【正文】 系統(tǒng)為模擬通信系統(tǒng)，所以調(diào)制技術(shù)是由模擬信號的調(diào)制與解調(diào)技術(shù)最初開始發(fā)展的。后來，數(shù)字通信系統(tǒng)得到了迅速的發(fā)展，隨之而來的是數(shù)字調(diào)制技術(shù)的廣泛應用和迅速發(fā)展。隨著現(xiàn)在日益增多的各種通信系統(tǒng)數(shù)量，為了更好的充分利用日益緊張的頻譜資源，廣大通信科研工作者致力于研究頻譜利用率更高的新型數(shù)字調(diào)制方式，而且原 CCITT(國際電報電話咨詢委員會 )也一直在促進并鼓勵開發(fā)新奇的頻譜使用技術(shù)，為了各種通信系統(tǒng)能夠有效的 進行通信，原 CCITT科學地將頻段分別分配給各個通信系統(tǒng)，因而，許多科研院所，用戶個體和通信公司都在通過開發(fā)先進的調(diào)制技術(shù)用以提高頻譜利用率。 提高頻譜利用率是人們設計和規(guī)劃通信系統(tǒng)的關注焦點之一，同時也是提高通信系統(tǒng)容量的重要措施。頻譜利用率越高，就要求已調(diào)信號所占的帶寬要越窄，即己調(diào)信號頻譜從天線發(fā)射時功率的主瓣要越窄，同時也要求旁瓣的幅度要越低，也就是說要求輻射到相鄰頻道的功率即帶外輻射要越小。在數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)中的頻譜利用率主要是指傳輸?shù)男蕟栴}，也就是說，通信系統(tǒng)的傳輸速率不是唯一需要關注的指標，同時 還要看在一定的傳輸速率下信道頻帶所占的寬度為多少。 如果系統(tǒng)的頻帶利用率高，就表明通信系統(tǒng)具有較高的傳輸效率，反之傳輸效率就低。從上面對頻譜利用率的定義可以發(fā)現(xiàn)，要使得通信系統(tǒng)的頻譜利用率有所提高主要可以兩種途徑 :一是通過提高該調(diào)制系統(tǒng)的傳信率即信息傳輸速率，二是降低已調(diào)信號所占用的頻帶寬度 [13]。振幅和相位聯(lián)合調(diào)制 QAM 技術(shù)作為本課題的研究對象，就是一種近些年來獲得了飛速發(fā)展的調(diào)制技術(shù)，該技術(shù)就具有極高的信息傳輸速率。 QAM 調(diào)制解調(diào)技術(shù)在數(shù)字通信領域的應用優(yōu)勢 以 WCDMA、 CDMA2021 和 TDSCDMA 為代表的第三代移動通信網(wǎng)絡除了支持傳統(tǒng)的話音業(yè)務以外，還推出了大容量的寬帶數(shù)據(jù)服務，與以 GSM、 CDMA1595 標準為代表的第二代移動通信系統(tǒng)相比，在技術(shù)上， 3G 系統(tǒng)的上下行速率理論上可以達到2Mbit/s 左右的水平，它可以提供包括視頻在內(nèi)的各種多媒體寬帶應用服務，諸如下載或流媒體類業(yè)務，需要系統(tǒng)提供更高的傳輸速率和更多的延遲。為了滿足此要求， WCDMA 對空口接口作了改進，引入了 HSDPA 技術(shù)，使之可支持高達 10Mbit/s 的峰值速率。在 HSDPA 系統(tǒng)中引進了 AMC 技術(shù)，在 HSDPA 系統(tǒng)中 AMC 的調(diào)制選擇了低階的 QPSK 和高階的 16QAM，作為其調(diào)制方式。同樣，作為寬帶無線接入技術(shù)，韓國QAM 傳輸系統(tǒng)的設計與實現(xiàn) 3 引入了 WIBro 技術(shù)，它可采用三種調(diào)制方式，包括 QPSK、 16QAM、 64QAM 等。而目前作為中國國內(nèi)唯一擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的高速率無線寬帶接入技 —— McWiLL， McWiLL終端接入設備 CPE亦采用 QPSK/8PSK/QAM16/QAM64 自適應調(diào)制技術(shù)。 標準即 WiMAX 有很強的的市場競爭力，真正成為城域網(wǎng)的無線接入手段。為了抵抗多徑效應等， WIMAX 協(xié)議中引入了新的物理層技術(shù)，而 WiMAX協(xié)議物理層的 OFDM符號的構(gòu)造方案亦采用 QAM 調(diào)制方式 [45]。 移動通信系統(tǒng)中的另一研究熱點即數(shù)字集群移動通信系統(tǒng)，也采用 QAM 數(shù)字調(diào)制技術(shù) [45]。與頻率調(diào)制 MSK、 GMSK，相位調(diào)制 OQPSK、π /4QPSK 等相比， QAM 是一種相位和振幅聯(lián)合控制的數(shù)字調(diào)制技術(shù)。它不僅可以得到更高的頻譜效率，而且可以在限定的頻帶內(nèi)傳輸更高速率的數(shù)據(jù)。 在數(shù)字廣播電視傳輸中， QAM 成為 DVBC系統(tǒng)標準的調(diào)制方式。 QAM除了是 標準中規(guī)定的調(diào)制方式之外，而且成為現(xiàn)代 CATV 雙向網(wǎng)、寬帶接入 技術(shù)ADSL、 VADSL 中規(guī)定的調(diào)制方式 [45]。 仿真軟件介紹 MATLAB 是 MATrix LABoratory 的縮寫，是一款由美國 MathWorks 公司出品的商業(yè)數(shù)學軟件。 MATLAB 是一種用于算法開發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值計算的高級技術(shù)計算語言和交互式環(huán)境。除了矩陣運算、繪制函數(shù) /數(shù)據(jù)圖像等常用功能外，MATLAB 還可以用來創(chuàng)建用戶界面及與調(diào)用其它語言（包括 C， C++和 FORTRAN）編寫的程序。盡管 MATLAB 主要用于數(shù)值運算，但利用為數(shù)眾多的附加工具（ Toolbox）它也適合不 同領域的應用，例如控制系統(tǒng)設計與分析、圖像處理、信號處理與通訊、金融建模和分析等。另外還有一個配套軟件包 Simulink，提供了一個可視化開發(fā)環(huán)境，常用于系統(tǒng)模擬、動態(tài) /嵌入式系統(tǒng)開發(fā)等方面。 Simulink 是 MATLAB 中的一種可視化仿真工具， 是一種基于 MATLAB 的框圖設計環(huán)境，是實現(xiàn)動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和分析的一個軟件包，被廣泛應用于線性系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)、數(shù)字控制及數(shù)字信號處理的建模和仿真中。它可以用連續(xù)采樣時間、離散采樣時間或兩種混合的采樣時間進行建模，它也支持多速率系統(tǒng)，也就是系統(tǒng)中的不同部分具 有不同的采樣速率。為了創(chuàng)建動態(tài)系統(tǒng)模型， Simulink 提供了一個建立模型方塊圖的圖形用戶接口 (GUI) ，這個創(chuàng)建過程只需單擊和拖動鼠標操作就能完成，它提供了一種更快捷、直接明了的方式，而且用戶可以立即看到系統(tǒng)的仿真結(jié)果 [69]。 論文主要內(nèi)容及結(jié)構(gòu)安排 本文在對 QAM調(diào)制解調(diào)的基本原理、模擬信號數(shù)字化傳輸理論進行深入研究的QAM 傳輸系統(tǒng)的設計與實現(xiàn) 4 基礎上，構(gòu)建模擬信源的 QAM 數(shù)字傳輸系統(tǒng)，通過 Matlab 軟件的 Simulink 仿真平臺實現(xiàn)了系統(tǒng)的建立及實驗驗證。各章節(jié)安排如下： 第一部分簡單介紹了課題的背景、研究意 義及仿真軟件 —— Matlab/Simulink，重點分析了 QAM 技術(shù)發(fā)展概要及應用現(xiàn)狀，最后給出了論文內(nèi)容安排及論文的主要工作。 第二部分分析了 16QAM 調(diào)制解調(diào)的原理、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及性能參數(shù)，利用 Simulink仿真平臺對 16QAM 和 64QAM 調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)作了仿真建模，通過比較其發(fā)送端和接收端的星座圖及眼圖進行性能驗證，最后基于 16QAM 調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)的理論知識構(gòu)建了MQAM 調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)，并進行系統(tǒng)性能仿真分析。從而得出多進制調(diào)制情況下頻帶利用率、功率利用率、誤碼率與調(diào)制方式、傳輸環(huán)境之間的定量關系，為后面系 統(tǒng)設計奠定基礎。 第三部分研究了模擬信號數(shù)字化的典型實現(xiàn)方法，即差分脈沖編碼調(diào)制技術(shù)，分析了基本原理，研究了實現(xiàn)過程。最后基于 MATLAB/Simulink 軟件，建立各個編解碼模型，進行仿真驗證，并進一步對 PCM 及 DPCM 進行傳輸誤碼與解碼話音質(zhì)量的性能分析。仿真結(jié)果表明在無誤碼傳輸中 DPCM 的解碼音質(zhì)不如 PCM 強，但 DPCM 的抗噪聲能力比 PCM強。這些結(jié)論為后面模擬信源數(shù)字傳輸系統(tǒng)的設計提供參考依據(jù)。 第四部分基于前面所研究分析的內(nèi)容，構(gòu)畫了模擬信源的 QAM 數(shù)字傳輸系統(tǒng)， 實現(xiàn)了模擬信號在 QAM 數(shù)字通信系 統(tǒng)中的傳輸，并基于 MATLAB/Simulink 建立仿真模型，進行性能驗證。仿真表明所構(gòu)建的 QAM 數(shù)字傳輸系統(tǒng)在允許一定失真的情況下可以實現(xiàn)模擬信號的良好傳輸。 第五部分總結(jié)與展望，對本文所完成的工作進行了總結(jié)，并對后續(xù)研究工作提出了一些想法和建議。 2 QAM 調(diào)制解調(diào)技術(shù)研究及 Simulink 仿真 本章對 QAM 調(diào)制解調(diào)相關理論進行了分析研究，給出了調(diào)制端和解調(diào)端的結(jié)構(gòu)框圖；構(gòu)建了 16QAM 和 64QAM 調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)的 Simulink 的仿真模型，進行仿真驗證；并基于 Simulink 對 MQAM 調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)進 一步進行性能分析，所得結(jié)論為后面系統(tǒng)規(guī)劃與設計奠定基礎。 QAM 調(diào)制 正交幅度調(diào)制 (QAM)是一種高效數(shù)字調(diào)制技術(shù)，具有很高的頻譜利用率。而傳統(tǒng)數(shù)字調(diào)制技術(shù)是單獨利用振幅和相位攜帶信息，不能最充分利用信號功率利用率。此外，現(xiàn)代通信系統(tǒng)對傳輸速率和帶寬也提出了新的要求，因此 QAM 引起更多關注，QAM 傳輸系統(tǒng)的設計與實現(xiàn) 5 在有線電視網(wǎng)絡高速數(shù)據(jù)傳輸、大中容量數(shù)字微波通信系統(tǒng)、衛(wèi)星通信系統(tǒng)等各個領域均得到了廣泛的應用。但它在隨參信道無線寬帶通信領域中的研究尚未發(fā)展成熟。 QAM 調(diào)制原理 正交振幅調(diào)制（ QAM）就是用兩個相 互獨立的數(shù)字基帶信號對相互正交且頻率相同的兩路載波信號進行雙邊帶調(diào)制，因為這種已調(diào)信號在同一帶寬內(nèi)頻譜正交，所以可用來實現(xiàn)同相和正交兩路并行的數(shù)字信號傳輸。 正交振幅調(diào)制（ QAM）信號的一般表示式為 [3]： )c os ()()(ncSn nM Q A M tnTtgAts ?? ??? ? (21) 式（ 21）中， nA 是基帶信號的幅度， )( SnTtg ? 是單個基帶信號的 波形，寬度為 ST 。式（ 21）還可以變化為正交表示形式 : tnTtgAtntgAt nsn nSnM Q A M TS ???? s i ns i n)(c osc os)()( ?????? ???????? ?? ?? （ 22） 令 ??? ?? AdY AcXnnnn （ 23） 則式（ 22）變成 ttYttXt ccM QA Ms ?? s i n)(c os)()( ?? （ 24） QAM 中的振幅和 nY 可以表示為： ??? ?? AdY AcXnnnn (25) 式（ 25）中，固定振幅為 A 、 nc 、 nd 由輸入的信號最終決定。已調(diào) QAM 信號在信號空間中的坐標點由 nc 、 nd 決定。 QAM 信號調(diào)制原理結(jié)構(gòu)圖如圖 21所示。圖中，輸入 的二進制碼流經(jīng)過串 /并變換器輸出兩路并行碼流序列，速率減為原來的一半，再經(jīng)過 2電平到 L電平的變換，形成 L電平的基帶信號。這里的 L 由調(diào)制系統(tǒng)所選的進制數(shù)所決定，該 L 電平的基帶信號還要經(jīng)過基帶成形濾波器，主要是為了抑制已調(diào)信號的帶外輻射，最終形成X(t)和 Y(t),再分別和頻率相同的同相載波以及正交相載波進行相乘運算。將最后得到的兩路信號相加就得到的已調(diào)制 QAM 信號。 QAM 傳輸系統(tǒng)的設計與實現(xiàn) 6 圖 21 QAM信號調(diào)制原理圖 QAM 調(diào)制性能 QAM 信號的波形可表示成兩個標準正交信號波形 )(1tf 和 )(2tf 的線型組合 [1011]，即： )()()()()( 2211 tftStftStS ?? (26) 式中 )2c os ()(2)(1 tftgtf cg ??? (27) )2s i n()(2)(2 tftgtf cg ??? (28) 且 ][ 21SSS? = ??????gsgc AA ?? 2121 (29) 式中 g? 是信號脈沖 g(t)的能量。 任意一對信號向量之間的歐氏距離是 [1011]： ? ? ? ?? ?22)(m i n 21 nsmsncmcgnme AAAAssd ?????? ? (210) 在特殊情況下，即信號 幅度取一組離散值 {（ 2m1M） d, m=1,2? .M}信號星座圖是矩形的。在這種情況下，相鄰兩點間的歐氏距離即最小距離為： ge dd ?2)(min? (211) 為了求 QAM 的錯誤概率，這里必須詳細說明信號點的星座圖。 錯誤概率主要由信號點間的最小距離決定，假設信號星座滿足條件 Ade 2)(min ? ，若所有星座點是等概率，那么它們的平均發(fā)送功率是： QAM 傳輸系統(tǒng)的設計與實現(xiàn) 7 ?? ????Mm mcmsmsmcav aaMAAAMP122222 )()(1 (212) 式（ ）中， M 是 QAM 星座圖中的點數(shù)，（ mcmsaa , ）是由 A 歸一化的信號坐標。 QAM 星座圖 星座映射規(guī)則不同，星座呈現(xiàn)不同的分布形式。 16QAM 星座圖分別有星型星座和方型星座。星型星座如圖 22(a)所示，其中信號點的分布呈星型。同理，方型星座圖中信號點的分布呈方形，如圖 22(b)所示。 圖 22 16QAM 星座圖 QAM 調(diào)制有幾個重 要的參數(shù)：峰值 均值比γ，星座圖間最小歐幾里得距離 mind和最小相位偏移 min? 。不同的數(shù)字傳輸系統(tǒng)，對這些參數(shù)的要求各不相同 [1011]。 （ 1） QAM 信號的峰值 均值γ ave