软件无线电台QAM调制解调算法实现与仿真.doc

软件无线电台QAM调制解调算法实现与仿真摘要：本文论述了适用于数字微波系统的权数字正交幅度调制解调方式，并根据星座图的形状指出了16QAM，64QAM（星座图为矩形）与32QAM，128QAM（星座图为十字形）再调制与解调方法上的区别，最后用ADS（Advanced Design System）对16QAM，32QAM，64QAM，128QAM全数字调制与解调过程进行仿真，实验证明，全数字正交幅度调制解调易于实现，且性能良好。关键词：软件无线电，QAM，调制解调，星座图，误码率1 引言顾名思义，软件无线电台就是软件控制的无线电收发信机，它的所有工作处理过程和工作参数都应该是由软件来定义和控制，而不是像传统无线电那样由硬件来确定。从这个意义上来说，软件无线电台就是要将数字信号处理技术应用于天线端的射频（rf）信号处理，亦即将宽带A/D和D/A变换器尽可能靠近天线端使用，而且其功能及各种工作参数都可以通过软件来定义，所以，有人又将之称作为软件定义的无线电台（sdr）。数字振幅调制、数字频率调制何数字相位调制十数字调制的基础，然而，这3种数字调制方式都存在不足之处。如频谱利用率低、抗多径衰落能力差、功率谱衰减慢、带外辐射严重等。为了改善这些不足，几十年来人们不断提出易些新的数字调治解调技术，以适应各种通信系统的要求。其主要研究内容围绕减小信号带宽以提高频谱利用率，提高功率利用以增强抗干扰性能等。正交幅度调制解调（quadrature amplitude modulation and demodulation）就是一种高效的数字调制解调方式，他在中、大容量数字微波系统、有线电视网络高数据传输、卫星通信等领域被广泛应用。单独使用振幅何相位携带信息时，不能最充分利用信号平面，这可由矢量图中信号矢量端点的分布直观观察到。多进制振幅调制时，矢量端点在一条轴上分布；多进制相位调制时，矢量点在一个圆上分布，这可能在不减小最小距离的情况下，增加信号的端点数。基于上述概念引出的振幅与相位结合的调制方式被称为数字复合调制方式，一般的复合调制称为幅相键控（APK），两个正交载波幅相键控称为正交振幅调制（QAN）。它是2个已调正交载波信号的和。在电路实践中，正交载波可用同相载波经移相 后得到，所以取负号。g(t)为系统的单位脉冲响应，取幅度为1，xk，yk分别表示所要传输的二路多电频信号第k个码元的值，ts是一个码元的持续时间，c 是载波角频率。2 调制原理在理想状态下，MQAM的M个载波状态可以调制log2M 个比特，如16QAM的载波状态最多可调制一个4b的信号，也就是说MQAM的频谱利用率为log2Mb/s/Hz。目前星座图里的样点数，例如16QAM，确定QAM的类型，16个样点表示这是16QAM信号，星座图里每个样点表示一种状态。16QAM有16态，每 位规定16态中的一态。16QAM中规定了16种载波幅度和相位的组合，16QAM的每个符号或周期传送4b。解调器根据星座图及接受到载波信号的幅度和相位来判断发送端发送的信息比特。16QAM也是二维调制技术，在实现时也采用正交调幅的方式，某星座点在1坐标上的投影取调制同相载波的幅度，在Q坐标上的投影去调制正交载波的幅度，然后将两个调幅信号相加就是所需的调相信号。可见星座点数越大，在一个周期内可传送的数据比特数就越多，频谱利用率就越高。16QAM，32QAM，64QAM，128QAM的频谱利用率理论值分别为4，5，6，7（单位：b/s/Hz）。此处的频谱利用率理论值是指当传输信号的频谱为理想低通频谱时所实现的频谱效率，但在实际应用中达不到这一理论效率，因为在实际应用中传输信号通常采用升余玄滚降波形，它所实现的频谱效率要比理论效率下降一个滚降系数a倍。16QAM，32QAM，64QAM，128QAM的星座图：当M=16或64时星座图为矩形，二M=32或128时则为十字形。前者M为2的偶次方，即每个符号携带偶数个比特信息；后者M为2的奇次方，每个符号携带奇数个比特信息。每个符号可分解为X，Y两个分量，常标为同相分量和正交分量，即1，Q分量。2.1 QAM 正交振幅调制(Quadrature Amplitude Modulation) QAM调制效率高，要求传送途径的信噪比高，适合有线电视电缆传输。在美国，正交调幅通常用在地面微波链路，不用于国内卫星，欧洲的电缆数字电视采用QAM调制，而加拿大的卫星是采用正交调幅。PSK只利用了载波的相位，它所有的星座点只能分布在半径相同的圆周上。当星座点较多时，星座点之间的最小距离就会很密，非常容易受到噪声干扰的影响。调制技术的可靠性可由相邻星座点之间的最小距离来衡量，最小距离越大，抵抗噪声等干扰的能力越强，当然前提是信号的平均功率相同。当噪声等干扰的幅度小于最小距离的1/2时，解调器不会错判，即不会发生传输误码；当噪声等干扰的幅度大于最小距离的1/2时，将发生传输误码。因此PSK一般只用在8PSK以下，常用的是BPSK和QPSK。当星座点进一步增加时，也即需要更高的频带利用率时，就要采用QAM调制了。在PSK中I信号和Q信号互相不独立，为了得到恒定的包络信号，它们的数值是受到限制的，这是PSK信号的基本特性。如果去掉这一限制，就得到正交幅度调制QAM。作为一个特例，当每个正交信号只有两个数值时，QAM与4-PSK完全相同。当M4时QAM的信号星座呈正方形分布，而不再像PSK那样沿着一个固定的圆周分布。QAM是幅度、相位联合调制的技术，它同时利用了载波的幅度和相位来传递信息比特，因此在最小距离相同的条件下，QAM星座图中可以容纳更多的星座点，即可实现更高的频带利用率，目前QAM星座点最高已可达256QAM。我们以16QAM为例来说明QAM的特性。星座图里的样点数目，例如16，确定QAM的类型。16个样点表示这是16-QAM信号。星座图里每个样点表示一种状态。16-QAM有16态，每4位规定16态中的1态。16QAM中规定了16种载波幅度和相位的组合。16-QAM的每个符号或周期传送4位比特。解调器根据星座图及接收到的载波信号的幅度和相位来判断发送端发送的信息比特。QAM也是二维调制技术，在实现时也采用正交调幅的方式，某星座点在I坐标上的投影去调制同相载波的幅度，在Q坐标上的投影去调制正交载波的幅度，然后将两个调幅信号相加就是所需的调相信号。由此可见，在同相轴和正交轴上的幅度电平不再是2个而是4个(16QAM)和6 个(32QAM)，所能传输的数码率也将是原来的4倍到5倍(不考虑滚降因子)。例如64QAM的星座图，64QAM和256QAM用于下行数字电信号的传送。64QAM的频带利用率可达5bitHz。但是我们并不能无限制地通过增加电平级数来增加传输数码率。因为随着电平数的增加，电平间的间隔减小，噪声容限减小，同样噪声条件下误码增加。在时间轴上也会如此，各相位间隔减小，码间干扰增加，抖动和定时问题都会使接收效果变差。16-QAM要保持和QPSK同样的平均发射功率，星座图的点必须更密集。随着星座图中点间距的缩小，3 具有矩形星座图信号的调制与解调3.1 具有矩形星座图的信号调制输入数据序列经串并变换成I，Q两路,再经2L电平变换及星座图映射，形成 xk,yk 。M为了抑制已调信号的带外辐射，xk,yk要通过预调制低通滤波器，再分别与相互正交的2路载波相乘，形成2路ASK调制信号，最后将2路信号相加就可得到不同幅度和相位的已调QAM输出信号。下面详细解释这部分的实现，MQAM信号共有M个信号点，代表一个M进制信号集。每个符号用n=log2M个比特表示。使用矩形星座图时，2路正交信号的电平代码可分别用n/2b表示若M=16或64，n=log2M=4或6，则I，Q两路的电平代码分别用2或3b表示，L=2.2或2.3即4或8，经2L电平转换后I，Q两路的输出的值分别由0，1，2，3或0，1，2，3，4，5，6，7组成。星座图映射完成的时将由0，1，2，3或0，1，2，3，4，5，6，7组成的数字序列分别转换成由-3，-1，1，3或-7，-5，-3，-1，1，3，5，7组成的数字序列。由此可见，I路取值电平数为M，即X=-1，-3，1，3,.。Q路的取值方法与X完全相同。3.2 具有矩形星座图的信号解调 将输入信号分成2路分别与本地恢复的2个正交载波相乘，经过低通滤波器滤掉倍频分量得到x(t),y(t)。再根据本地恢复时钟进行多电平判决，16QAM以-2，2，0.5,-0.5为判决电平，判决后得到一组由-1，-3，1，3组成的数据；64QAM以6，4，2，0.5,-6,-4,-2,-0.5为判决电平，判决后得到一组由1，3，5，7，-1，-3，-5，-7组成的数据。16QAM星座图反映射完成的时将1，3，-1，-3映射成0，1，2，3；64QAM星座图反映射完成的是将1，3，5，7，-1，-3，-5，-7映射成为0，1，2，3，4，5，6，7；其对应关系分别与星座图映射时相同。再经过L-2电平转换和串并变换就可以得到输出数据序列。（1）16QAM之所以以2，0.5，-2，-0.5而非2，-2，0为判决电平，是因为在调制解调过程会产生延迟，使调解后在最初的时候产生直流，经判决后为0，这也是在看解调后的星座图时，最初会在原点处有点出现，一会又消失的原因；若以2，-2，0为判决电平，则将会将延迟产生的直流误判为1或-1。32QAM，64QAM，128QAM与16QAM在这一点上相同。（2）调制信号经信道传输过程会有能量损耗，所以在解调时应加必要的增益4 具有十字形星座图的信号调制与解调4.1 具有十字形星座图的信号调制 具有十字形星座图的信号调制与具有矩形星座图的信号调制不同的十，输入数据序列不能线进行I，Q分路后做星座图映射，只能是先进行星座图映射，然后再I，Q分路。否则会导致某些矢量端点无法扣除，即在32QAM中会有（5，-5，5，-5）这多余的4个点，在128QAM中会有（9，-9，9，-9），（9，-9，11，-11），（11，-11，9，-9），（11，-11，11，-11）这多余的16个点无法扣除。其实现如下：输入数据2L电平变换，L=Log2M,对与32QAM或128QAM而言，L为5或7，此时的输出值的范围为0，1，2，.，31或0，1，2，.，127；32QAM星座图映射完成将0，1，2,.，31这32个数字分别转换为32QAM星座图中的32个矢量端点的坐标，这些矢量的实部和虚部分别由1，3，5，-1，-3，-5组成，但不包括（5，5），（-5，-5），（5，-5），（-5，5）这4个矢量点。对于128QAM而言，则是将0，1，2，.，127这128个数字分别转换为128QAM星座图中的128个矢量端点的坐标，这些矢量点的实部和虚部分别由1，-1，3，-3，5，-5，7，-7，9，-9，11，-11组成，但不包括（9，-9，9，-9），（9，-9，11，-11），（11，-11，9，-9），（11，-11，11，-11）这16个矢量点。然后将得到的xk,yk通过预低调制低通滤波器，再分别与相互正交的2路载波相乘，形成2路ASK调制信号，最后将2路信号相加得到不同幅度和相位的已调QAM输出信号。4.2 具有十字形星座图的信号解调此过程恰为调制的逆过程，它将输入信号分成2路分别与本地恢复的2个正交载波相乘，经过低通滤波器滤掉倍频分量得到x(t),y(t)，再根据本地恢复的时钟惊醒多电平判决，32QAM以4，-4，2，-2，0.5，-0.5为判决电平，判决后得到一组由1，-1，3，-3，5，-5组成的数据；128QAM以10，-10，8，-8，6，-6，4，-4，2，-2，0.5,-0.5为判决电平，判决后得到以组由1，-1，3，-3，5，-5，7，-7，9，-9，11，-11组成的数据，然后惊醒I，Q合路以形成星座图；32QAM星座图反映射完成的十将32个矢量端点分别映射成为0，1，2,.，31起对应关系，与映射时相同；128QAM星座图反映射完成的 将128个矢量端点分别映射成为0，1，2,.,127起对应关系，与映射时相同；再经过L2电平转换和串并变换就可以得到输出数据序列。此外，32QAM或128QAM也可以用与16QAM或64QAM相同的解调方法。5. 结语软件无线电台时最近十多年来迅速发展起来的一种新颖通信设备，不仅仅用作发射信号，它还能确定可用传输信道的特性。检测传播路径，构建合适的信道调制方式，将它发射的电子波束调谐到正确的方向。选折合适的功率然后开始发射。多进制正交振幅调制（MQAM）十在中、大容量数字微波通信系统大量使用的一种载波键控方式。MQAM是对载波的振幅和相位同时惊醒调制的一种复合的调制形式，它同时利用了载波的幅度和相位来传递信息比特。通过仿真，可以看到本文提出的全数字QAM全数字调制与解调方式频谱利