QAM調(diào)制解調(diào)器的研究與實(shí)現(xiàn)

曹桂芹

【摘要】 本文探討QAM調(diào)制解調(diào)器的研究與實(shí)現(xiàn)，希望對(duì)相關(guān)工作有所幫助。

【關(guān)鍵詞】 32QAM 調(diào)制解調(diào)器 通信

隨著通信安全日益受到重視，保密通信已經(jīng)不僅僅是軍事、政治領(lǐng)域的問題，已經(jīng)成為了人們普遍關(guān)注的焦點(diǎn)，目前對(duì)于QAM調(diào)制解調(diào)技術(shù)的研究已經(jīng)比較成熟，但是如何將QAM調(diào)制解調(diào)技術(shù)應(yīng)用于數(shù)字電話加密，仍然有待于進(jìn)一步探索，在上述背景下，探討QAM調(diào)制解調(diào)器的研究與實(shí)現(xiàn)，對(duì)保障通信安全具有很大意義。

一、QAM調(diào)制技術(shù)的原理及實(shí)現(xiàn)

正交幅度調(diào)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(hào)信息，由于正交幅度調(diào)制具有多元特性，因此也記為MQAM，在正交幅度調(diào)制技術(shù)中，兩個(gè)支路的幅度具有多種取值，合成信號(hào)的相位以及幅度具有多種組合，正交幅度調(diào)制技術(shù)的星座圖安排具有以下原則：在一定的發(fā)送平均功率下，力求dmin（信號(hào)星座點(diǎn)之間的最小距離）達(dá)到最大，讓系統(tǒng)達(dá)到最佳的誤碼性能。本文在此仿照ITU-TV.32標(biāo)準(zhǔn)，研究10kb/s高速modem調(diào)制解調(diào)器的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，發(fā)射部分包括擾碼器、比特分組轉(zhuǎn)換器、差分編碼、卷積編碼、星座映射、成形濾波、上變頻調(diào)制等環(huán)節(jié)，具體如圖1所示。

如圖所示，首先由加擾器對(duì)二進(jìn)制比特流實(shí)施加擾，之后進(jìn)行比特分組，實(shí)現(xiàn)串并變換，然后再經(jīng)過一系列數(shù)字處理，把數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)為模擬信號(hào)，最終將模擬信號(hào)送入名話信道。

1.1 數(shù)據(jù)加擾的原理和實(shí)現(xiàn)

加擾的目的就是將數(shù)據(jù)比特流隨機(jī)化，數(shù)字信號(hào)原始比特流通常會(huì)出現(xiàn)長時(shí)間‘0或‘1無變化的比特信號(hào)，這樣容易導(dǎo)致載波補(bǔ)償時(shí)失步，降低解調(diào)性，而數(shù)據(jù)加擾使得原始比特流實(shí)施擾亂，有利于解調(diào)端獲取同步，便于信號(hào)編碼傳輸，擾亂器中線性反饋移位寄存器的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

其中an代表移位寄存器狀態(tài)，具有0或1兩種取值，n代表移位寄存器編號(hào)，cn代表反饋抽頭連接線狀態(tài)，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(yùn)算或者異。

在實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)擾亂時(shí)，首先確定m序列的生成多項(xiàng)式，具體如下：

GPCM=1+X18+X-23

之后依據(jù)生成多項(xiàng)式的最高次數(shù)定義寄存器數(shù)量為23，之后對(duì)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(xù)的處理環(huán)節(jié)。

1.2 比特分組

數(shù)據(jù)加擾后，需要對(duì)二進(jìn)制比特流進(jìn)行分組，之后完成TCM編碼編制，比特分組轉(zhuǎn)換器的原理如圖3所示。

如圖所示，將擾碼器輸出的序列進(jìn)行分組，每4位為1組，每組中的4個(gè)比特再分成2個(gè)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(gè)比特得出Y1n和Y2n，輸出Y1n和Y2n的同時(shí)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(shí)現(xiàn)星座映射。

二、QAM解調(diào)技術(shù)的原理和實(shí)現(xiàn)

首先由接收機(jī)收到模擬信號(hào)，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，之后將數(shù)字信號(hào)送入下變頻模塊，實(shí)施初步解調(diào)，通過匹配濾波的作用，將原始的基帶I、Q路信號(hào)還原出來，再通過符號(hào)同步模塊，將星座圖恢復(fù)出來，然后通過自動(dòng)增益模塊來調(diào)整信號(hào)增益，同時(shí)采用載波同步模塊來降低誤碼，最終獲取原始的發(fā)送數(shù)據(jù)，解調(diào)流程如圖4所示。

2.1 下變頻正交解調(diào)

下變頻正交解調(diào)和上變頻正交調(diào)制是互逆的過程，數(shù)字下變頻的基本模型如圖5所示。

數(shù)字下變頻過程可以分為兩個(gè)環(huán)節(jié)，首先要實(shí)現(xiàn)頻譜搬移，另外下變頻另一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)就是復(fù)相位抽取濾波，盡管可以把信號(hào)正交解調(diào)出來，不過仍屬高采樣數(shù)據(jù)流，因此為了降低硬件資源的消耗，可以在下變頻之后來實(shí)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(hào)速率大大低于主流兆級(jí)的寬帶通信系統(tǒng)，相對(duì)于目前大多數(shù)硬件產(chǎn)品而言，采樣率也較低，因而本文沒有實(shí)施抽取處理，只進(jìn)行一次低通濾波，下變頻輸出時(shí)采樣率保持不變。

2.2 符號(hào)同步

在QAM接收機(jī)之中，首先要對(duì)接收的信號(hào)實(shí)施采樣，之后送入定時(shí)恢復(fù)環(huán)路，定時(shí)恢復(fù)環(huán)路包括內(nèi)插濾波器、控制器、環(huán)路濾波器、定時(shí)誤差檢測(cè)模塊，其工作原理如下：1）對(duì)采樣信號(hào)實(shí)施內(nèi)插處理；2）實(shí)施定時(shí)誤差檢測(cè)；3）估計(jì)內(nèi)插時(shí)刻與采樣時(shí)刻之間的偏差；4）通過環(huán)路濾波器，把定時(shí)誤差結(jié)果送入控制器；5）調(diào)整下一次內(nèi)插時(shí)刻；6）在反饋回路的作用下，實(shí)現(xiàn)符號(hào)同步自動(dòng)調(diào)節(jié)。

2.3 自動(dòng)增益控制

反饋式自動(dòng)增益環(huán)路主要包括4個(gè)模塊，分別為幅度提取模塊、誤差檢測(cè)模塊、環(huán)路濾波模塊、增益調(diào)節(jié)模塊，符號(hào)同步完成之后，首先通過幅度提取模塊，提取I、Q兩路信號(hào)的幅度信息，之后將信息送入誤差檢測(cè)模塊，通過與固定參考值的對(duì)比，獲取誤差信號(hào)，再通過環(huán)路濾波模塊，把誤差信號(hào)中的高頻分量濾除，然后把經(jīng)過環(huán)路濾波處理的信號(hào)送入增益控制器，進(jìn)而形成反饋環(huán)路，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)增益。

2.4 載波同步

對(duì)于QAM調(diào)制解調(diào)技術(shù)來說，對(duì)相偏與頻偏十分敏感，下變頻后信號(hào)一定要進(jìn)行相偏、頻偏的補(bǔ)償，這樣才能恢復(fù)正確的星座圖，提高解調(diào)性能，降低誤碼率。如圖6所示，由于載波相位偏移對(duì)32QAM星座圖產(chǎn)生了影響，導(dǎo)致星座旋轉(zhuǎn)了θ度。

可以看出，旋轉(zhuǎn)角度（θ）是由兩個(gè)部分構(gòu)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(diǎn)恢復(fù)到原始位置，本文采用相干解調(diào)法，從接收到的已調(diào)信號(hào)中直接恢復(fù)載波信號(hào)。

三、系統(tǒng)測(cè)試

本文中為了測(cè)試系統(tǒng)的實(shí)際性能，采用matlab對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試不同噪聲比之下系統(tǒng)的實(shí)際性能，首先調(diào)制處理一組隨機(jī)信號(hào)，通過dat的形式保存輸出的已調(diào)信號(hào)，再采用matlab中的awgn函數(shù)，實(shí)施加噪處理，之后把信號(hào)送入解調(diào)模塊，對(duì)比輸出結(jié)果與發(fā)送信號(hào)，獲取誤比特率。

因?yàn)閍wgn加入的是具有隨機(jī)性的白噪，為了評(píng)價(jià)的客觀性，本文采取蒙特卡羅法實(shí)施測(cè)試，不同信噪比之下的加噪音、解調(diào)、誤比特率測(cè)試都反復(fù)進(jìn)行30次，最終獲取誤比特率均值，制作32QAM經(jīng)白噪聲后解調(diào)誤比特率曲線，系統(tǒng)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(xiàn)陡降，系統(tǒng)基本滿足理論曲線要求，基本滿足工程實(shí)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?yàn)槎c(diǎn)算法精度欠佳造成的，以后要積極解決這一問題。

四、總結(jié)

如今通信技術(shù)發(fā)展迅速，同時(shí)信息安全和通信保密也越來越受到關(guān)注，通信保密技術(shù)發(fā)生了很大變革，如今人們已經(jīng)深深意識(shí)到秘密信息被截收以及通信線路被竊聽得嚴(yán)重性，對(duì)通信安全的需求越來越高，因此QAM調(diào)制解調(diào)器得應(yīng)用越來越廣泛，本文分析了QAM調(diào)制解調(diào)器的研究與實(shí)現(xiàn)，經(jīng)過測(cè)試證明，系統(tǒng)基本滿足理論曲線要求，基本滿足工程實(shí)際需求，以后還要進(jìn)一步解決定點(diǎn)算法精度欠佳問題。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]劉華橋. 64QAM調(diào)制解調(diào)關(guān)鍵技術(shù)研究與實(shí)現(xiàn)[D].電子科技大學(xué)，2013.

[2]冉元進(jìn). 基于16QAM的寬帶可變速率調(diào)制解調(diào)器研究與實(shí)現(xiàn)[D].電子科技大學(xué)，2013.

[3]陳巍. QAM調(diào)制解調(diào)器的研究與實(shí)現(xiàn)[D].國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2012.

[4]劉勇. 遙測(cè)技術(shù)中QAM調(diào)制解調(diào)器的FPGA實(shí)現(xiàn)[D].哈爾濱工程大學(xué)，2011.

[5]宋漢斌. 三維調(diào)制解調(diào)器的理論研究[D].復(fù)旦大學(xué)，2012.

[6]朱泳霖. QAM調(diào)制解調(diào)技術(shù)研究及其FPGA實(shí)現(xiàn)[D].中南大學(xué)，2010.