QAM調制解調器的研究與實現

曹桂芹

【摘要】 本文探討QAM調制解調器的研究與實現，希望對相關工作有所幫助。

【關鍵詞】 32QAM 調制解調器 通信

隨著通信安全日益受到重視，保密通信已經不僅僅是軍事、政治領域的問題，已經成為了人們普遍關注的焦點，目前對于QAM調制解調技術的研究已經比較成熟，但是如何將QAM調制解調技術應用于數字電話加密，仍然有待于進一步探索，在上述背景下，探討QAM調制解調器的研究與實現，對保障通信安全具有很大意義。

一、QAM調制技術的原理及實現

正交幅度調制（quadrature amplitude modulation，QAM）主要是通過兩路正交載波的多種幅度來攜帶符號信息，由于正交幅度調制具有多元特性，因此也記為MQAM，在正交幅度調制技術中，兩個支路的幅度具有多種取值，合成信號的相位以及幅度具有多種組合，正交幅度調制技術的星座圖安排具有以下原則：在一定的發送平均功率下，力求dmin（信號星座點之間的最小距離）達到最大，讓系統達到最佳的誤碼性能。本文在此仿照ITU-TV.32標準，研究10kb/s高速modem調制解調器的設計和實現，發射部分包括擾碼器、比特分組轉換器、差分編碼、卷積編碼、星座映射、成形濾波、上變頻調制等環節，具體如圖1所示。

如圖所示，首先由加擾器對二進制比特流實施加擾，之后進行比特分組，實現串并變換，然后再經過一系列數字處理，把數字信號轉為模擬信號，最終將模擬信號送入名話信道。

1.1 數據加擾的原理和實現

加擾的目的就是將數據比特流隨機化，數字信號原始比特流通常會出現長時間‘0或‘1無變化的比特信號，這樣容易導致載波補償時失步，降低解調性，而數據加擾使得原始比特流實施擾亂，有利于解調端獲取同步，便于信號編碼傳輸，擾亂器中線性反饋移位寄存器的結構如圖2所示。

其中an代表移位寄存器狀態，具有0或1兩種取值，n代表移位寄存器編號，cn代表反饋抽頭連接線狀態，具有0或1兩種取值，0代表該寄存器沒有參與反饋，而1代表該寄存器參與反饋，代表運算或者異。

在實現數據擾亂時，首先確定m序列的生成多項式，具體如下：

GPCM=1+X18+X-23

之后依據生成多項式的最高次數定義寄存器數量為23，之后對抽頭賦值，沒有參與反饋的抽頭為0，反之則為1，最終完成后續的處理環節。

1.2 比特分組

數據加擾后，需要對二進制比特流進行分組，之后完成TCM編碼編制，比特分組轉換器的原理如圖3所示。

如圖所示，將擾碼器輸出的序列進行分組，每4位為1組，每組中的4個比特再分成2個小組，Q1n及Q2n為第1小組，用作差分編碼，Q3n及Q4n為第2小組，直接輸出，通過差分編碼，第1小組的2個比特得出Y1n和Y2n，輸出Y1n和Y2n的同時保留Y1n和Y2n的值，以用作卷積編碼輸入，通過卷積編碼，Y1n和Y2n得出冗余位Y0n，把Y0n、Y1n、Y2n與Q3n、Q4n共同實現星座映射。

二、QAM解調技術的原理和實現

首先由接收機收到模擬信號，將模擬信號轉換成數字信號，之后將數字信號送入下變頻模塊，實施初步解調，通過匹配濾波的作用，將原始的基帶I、Q路信號還原出來，再通過符號同步模塊，將星座圖恢復出來，然后通過自動增益模塊來調整信號增益，同時采用載波同步模塊來降低誤碼，最終獲取原始的發送數據，解調流程如圖4所示。

2.1 下變頻正交解調

下變頻正交解調和上變頻正交調制是互逆的過程，數字下變頻的基本模型如圖5所示。

數字下變頻過程可以分為兩個環節，首先要實現頻譜搬移，另外下變頻另一個關鍵環節就是復相位抽取濾波，盡管可以把信號正交解調出來，不過仍屬高采樣數據流，因此為了降低硬件資源的消耗，可以在下變頻之后來實施抽取濾波。在本文中，下變頻之前的采樣率是32kHz，采樣率以及符號速率大大低于主流兆級的寬帶通信系統，相對于目前大多數硬件產品而言，采樣率也較低，因而本文沒有實施抽取處理，只進行一次低通濾波，下變頻輸出時采樣率保持不變。

2.2 符號同步

在QAM接收機之中，首先要對接收的信號實施采樣，之后送入定時恢復環路，定時恢復環路包括內插濾波器、控制器、環路濾波器、定時誤差檢測模塊，其工作原理如下：1）對采樣信號實施內插處理；2）實施定時誤差檢測；3）估計內插時刻與采樣時刻之間的偏差；4）通過環路濾波器，把定時誤差結果送入控制器；5）調整下一次內插時刻；6）在反饋回路的作用下，實現符號同步自動調節。

2.3 自動增益控制

反饋式自動增益環路主要包括4個模塊，分別為幅度提取模塊、誤差檢測模塊、環路濾波模塊、增益調節模塊，符號同步完成之后，首先通過幅度提取模塊，提取I、Q兩路信號的幅度信息，之后將信息送入誤差檢測模塊，通過與固定參考值的對比，獲取誤差信號，再通過環路濾波模塊，把誤差信號中的高頻分量濾除，然后把經過環路濾波處理的信號送入增益控制器，進而形成反饋環路，實現自動增益。

2.4 載波同步

對于QAM調制解調技術來說，對相偏與頻偏十分敏感，下變頻后信號一定要進行相偏、頻偏的補償，這樣才能恢復正確的星座圖，提高解調性能，降低誤碼率。如圖6所示，由于載波相位偏移對32QAM星座圖產生了影響，導致星座旋轉了θ度。

可以看出，旋轉角度（θ）是由兩個部分構成的，一部分是固定相位誤差Δφ，另一部分是固定頻率誤差Δω，而載波同步就是要把星座點恢復到原始位置，本文采用相干解調法，從接收到的已調信號中直接恢復載波信號。

三、系統測試

本文中為了測試系統的實際性能，采用matlab對系統進行測試，測試不同噪聲比之下系統的實際性能，首先調制處理一組隨機信號，通過dat的形式保存輸出的已調信號，再采用matlab中的awgn函數，實施加噪處理，之后把信號送入解調模塊，對比輸出結果與發送信號，獲取誤比特率。

因為awgn加入的是具有隨機性的白噪，為了評價的客觀性，本文采取蒙特卡羅法實施測試，不同信噪比之下的加噪音、解調、誤比特率測試都反復進行30次，最終獲取誤比特率均值，制作32QAM經白噪聲后解調誤比特率曲線，系統在不同信噪比之下的誤比特率如圖7所示。

由圖可見，17dB和20dB之間，曲線隨著信噪比的增加而出現陡降，系統基本滿足理論曲線要求，基本滿足工程實際需求。不過信噪比大于20dB之后，隨著信噪比增加誤碼下降變緩，究其原因，是因為定點算法精度欠佳造成的，以后要積極解決這一問題。

四、總結

如今通信技術發展迅速，同時信息安全和通信保密也越來越受到關注，通信保密技術發生了很大變革，如今人們已經深深意識到秘密信息被截收以及通信線路被竊聽得嚴重性，對通信安全的需求越來越高，因此QAM調制解調器得應用越來越廣泛，本文分析了QAM調制解調器的研究與實現，經過測試證明，系統基本滿足理論曲線要求，基本滿足工程實際需求，以后還要進一步解決定點算法精度欠佳問題。

參 考 文 獻

[1]劉華橋. 64QAM調制解調關鍵技術研究與實現[D].電子科技大學，2013.

[2]冉元進. 基于16QAM的寬帶可變速率調制解調器研究與實現[D].電子科技大學，2013.

[3]陳巍. QAM調制解調器的研究與實現[D].國防科學技術大學，2012.

[4]劉勇. 遙測技術中QAM調制解調器的FPGA實現[D].哈爾濱工程大學，2011.

[5]宋漢斌. 三維調制解調器的理論研究[D].復旦大學，2012.

[6]朱泳霖. QAM調制解調技術研究及其FPGA實現[D].中南大學，2010.