【文章內(nèi)容簡介】 式也可變換為正交表示形式： (225)令，則有 (226)QAM信號中振幅Xn和Yn可以表示為： Xn=CnA (227)Yn=dnA (228)式中，A是固定的振幅，Cn、dn由輸入數(shù)據(jù)確定。Cn、dn決定了已調(diào)QAM信號在信號空間中的坐標(biāo)點。 MQAM調(diào)制器原理方框圖式225是2個已調(diào)正交載波信號的和。在電路實現(xiàn)中，正交載波sint可用同相載波cost經(jīng)移相π/2后得到，所以取負號。g(t)為系統(tǒng)的單位脈沖響應(yīng)，取幅度為1， Xn ， Yn分別表示所要傳輸?shù)?路多電平信號第n個碼元的值，Ts是一個碼元的持續(xù)時間，是載波角頻率。 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4bit的信號(log216=4)，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log2M=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，16QAM的每個符號或周期傳送4bit。解調(diào)器根據(jù)星座圖及接收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2個調(diào)幅信號相加就是所需的調(diào)相信號。可見星座點數(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，但在實際應(yīng)用中達不到這一理論效率，因為在實際應(yīng)用中傳輸信號通常采用升余弦滾降波形，他所實現(xiàn)的頻譜效率要比理論效率下降一個滾降系數(shù)α倍。調(diào)制過程表明：MQAM信號可以看成是兩個正交的抑制載波雙邊帶調(diào)幅信號的相加，因此，MQAM與MPSK信號一樣，其功率譜都取決于同相路和正交路基帶信號的功率譜。MQAM與MPSK在信號點數(shù)相同時，功率譜相同，帶寬均為基帶信號的兩倍[5]。 QAM信號的信號空間圖 方形16QAM星座圖 星形16QAM星座圖QAM信號包含了相位信息和幅度信息，將其畫在坐標(biāo)中即形成QAM信號的信號空間土，也稱星座圖或矢量端點分布圖。QAM信號的結(jié)構(gòu)不僅影響到已調(diào)信號的功率譜特性，還影響到已調(diào)信號的解調(diào)及性能。對M=16的16QAM來說。當(dāng)所有信號點都等概出現(xiàn)，且信號之間的最小距離為2A時，QAM信號的平均發(fā)射功率為： (229)對方形16QAM，可算得信號平均功率為= (230)而在星形16QAM情況下，則有 = (231)。即在功率利用方面，方形16QAM優(yōu)于星形16QAM。，可以發(fā)現(xiàn)兩者的差別：由于星形16QAM的星象點分布在二層圓周上，因而只有兩種振幅值和8種相位值；方形16QAM的星象點分布在三層圓周上，因而它有三種振幅值和12種相位值（星象點在圓周上的分布是非均勻的）?？梢?，星形16QAM與方形16QAM 在振幅數(shù)和相位數(shù)上都存在著差別。因星形16QAM信號只有兩種振幅和8種相位值，所以星形16QAM更有利于接收端的增益控制和載波相位跟蹤（載波提取）。16QAM，32QAM，64QAM，[6]。 16QAM、32QAM、64QAM、128QAM解調(diào)后初始星座圖，當(dāng)M=16或64時星座圖為矩形，而M=32或128時則為十字形。前者M為2的偶次方，即每個符號攜帶偶數(shù)個比特信息。后者M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I，Q分量[7]。 MQAM(多電平正交振幅調(diào)制)信號的解調(diào)原理 MQAM解調(diào)原理方框圖 MQAM信號的解調(diào)器是一個正交相干解調(diào)器。解調(diào)器輸入端的已調(diào)信號與本地恢復(fù)的兩個正交載波相乘，經(jīng)過低通濾波器輸出兩路多電平基帶信號和用門限電平為(L1)的判決器判決后，分別恢復(fù)出兩路速率為Rb/2的二進制序列，最后經(jīng)并/串變換器將兩路二進制序列組合為一個速率為Rb的二進制序列。相干解調(diào)原理我們已經(jīng)熟知，這里主要對經(jīng)過相乘后得到的同向與正交兩路相互獨立的多電平基帶信號和進行判決與檢測，然后還原為二進制序列。 (232)式中， ， ，Xn和Yn取值為。解調(diào)判決時，采用判決電平m，此判決電平取在信號電平間隔的中點值，即m=0， 2，4，…，(L2)為判決電平時若Xnm，則=0；Xn m，則=1。若Yn m，則=0；Yn m，則=1。對16QAM，式232中Xn和Yn取值為。解調(diào)時，信號電平間隔的中點值為m=0，m=我們以下支路為例：若Ynm，則=1；Yn m，則=0。對于四電平碼Yn在不同電平(0，)根據(jù)判決結(jié)果，，之間的關(guān)系列于表21。表中a1和a2 (經(jīng)串/并變換電路后，輸出思路并行數(shù)據(jù)的低位)分別表示Y(t)支路的邏輯狀態(tài)[8]。表21 四電平判決結(jié)果 根據(jù)表21的判決結(jié)果，再按下式進行邏輯運算，即可恢復(fù)出調(diào)制解調(diào)器輸入的二進制數(shù)據(jù) 。 =， =+ (233)同理，根據(jù)上述原理，由上支路也可以恢復(fù)出原二進制數(shù)據(jù)。第三章 具有矩形星座圖信號的調(diào)制與解調(diào) 具有矩形星座圖的信號調(diào)制與解調(diào) 具有矩形星座圖的信號調(diào)制 輸入數(shù)據(jù)序列經(jīng)串/并變換分成I，Q兩路，再經(jīng)2L電平變換及星座圖映射，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。下面詳細解釋這部份的實現(xiàn)，MQAM信號共有M個信號點，代表一個M進制信號集。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=log2M=4或6，則I，Q兩路的電平代碼分別用2或3 b表示，L=，經(jīng)2L電平轉(zhuǎn)換后I，Q兩路輸出的值分別由0，1，2，3或0，1，2，3，4，5，6，7組成。星座圖映射完成的是將由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3，1，1，3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，即x=177。1，177。3，…，177。L1。Q路的取值方法與x完全相同。 具有矩形星座圖的信號解調(diào) 16QAM(L=4)， 64QAM(L=6)調(diào)制解調(diào)原理圖 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)時鐘進行多電平判決，16QAM以177。2，177。，判決后得到一組由177。1，177。3組成的數(shù)據(jù)。64QAM以177。6，177。4，177。2，177。，判決后得到一組由177。1，177。3，177。5，177。7組成的數(shù)據(jù)。16QAM星座圖反映射完成的是將177。1，177。3映射成為0，1，2，3；64QAM星座圖反映射完成的是將177。1，177。3， 177。5，177。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L2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177。2，177。177。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，使解調(diào)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；以16QAM，32QAM為例。若以177。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。 具有十字形星座圖的信號的調(diào)制與解調(diào)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)制不同的是， 輸入數(shù)據(jù)序列不能先進行I ， Q 分路后做星座圖映射， 只能是先進行星座圖映射， 然后再I ， Q 分路。否則會導(dǎo)致某些失量端點無法扣除， 即在32QAM 中會有 (177。5， 177。5) 這多余的4 個點， 在128QAM 中會有(177。9， 177。9) ， (177。9， 177。11) ， (177。11， 177。9) ， (177。11， 177。11)這多余的16 個點無法扣除。其實現(xiàn)如下:輸入數(shù)據(jù)2 L 電平變換， L = log2M ， 對與32QAM 或128QAM 而言， 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)， 這些矢量點的實部和虛部分別由177。1， 177。3， 177。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177。1， 177。3， 177。5， 177。7， 177。9， 177。11 組成， 但不包括 (177。9， 177。9) ， (177。9， 177。11) ， (177。11， 177。9) ，(177。11， 177。11) 這16 個矢量點。然后將得到的X k ， Y k 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A SK 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。 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， 他將輸入信號分成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)的時鐘進行多電平判決， 32QAM 以177。4， 177。2， 177。0 為判決電平， 判決后得到一組由177。1， 177。3， 177。5 組成的數(shù)據(jù)。 128QAM 以177。10， 177。8， 177。6， 177。4， 177。2， 177。0 為判決電平， 判決后得到一組由177。1， 177。3， 177。5， 177。7， 177。9， 177。11 組成的數(shù)據(jù)1然后進行I ， Q 合路以形成星座圖。 32QAM 星座圖反映射完成的是將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是將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2L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[9]。 32QAM(L=5)，128QAM(L=7)調(diào)制解調(diào)原理圖 64QAM在加性高斯白噪聲條件下的誤碼率。此外，32QAM或128QAM也可以用與16QAM或64QAM相同的解調(diào)方法。 結(jié)語多進制正交振幅調(diào)制(MQAM)是在中、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進行調(diào)制的一種復(fù)合的調(diào)制形式，他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)方式頻譜利用率較高，在調(diào)制的進制數(shù)較高時，信號矢量集的分布也比較合理，同時實現(xiàn)起來也比較方便且性能良好。第4章QAM眼圖分析眼圖是指利用實驗的方法估計和改善（通過調(diào)整）傳輸系統(tǒng)性能時的在示波器上觀察到的圖形[5] 沈越泓，高媛媛，魏以民．通信原理[M].北京：機械工業(yè)出版社，2004： 141143．，因其類似人的眼睛而稱為“眼圖”。得到眼圖的方法是：將接受波形輸入示波器的垂直放大器，把產(chǎn)生水平掃描的鋸齒波周期與碼元定時同步，由于熒光屏的余輝作用，若干碼元重疊形成眼圖。軟件產(chǎn)生眼圖的方法本文用MATLAB仿真。 從眼圖我們可以觀察到很多東西，比如噪聲的大小，用來傳輸序列的信道的帶寬，但是眼圖并不適合觀察連續(xù)的數(shù)據(jù)流[6] Instructor’s Manual to acpany TIMS[M].Tim Hooper，2001：104105.。眼圖顯示了數(shù)字基帶信號波形可能取得的所有瞬時值。在完全隨機輸入的情況下，由于各個碼元波形疊加，會在眼圖中形成若干眼孔，眼孔的張開度能充分說明傳輸信號的質(zhì)量。眼孔在水平軸上的交叉點稱為水平聚集點，兩個聚焦點的距離稱為眼圖的水平張開距離，眼孔的最大垂直距離稱為眼圖的垂直張開度，又稱眼圖的幅度。在理想(即無噪聲和碼間串?dāng)_)的情況下，眼圖垂直聚焦十分清晰，水平聚焦收斂于同一過零點；當(dāng)出現(xiàn)噪聲和碼間干擾時，眼圖的上升沿、下降沿變粗變模糊并形成帶狀，水平聚焦點擴散晃動(擴散晃動的寬度稱為