QAM和星座图

1正交调制读书报告NJUer摘要：正交振幅调制QAM(QuadratureAmplitudeModulation)就是一种频谱利用率很高的调制方式，其在中、大容量数字微波通信系统、有线电视网络高速数据传输、卫星通信系统等领域得到了广泛应用，本文探讨了正交振幅调制技术的相关原理，并从星座图的角度认识这种调制方式的实现和相关应用。关键词：正交幅度调制QAM、星座图一、正交幅度调制QAM是一种振幅和相位联合调制，也即其已调信号的振幅和相位均随数字基带信号变化而变化。采用M（M2)进制的正交振幅调制，可记为MQAM。M越大，频带利用率就越高。在移动通信中，随着微蜂窝的出现，使得信道传输特性发生了很大变化。过去在传统蜂窝系统中不能应用的正交振幅调制也引起人们的重视。QAM数字调制器作为DVB系统的前端设备，接收来自编码器、复用器、视频服务器等设备的TS流，进行RS编码、卷积编码和QAM数字调制，输出的射频信号可以直接在有线电视网上传送，同时也可根据需要选择中频输出。它以其灵活的配置和优越的性能指标，广泛的应用于数字有线电视传输领域和数字MMDS系统。为改善数字调制的不足之处，如：频谱利用率低、抗多径抗衰弱能力差、功率谱衰减慢、带外辐射严重等，人们采取了如下的几种方式，如提高功率利用率以增强抗噪声性能；适应各种随参信道以增强抗多径抗衰落能力等。另外，在恒参信道中，正交振幅调制（QAM）方式具有高的频谱利用率，因此正交振幅调制（QAM）在卫星通信和有线电视网络高速数据传输等领域得到广泛应用。二、QAMQAMQAMQAM调制的原理和星座图2.1、数据经过信道编码之后，被映射到星座图上，图1就是QAM调制器的基本原理框图。2一个信号有三个特性随时间变化：幅度、相位或频率。然而，相位和频率仅仅是从不同的角度去观察或测量同一信号的变化。人们可以同时进行幅度和相位的调制，也可以分开进行调制，但是这既难于产生更难于检测。但是在特制的系统中信号可以分解为一组相对独立的分量：同相（I）和正交（Q）分量。这两个分量是正交的，且互不相干的。图1中的QAM调制器中I和Q信号来自一个信号源，幅度和频率都相同，唯一不同的是Q信号的相位与I信号相差090。具体关系如图2所示，当I的幅度为1的时候，Q的幅度为0，而当I的幅度为0的时候，Q的幅度为1，两个信号互不相干，相位相差090，是正交的。对于MQAM信号，一般的表达式为：∑∞−∞=+−=nncsnMQAmtnTtgAte)cos()()(φω式中，nA是基带信号的振幅，)(snTtg−是宽度为sT的第n个码元基带信号波形，nφ是第n个码元载波的相位。上式展开的正交表示形式为：∑∑∞−∞=∞−∞=−−−=ncnsnncnsnMQAmtnTtgAtnTtgAteωφωφsin]sin)([cos]cos)([)(∑∑∞−∞=∞−∞=−−−=ncsnncsntnTtgYtnTtgXωωsin)]([cos)]([式中nnnAXφcos=，nnnBYφcos=是第n个码元振幅，∑∞−∞=−nsnnTtgX)(与∑∞−∞=−nsnnTtgY)(课实为基带信号。因此从上式可以看出，QAM调制是两个独立的数字基带信号对两个相互正交的同频载波进行抑制载波双边带调制。在QAM调制机制中，。相位+幅度状态定义了一个数字或数字的组合。QAM的优点是具有更大的符号率，从而可获得更高的系统效率。通常由符号率确定占用带宽。因此每个符号的比特（基本信息单位）越多，效率就越高。对于给定的系统，所需要的符号数为n2,这里n是每个符号的比特数。对于16QAM，n=4，因此有16个符号，每个符号代表4bit：0000,0001,0010等。对于64QAM，n=6，因此有64个符号，每个符号代表6bit：000000，000001，000010等。经过信道编码的二进制的MPEG-2比特流进入QAM调制器，信号被分为两路，一路给I，另一路给Q，每一路一次给3比特的数据，这3比特的二进制数一共有8种不同的状态，分别对应8种不同的电平幅度，这样I有8个不同幅度的电平，Q有8个不同幅度的电平，而且I和Q两路信号正交。这样任意一个I的幅度和任意一个Q的幅度组合都会在极坐标图上映射一个相应的星座点，这样每个星座点代表由6个比特的数据组成的一个映射，I和Q一共有8×8共64种组合状态，各种可能出现过的数据状态组合最后映射到星座图上，得到如图2所显示的64QAM星座图。3图二2.2、星座图的应用同基带数字传输的眼图相比较，星座图可以看成数字信号的一个“二维眼图”阵列，同时符号在图中所处的位置具有合理的限制或判决边界。代表各接收符号的点在图中越接近，信号质量就越高。由于屏幕上的图形对应着幅度和相位，阵列的形状可用来分析和确定系统或信道的许多缺陷和畸变，并帮助查找其原因使用星座图可以轻松发现诸如幅度噪声、相位噪声、相位误差、调制误差比等调制问题。（1）增益压抑增益压抑是在信号传送路径上因主动原件(放大器或信号处理器)过度驱动或不良的主动原件所导致的信号失真，结果在星座图上显示出四个角落被扭曲造成四边弯成如弓形的现象，而不是正常的四方形形状。（2）相位噪声相位噪声是一段时间内振荡器的相位相对不稳定的情况，如果此振荡器是关于信号处理(例如本地振荡器)这些相位不稳定会影响在信号上，在信号处理设备内的振荡器在设计上是只会对所处理的信号增加非常微小的相位噪声，然而不良的调制器或处理器可能增加非常可观的相位噪声在信号上，结果在星座图上显示出绕着图形中央旋转的现象。4（3）不连续的噪声干扰在实际的网络系统中，QAM信号会一直被噪声干扰。噪声导致所显示的符号落在星座图方框内正常位置的周围，所以在累积一段时间长度后统计一特定方框内所有符号的落点就会形成如云般的形状，每个符号表示噪声干扰些微的差异。如果有够多的噪声干扰星座图会显示一些符号以表示超过判断门坎形成“误码”。三、QAMQAMQAMQAM误码率分析通常情况下，我们采用矩形的QAM信号星座，这是因为容易产生PAM信号可直接加到两个正交载波相位上，此外它们还便于解调。对于kM2=下的矩形信号星座图（k为偶数），QAM信号星座图与正交载波信号上的两个PAM信号时等价的，着两个信号中的每一个上都有2/2kM=个信号点。因为相位正交分量上的信号能被相干判定方法进行分离，所以易于通过PAM的误码率确定QAM的误码率。M进制QAM系统正确判定的概率是：2)1(MCPP−=上式中，MP是M进制PAM系统的误码率，该PAM系统具有等价QAM系统的每一个正交信号的一半的平均功率。通过适当调整M进制PA系统的误码率，可得到：)13()11(20NEMQMPavM−−=上式中，0NEav是每个符号的平均信噪比，这样一来，M进制的QAM调制的误码率为：2)1(1MMPP−−=可以注意到，当k为偶数时，这个结果对kM2=情形时精确的，而当k为奇数时，就不存在与之等价的M进制PAM系统。如果使用最佳距离量度进行判决的最佳判决器，可以求出任意k≥1误码率的严格上限为：020)1(34])1(321[1NMEQNMEQPavavM−≤−−−≤式中0NEav是每个比特的平均信噪比四、QAMQAMQAMQAM与MPSKMPSKMPSKMPSK之比较为了说明QAM调制相对于MPSK（多进制相位键控）来说，抗干扰能力更强，误码率更低，图3示出了16PSK和16QAM的星座图：5图三16QAM和16PSK的星座图这两个星座图表示的信号最大功率相等，相邻信号点的距离d1，d2分别为：2DPSK：AAd39.016sin21=≈π16QAM：AMd47.01162122=−=−≈结果表明，d2d1，大约超过1.64dB。合理地比较两星座图的最小空间距离应该是以平均功率相等为条件。由相关资料得知，在平均功率相等条件下，16QAM的相邻信号距离超过16PSK约4.19dB。星座图中，两个信号点距离越大，在噪声干扰使信号图模糊的情况下，要求分开两个可能信号点越容易办到。因此16QAM方式抗噪声干扰能力优于16PSK。参考文献：1、《现代通信原理》文元美张树群等编著科学出版社2、《数据通信原理》陈启美李勃等编著南京大学出版社