64-QAM傳輸系統的Optisystem仿真設計

呂民花，衛 寧，馬永紅

（華北電力大學 電氣與電子工程學院，北京 102206）

0 引言

衡量數據調制技術有2個重要指標：頻帶利用率（調制效率，是指單位頻帶內所能傳輸的比特量）和功率利用率（在滿足誤碼率條件下，所需要的功率值）。正交幅度調制（QAM，Quadracture Amplitude Modulation）因其是抑制載波的調制方式，功率利用率高，因此有較強的抗干擾能力。同時，由于其幅度和相位都攜帶信息，與單參量調制方式相比，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，在有限的帶寬內也能傳輸更多的消息量。因此，QAM在大容量的數字微波通信、衛星通信、有線電視網絡等通信領域得到了廣泛的應用[1-2]。

1 64-QAM調制原理分析

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

64-QAM的調制/解調框圖如圖1所示[5-6]，偽隨機二進制序列（PRBS，Pseudo-Random Binary Sequence）生成的二進制數據首先經過串/并轉換，將高速的數據分成2路速率減半的信號：同相信號（I,In-phase）、正交信號（Q,Quadrature）。每路一次給3比特，這3比特能構成8種不同的電平幅度，兩路信號經正交載波調制后變成相互正交的，這樣任意I和Q的幅度組合都會在極坐標上映射一個星座點，每個星座點代表由6個比特數據組成的一個狀態，I和Q共有64種組合狀態，即形成64QAM星座圖。

圖1 64-QAM 調制/解調框圖

2 Optisystem的建模分析

參閱了文獻[7-8]，圖2是搭建的64-QAM傳輸系統仿真模型。

PRBS生成器的作用是產生隨機二進制數據。因為64-QAM調制能傳的最大數字信號比特流為2×log28×5.4=32.4 Mb/s，在仿真模型中，設置的位速率為30.375 Mb/s。

圖2 64-QAM傳輸系統仿真模型

（1）QAM序列生成器

完成信號的串/并、2-8電平變換。它通過內置的串/并轉換器，將高速串行序列變成2路速率減半的并行子序列，并通過設置每位符號由幾位2進制表示（h）來確定M-QAM；子序列再分別進行2-8電平轉換，轉換規則為：ak=(2i-1-M)，i=1,2,…,M，其中，M=2h/2，i代表相應的二進制數據：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的3位給2個子序列。然后根據3位數據找到對應的i值，再計算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電平轉換。

表1是I序列等于000時，Q序列從000～111變化的轉換關系，其他的56種狀態的變換方法與表1類似。

表1 串/并變換及2-8電平轉換

（2）M-ary脈沖生成器

產生多進制脈沖。當t1＜t＜t1+tc時：vk(t)=G×ak，其他時間 vk(t)=0，其中，G是增益，ak是信號的幅度，tc是周期，t1是脈沖的位置。在圖2的模型中，tc設置為1 bit，t1等于0 bit，G等于1.

（3）正交調制器

用中心頻率為550 MHz的正交載波完成I、Q的調制。它是由2個正交的載波分別調制I、Q信號，再用加法器完成信號的疊加，這樣2路正交的信號就在同一線路中無干擾傳輸。

（4）正交解調器

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

（5）多進制閾值檢測器

通過設置不同的閾值，來判決不同幅度電平的值。64-QAM信號的閾值設置為：-5.5、-3.5、-1.5、0、1.5、3.5、5.5，輸出幅度設為：-7、-5、-3、-1、1、3、5、7。這樣，經過M-ary閾值檢測器后，就輸出8電平的I、Q電信號。

（6）QAM序列解碼器

完成8-2和并/串的轉換。根據電信號的幅度來計算i，i=(ak+1+M)/2，其中，M=8，ak為信號的電平幅度，計算可得i=1，2，3，4，5，6，7，8，然后將i的值轉換成對應的二進制數據。解碼時分別從2個子序列中連續取3位數據合并成一組6位二進制數來表示一個符號。

表2是當I序列的幅度為-7，Q序列的幅度從-7至7時，恢復出的二進制序列。其他7個幅度電平的解碼方法與表2類似，總共解碼出64組數據。

表2 8-2電平轉換及并/串轉換

3 仿真結果分析

仿真模型運行后，可以通過查看64-QAM的星座圖來觀察信號的調制與解調質量，發射端星座圖如圖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中橫坐標是I信號的電平幅度，縱坐標是Q信號的電平幅度，橫、縱坐標都是無綱量。星座圖共包含64個點，每個點的幅度都在（-7、-5、-3、-1、1、3、5、7）8個幅度中取某個值，圖 3（a）是調制端信號的星座圖，圖3（b）是解調端信號的星座圖，可知在傳輸系統中存在一些噪聲干擾，但是整體星座圖的質量很清晰，由星座圖的對比可知，該系統能正確的根據每個點的位置來解碼，完成高速串行信號的傳輸。

4 結語

64-QAM是一種高效的數字調制方式，廣泛應用于傳輸領域。通過借助Optisystem光通信仿真軟件，對64-QAM調制系統作了深入研究，仿真結果驗證了搭建的模型能完成64-QAM的調制與解調。下一步的研究工作是將64-QAM的調制格式應用于DVB-C系統，以實現數字電視視頻、音頻流的高速傳輸，同時，256-QAM調制格式也是下一步的研究重點。

[1] 高俊明.高速光纖通信系統中新型調制碼型的研究與實現[D].上海:上海交通大學,2009.

[2] 劉鈺.基于 System View的數字電視有線傳輸系統的仿真分析[D].濟南:山東大學,2005.

[3] 李小娟,朱立東.一種改進的QAM載波恢復方法[J].通信技術,2010,43(03):46-47.

[4] 江林超,李光球.相關衰落信道上廣義矩形 MQAM的性能[J].通信技術,2009,42(03):61-64.

[5] 高長亮,王春華, 張羽飛. 數字CATV系統中激光器削波對 QAM信號影響的研究[J].通信技術,2009,42(12):19-20.

[6] 高長亮,蔣志立,王春華.拉曼放大對長跨距有線電視網中 QAM信號的影響[J].信息安全與通信保密,2008(11):70-74.

[7] WU Zhiqiang, WU Zhijin, DAVID A. Wiegandtand.High-performance 64-QAM OFDM via Carrier Interferometry Spreading Codes[J]. Vehicular Technology Conference, 2003(01):557-561.

[8] YU Jianjun,ZHOU Xiang.Generation and Detection of QAM in Digital Coherent System[J]. IEEE Photonics Society, 2010(7-11):401-402.