ADS在16QAM通信系統(tǒng)中的應用

摘要 介紹了16QAM通信系統(tǒng)的概念、工作原理以及利用ADS軟件建立通信系統(tǒng)模型的方法，并進行了系統(tǒng)分析。在ADS中，對調制信號的表示方法、脈沖形成、通道濾波、頻譜分析——數(shù)值頻譜和頻率頻譜、客戶化調制等技術進行了仿真，實現(xiàn)了通信系統(tǒng)的模擬。
關鍵詞 正交幅度調制；星座圖；編碼；比特恢復；傳輸信道

    現(xiàn)代通信中，提高頻譜利用率成為被關注的焦點。近年來，隨著通信業(yè)務需求的增長，尋找頻譜利用率高的數(shù)字調制方式已成為數(shù)字通信系統(tǒng)設計、研究的主要目標之一。正交振幅調制(Quadrature AmplitudeModulation，QAM)是一種頻譜利用率很高的調制方式，其在中、大容量數(shù)字微波通信系統(tǒng)、有線電視網(wǎng)絡高速數(shù)據(jù)傳輸、衛(wèi)星通信系統(tǒng)等領域得到了廣泛應用。

1 16QAM的通信系統(tǒng)原理
    在談論16QAM系統(tǒng)時，首先介紹QAM的概念，QAM是一種在兩個正交載波上進行幅度調制的調制方式。這兩個載波通常是相位差為90°的正弦波，因此被稱作正交載波。
    通?？梢酝瑫r進行幅度和相位的調制，也可以分開進行調制，但實現(xiàn)起來較困難。在特制的系統(tǒng)中信號可以分解為一組相對獨立的分量：同相(I)和正交(Q)分量。其是正交的，且互不相干。
    16QAM原理框圖如圖1所示，其中圖1(a)為發(fā)射機原理圖，圖1(b)為接收機原理圖。

    I-Q的調制信號可由同相載波和90°相移的載波相加合成，在電路上直接牽涉到載波相位的改變，所以較好實現(xiàn)。其次，I-Q圖上只有幾個同定點，簡單的數(shù)字電路就足以勝任編碼的工作。而且不同調變技術的差異只在于I-Q圖上點的分布不同而已，所以只要改變I-Q編碼器，利用同樣的調制器，便可得到不同的調制結果。I-Q解調變換的過程較容易，只要取得和發(fā)射機相同的載波信號，解調器的方塊圖基本上只是調制器的反向而已。從硬件的實現(xiàn)而言，調制器和解調器的方塊圖上，沒有會因為I-Q值的不同而必須改變的部份，所以這兩個方塊圖可以應用在所有的I-Q調變技術中。
    星座圖是對系統(tǒng)最直觀的測試。常用的有：直角坐標圖和極坐標圖。極坐標圖是觀察幅度和相位的最好方法，載波是頻率和相位的基準，信號表示為對載波的關系。信號可以以幅度和相位表示為極坐標的形式。相位是對基準信號而言的，基準信號通常是載波，幅度為絕對值或相對值。每一個星座點對應一個一定幅度和相位的模擬信號，其模擬信號再被上變頻到射頻信號發(fā)射出去。模擬調制和數(shù)字調制的區(qū)別：模擬調制和數(shù)字調制之間的差別在于調制參數(shù)。在這兩種方案中，改變的是載波信號的幅度、頻率或相位。在模擬調制中載波參數(shù)按連續(xù)的模擬信息信號改變，而在數(shù)字調制中，參數(shù)按離散的數(shù)字信息改變。
    QAM調制實際上是幅度調制和相位調制的組合。相位加幅度狀態(tài)定義了一個數(shù)字或數(shù)字的組合。QAM的優(yōu)點是具有較大的符號率，從而獲得更高的系統(tǒng)效率。通常由符號率確定占用帶寬。因此每個符號的比特越多，效率就越高。對于給定的系統(tǒng)，所需要的符號數(shù)為2 n，這里n是每個符號的比特數(shù)。對于16QAM，n=4，因此有16個符號，每個符號代表4 bit：0000，0001，0010等。作為通信系統(tǒng)，除調制、解調部分外，傳輸信道也是必不可少的部分。

2 ADS仿真實現(xiàn)
    (1)16QAM發(fā)射機的實現(xiàn)。在ADS中用數(shù)值域元件可完成16QAM發(fā)射機的仿真。在通信系統(tǒng)抗干擾和噪聲能力由調制時符號決定，一般用直接映射，即將數(shù)據(jù)源用Bits映射，在此首先將數(shù)據(jù)源用整數(shù)斜升源RampInt代替Bits，同時加入到BIT的轉換元件，同時用TableCx及CxToRect元件即可完成格雷編碼。
    TableCx元件的輸出表示調制信號的復包絡，每個符號上使用多次采樣，在本實例中采用8次，SamPerSym=8；Nsample=100，sink元件為CxBBout存儲信號經(jīng)采樣后和復包絡。對數(shù)值進行FFT處理即可得到調制信號的頻譜，在ADS中設置公式為BB_fft=fft(CxBBOut)，為顯示調制信號在載波附近的頻譜，可使用ADS中數(shù)據(jù)索引功能實現(xiàn)，首先利用數(shù)據(jù)流仿真可輸出測量數(shù)據(jù)對時間或測量數(shù)據(jù)的索引，得到數(shù)據(jù)點數(shù)：fft_size=sweep_size(BB_fit)。
    選擇FFT上半部分：fft_1st=BB_fft[0：：(fft_size-1)／2]；
    選擇FFT下半部分：fft_2nd=BB_fft[(fft_size-1)／2+1：：(fft_size-1)]。
    將兩部分組合：spectrum=[fft_2nd，fft_1st]_fft=[-(fft_size-1)／2：：(fft_size-1)／2]。
    顯示調制信號頻譜為在直角坐標：顯示dBmVs x_fft。具體仿真結果如圖2和圖3所示。

    調制信號帶寬由基帶濾波器來進行限帶。在ADS中可使用數(shù)值域中的濾波元件，也可使用定時域中的濾波器元件。定時濾波器元件可從Timed>Filters庫中調入；數(shù)值濾波可以從“Numeric>Communications”庫中調入，也可從“Numeric>Signal Processing”中調入。再選用升余弦，該元件除濾波外，也可進行上、下采樣。經(jīng)濾波后仿真結果如圖4所示。

    在仿真時，必須確定時間／頻率域中的頻譜特性，例如掃描帶寬和頻譜的分辨率帶寬。這些特性由時間步長或采樣點以及總的仿真時間長度決定。將載波頻率偏移30 MHz，即調制信號，其可看做是改變載波信號，但ADS在處理信號時仍然是認為載波頻率為原載波。ADS中將射頻信號的頻率特性稱特征頻率，其可以和調制信號的載波相同，也可以不同。如ADS中已有模塊不能滿足設計需要，可以定制新的客戶化調制技術。在此次仿真中將產生頻率偏移的電路用兩個元件代替即可。設置載波每100個符號改變一次的發(fā)射機仿真結果。具體原理及結果仿真如圖5和圖6所示。

    (2)16QAM接收機實現(xiàn)。接收機的完成基本是發(fā)射機的逆過程。具體步驟如下：將調制電路中數(shù)據(jù)源，頻譜分析等原件刪除，作為收電路輸入。其余建立同發(fā)射機。使用負的頻率偏移，可以抵消發(fā)射機中的頻率跳變，使用公式同發(fā)射機。升余弦函數(shù)選用根升余弦函數(shù)，與發(fā)射機構成匹配，減少碼間干擾。比特恢復IntToBit轉換元件完成比特恢復的過程，將整數(shù)表示的符號轉化為相應的4 bit位。出錯檢查，接收機完成簡單的解調過程就可以檢查從發(fā)射到接收的數(shù)據(jù)傳輸錯誤。利用誤碼率公式：Num_err=sum(abs(Bits_out-Bits_in))，其中Bits_out和Bits_in都是邏輯電平0或1。誤碼率高是因為未考慮處理過程的時延。仿真結果如圖7和圖8所示。

    (3)傳播信道。傳輸通道影響由傳播時延和通道噪聲兩個原因造成，在ADS中可通過下面方法解決。傳播時延：在接收機和發(fā)射機之間加入delay元件。通道噪聲：利用TkSlider元件在通道中計人噪聲大小，該噪聲加到了復包絡中的實部和虛部，因此在實際中不僅影響幅度，還影響相位。運行仿真，可查看各部分的數(shù)據(jù)。

3 結束語
    介紹了利用ADS軟件對數(shù)字調制通信系統(tǒng)的仿真工作，通過在ADS軟件中，對采樣數(shù)、時間、以及噪聲等調整，確定系統(tǒng)中影響通信質量因素，從而提高通信系統(tǒng)的設計水平。