基于Systemview的16QAM系統仿真設計與分析

楊波

摘要：正交幅度調制是一種矢量調制技術，同時利用載波的幅度和相位來傳輸基帶信號信息。因其在一定條件下可實現更高的頻帶利用率，抗噪聲能力強且實現技術簡單而廣泛應用于有線電視、衛星通信、移動通信等系統中[1]。

關鍵詞：正交幅度調制;頻帶利用率;抗噪聲能力

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2020）09-0018-02

1 16QAM調制解調原理

16QAM的調制思想是通過串-并轉換電路先將信息速率為Rb的高速數據流分成兩路速率為0.5Rb的低速數據流，經2-4電平轉換與相互正交的載波信號進行調制后疊加而成[2]。16QAM信號疊加高斯噪聲后，經解調后通過低通濾波器濾除無用信號，再經門限判決4-2電平轉換電路后，經并-串轉換電路還原基帶信號。16QAM調制解調框圖如圖1所示。

2 系統仿真與分析

為便于觀察分析，系統時鐘設為1MHz，16QAM調制解調仿真電路如圖2所示。

2.1 調制系統參數設置

將基帶信號Token0頻率設為1kHz，脈沖寬度0.5ms。偽隨機序列生成器Token1寄存器長度設為10，寄存器抽頭為3-10。串-并轉換子系統中，用Token3產生時鐘信號控制兩個D觸發器Token12與Token6交替傳輸Token5輸入的串行信號，轉換成I、Q兩路并行信號。

從仿真波形來看，基帶信號波形前20ms數據為11011 11000 01000 10100，I、Q兩支路信號信息速率降低為基帶信號的一半，由于信號處理延時影響，I、Q兩支路信號前均有0碼出現。經波形分析，前20ms I支路信號數據為10110 00000;Q支路信號數據為11100 10110，可以看出基帶信號奇數位傳輸給了I支路，偶數位傳輸給了Q支路。

串-并轉換電路雖能降低信息速率便于調制，但是還是不能滿足高速率傳輸需求，需再將兩路信號分別進行2-4進制轉換，進一步降低信息速率，與串-并轉換子系統相比，2-4轉換子系統將兩路D觸發器輸出的信號分別通過了兩個單刀雙擲開關電路。

上支路單刀雙擲開關電路的作用是當輸入1時，輸出Token27即幅度為2的信號，當輸入0時輸出Token26即幅度為-2的信號;下支路單刀雙擲開關電路的作用是，當輸入1時輸出Token29即幅度為1的信號，當輸入0時輸出Token28即幅度為-1的信號，再將兩路信號疊加即完成2-4進制轉換。

I、Q兩支路轉換為4進制后，每個支路符號包含2bit信息，經過調制后疊加，每個符號包含4bit信息。I、Q兩支路調制后，即完成了16QAM調制。

展開16QAM信號，可清楚觀測到4進制正負極性變化處對應的16QAM信號相位均發生了變化，4進制+3和-3處對應的16QAM信號幅度較大，+1和-1對應的16QAM信號幅度較小。

2.2 解調系統

解調系統采用鎖相環恢復載波進行同步解調，鎖相環子系統中Fm為通信庫中調頻器，頻率值與調制載波頻率相同設為5kHz。

鎖相環恢復出的載波與16QAM信號相乘，經過貝塞爾低通濾波器濾除無用高頻分量，經線性放大器后輸入4-2轉換子系統，將信息還原成二進制。

4-2轉換子系統將-3、-1、1、3轉換為2位二進制數據，其中-3映射成00、-1映射成01、1映射成10、3映射成11。

4-2轉換子系統處理信號后，進入波形整形子系統消除信號干擾，然后將I支路進行并-串轉換。I支路信號與Q支路信號進行合并，并-串轉換后即可恢復出基帶信號。解調恢復出的基帶信號與輸入端基帶信號相比較可以看到，解調出的基帶信號有0.012s延遲，波形與輸入端基帶信號一致，說明16QAM解調成功。

3 抗干擾性能分析

16QAM星座圖中，16個信號點均勻分布在半徑為R的圓中，16PSK的16個信號點則是均勻分布在半徑為R的圓周上。由于抗干擾能力與“最小信號距離”相關，在星座圖中，兩個信號點之間距離越大，在干擾使信號圖像模糊的情況下，要分開兩個信號點越容易。16QAM星座均勻分布在整個平面中，但是16PSK均勻分布在圓上，16QAM兩個信號點之間的距離小于16PSK，因此16QAM調制系統的抗干擾性能優于16PSK調制系統。

4 結語

16QAM應用廣泛，調制系統仿真設計中采用并-串轉換和2-4轉換子系統有效提升了調制效率;解調系統鎖相環有效恢復出了載波信號，串并轉換和4-2轉換子系統有效解決了解調所需，恢復出的基帶信號與輸入端的基帶信號一致，充分驗證了系統設計的正確性。相同處理能力條件下，QAM調制方式較PSK調制方式設備更簡單，能耗、維護費用更低，使得在以5G為代表的移動通信系統中得到了廣泛的應用。

參考文獻

[1] 鄭海偉.基于SystemView的256QAM信號調制與解調的仿真實現[J].電視技術，2008（7）：14-17.

[2] 呂海軍.基于SystemView的16QAM調制解調系統的設計與仿真[J].通信技術，2007（12）：113-115.