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QAM解调及同步技术

QAM解调及同步技术（总14页）

QAM解调及同步技术

摘要

现代调制解调技术的不懈追求是实现高效可靠的数据传输。

近年来，正交振幅调制（QAM）由于其高频谱利用率和强抗噪性能而成为研究热点。

论文研究QAM调制解调关键算法以及的符号同步技术。

第一章概述现代数字调制解调技术及发展现状，然后简要介绍QAM调制解调原理和主要性能参数，最后分析论文的选题现状和选题意义。

第二章概述符号同步实现方法和基于Gardner算法的定时反馈恢复电路符号同步框图，然后分模块详细介绍内插器，误差检测器，控制器，环路滤波器和匹配滤波器这几个模块的设计原理。

第三章总结陈述全文，并指出课题的下一步研究方向。

关键词：

QAM，符号同步

ABSTRACT

Thepersistentpursuitofmodernmodulationanddemodulationtechnologyistoachieveefficientandreliabledatatransmission.Inrecentyears。

quadratureamplitudemodulation（QAM）hasbecomeahotresearchtopicduetoitshighfrequencyspectrumutilizationandstrongantinoiseperformance.ThekeyalgorithmsofQAMmodulationanddemodulationandsymbolsynchronizationtechnologyarestudiedinthispaper.

Inthefirstchapter。

wesummarizethemoderndigitalmodulationanddemodulationtechnologyanditsdevelopmentstatus。

andthenbrieflyintroducetheprincipleandmainperformanceparametersofQAMmodulationanddemodulation.

Inthesecondchapter。

weintroducethemethodofsymbolsynchronizationandthesymbolsynchronizationblockdiagramofGardneralgorithm.Then。

weintroducethedesignprincipleoftheinterpolation。

theerrordetector。

thecontroller。

theloopfilterandthematchedfilter.

Thethirdchaptersummarizesthefulltext。

andpointsoutthedirectionofthenextresearch.

KEYWORDS:

QAM;SymbolSynchronization

第1章绪论

1.1概述

调制解调技术在通信系统中具有关键作用。

主要分为模拟调制与数字调制两种方式。

用数字基带信号改变高频载波正弦信号的参数来表征所传送的信息，称数字调制。

根据改变的参数不同，基本的三种数字调制方式类型可分为振幅键控（ASK）、频移键控（FSK）和相移键控（PSK）。

传统的数字调制解调技术存在许多不足：

频谱利用率低，传输带宽外的辐射严重，抗噪抗干扰性能差等。

近年来，这些缺点促使人们不断提出一些新概念和技术，以适应现代通信系统新的要求。

数字调制技术常用功率利用率和频带利用率衡量性能。

功率利用率与频带利用率是一对矛盾。

在数字通信系统中，经常需要在这两个指标之间折中。

如何提高频谱利用率是现代调制解调技术研究的主要方向。

在网络高度发达的今天，人们之间的通信越来越频繁，使得数据传输的需求量逐步增加，促使人们对传输速率的要求也越来越高。

但是实际应用中传输带宽的受限使得提高频谱利用率势在必行。

正交幅度调制（quadratureamplitudemodulation,QAM）主要是通过两路正交载波的多种幅度来携带符号信息，它是一种高效的利用载波幅度和相位联合调制的技术，极大地提高了频谱利用率，被广泛的应用于卫星空间通信，数字电视网络高速数据传输，数字微波系统，VDSL等领域[2]。

无线通信技术的快速发展和广泛应用使得每个通信设备的可用带宽越来越少，固定速率和带宽的调制解调已经不能满足频谱资源高效利用的原则。

QAM调制方式因其超高的频谱利用率，被用在卫星通信、深空通信和移动通信领域中[1]。

面对纷繁复杂的无线通信系统，可以用基于软件无线电的变带宽QAM调制解调器来作为通用调制器，这样大大降低的通信系统的复杂度，增加了通信模块的可重用性，同时还能进一步提高频谱利用率[2]。

因此研究QAM调制解调算法及实现具有重要的现实意义。

1.2QAM解调原理

首先由接收机收到模拟信号，将模拟信号转换成数字信号，之后将数字信号送入下变频模块，实施初步解调，通过匹配滤波器作用，将原始的基带I、Q路信号还原出来，在通过符号同步模块，将星座图恢复出来，然后通过自动增益模块来调整信号增益，同时采用载波同步模块来降低误码，最终获取原始的发送数据[2]。

假设信道是理想信道，QAM解调的数学推导公式如下：

同相信号的表达式为：

（1-1）

正交分量信号的表达式为：

（1-2）

经过去载波，将信号经过低通滤波器，滤除高频分量，得到X（t）/2，Y（t）/2。

可以看到除幅度有一半的衰减，信号可无失真恢复。

图1-1QAM解调器基本框图

1.3本课题的现状和意义

随着通信技术快速发展，新的调制解调技术不断衍生出来，以满足通信系统对传输速率和可靠性的要求。

提高通信系统的频谱利用率主要有两种途径：

一是提高调制系统的信息传输速率，二是降低已调信号所占用的带宽[6]。

QAM也因为高效频谱利用率受到很多发达国家的青睐，重要信道中多采用QAM调制方式，在高清晰有线电视网络、大容量微波通信和卫星通信等领域中均有广泛的应用。

目前的数字电视标准包括欧洲的DVB、美国的ATSC和日本的ISDB等都是采用QAM调制，而近年来国内也有较多关于QAM调制技术的研究，在快速发展的4G通信当中将QAM调制方式用于了OFDM的各子信道的载波调制，但相比国外的研究和应用还有很大的差距[2]。

在高速数据传输通信系统中，提高频带利用率和保证系统低的误码特性是同等重要的。

但是随着调制阶数的增加，信号点间的距离和相位差会越来越小，使得码元符号间干扰变得越来越大，最终导致的结果是整个系统解调的难度增加，系统的抗干扰性能下降。

所以，虽然理论上增加QAM调制阶数可以提高信息传输速率，但是因为误码率的增加而使通信质量下降，实际上调制阶数是不能无限增加的，而是受到诸多因素的限制。

相对调制器来说，解调器的设计得到了更广泛的研究。

很多文献着重研究解调的一个或多个关键环路，主要包括符号同步电路，盲均衡电路和载波恢复电路。

但是调制方式也是决定一个通信系统的性能的重要因素之一。

因此研究整个QAM调制解调技术是具有重大意义的。

第2章符号同步电路设计

如何设计解调器降低系统误码率，提高系统的性能，是解调器设计的关键。

解调器的设计和实现一直是QAM技术研究的核心。

本章着重研究了QAM解调器的符号同步环路。

2.1符号同步

在数字通信系统中。

由于收发双方采用的晶振源频率存在必然的差异。

这样就会导致收发双方载波的频率会有微小的偏差。

同步是数字通信系统中一个重要的实际问题。

另外传播延时还会导致载波相位的偏移。

如果检测器是相位相干的。

接收机必须估计出这种载波频率的偏差和相位偏移，这就是载波同步所要考虑的问题[7]。

如果对接收信号的采样是直接使用接收端本地振荡器所产生的周期性脉冲序列，将会引起严重误码。

为此，要设计正确的从接收信号中提取时钟，使它与接收到的数字符号的速率匹配，这样，才能得到准确的取样判决时刻。

同步是数字通信系统中一个重要的实际问题。

接收机不仅要使恢复的时钟频率与接收到的数字信号的符号速率一致，而且还要确定最佳采样点在符号周期内的相位，即确定定时相位，它是在采样间隔Ts内所选择的采样瞬时。

在实际应用中，接收时钟和发送时钟之间存在时钟漂移，因此，接收机恢复的时钟必须能够实时地调整自身的时钟频率和定时相位来补偿频率漂移，以确保对解调输出信号采样瞬时是眼图的张开时刻，相位与最佳取样判决时刻一致[6]。

2.1.1符号同步实现方法

符号同步的实现的方法有很多种，可由图2-1来描述[1]。

插入导频法是把符号同步的导频信息插入到需发送基带信号的零频处，接收端通过使用窄带滤波器来提取导频信息。

该方法的优点是实现简单，缺点是发射机必须分配某些发射功率来发射时钟信号，消耗的功率中有一部分是不携带信息的，造成了功率的浪费；在总功率相同前提下，插入导频法比自同步法的信噪功率比要小一些。

因此，插入导频法在数字通信系统中的应用受到了很大的限制，目前已经很少使用。

自同步法也称为直接法，是被广泛应用地符号同步方法。

发送端不专门发送同步定时信息，而是解调器的符号同步模块直接从接收到的数字信号中提取定时信息来实现同步。

直接法不占用导频功率，可防止插入导频法中导频和信号由滤波不好引起的互相干扰。

滤波法和比相法是自同步法的两种主要方法。

比相法是在本地产生一个定时信号，接收机不断地检测本地抽样时钟与最佳判决时刻的偏差，产生的误差信号是调整本地接收机的采样时刻频率和相位的依据。

由于本地采样频率和相位的不断调整，发送端和接收端之间的时钟频率漂移可以得到补偿，确保了抽样判决时刻是在最佳采样点。

比相法主要实现相位比较（鉴相）和相位调整这两个功能。

相位比较是检测本地符号同步定时信号的采样时刻与最佳采样点之间的相位误差。

因此，采用何种相位误差估计算法决定了比相法的性能。

检测出相位误差后就要进行相位调整，相位调整的主要目的是调整接收机本地符号同步的相位和频率，将相位误差减至最小。

图2-1符号同步的实现方法

滤波法是对接收码元序列进行非线性变换处理，经过处理后的频谱中含有离散的码元速率频谱分量，该分量通过一个窄带的带通滤波器取出后就实现了符号同步。

主要的非线性变换处理方法有：

将NRZ（不归零）波形变换成RZ（归零）波形；对带限基带信号进行平方等变换，得到单极性波形；对带限数字频带信号进行包络检波。

锁相法是一种利用传统的锁相环技术提取符号同步信息的方法。

锁相调整法通过改变本地VCO时钟的频率和相位来实现符号同步的调整，具体实现框图如图2-2。

锁相法的优点是原理较简单并且具有较好的可靠性。

但是锁相法的反馈环路里含有VCO和匹配滤波器使这种结构存在一定的缺陷。

VCO会产生较大相位噪声，匹配滤波器会增加整个环路的传输延迟，使环路不稳定性大大增加。

图2-2锁相环定时恢复结构

内插法和锁相法的主要区别是获得最佳采样点的方法不同：

锁相法是通过VCO时钟直接改变接收机时钟振荡器的相位和频率获得最佳采样点；内插法是通过内插滤波的方式获得最佳采样点。

内插滤波方法的核心思想是：

当接收机的ADC采样率与符号率不匹配时，对采样数据进行插值后使得ADC采样速率与符号速率在数量上呈比例。

内插滤波法的符号同步环路结构主要分为前馈和反馈两种,符号同步的主要性能指标如下。

1）相位误差

相位误差是指还原的符号同步相位和最佳采样点两者之间的偏差，包含静态相位误差和相位抖动。

最佳采样点相位和还原的符号同步平均相位之间的偏差表示为静态相位误差，用

表示。

偏差的均方值是指相位抖动，用

表示。

相位误差主要是由符号同步脉冲的相位在跳变的调制所引起的，会造成误码性能的损失，因此其值越小越好[6]。

2）同步建立时间

在输入信号存在的条件下，符号同步电路开机或失去同步后过渡到同步状态所需的最长时间就是同步建立时间。

符号同步所采用的方法，接收信号的信噪比，电路开机时初始相位误差均是同步建立时间的影响因素。

3）同步范围

同步范围是指符号同步环路能正常工作时允许的最大时钟频偏，衡量系统对系统时钟频偏的承受能力。

4）同步门限

接收信号的信噪比（Eb/N0）满足最低条件时，符号同步环路能够实现收敛，它主要用来衡量同步系统的健壮性。

当要求解调器在极低的最低信噪比（Eb/N0）下仍能正常工作时，符号同步门限是符号同步系统最重要的考虑因素[6]。

2.1.2基于Gardner内插的定时同步框图

符号同步电路由内插器、时钟误差检测器、环路滤波器、匹配滤波器、控制器五个部分组成。

其总体框图如图2-5所示，其作用分别是：

图2-5符号同步基本框图

内插器：

实质是一个码元速率转换器，完成对任意采样率的转换，是符号同步电路中最重要的一个部分，其性能的好坏直接关系到符号同步效果。

假设接收端固定采样时钟为fs，符号周期为T，内插器的周期Ti。

以I路信号为例，内插器接收的信号为xI（mTs），Ts=1/fs，经过内插后的数据为yI（kTi）。

内插器的内插公式为:

yI（kTi）=6mxI（mTs）hI（kTi-mTs）（2-1）

定时误差检查器：

采用基于Gardner算法定时误差检测算法的改进型，从内插器的输出值中获取定时误差信息。

该算法不需要判决反馈。

每一个码符只需要两个采样点。

其中该算法不需要判决反馈，每一个码符只需要两个采样点。

其中一个是strobe点，即符号最佳观察点；另一个是midstrobe点，即两个最佳观察点之间的采样点。

该算法每个符号周期计算一次[8]。

环路滤波器：

环路滤波器采用理想积分滤波器，对估计的定时误差进行滤波，滤除定时误差的高频成分，产生数控振荡器的更新步长。

控制器：

控制插值器的插值运算，主要由NCO和分数间隔计算器组成，溢出产生时钟。

2.2小结

本章概述了符号同步的实现方法，然后介绍基于Gardner算法符号同步环路内插器，控制器，误差检测器，环路滤波器这几个部分的原理。

第3章结束语

现代通信系统对频谱利用率和数据传输率要求越来越高，QAM系统因为这方面的优势而得到广泛的应用。

本文解调器重点讨论符号同步技术。

符号同步环路采用基于Gardner算法的定时反馈环路，与载波相位无关，增加了电路的独立性。

由于作者水平和时间的限制，本文QAM调制部分只进行了粗略介绍和部分设计，解调系统只涉及了符号同步技术，本文的后续工作应主要包含以下三个个方面：

1）研究解调系统中的均衡技术和载波恢复技术。

2）研究QAM调制器的基带算法，包括扰码、串并转换、差分编码、信道编码、星座映射等。

3）实现符号同步和盲均衡基于Verilog的定点仿真。

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