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更新時間: 2013-09-20

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QAM(Quadrature Amplitude Modulation):正交振幅調製。正交振幅調製,這是近年來被國際上移動通信技術專家十分重視的一種信號調製方式。QAM是數字信號的一種調製方式,在調製過程中,同時以載波信號的幅度和相位來代表不同的數字比特編碼,把多進位與正交載波技術結合起來,進一步提高頻帶利用率。

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1 QAM -簡介

QAM
圖1      4QAM、 16QAM星座圖、

64QAM星座圖
正交調幅是一種將兩種調幅信號匯合到一個通道的方法,因此會雙倍擴展有效帶寬。正交調幅被用於脈衝調幅,特別是在無線網路應用。  

正交調幅信號有兩個相同頻率的載波,但是相位相差90度(四分之一周期,來自積分術語)。一個信號叫I信號,另一個信號叫Q信號。從數學角度將一個信號可以表示成正弦,另一個表示成餘弦。兩種被調製的載波在發射時已被混和。到達目的地后,載波被分離,數據被分別提取然後和原始調製信息相混和。

QAM是用兩路獨立的基帶信號對兩個相互正交的同頻載波進行抑制載波雙邊帶調幅,利用這種已調信號的頻譜在同一帶寬內的正交性,實現兩路并行的數字信息的傳輸。該調製方式通常有二進位QAM(4QAM)、四進位QAM(l6QAM)、八進位QAM(64QAM)、…,對應的空間信號矢量端點分布圖稱為星座圖,分別有4、16、64、…個矢量端點。電平數m和信號狀態M之間的關係是對於4QAM,當兩路信號幅度相等時,其產生、解調、性能及相位矢量均與4PSK相同。

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2 QAM -原理

QAMQAM

在QAM(正交幅度調製)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(相移鍵控)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。因此,模擬信號頻率調製和數字信號的FSK(頻移鍵控)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。

QAM是一種矢量調製,將輸入比特先映射(一般採用格雷碼)到一個複平面(星座)上,形成複數調製符號,然後將符號的I、Q分量(對應複平面的實部和虛部,也就是水平和垂直方向)採用幅度調製,分別對應調製在相互正交(時域正交)的兩個載波(coswt和sinwt)上。這樣與幅度調製(AM)相比,其頻譜利用率將提高1倍。QAM是幅度、相

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QAMQAM

位聯合調製的技術,它同時利用了載波的幅度和相位來傳遞信息比特,因此在最小距離相同的條件下可實現更高的頻帶利用率,QAM最高已達到1024-QAM(1024個樣點)。樣點數目越多,其傳輸效率越高,例如具有16個樣點的16-QAM信號,每個樣點表示一種矢量狀態,16-QAM有16態,每4位二進位數規定了16態中的一態,16-QAM中規定了16種載波和相位的組合,16-QAM的每個符號和周期傳送4比特。

QAM調製器的原理是發送數據在比特/符號編碼器(也就是串–並轉換器)內被分成兩路,各為原來兩路信號的1/2,然後分別與一對正交調製分量相乘,求和后輸出。接收端完成相反過程,正交解調出兩個相反碼流,均衡器補償由通道引起的失真,判決器識別複數信號並映射回原來的二進位信號。如圖4-2所示的是16-QAM的調製原理圖。作為調製信號的輸入二進位數據流經過串–並變換后變成四路并行數據流。這四路數據兩兩結合,分別進入兩個電平轉換器,轉換成兩路4電平數據。例如,00轉換成-3,01轉換成-1,10轉換成1,11轉換成3。這兩路4電平數據g1(t)和g2(t)分別對載波cos2πfct和sin2πfct進行調製,然後相加,即可得到16-QAM信號。

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QAM圖2 16QAM信號電平與信號狀態關係
採用QAM調製技術,通道帶寬至少要等於碼元速率,為了定時恢復,還需要另外的帶寬,要增加15%左右。與其他調製技術相比,QAM編碼具有能充分利用帶寬、抗雜訊能力強等優點。但QAM調製技術用於ADSL的主要問題是如何適應不同電話線路之間較大的性能差異。要取得較為理想的工作特性,QAM接收器需要一個和發送端具有相同的頻譜和相應特性的輸入信號用於解碼,QAM接收器利用自適應均衡器來補償傳輸過程中信號產生的失真,因此採用QAM的ADSL系統的複雜性來自於它的自適應均衡器。

當對數據傳輸速率的要求高過8-PSK能提供的上限時,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此更大,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。

3 QAM -產生

QAM產生
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。

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類似於其他數字調製方式,QAM發射的信號集可以用星座圖方便地表示,星座圖上每一個星座點對應發射信號集中的那一點。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數表示,這種情況下星座點的個數是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。

QAM信號採取正交相干解調的方法解調。解調器首先對收到的QAM信號進行正交相干解調。低通濾波器LPF濾除乘法器產生的高頻分量。LPF輸出經抽樣判決可恢復出m電平信號x(t)和y(t)。因為和取值為±1,±3,…,±(m-l),所以判決電平應設在信號電平間隔的中點,即Ub=0,±2,±4,…,±(m-2)。根據多進位碼元與二進位碼元之間的關係,經m/2轉換,可將電平信號m轉換為二進位基帶信號x'(t)和y'(t)。

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4 QAM -特點

QAM特點
1、性能

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。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

2、矩形QAM

矩形QAM(RectangularQAM)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。

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最早的矩形QAM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。

3、非矩形QAM

QAM本身有許多可以使用的排列。環狀8-QAM是最佳的8-QAM,它可以使用最低的平均能量來達到最小的歐幾里德度量。環狀的16-QAM是亞優化的。環狀的QAM非常好地顯示出QAM與相移鍵控之間的關係。不規則QAM的錯誤率很難廣泛地給出,因為它們按其排列各不相同。

雖然對一個特別的M有最佳的、不規則的QAM,但是人們還是使用規則的QAM,因為它們的調製和解調要方便得多。

5 QAM -應用

QAMQAM晶元
1、QAM分析儀

QAM分析儀是RF安裝和維護的綜合解決方案,用來測試有線電視系統上的DVB-C(有線數字視頻廣播)信號。它向工程師提供精確檢驗送至用戶業務質量所需的測量功能。所有的測量都很容易接入,並以清楚的圖形顯示呈現測量結果。

應用:
前端設備安裝和維護;
系統檢驗;
現場安裝和維護;
調製器生產或驗收測試;
在6MHz通道帶寬中的OptJ91-調製測試;
測量能力;

QQAM分析儀解調和精確測量經DVB-C系統運載的16,64或256QAM信號。它提供新的測量度量標準,這些標準對於表徵信號和查找問題都是必須的。圖形顯示器、清楚的用戶界面以及單鍵測量能力將有助於模擬有線電視工程師方便地轉向數字電線電視。

QAM調製器
2、QAM數字調製器

QAM數字調製器作為DVB系統的前端設備,接收來自編碼器、復用器、DVB網關、視頻伺服器等設備的TS流,進行RS編碼、卷積編碼和QAM數字調製,輸出的射頻信號可以直接在有線電視網上傳送,同時也可根據需要選擇中頻輸出。它以其靈活的配置和優越的性能指標,廣泛的應用於數字有線電視傳輸領域和數字MMDS系統。

6 QAM -相關詞條

數字網蜂窩網路調製技術智能天線碼分復用
擴頻解調基站無線電通道

7 QAM -參考資料

[1] 電子系統設計 http://www.ed-china.com/SEARCH/ART/QAM-1.HTM

[2] 天極網 http://www.yesky.com/it/90/2002590.shtml

[3] 電子工程世界 http://www.eeworld.com.cn/szds/2008/0521/article_210.html

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