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QAM正交幅度调制

2010-03-09  仙人掌2009

QAM

QAM_6分词条

所属分类: 无线电 电子学 移动通信 通信 通信技术

 

QAMQAM
QAM(Quadrature Amplitude Modulation):正交振幅调制。正交振幅调制,这是近年来被国际移动通信技术专家十分重视的一种信号调制方式。QAM是数字信号的一种调制方式,在调制过程中,同时以载波信号的幅度和相位来代表不同的数字比特编码,把多进制与正交载波技术结合起来,进一步提高频带利用率

 

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QAM-简介

       

QAM
图1      4QAM、 16QAM星座图、

64QAM星座图
正交调幅是一种将两种调幅信号汇合到一个信道的方法,因此会双倍扩展有效带宽。正交调幅被用于脉冲调幅,特别是在无线网络应用。  

正交调幅信号有两个相通频率的载波,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。

QAM是用两路独立的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幅,利用这种已调信号的频谱在同一带宽内的正交性,实现两路并行的数字信息的传输。该调制方式通常有二进制QAM(4QAM)、四进制QAM(l6QAM)、八进制QAM(64QAM)、…,对应的空间信号矢量端点分布图称为星座图,分别有4、16、64、…个矢量端点。电平数m和信号状态M之间的关系是对于4QAM,当两路信号幅度相等时,其产生、解调、性能及相位矢量均与4PSK相同。

QAM-原理

       
QAMQAM

在QAM(正交幅度调制)中,数据信号由相互正交的两个载波的幅度变化表示。模拟信号的相位调制和数字信号的PSK(相移键控)可以被认为是幅度不变、仅有相位变化的特殊的正交幅度调制。因此,模拟信号频率调制和数字信号的FSK(频移键控)也可以被认为是QAM的特例,因为它们本质上就是相位调制。这里主要讨论数字信号的QAM,虽然模拟信号QAM也有很多应用,例如NTSC和PAL制式的电视系统就利用正交的载波传输不同的颜色分量。

QAM是一种矢量调制,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,然后将符号的I、Q分量(对应复平面的实部和虚部,也就是水平和垂直方向)采用幅度调制,分别对应调制在相互正交(时域正交)的两个载波(coswt和sinwt)上。这样与幅度调制(AM)相比,其频谱利用率将提高1倍。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可实现更高的频带利用率,QAM最高已达到1024-QAM(1024个样点)。样点数目越多,其传输效率越高,例如具有16个样点的16-QAM信号,每个样点表示一种矢量状态,16-QAM有16态,每4位二进制数规定了16态中的一态,16-QAM中规定了16种载波和相位的组合,16-QAM的每个符号和周期传送4比特。

QAM调制器的原理是发送数据在比特/符号编码器(也就是串–并转换器)内被分成两路,各为原来两路信号的1/2,然后分别与一对正交调制分量相乘,求和后输出。接收端完成相反过程,正交解调出两个相反码流,均衡器补偿由信道引起的失真,判决器识别复数信号并映射回原来的二进制信号。如图4-2所示的是16-QAM的调制原理图。作为调制信号的输入二进制数据流经过串–并变换后变成四路并行数据流。这四路数据两两结合,分别进入两个电平转换器,转换成两路4电平数据。例如,00转换成-3,01转换成-1,10转换成1,11转换成3。这两路4电平数据g1(t)和g2(t)分别对载波cos2πfct和sin2πfct进行调制,然后相加,即可得到16-QAM信号。

QAM图2 16QAM信号电平与信号状态关系
采用QAM调制技术,信道带宽至少要等于码元速率,为了定时恢复,还需要另外的带宽,要增加15%左右。与其他调制技术相比,QAM编码具有能充分利用带宽、抗噪声能力强等优点。但QAM调制技术用于ADSL的主要问题是如何适应不同电话线路之间较大的性能差异。要取得较为理想的工作特性,QAM接收器需要一个和发送端具有相同的频谱和相应特性的输入信号用于解码,QAM接收器利用自适应均衡器来补偿传输过程中信号产生的失真,因此采用QAM的ADSL系统的复杂性来自于它的自适应均衡器。

当对数据传输速率的要求高过8-PSK能提供的上限时,采用QAM的调制方式。因为QAM的星座点比PSK的星座点更分散,星座点之间的距离因此更大,所以能提供更好的传输性能。但是QAM星座点的幅度不是完全相同的,所以它的解调器需要能同时正确检测相位和幅度,不像PSK解调只需要检测相位,这增加了QAM解调器的复杂性。

QAM-产生

       

 

QAM产生
QAM通过载波某些参数的变化传输信息。在QAM中,数据信号由相互正交的两个载波的幅度变化表示。

 

模拟信号的相位调制和数字信号的PSK可以被认为是幅度不变、仅有相位变化的特殊的正交幅度调制。由此,模拟信号频率调制和数字信号FSK也可以被认为是QAM的特例,因为它们本质上就是相位调制。这里主要讨论数字信号的QAM,虽然模拟信号QAM也有很多应用,例如NTSC和PAL制式的电视系统就利用正交的载波传输不同的颜色分量。

类似于其他数字调制方式,QAM发射的信号集可以用星座图方便地表示,星座图上每一个星座点对应发射信号集中的那一点。星座点经常采用水平和垂直方向等间距的正方网格配置,当然也有其他的配置方式。数字通信中数据常采用二进制数表示,这种情况下星座点的个数是2的幂。常见的QAM形式有16-QAM、64-QAM、256-QAM等。星座点数越多,每个符号能传输的信息量就越大。但是,如果在星座图的平均能量保持不变的情况下增加星座点,会使星座点之间的距离变小,进而导致误码率上升。因此高阶星座图的可靠性比低阶要差。

当对数据传输速率的要求高过8-PSK能提供的上限时,采用QAM的调制方式。因为QAM的星座点比PSK的星座点更分散,星座点之间的距离因之更大,所以能提供更好的传输性能。但是QAM星座点的幅度不是完全相同的,所以它的解调器需要能同时正确检测相位和幅度,不像PSK解调只需要检测相位,这增加了QAM解调器的复杂性。

QAM信号采取正交相干解调的方法解调。解调器首先对收到的QAM信号进行正交相干解调。低通滤波器LPF滤除乘法器产生的高频分量。LPF输出经抽样判决可恢复出m电平信号x(t)和y(t)。因为和取值为±1,±3,…,±(m-l),所以判决电平应设在信号电平间隔的中点,即Ub=0,±2,±4,…,±(m-2)。根据多进制码元与二进制码元之间的关系,经m/2转换,可将电平信号m转换为二进制基带信号x'(t)和y'(t)。

QAM-特点

       

QAM特点
1、性能

 

数字通信中经常用错误率(包括误符号率和误比特率)与信噪比的关系衡量调制和解调方式的性能。下面给出一些概念的记法,以得到AWGN信道下错误率的表达式:

M=星座点的个数
Eb=平均比特能量
Es=平均符号能量
N0=噪声功率谱密度
Pb=误比特率
Pbc=每个正交载波上的误比特率
Ps=误符号率
Psc=每个正交载波上的误符号率

2、矩形QAM

矩形QAM(RectangularQAM)的星座图呈矩形网格配置。因为矩形QAM信号之间的最小距离并不是相同能量下最大的,因此它的误码率性能没有达到最优。不过,考虑到矩形QAM等效于两个正交载波上的脉冲幅度调制(PAM)的叠加,因此矩形QAM的调制解调比较简单。而后面介绍的非矩形QAM虽然能达到略好一些的误码率性能,但是付出的代价是困难得多的调制和解调

最早的矩形QAM是16-QAM。其原因是很容易就看得出来2-QAM和4-QAM实际上是二进制相移键控(BPSK)和正交相移键控(QPSK),而8-QAM则有将单数位的位分到两个载波上的问题,8-PSK要容易得多,因此8-QAM很少被使用。

3、非矩形QAM

QAM本身有许多可以使用的排列。环状8-QAM是最佳的8-QAM,它可以使用最低的平均能量来达到最小的欧几里德度量。环状的16-QAM是亚优化的。环状的QAM非常好地显示出QAM与相移键控之间的关系。不规则QAM的错误率很难广泛地给出,因为它们按其排列各不相同。

虽然对一个特别的M有最佳的、不规则的QAM,但是人们还是使用规则的QAM,因为它们的调制和解调要方便得多。

QAM-应用

       

QAMQAM芯片
1、QAM分析仪

 

QAM分析仪是RF安装和维护的综合解决方案,用来测试有线电视系统上的DVB-C(有线数字视频广播)信号。它向工程师提供精确检验送至用户业务质量所需的测量功能。所有的测量都很容易接入,并以清楚的图形显示呈现测量结果。

应用:
前端设备安装和维护;
系统检验;
现场安装和维护;
调制器生产或验收测试;
在6MHz信道带宽中的OptJ91-调制测试;
测量能力;

QQAM分析仪解调和精确测量经DVB-C系统运载的16,64或256QAM信号。它提供新的测量度量标准,这些标准对于表征信号和查找问题都是必须的。图形显示器、清楚的用户界面以及单键测量能力将有助于模拟有线电视工程师方便地转向数字电线电视。

QAM调制器
2、QAM数字调制器

 

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、DVB网关、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。

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