16QAM调制解调技术分析仿真

摘 要：根据QAM调制解调的基本原理，以Matlab为开发平台，设计了16QAM数字调制解调系统并进行仿真分析，并在信噪比变化条件下，得到了不同进制QAM系统的误码率。仿真结果表明，QAM调制相对PSK调制具有较好的性能。

关键词：正交幅度调制；仿真；Matlab

中图分类号：TN92 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2014）08-0047-02

0 引 言

在通信信息高度发达的今天，频带资源显得十分有限。经过几代通信人的努力，研究得到了利用率比较高的数字调制方式-QAM（Quadrature Amplitude）。时至今日QAM已经成为研究设计数字通信系统的主要内容之一。近年来在QAM的研究方面取得了里程碑式的成果，上海506研究所和天津通广集团下属的一个通信机部门[1]、曾长华等（南京邮电大学）提出一种算法，是基于软件无线电的QAM调制[2]以及西安电子科技大学ISN国家重点实验室的侯立正、李维英等的16QAM调制系统主要部分的底层设计等，都是这方面研究成果的体现。

1 16 QAM工作原理

1.1 QAM调制解调的原理

正交振幅调制时域表达式如下：

由公式（1）可知，调制信号由两个分别被一组离散的振幅{Am}，{Bm}调制的载波构成，且这两个载波相位相差90°。（Tb是码元宽度，m=1，2…M），其中振幅{Am}，{Bm}可以表示成：

1.2 QAM调制性能

在评价QAM的性能时我们通常使用的几个参数有：峰值——均值比γ，星座点间最小欧几里德距离dmin和最小相位偏移θmin。

在不同的数字传输系统应用中，其参数要求不尽相同。

1.3 16 QAM调制解调原理

如前所述，当进制数M>4 时，正交幅度调制信号的时域表达式为：

2 16 QAM系统结构

2.1 16 QAM的结构

上文提到，在实际的工程应用中，一般通过正交调幅法或复合相移法生成I（t）、Q（t）。其中前者是用两路相位相差90°的四电平振幅键控信号叠加产生，后者是用两路四相移相键控信号叠加而成。

用正交振幅调制方法产生16 QAM 信号的调制器和解调器原理方框图[2]如图1所示。

由16 QAM系统结果图可以得到调制系统的具体工作流程，以四个二进制代码abcd为例说明：ac 经串/ 并变换器转换为上支路信号，bd 转换为下支路信号，转换后的信号码速率都为Rb/2（Rb为原始信号串/ 并变换之前的码速率）。转换之后两路二电平信号通过2-4 电平转换器变为四电平信号。此时，I（t）和Q（t）都是四进制格雷码，码速率变为Rb/4。经过乘法器调制之后输出四进制双极性振幅调制信号I（t）cosωct 、Q（t）sinωct 。

MQAM 的功率谱密度曲线除了载频两边的第一个零点频率分别为fc±Rb/lbM之外与2PSK、4PSK 类似。（fc 为载波频率）如果二进制信号中“1”和“0”出现的次数相等时，MQAM 调制后的信号频谱中无离散谱。

2.2 数字QAM解调系统结构

解调器的载波和符号定时同步含不含有反馈控制信号是数字解调与模拟解调最大的区别。在数字部分完成载波同步和符号定时同步。在调制系统中，模数转换器（ADC）的任务就是划分数字与模拟部分的边界。

相比于模拟QAM解调系统，数字QAM解调系系统构造结构简单，易于在工程中实现且成本花费少等优点。更重要的是，模拟系统作为应用在中高频的信号频率阶段的电路系统，存在相位失真，非线性失真等使系统优化变得极为困难的问题。综合考虑之后，现阶段的工程应用较多的是数字QAM解调系统。数字QAM解调系统的结构如图2所示。

从图2中可以看出，数字QAM解调系统主要有以下几个部分：

（1）下变频模块

接收端接收的调制信号经高频头被还原称为基带信号。

（2）AGC控制

根据信号实际情况调节输出的幅度，使得幅度一直不超出模数转换器件的参考范围。与此同时使得峰峰值更接近参考电位。

（3）A/D 采样

通过采样，量化等处理将模拟信号变为数字信号。一般情况下模数变换的位置代表了系统数字化程度的高低，模数转换离高频头越近，系统的数字化程度越高。

（4）符号定时恢复

模数采样后的信号会因为噪声、信道带宽和器件不稳定等一系列干扰因素而产生较大的误差。在数字接收机中为了提高控制精度，采用稳定的信号源进行不同步采样，完全由数字电路而不是模拟系统中的返回控制值实现符号定时的恢复，大大提高了信号精度。

（5）载波恢复模块

出现下变频后的“基带信号”中心频率偏离零点的问题主要是因为以下两点：一是收端和发端的本振时钟不完全同步；二是信道的快速变化特性所致。不仅如此，信号的相位在传输中也会受到一定程度的影响。所以，载波回复模块的功能就是把伪基带信号搬移至基带的同时跟踪该基带信号的相位。

（6）均衡模块

引起信号的幅度畸变的原因有：无线信道的瑞利衰落、多径延迟以及有线信道的多次反射等。在数字QAM调制解调系统中的均衡模块主要利用盲均衡和自适应均衡的技术相结合的方法解决上述问题。

（7）信道前端纠错模块（FEC）

信道编码的采用是为了提高信号传输时抗干扰的能力，在解调系统中接入前端纠错模块用来进行信道解码。

3 16 QAM调制及解调的仿真分析

使用MATLAB 软件作为工具进行计算机模拟，使用一些典型的参数，目的是为了在实现调制解调的同时使系统不用过分复杂。通过运行.m 文件[4]实现16QAM信号的调制与解调。是由Matlab 的随机函数产生的0、1 序列作为软件中输入的信源。

3.1 Matlab仿真

用Matlab作为仿真工具编程仿真有关QAM误码率性能指标的对比分析。采用加性高斯白噪声（AWGN）的信道，分别得到16QAM调制和QPSK 调制的误码率。图3所示是运行程序所得到的误码率，即信噪比曲线图。

3.2 仿真波形分析

16QAM在不同信噪比情况下的误码律绘制曲线可以看出，在进制数都为16 的情况下，即信息传输速率相同的情况下，相同信噪比下QAM 信号的误码率要小于PSK 信号，即QAM 的抗噪声性能要优于PSK。

4 结 语

通过基本原理与仿真分析可以看出，QAM作为一种广泛被中、大容量数字微波通信系统、有线电视网络数据传输、卫星通信系统等领域使用的调制解调技术，拥有非常良好的发展前景。

参 考 文 献

[1]杨明华. 基于FPGA的16QAM调制解调系统的研究[D]. 大连：大连海事大学， 2010.

[2]曾长华， 杨震， 郑清. 一种新的基于软件无线电的QAM调制信号的同步算法[J]. 电讯技术， 2006（4）：45-49.

[3]李白萍.现代通信理论[M].西安：西安电子科技大学出版社，2006.

[4]井敏英，杨俊海，王玉珏.QAM 调制解调技术分析仿真[J].科技广场，2009（11）：86-88.

[5]张辉，曹丽娜.现代通信原理与技术[M].西安：西安电子科技大学出版社，2008.

[6]樊昌信， 曹丽娜. 通信原理[M].北京：国防工业出版社， 1012.