呂民花，衛(wèi) 寧，馬永紅

（華北電力大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，北京 102206）

0 引言

衡量數(shù)據(jù)調(diào)制技術(shù)有2個(gè)重要指標(biāo)：頻帶利用率（調(diào)制效率，是指單位頻帶內(nèi)所能傳輸?shù)谋忍亓浚┖凸β世寐剩ㄔ跐M足誤碼率條件下，所需要的功率值）。正交幅度調(diào)制（QAM，Quadracture Amplitude Modulation）因其是抑制載波的調(diào)制方式，功率利用率高，因此有較強(qiáng)的抗干擾能力。同時(shí)，由于其幅度和相位都攜帶信息，與單參量調(diào)制方式相比，在最小距離相同的條件下，QAM星座圖中能容納更多的星座點(diǎn)，在有限的帶寬內(nèi)也能傳輸更多的消息量。因此，QAM在大容量的數(shù)字微波通信、衛(wèi)星通信、有線電視網(wǎng)絡(luò)等通信領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[1-2]。

1 64-QAM調(diào)制原理分析

64-QAM是振幅-相位聯(lián)合鍵控，它同時(shí)利用載波的幅度和相位來(lái)傳遞信息，不同的幅度和相位代表不同的編碼符號(hào)。64-QAM采用的是8個(gè)電平，每一個(gè)星座點(diǎn)都用6比特表示，從而有很高的頻帶利用率[3-4]。

64-QAM的調(diào)制/解調(diào)框圖如圖1所示[5-6]，偽隨機(jī)二進(jìn)制序列（PRBS，Pseudo-Random Binary Sequence）生成的二進(jìn)制數(shù)據(jù)首先經(jīng)過(guò)串/并轉(zhuǎn)換，將高速的數(shù)據(jù)分成2路速率減半的信號(hào)：同相信號(hào)（I,In-phase）、正交信號(hào)（Q,Quadrature）。每路一次給3比特，這3比特能構(gòu)成8種不同的電平幅度，兩路信號(hào)經(jīng)正交載波調(diào)制后變成相互正交的，這樣任意I和Q的幅度組合都會(huì)在極坐標(biāo)上映射一個(gè)星座點(diǎn)，每個(gè)星座點(diǎn)代表由6個(gè)比特?cái)?shù)據(jù)組成的一個(gè)狀態(tài)，I和Q共有64種組合狀態(tài)，即形成64QAM星座圖。

圖1 64-QAM 調(diào)制/解調(diào)框圖

2 Optisystem的建模分析

參閱了文獻(xiàn)[7-8]，圖2是搭建的64-QAM傳輸系統(tǒng)仿真模型。

PRBS生成器的作用是產(chǎn)生隨機(jī)二進(jìn)制數(shù)據(jù)。因?yàn)?4-QAM調(diào)制能傳的最大數(shù)字信號(hào)比特流為2×log28×5.4=32.4 Mb/s，在仿真模型中，設(shè)置的位速率為30.375 Mb/s。

圖2 64-QAM傳輸系統(tǒng)仿真模型

（1）QAM序列生成器

完成信號(hào)的串/并、2-8電平變換。它通過(guò)內(nèi)置的串/并轉(zhuǎn)換器，將高速串行序列變成2路速率減半的并行子序列，并通過(guò)設(shè)置每位符號(hào)由幾位2進(jìn)制表示（h）來(lái)確定M-QAM；子序列再分別進(jìn)行2-8電平轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換規(guī)則為：ak=(2i-1-M)，i=1,2,…,M，其中，M=2h/2，i代表相應(yīng)的二進(jìn)制數(shù)據(jù)：000--1，001--2，010--3，011--4，100--5，101--6，110--7，111--8。

在64-QAM中，h=6，M=8，需要從6位的序列中各取連續(xù)的3位給2個(gè)子序列。然后根據(jù)3位數(shù)據(jù)找到對(duì)應(yīng)的i值，再計(jì)算ak的輸出電平幅度依次為：-7、-5、-3、-1、1、3、5、7，即完成了2-8電平轉(zhuǎn)換。

表1是I序列等于000時(shí)，Q序列從000～111變化的轉(zhuǎn)換關(guān)系，其他的56種狀態(tài)的變換方法與表1類(lèi)似。

表1 串/并變換及2-8電平轉(zhuǎn)換

（2）M-ary脈沖生成器

產(chǎn)生多進(jìn)制脈沖。當(dāng)t1＜t＜t1+tc時(shí)：vk(t)=G×ak，其他時(shí)間 vk(t)=0，其中，G是增益，ak是信號(hào)的幅度，tc是周期，t1是脈沖的位置。在圖2的模型中，tc設(shè)置為1 bit，t1等于0 bit，G等于1.

（3）正交調(diào)制器

用中心頻率為550 MHz的正交載波完成I、Q的調(diào)制。它是由2個(gè)正交的載波分別調(diào)制I、Q信號(hào)，再用加法器完成信號(hào)的疊加，這樣2路正交的信號(hào)就在同一線路中無(wú)干擾傳輸。

（4）正交解調(diào)器

用相干解調(diào)方式解調(diào)s(t)信號(hào)。s(t)信號(hào)分別與中心頻率為550 MHz的正交載波相乘，然后經(jīng)過(guò)截止頻率為20 MHz的LPF，濾除高頻信號(hào)，只剩下低頻信號(hào)。

（5）多進(jìn)制閾值檢測(cè)器

通過(guò)設(shè)置不同的閾值，來(lái)判決不同幅度電平的值。64-QAM信號(hào)的閾值設(shè)置為：-5.5、-3.5、-1.5、0、1.5、3.5、5.5，輸出幅度設(shè)為：-7、-5、-3、-1、1、3、5、7。這樣，經(jīng)過(guò)M-ary閾值檢測(cè)器后，就輸出8電平的I、Q電信號(hào)。

（6）QAM序列解碼器

完成8-2和并/串的轉(zhuǎn)換。根據(jù)電信號(hào)的幅度來(lái)計(jì)算i，i=(ak+1+M)/2，其中，M=8，ak為信號(hào)的電平幅度，計(jì)算可得i=1，2，3，4，5，6，7，8，然后將i的值轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制數(shù)據(jù)。解碼時(shí)分別從2個(gè)子序列中連續(xù)取3位數(shù)據(jù)合并成一組6位二進(jìn)制數(shù)來(lái)表示一個(gè)符號(hào)。

表2是當(dāng)I序列的幅度為-7，Q序列的幅度從-7至7時(shí)，恢復(fù)出的二進(jìn)制序列。其他7個(gè)幅度電平的解碼方法與表2類(lèi)似，總共解碼出64組數(shù)據(jù)。

表2 8-2電平轉(zhuǎn)換及并/串轉(zhuǎn)換

3 仿真結(jié)果分析

仿真模型運(yùn)行后，可以通過(guò)查看64-QAM的星座圖來(lái)觀察信號(hào)的調(diào)制與解調(diào)質(zhì)量，發(fā)射端星座圖如圖3（a）所示，接收端星座圖如圖3（b）所示。

圖3 64-QAM星座圖

圖3中橫坐標(biāo)是I信號(hào)的電平幅度，縱坐標(biāo)是Q信號(hào)的電平幅度，橫、縱坐標(biāo)都是無(wú)綱量。星座圖共包含64個(gè)點(diǎn)，每個(gè)點(diǎn)的幅度都在（-7、-5、-3、-1、1、3、5、7）8個(gè)幅度中取某個(gè)值，圖 3（a）是調(diào)制端信號(hào)的星座圖，圖3（b）是解調(diào)端信號(hào)的星座圖，可知在傳輸系統(tǒng)中存在一些噪聲干擾，但是整體星座圖的質(zhì)量很清晰，由星座圖的對(duì)比可知，該系統(tǒng)能正確的根據(jù)每個(gè)點(diǎn)的位置來(lái)解碼，完成高速串行信號(hào)的傳輸。

4 結(jié)語(yǔ)

64-QAM是一種高效的數(shù)字調(diào)制方式，廣泛應(yīng)用于傳輸領(lǐng)域。通過(guò)借助Optisystem光通信仿真軟件，對(duì)64-QAM調(diào)制系統(tǒng)作了深入研究，仿真結(jié)果驗(yàn)證了搭建的模型能完成64-QAM的調(diào)制與解調(diào)。下一步的研究工作是將64-QAM的調(diào)制格式應(yīng)用于DVB-C系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)數(shù)字電視視頻、音頻流的高速傳輸，同時(shí)，256-QAM調(diào)制格式也是下一步的研究重點(diǎn)。

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