ADS在16QAM通信系統(tǒng)中的應(yīng)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(jìn)行了系統(tǒng)分析。在ADS中，對(duì)調(diào)制信號(hào)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(diào)制等技術(shù)進(jìn)行了仿真，實(shí)現(xiàn)了通信系統(tǒng)的模擬。
關(guān)鍵詞 正交幅度調(diào)制；星座圖；編碼；比特恢復(fù)；傳輸信道

    現(xiàn)代通信中，提高頻譜利用率成為被關(guān)注的焦點(diǎn)。近年來(lái)，隨著通信業(yè)務(wù)需求的增長(zhǎng)，尋找頻譜利用率高的數(shù)字調(diào)制方式已成為數(shù)字通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)、研究的主要目標(biāo)之一。正交振幅調(diào)制(Quadrature AmplitudeModulation，QAM)是一種頻譜利用率很高的調(diào)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(luò)高速數(shù)據(jù)傳輸、衛(wèi)星通信系統(tǒng)等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

1 16QAM的通信系統(tǒng)原理
    在談?wù)?6QAM系統(tǒng)時(shí)，首先介紹QAM的概念，QAM是一種在兩個(gè)正交載波上進(jìn)行幅度調(diào)制的調(diào)制方式。這兩個(gè)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(shí)進(jìn)行幅度和相位的調(diào)制，也可以分開進(jìn)行調(diào)制，但實(shí)現(xiàn)起來(lái)較困難。在特制的系統(tǒng)中信號(hào)可以分解為一組相對(duì)獨(dú)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(jī)原理圖，圖1(b)為接收機(jī)原理圖。

    I-Q的調(diào)制信號(hào)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(shí)現(xiàn)。其次，I-Q圖上只有幾個(gè)同定點(diǎn)，簡(jiǎn)單的數(shù)字電路就足以勝任編碼的工作。而且不同調(diào)變技術(shù)的差異只在于I-Q圖上點(diǎn)的分布不同而已，所以只要改變I-Q編碼器，利用同樣的調(diào)制器，便可得到不同的調(diào)制結(jié)果。I-Q解調(diào)變換的過(guò)程較容易，只要取得和發(fā)射機(jī)相同的載波信號(hào)，解調(diào)器的方塊圖基本上只是調(diào)制器的反向而已。從硬件的實(shí)現(xiàn)而言，調(diào)制器和解調(diào)器的方塊圖上，沒有會(huì)因?yàn)镮-Q值的不同而必須改變的部份，所以這兩個(gè)方塊圖可以應(yīng)用在所有的I-Q調(diào)變技術(shù)中。
    星座圖是對(duì)系統(tǒng)最直觀的測(cè)試。常用的有：直角坐標(biāo)圖和極坐標(biāo)圖。極坐標(biāo)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(zhǔn)，信號(hào)表示為對(duì)載波的關(guān)系。信號(hào)可以以幅度和相位表示為極坐標(biāo)的形式。相位是對(duì)基準(zhǔn)信號(hào)而言的，基準(zhǔn)信號(hào)通常是載波，幅度為絕對(duì)值或相對(duì)值。每一個(gè)星座點(diǎn)對(duì)應(yīng)一個(gè)一定幅度和相位的模擬信號(hào)，其模擬信號(hào)再被上變頻到射頻信號(hào)發(fā)射出去。模擬調(diào)制和數(shù)字調(diào)制的區(qū)別：模擬調(diào)制和數(shù)字調(diào)制之間的差別在于調(diào)制參數(shù)。在這兩種方案中，改變的是載波信號(hào)的幅度、頻率或相位。在模擬調(diào)制中載波參數(shù)按連續(xù)的模擬信息信號(hào)改變，而在數(shù)字調(diào)制中，參數(shù)按離散的數(shù)字信息改變。
    QAM調(diào)制實(shí)際上是幅度調(diào)制和相位調(diào)制的組合。相位加幅度狀態(tài)定義了一個(gè)數(shù)字或數(shù)字的組合。QAM的優(yōu)點(diǎn)是具有較大的符號(hào)率，從而獲得更高的系統(tǒng)效率。通常由符號(hào)率確定占用帶寬。因此每個(gè)符號(hào)的比特越多，效率就越高。對(duì)于給定的系統(tǒng)，所需要的符號(hào)數(shù)為2 n，這里n是每個(gè)符號(hào)的比特?cái)?shù)。對(duì)于16QAM，n=4，因此有16個(gè)符號(hào)，每個(gè)符號(hào)代表4 bit：0000，0001，0010等。作為通信系統(tǒng)，除調(diào)制、解調(diào)部分外，傳輸信道也是必不可少的部分。

2 ADS仿真實(shí)現(xiàn)
    (1)16QAM發(fā)射機(jī)的實(shí)現(xiàn)。在ADS中用數(shù)值域元件可完成16QAM發(fā)射機(jī)的仿真。在通信系統(tǒng)抗干擾和噪聲能力由調(diào)制時(shí)符號(hào)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(shí)加入到BIT的轉(zhuǎn)換元件，同時(shí)用TableCx及CxToRect元件即可完成格雷編碼。
    TableCx元件的輸出表示調(diào)制信號(hào)的復(fù)包絡(luò)，每個(gè)符號(hào)上使用多次采樣，在本實(shí)例中采用8次，SamPerSym=8；Nsample=100，sink元件為CxBBout存儲(chǔ)信號(hào)經(jīng)采樣后和復(fù)包絡(luò)。對(duì)數(shù)值進(jìn)行FFT處理即可得到調(diào)制信號(hào)的頻譜，在ADS中設(shè)置公式為BB_fft=fft(CxBBOut)，為顯示調(diào)制信號(hào)在載波附近的頻譜，可使用ADS中數(shù)據(jù)索引功能實(shí)現(xiàn)，首先利用數(shù)據(jù)流仿真可輸出測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)時(shí)間或測(cè)量數(shù)據(jù)的索引，得到數(shù)據(jù)點(diǎn)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(diào)制信號(hào)頻譜為在直角坐標(biāo)：顯示dBmVs x_fft。具體仿真結(jié)果如圖2和圖3所示。

    調(diào)制信號(hào)帶寬由基帶濾波器來(lái)進(jìn)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(shí)域中的濾波器元件。定時(shí)濾波器元件可從Timed>Filters庫(kù)中調(diào)入；數(shù)值濾波可以從“Numeric>Communications”庫(kù)中調(diào)入，也可從“Numeric>Signal Processing”中調(diào)入。再選用升余弦，該元件除濾波外，也可進(jìn)行上、下采樣。經(jīng)濾波后仿真結(jié)果如圖4所示。

    在仿真時(shí)，必須確定時(shí)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(shí)間步長(zhǎng)或采樣點(diǎn)以及總的仿真時(shí)間長(zhǎng)度決定。將載波頻率偏移30 MHz，即調(diào)制信號(hào)，其可看做是改變載波信號(hào)，但ADS在處理信號(hào)時(shí)仍然是認(rèn)為載波頻率為原載波。ADS中將射頻信號(hào)的頻率特性稱特征頻率，其可以和調(diào)制信號(hào)的載波相同，也可以不同。如ADS中已有模塊不能滿足設(shè)計(jì)需要，可以定制新的客戶化調(diào)制技術(shù)。在此次仿真中將產(chǎn)生頻率偏移的電路用兩個(gè)元件代替即可。設(shè)置載波每100個(gè)符號(hào)改變一次的發(fā)射機(jī)仿真結(jié)果。具體原理及結(jié)果仿真如圖5和圖6所示。

    (2)16QAM接收機(jī)實(shí)現(xiàn)。接收機(jī)的完成基本是發(fā)射機(jī)的逆過(guò)程。具體步驟如下：將調(diào)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(jī)。使用負(fù)的頻率偏移，可以抵消發(fā)射機(jī)中的頻率跳變，使用公式同發(fā)射機(jī)。升余弦函數(shù)選用根升余弦函數(shù)，與發(fā)射機(jī)構(gòu)成匹配，減少碼間干擾。比特恢復(fù)IntToBit轉(zhuǎn)換元件完成比特恢復(fù)的過(guò)程，將整數(shù)表示的符號(hào)轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的4 bit位。出錯(cuò)檢查，接收機(jī)完成簡(jiǎn)單的解調(diào)過(guò)程就可以檢查從發(fā)射到接收的數(shù)據(jù)傳輸錯(cuò)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?yàn)槲纯紤]處理過(guò)程的時(shí)延。仿真結(jié)果如圖7和圖8所示。

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

3 結(jié)束語(yǔ)
    介紹了利用ADS軟件對(duì)數(shù)字調(diào)制通信系統(tǒng)的仿真工作，通過(guò)在ADS軟件中，對(duì)采樣數(shù)、時(shí)間、以及噪聲等調(diào)整，確定系統(tǒng)中影響通信質(zhì)量因素，從而提高通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)水平。