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多进制正交振幅调制技术及其在衰落信道下实现

1.背景：

在数字通信中．调制解调方式有三种基本方式：振幅键控、频移键控和相位键控。但单

纯的这三种基本方式在实际应用中都存在频谱利用率低、系统容量少等不足。而在现代通信

系统中，通信用户数量不仅在不断增加，人们亦不满足传统通信系统的单一语音服务，希望

进行图像、数据等多媒体信息的通信。因此，传统通信调制解调方式的容量已经越来越不能

满足现代通信的要求。近年来，如何在有限的频率资源中提供高容量、高速率和高质量的多

媒体综合业务，是数字通信调制解调领域中一个令人关注的课题。

通过近十多年来的研究，分别针对无线通信信道和有线通信信道的特征，提出了不同的

高频谱利用率和高质量的调制解调方案。其中的QAM调制解调方案为：发送数据在比特／符

号编码器内被分成速率各为原来1／2的两路信号，分别与一对正交调制分量相乘，求和后

输出。接收端完成相反过程，解调出两个正交码流．均衡器补偿由信道引起的失真，判决器

识别复数信号并映射回二进制信号。不过．采用QAM调制技术，信道带宽至少要等于码元速

率，为了码元同步，还需要另外的带宽，一般要增加15％左右。

2.QAM基本原理：

在QAM（正交幅度调制）中，数据信号由相互正交的两个载波的幅度变化表示。模拟信

号的相位调制和数字信号的PSK（相移键控）可以被认为是幅度不变、仅有相位变化的特殊

的正交幅度调制。因此，模拟信号相位调制和数字信号的PSK（相移键控）也可以被认为是

QAM的特例，因为其本质上就是相位调制。

QAM是一种矢量调制，将输入比特先映射（一般采用格雷码）到一个复平面（星座）上，

形成复数调制符号，然后将符号的I、Q分量（对应复平面的实部和虚部，也就是水平和垂

直方向）采用幅度调制，分别对应调制在相互正交（时域正交）的两个载波（coswt和sinwt）

上。这样与幅度调制(AM)相比，其频谱利用率将提高1倍。QAM是幅度、相位联合调制的技

术，它同时利用了载波的幅度和相位来传递信息比特，因此在最小距离相同的条件下可实现

更高的频带利用率，QAM最高已达到1024-QAM（1024个样点）。样点数目越多，其传输效率

越高，例如具有16个样点的16-QAM信号，每个样点表示一种矢量状态，16-QAM有16态，

每4位二进制数规定了16态中的一态，16-QAM中规定了16种载波和相位的组合，16-QAM

的每个符号和周期传送4比特。

QAM调制器的原理是发送数据在比特/符号编码器（也就是串–并转换器）内被分成两

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路，各为原来两路信号的1/2，然后分别与一对正交调制分量相乘，求和后输出。接收端完

成相反过程，正交解调出两个相反码流，均衡器补偿由信道引起的失真，判决器识别复数信

号并映射回原来的二进制信号。如图4-2所示的是16-QAM的调制原理图。作为调制信号的

输入二进制数据流经过串–并变换后变成四路并行数据流。这四路数据两两结合，分别进入

两个电平转换器，转换成两路4电平数据。例如，00转换成-3，01转换成-1，10转换成1，

11转换成3。这两路4电平数据g1（t）和g2（t）分别对载波cos2πfct和sin2πfct进

行调制，然后相加，即可得到16-QAM信号。

采用QAM调制技术，信道带宽至少要等于码元速率，为了定时恢复，还需要另外的带宽，

要增加15%左右。与其他调制技术相比，QAM编码具有能充分利用带宽、抗噪声能力强等优

点。但QAM调制技术用于ADSL的主要问题是如何适应不同电话线路之间较大的性能差异。

要取得较为理想的工作特性，QAM接收器需要一个和发送端具有相同的频谱和相应特性的输

入信号用于解码，QAM接收器利用自适应均衡器来补偿传输过程中信号产生的失真，因此采

用QAM的ADSL系统的复杂性来自于它的自适应均衡器。

当对数据传输速率的要求高过8-PSK能提供的上限时，采用QAM的调制方式。因为QAM的星

座点比PSK的星座点更分散，星座点之间的距离因此更大，所以能提供更好的传输性能。但

是QAM星座点的幅度不是完全相同的，所以它的解调器需要能同时正确检测相位和幅度，不

像PSK解调只需要检测相位，这增加了QAM解调器的复杂性。

3.QAM分类：

矩形QAM，星座图呈矩