ADS在16QAM通信系統中的應用

劉少平

(陜西烽火電子股份有限公司通裝研究所，陜西寶雞 721006)

現代通信中，提高頻譜利用率成為被關注的焦點。近年來，隨著通信業務需求的增長，尋找頻譜利用率高的數字調制方式已成為數字通信系統設計、研究的主要目標之一。正交振幅調制(Quadrature Amplitude Modulation，QAM)是一種頻譜利用率很高的調制方式，其在中、大容量數字微波通信系統、有線電視網絡高速數據傳輸、衛星通信系統等領域得到了廣泛應用。

1 16QAM的通信系統原理

在談論16QAM系統時，首先介紹QAM的概念，QAM是一種在兩個正交載波上進行幅度調制的調制方式。這兩個載波通常是相位差為90°的正弦波，因此被稱作正交載波。

通常可以同時進行幅度和相位的調制，也可以分開進行調制，但實現起來較困難。在特制的系統中信號可以分解為一組相對獨立的分量:同相(I)和正交(Q)分量。其是正交的，且互不相干。

16QAM原理框圖如圖1所示，其中圖1(a)為發射機原理圖，圖1(b)為接收機原理圖。

圖1 16QAM原理框圖

I－Q的調制信號可由同相載波和90°相移的載波相加合成，在電路上直接牽涉到載波相位的改變，所以較好實現。其次，I－Q圖上只有幾個固定點，簡單的數字電路就足以勝任編碼的工作。而且不同調變技術的差異只在于I－Q圖上點的分布不同而已，所以只要改變I－Q編碼器，利用同樣的調制器，便可得到不同的調制結果。I－Q解調變換的過程較容易，只要取得和發射機相同的載波信號，解調器的方塊圖基本上只是調制器的反向而已。從硬件的實現而言，調制器和解調器的方塊圖上，沒有會因為I－Q值的不同而必須改變的部份，所以這兩個方塊圖可以應用在所有的IQ調變技術中。

星座圖是對系統最直觀的測試。常用的有:直角坐標圖和極坐標圖。極坐標圖是觀察幅度和相位的最好方法，載波是頻率和相位的基準，信號表示為對載波的關系。信號可以以幅度和相位表示為極坐標的形式。相位是對基準信號而言的，基準信號通常是載波，幅度為絕對值或相對值。每一個星座點對應一個一定幅度和相位的模擬信號，其模擬信號再被上變頻到射頻信號發射出去。模擬調制和數字調制的區別:模擬調制和數字調制之間的差別在于調制參數。在這兩種方案中，改變的是載波信號的幅度、頻率或相位。在模擬調制中載波參數按連續的模擬信息信號改變，而在數字調制中，參數按離散的數字信息改變。

QAM調制實際上是幅度調制和相位調制的組合。相位加幅度狀態定義了一個數字或數字的組合。QAM的優點是具有較大的符號率，從而獲得更高的系統效率。通常由符號率確定占用帶寬。因此每個符號的比特越多，效率就越高。對于給定的系統，所需要的符號數為2 n，這里 n是每個符號的比特數。對于16QAM，n=4，因此有16個符號，每個符號代表4 bit:0000，0001，0010等。作為通信系統，除調制、解調部分外，傳輸信道也是必不可少的部分。

2 ADS仿真實現

(1)16QAM發射機的實現。在ADS中用數值域元件可完成16QAM發射機的仿真。在通信系統抗干擾和噪聲能力由調制時符號決定，一般用直接映射，即將數據源用Bits映射，在此首先將數據源用整數斜升源RampInt代替Bits，同時加入到BIT的轉換元件，同時用TableCx及CxToRect元件即可完成格雷編碼。

TableCx元件的輸出表示調制信號的復包絡，每個符號上使用多次采樣，在本實例中采用8次，SamPerSym=8;Nsample=100，sink元件為CxBBout存儲信號經采樣后和復包絡。對數值進行FFT處理即可得到調制信號的頻譜，在 ADS中設置公式為 BB_fft=fft(CxBBOut)，為顯示調制信號在載波附近的頻譜，可使用ADS中數據索引功能實現，首先利用數據流仿真可輸出測量數據對時間或測量數據的索引，得到數據點數:fft_size=sweep_size(BB_fit)。

選擇FFT上半部分:fft_1st=BB_fft［0::(fft_size－1)/2］;

選擇FFT下半部分:fft_2nd=BB_fft［(fft_size－1)/2+1::(fft_size－1)］。

將兩部分組合:spectrum=［fft_2nd，fft_1st］_fft=［－(fft_size－1)/2::(fft_size－1)/2］。

顯示調制信號頻譜為在直角坐標:顯示dBmVs x_fft。具體仿真結果如圖2和圖3所示。

調制信號帶寬由基帶濾波器來進行限帶。在ADS中可使用數值域中的濾波元件，也可使用定時域中的濾波器元件。定時濾波器元件可從Timed＞Filters庫中調入;數值濾波可以從“Numeric＞Communications”庫中調入，也可從“Numeric＞Signal Processing”中調入。再選用升余弦，該元件除濾波外，也可進行上、下采樣。經濾波后仿真結果如圖4所示。

圖4 濾波后的星座圖及頻譜圖

在仿真時，必須確定時間/頻率域中的頻譜特性，例如掃描帶寬和頻譜的分辨率帶寬。這些特性由時間步長或采樣點以及總的仿真時間長度決定。將載波頻率偏移30 MHz，即調制信號，其可看做是改變載波信號，但ADS在處理信號時仍然是認為載波頻率為原載波。ADS中將射頻信號的頻率特性稱特征頻率，其可以和調制信號的載波相同，也可以不同。如ADS中已有模塊不能滿足設計需要，可以定制新的客戶化調制技術。在此次仿真中將產生頻率偏移的電路用兩個元件代替即可。設置載波每100個符號改變一次的發射機仿真結果。具體原理及結果仿真如圖5和圖6所示。

圖5 發射機仿真模型圖

圖6 仿真頻譜分析圖

(2)16QAM接收機實現。接收機的完成基本是發射機的逆過程。具體步驟如下:將調制電路中數據源，頻譜分析等原件刪除，作為收電路輸入。其余建立同發射機。使用負的頻率偏移，可以抵消發射機中的頻率跳變，使用公式同發射機。升余弦函數選用根升余弦函數，與發射機構成匹配，減少碼間干擾。比特恢復IntToBit轉換元件完成比特恢復的過程，將整數表示的符號轉化為相應的4 bit位。出錯檢查，接收機完成簡單的解調過程就可以檢查從發射到接收的數據傳輸錯誤。利用誤碼率公式:Num_err=sum(abs(Bits_out－Bits_in))，其中 Bits_out和Bits_in都是邏輯電平0或1。誤碼率高是因為未考慮處理過程的時延。仿真結果如圖7和圖8所示。

圖7 接收機仿真模型圖

圖8 誤碼率的仿真圖表

(3)傳播信道。傳輸通道影響由傳播時延和通道噪聲兩個原因造成，在ADS中可通過下面方法解決。傳播時延:在接收機和發射機之間加入delay元件。通道噪聲:利用TkSlider元件在通道中計入噪聲大小，該噪聲加到了復包絡中的實部和虛部，因此在實際中不僅影響幅度，還影響相位。運行仿真，可查看各部分的數據。

3 結束語

介紹了利用ADS軟件對數字調制通信系統的仿真工作，通過在ADS軟件中，對采樣數、時間、以及噪聲等調整，確定系統中影響通信質量因素，從而提高通信系統的設計水平。

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［3］黃玉蘭，常樹茂.ADS射頻電路仿真與實例詳解［M］.北京:人民郵電出版社，2011.

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