正交幅度調製

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更新時間: 2013-09-15

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正交幅度調製(QAM,Quadrature Amplitude Modulation)是一種在兩個正交載波上進行幅度調製的調製方式。這兩個載波通常是相位差為90度(π/2)的正弦波,因此被稱作正交載波。這種調製方式因此而得名。

正交幅度調製 -正交幅度調製簡介

正交幅度調製(QAM,Quadrature Amplitude Modulation)

正交幅度調製正交幅度調製
是一種在兩個正交載波上進行幅度調製的調製方式。這兩個載波通常是相位差為90度(π/2)的正弦波,因此被稱作正交載波。這種調製方式因此而得名。

同其它調製方式類似,QAM通過載波某些參數的變化傳輸信息。在QAM中,數據信號由相互正交的兩個載波的幅度變化表示。

模擬信號的相位調製和數字信號的PSK可以被認為是幅度不變、僅有相位變化的特殊的正交幅度調製。由此,模擬信號頻率調製和數字信號FSK也可以被認為是QAM的特例,因為它們本質上就是相位調製。這裡主要討論數字信號的QAM,雖然模擬信號QAM也有很多應用,例如NTSC和PAL制式的電視系統就利用正交的載波傳輸不同的顏色分量。

類似於其他數字調製方式,QAM發射信號集可以用星座圖方便地表示。
正交幅度調製正交幅度調製
星座圖上每一個星座點對應發射信號集中的一個信號。設正交幅度調製的發射信號集大小為N,稱之為N-QAM。星座點經常採用水平和垂直方向等間距的正方網格配置,當然也有其他的配置方式。數字通信中數據常採用二進位表示,這種情況下星座點的個數一般是2的冪。常見的QAM形式有16-QAM、64-QAM、256-QAM等。星座點數越多,每個符號能傳輸的信息量就越大。但是,如果在星座圖的平均能量保持不變的情況下增加星座點,會使星座點之間的距離變小,進而導致誤碼率上升。因此高階星座圖的可靠性比低階要差。

當對數據傳輸速率的要求高過8-PSK能提供的上限時,一般採用QAM的調製方式。因為QAM的星座點比PSK的星座點更分散,星座點之間的距離因之更大,所以能提供更好的傳輸性能。但是QAM星座點的幅度不是完全相同的,所以它的解調器需要能同時正確檢測相位和幅度,不像PSK解調只需要檢測相位,這增加了QAM解調器的複雜性。

正交幅度調製 -錯誤率的表達式

數字通信中經常用錯誤率(包括誤符號率和誤比特率)與信噪比的關係衡量調製和解調方式的性能。

正交幅度調製正交幅度調製
下面給出一些概念的記法,以得到AWGN通道下錯誤率的表達式:

M = 星座點的個數
Eb = 平均比特能量
Es = 平均符號能量 =  
N0 = 雜訊功率譜密度
Pb = 誤比特率
Pbc = 每個正交載波上的誤比特率
Ps = 誤符號率
Psc = 每個正交載波上的誤符號率

矩形QAM(Rectangular QAM)的星座圖呈矩形網格配置。因為矩形QAM信號之間的最小距離並不是相同能量下最大的,因此它的誤碼率性能沒有達到最優。不過,考慮到矩形QAM等效於兩個正交載波上的脈衝幅度調製(PAM)的疊加,因此矩形QAM的調製解調比較簡單。而後面介紹的非矩形QAM雖然能達到略好一些的誤碼率性能,但是付出的代價是困難得多的調製和解調。

最早的矩形QAM一般是16-QAM。其原因是很容易就看得出來2-QAM和4-QAM實際上是二進位相移鍵控(BPSK)和正交相移鍵控(QPSK),而8-QAM則有將單數位的位分到兩個載波上的問題,8-PSK要容易得多,因此8-QAM很少被使用。

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