正交幅度调制信号(QAM)调制解调系统的性能分析概要

*****************实践教学*****************兰州理工大学计算机与通信学院2013年春季学期通信系统仿真训练题目：正交幅度调制信号（QAM）调制解调系统的性能分析专业班级：姓名：学号：指导教师：成绩：摘要正交振幅调制（QAM）是一种振幅和相位联合键控。

它是功率和带宽相对高效的信道调制技术，误码率较低。

本次课程设计主要是对正交幅度调制解调工作过程的仿真，绘制了QAM的星座图及误码率曲线，在调制信号加入噪声对抗噪声性能进行了分析，并和QPSK进行对比得到相应结论。

关键词：QAM;调制解调;星座图;误码率目录第一章前言 (1)第二章正交幅度调制解调系统基本原理 (2)2.1 调制及解调的相关概念 (2)2.2 正交振幅调制系统 (2)2.2.1 正交幅度调制技术及QAM (2)2.2.2 QAM的误码率性能 (7)2.2.3 眼图的分析 (8)第三章正交幅度调制解调的仿真及结果分析 (10)3.1 正交调制过程 (10)3.1.1随机序列的产生 (10)3.1.2 序列的串并变换 (10)3.1.3 成型滤波（平方根升余弦滤波器） (10)3.1.4 调制 (11)3.2 加高斯白噪声及解调 (12)3.3 误码率曲线 (12)3.5 QAM和PSK的眼图及星座图分析 (14)总结 (19)参考文献 (20)附录 (21)致谢 (29)第一章前言随着现代通信技术的发展，特别是移动通信技术高速发展，新的需求层出不穷，促使新的业务不断产生，因而导致频率资源越来越紧张。

在有限的带宽里要传输大量的多媒体数据，频谱利用率成为当前至关重要的课题。

16QAM技术因为具有高频谱利用率、高功率谱密度等优势，被广泛应用于高速数据传输系统.在很多宽带应用领域，比如数字电视广播，Internet宽带接入，QAM系统都得到了广泛的应用。

QAM也可用于数字调制。

数字QAM有4QAM、8QAM、16QAM、32QAM 等调制方式。

其中，16QAM和32QAM广泛用于数字有线电视系统。

无线通信技术的迅猛发展对数据传输速率、传输效率和频带利用率提出了更高的要求。

选择高效可行的调制解调手段，对提高信号的有效性和可靠性起着至关重要的作用。

由于QAM已经成为宽带无线接入和无线视频通信的重要技术方案。

关于调制解调技术的仿真研究对于QAM理论研究和相关产品开发具有重要意义。

目前，我国的有线电视采用DVB-C标准。

DVB系统的信源编码统一使用MPEG-2编码。

模拟信号经抽样、量化、编码后形成的数字基带信号，其码率很高，占用的频带也很宽。

QAM(Quadrature Amplitude Modulation)就是用两个调制信号对频率相同、相位正交的两个载波进行调幅，然后将已调信号加在一起进行传输或发射。

在NTSC制和PAL制中形成色度信号时，用的就是正交调幅方式将两个色差信号调制到色度副载波上。

在移动通信中频谱利用率一直是人们关注的焦点之一，随着微蜂窝(Microcell)和微微蜂窝(Picocell)系统的出现，使得信道的传输特性发生了很大变化，接收机和发射机之间通常具有很强的支达分量，以往在蜂窝系统中不能应用的但频谱利用率很高的QAM已引起人们的重视，许多学者已对16QAM及其它变型的QAM在PCN中的应用进行了广泛深入地研究。

这是近年来被国际上移动通信技术专家十分重视的一种信号调制方式。

第二章正交幅度调制解调系统基本原理2.1 调制及解调的相关概念调制[1]，就是把信号转换成适合在信道中传输的形式的一种过程。

广义的调制分为基带调制和带通调制（也称载波调制）。

载波调制，就是用调制信号去控制载波的参数的过程，即使载波的某一个或某几个参数按调制信号的规律而变化。

调制信号是指来自信源的消息信号（基带信号），这些信号可以是模拟的，也可以是数字的。

未受调制的周期性震荡信号称为载波，它可以是正弦波，也可以使非正弦波（如周期性脉冲序列）。

载波调制后称为已调信号，它含有调制信号的全部特征。

基带信号对载波的调制是为了实现下列一个或多个目标：第一，在无线传输中，信号是以电磁波的形式通过天线辐射到空间的。

为了获得较高的辐射效率，天线的尺寸必须与发射信号波长相比拟，而基带信号包含的较低频率分量的波长较长，只是天线过长而难以实现。

但若通过调制，把基带信号的频谱搬至较高的载波频率上，是已调信号的频谱与信道的带通特性相匹配，这样就可以提高传输性能，以较小的发送功率与较短的天线来辐射电磁波。

第二，把多个基带信号分别搬移到不同的载频处，以实现信道的多路复用，提高信道利用率。

第三，扩展信号带宽，提高系统抗干扰、抗衰落能力，还可实现传输带宽与信噪比之间的互换。

因此，调制对通信系统的有效性和可靠性有着很大的影响和作用。

解调（也称检波）则是调制的逆过程，其作用是将已调信号中的调制信号恢复出来。

解调的方法可分为两类：相干解调和非相干解调（包络检波）。

相干解调时，为了无失真地恢复原基带信号，接收端必须提供一个与接收的已调载波严格同步（同频同相）的本地载波。

2.2 正交振幅调制系统2.2.1 正交幅度调制技术及QAM正交振幅调制[2]（Quadrature Amplitude Modulation,QAM）是一种矢量调制，也是一种振幅和相位联合键控。

它是将输入比特先映射（一般采用格雷码）到一个复平面（星座）上，形成复数调制符号。

正交调幅信号有两个相同频率的载波，但是相位相差90度（四分之一周期，来自积分术语）。

一个信号叫I信号，另一个信号叫Q信号。

从数学角度将一个信号可以表示成正弦，另一个表示成余弦。

两种被调制的载波在发射时已被混和。

到达目的地后，载波被分离，数据被分别提取然后和原始调制信息相混和。

这样与之作幅度调制（AM ）相比，其频谱利用率高出一倍。

随着M 的增大，相邻相位的距离逐渐减小，使噪声容限随之减小，误码率难于保证。

为了改善在M 大时的噪声容限，发展出了QAM 体制。

在QAM 体制中，信号的振幅和相位作为两个独立的参量同时受到调制。

这种信号的一个码元可以表示为0()cos() (1)k k k s t A t kT t k T ωθ=+<≤+ （2-1）式中：k=整数；k A 和k θ分别可以取多个离散值。

式（2-1）可以展开为00()cos cos sin sin k k k k k s t A t A t θωθω=- （2-2） 令 Xk = Akcos k ， Yk = -Aksin k则式（2—1）变为00()cos sin k k k s t X t Y t ωω=+ （2-3） k X 和k Y 也是可以取多个离散的变量。

从式（2-3）看出，()k s t 可以看作是两个正交的振幅键控信号之和。

在式（2-1）中，若 k 值仅可以取 /4和- /4，Ak 值仅可以取+A 和-A ，则此QAM 信号就成为QPSK 信号，如图（2-1）所示：图2-1 4QAM 信号矢量图 所以，QPSK 信号就是一种最简单的QAM 信号。

有代表性的QAM 信号是16进制的，记为16QAM ，它的矢量图示于下图（2-2）中：图2-2 16QAM 信号矢量图图（2-2）中用黑点表示每个码元的位置，并且表示出它是由两个正交矢量合成的。

类似地，有64QAM 和256QAM 等QAM 信号，如图（2-3）、图（2-4）所示。

它们总称为MQAM 调制。

由于从其矢量图看像是星座，故又称星座调制。

16QAM 信号的产生方法主要有两种。

第一种是正交调幅法，即用两路独立的正交4ASK 信号叠加，形成16QAM 信号，如图2-5所示。

第二种方法是复合相 Ak图2-3 64QAM 信号矢量图 图2-4 256QAM 信号矢量图A M图2-5 正交调幅法移法，它用两路独立的QPSK信号叠加，形成16QAM信号，如图2-6所示。

图中A MA M图2-6 复合相移法虚线大圆上的4个大黑点表示一个QPSK信号矢量的位置。

在这4个位置上可以叠加上第二个QPSK矢量，后者的位置用虚线小圆上的4个小黑点表示。

本次课程设计采用了正交调幅法。

在发送端调制器中串/并变换使得信息速率为Rb 的输入二进制信号分成两个速率为Rb/2的二进制信号，2/4电平转换将每个速率为Rb/2的二进制信号变为速率为Rb/8的电平信号，然后分别与两个正交载波相乘，再相加后即得16QAM信号。

如图2-7所示串并转换基带信号x 电平映射电平映射成形滤波成形滤波XX 载波发生器90度相移coswt-sinwt +已调信号yQnIn2-7正交调制原理框图解调是调制的逆过程，在接收端解调器中可以采用正交的相干解调方法。

接受到的信号分两路进入两个正交的载波的相干解调器，再分别进入判决器形成L 进制信号并输出二进制信号，最后经并/串变换后得到基带信号。

下图（2-8）为16QAM 解调框图：EPF 恢复信号x时钟恢复LPF 并串转换抽样判决XX 载波恢复90度相移coswt-sinwt 已调信号yQn In LPF 抽样判决2-8 相干解调原理框图2.2.2 QAM 的误码率性能矩形QAM 信号星座[3]最突出的优点就是容易产生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2K M =下的矩形信号星座图（K 为偶数），QAM 信号星座图与正交载波上的两个PAM信号是等价的，这两个信号中的每一个上都有22/K M =个信号点。

因为相位正交分量上的信号能被相干判决极好的分离，所以易于通过PAM 的误码率确定QAM 的误码率。

M 进制QAM 系统正确判决的概率是：()P P M C-=12 (2-4)式（2-4）中P M 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中的一半平均功率。

通过适当调整M 进制PAM 系统的误码率，可得：()()()o /1/3/112av N M Q M E P M --= （2-5） 式（2-5）中/No E av是每个符号的平均信噪比，因此M 进制QAM 的误码率为：()P P M M--=11 （2-6）可以注意到，当K 为偶数时，这个结果对2KM =情形时精确的，而当K 为奇数时，就找不到等价的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误码率的的严格上限。

()[]o1/E 321av 12N M QPM---<=<=()o1/3K 4Q EavbN M - （2-7）其中，N E O/avb是每比特的平均信噪比。

2.2.3 眼图的分析在实际数字互连系统中，完全消除码间串扰是十分困难的，而码间串扰对误码率的影响目前尚无法找到数学上便于处理的统计规律，还不能进行准确计算。