恢復(fù)時鐘進(jìn)行多電平判決，16QAM以-2，2，0.5,-0.5為判決電平，判決后得到一組由-1，-3，1，3組成的數(shù)據(jù)；64QAM以6，4，2，0.5,-6,-4,-2,-0.5為判決電平，判決后得到一組由1，3，5，7，-1，-3，-5，-7組成的數(shù)據(jù)。16QAM星座圖反映射完成的時將1，3，-

13、1，-3映射成0，1，2，3；64QAM星座圖反映射完成的是將1，3，5，7，-1，-3，-5，-7映射成為0，1，2，3，4，5，6，7；其對應(yīng)關(guān)系分別與星座圖映射時相同。再經(jīng)過L-2電平轉(zhuǎn)換和串并變換就可以得到輸出數(shù)據(jù)序列。（1）16QAM之所以以2，0.5，-2，-0.5而非2，-2，0為判決電平，是因為在調(diào)制解調(diào)過程會產(chǎn)生延遲，使調(diào)解后在最初的時候產(chǎn)生直流，經(jīng)判決后為0，這也是在看解調(diào)后的星座圖時，最初會在原點處有點出現(xiàn)，一會又消失的原因；若以2，-2，0為判決電平，則將會將延遲產(chǎn)生的直流誤判為1或-1。32QAM，64QAM，128QAM與16QAM在這一點上相同。（2）調(diào)制信號經(jīng)信

14、道傳輸過程會有能量損耗，所以在解調(diào)時應(yīng)加必要的增益4 具有十字形星座圖的信號調(diào)制與解調(diào)4.1 具有十字形星座圖的信號調(diào)制 具有十字形星座圖的信號調(diào)制與具有矩形星座圖的信號調(diào)制不同的十，輸入數(shù)據(jù)序列不能線進(jìn)行I，Q分路后做星座圖映射，只能是先進(jìn)行星座圖映射，然后再I，Q分路。否則會導(dǎo)致某些矢量端點無法扣除，即在32QAM中會有（5，-5，5，-5）這多余的4個點，在128QAM中會有（9，-9，9，-9），（9，-9，11，-11），（11，-11，9，-9），（11，-11，11，-11）這多余的16個點無法扣除。其實現(xiàn)如下：輸入數(shù)據(jù)2L電平變換，L=Log2M,對與32QAM或128QAM而

15、言，L為5或7，此時的輸出值的范圍為0，1，2，.，31或0，1，2，.，127；32QAM星座圖映射完成將0，1，2,.，31這32個數(shù)字分別轉(zhuǎn)換為32QAM星座圖中的32個矢量端點的坐標(biāo)，這些矢量的實部和虛部分別由1，3，5，-1，-3，-5組成，但不包括（5，5），（-5，-5），（5，-5），（-5，5）這4個矢量點。對于128QAM而言，則是將0，1，2，.，127這128個數(shù)字分別轉(zhuǎn)換為128QAM星座圖中的128個矢量端點的坐標(biāo)，這些矢量點的實部和虛部分別由1，-1，3，-3，5，-5，7，-7，9，-9，11，-11組成，但不包括（9，-9，9，-9），（9，-9，11，-11

16、），（11，-11，9，-9），（11，-11，11，-11）這16個矢量點。然后將得到的xk,yk通過預(yù)低調(diào)制低通濾波器，再分別與相互正交的2路載波相乘，形成2路ASK調(diào)制信號，最后將2路信號相加得到不同幅度和相位的已調(diào)QAM輸出信號。4.2 具有十字形星座圖的信號解調(diào)此過程恰為調(diào)制的逆過程，它將輸入信號分成2路分別與本地恢復(fù)的2個正交載波相乘，經(jīng)過低通濾波器濾掉倍頻分量得到x(t),y(t)，再根據(jù)本地恢復(fù)的時鐘驚醒多電平判決，32QAM以4，-4，2，-2，0.5，-0.5為判決電平，判決后得到一組由1，-1，3，-3，5，-5組成的數(shù)據(jù)；128QAM以10，-10，8，-8，6，-6，

17、4，-4，2，-2，0.5,-0.5為判決電平，判決后得到以組由1，-1，3，-3，5，-5，7，-7，9，-9，11，-11組成的數(shù)據(jù)，然后驚醒I，Q合路以形成星座圖；32QAM星座圖反映射完成的十將32個矢量端點分別映射成為0，1，2,.，31起對應(yīng)關(guān)系，與映射時相同；128QAM星座圖反映射完成的 將128個矢量端點分別映射成為0，1，2,.,127起對應(yīng)關(guān)系，與映射時相同；再經(jīng)過L2電平轉(zhuǎn)換和串并變換就可以得到輸出數(shù)據(jù)序列。此外，32QAM或128QAM也可以用與16QAM或64QAM相同的解調(diào)方法。5. 結(jié)語軟件無線電臺時最近十多年來迅速發(fā)展起來的一種新穎通信設(shè)備，不僅僅用作發(fā)射信號，它還能確定可用傳輸信道的特性。檢測傳播路徑，構(gòu)建合適的信道調(diào)制方式，將它發(fā)射的電子波束調(diào)諧到正確的方向。選折合適的功率然后開始發(fā)射。多進(jìn)制正交振幅調(diào)制（MQAM）十在中、大容量數(shù)字微波通信系統(tǒng)大量使用的一種載波鍵控方式。MQAM是對載波的振幅和相位同時驚醒調(diào)制的一種復(fù)合的調(diào)制形式，它同時利用了載波的幅度和相位來傳遞信息比特。通過仿真，可以看到本文提出的全數(shù)字QAM全數(shù)字調(diào)制與解調(diào)方式頻譜利用率