64-QAM传输系统的Optisystem仿真设计

吕民花，卫 宁，马永红

（华北电力大学 电气与电子工程学院，北京 102206）

0 引言

衡量数据调制技术有2个重要指标：频带利用率（调制效率，是指单位频带内所能传输的比特量）和功率利用率（在满足误码率条件下，所需要的功率值）。正交幅度调制（QAM，Quadracture Amplitude Modulation）因其是抑制载波的调制方式，功率利用率高，因此有较强的抗干扰能力。同时，由于其幅度和相位都携带信息，与单参量调制方式相比，在最小距离相同的条件下，QAM星座图中能容纳更多的星座点，在有限的带宽内也能传输更多的消息量。因此，QAM在大容量的数字微波通信、卫星通信、有线电视网络等通信领域得到了广泛的应用[1-2]。

1 64-QAM调制原理分析

64-QAM是振幅-相位联合键控，它同时利用载波的幅度和相位来传递信息，不同的幅度和相位代表不同的编码符号。64-QAM采用的是8个电平，每一个星座点都用6比特表示，从而有很高的频带利用率[3-4]。

64-QAM的调制/解调框图如图1所示[5-6]，伪随机二进制序列（PRBS，Pseudo-Random Binary Sequence）生成的二进制数据首先经过串/并转换，将高速的数据分成2路速率减半的信号：同相信号（I,In-phase）、正交信号（Q,Quadrature）。每路一次给3比特，这3比特能构成8种不同的电平幅度，两路信号经正交载波调制后变成相互正交的，这样任意I和Q的幅度组合都会在极坐标上映射一个星座点，每个星座点代表由6个比特数据组成的一个状态，I和Q共有64种组合状态，即形成64QAM星座图。

图1 64-QAM 调制/解调框图

2 Optisystem的建模分析

参阅了文献[7-8]，图2是搭建的64-QAM传输系统仿真模型。

PRBS生成器的作用是产生随机二进制数据。因为64-QAM调制能传的最大数字信号比特流为2×log28×5.4=32.4 Mb/s，在仿真模型中，设置的位速率为30.375 Mb/s。

图2 64-QAM传输系统仿真模型

（1）QAM序列生成器

完成信号的串/并、2-8电平变换。它通过内置的串/并转换器，将高速串行序列变成2路速率减半的并行子序列，并通过设置每位符号由几位2进制表示（h）来确定M-QAM；子序列再分别进行2-8电平转换，转换规则为：ak=(2i-1-M)，i=1,2,…,M，其中，M=2h/2，i代表相应的二进制数据：000--1，001--2，010--3，011--4，100--5，101--6，110--7，111--8。

在64-QAM中，h=6，M=8，需要从6位的序列中各取连续的3位给2个子序列。然后根据3位数据找到对应的i值，再计算ak的输出电平幅度依次为：-7、-5、-3、-1、1、3、5、7，即完成了2-8电平转换。

表1是I序列等于000时，Q序列从000～111变化的转换关系，其他的56种状态的变换方法与表1类似。

表1 串/并变换及2-8电平转换

（2）M-ary脉冲生成器

产生多进制脉冲。当t1＜t＜t1+tc时：vk(t)=G×ak，其他时间 vk(t)=0，其中，G是增益，ak是信号的幅度，tc是周期，t1是脉冲的位置。在图2的模型中，tc设置为1 bit，t1等于0 bit，G等于1.

（3）正交调制器

用中心频率为550 MHz的正交载波完成I、Q的调制。它是由2个正交的载波分别调制I、Q信号，再用加法器完成信号的叠加，这样2路正交的信号就在同一线路中无干扰传输。

（4）正交解调器

用相干解调方式解调s(t)信号。s(t)信号分别与中心频率为550 MHz的正交载波相乘，然后经过截止频率为20 MHz的LPF，滤除高频信号，只剩下低频信号。

（5）多进制阈值检测器

通过设置不同的阈值，来判决不同幅度电平的值。64-QAM信号的阈值设置为：-5.5、-3.5、-1.5、0、1.5、3.5、5.5，输出幅度设为：-7、-5、-3、-1、1、3、5、7。这样，经过M-ary阈值检测器后，就输出8电平的I、Q电信号。

（6）QAM序列解码器

完成8-2和并/串的转换。根据电信号的幅度来计算i，i=(ak+1+M)/2，其中，M=8，ak为信号的电平幅度，计算可得i=1，2，3，4，5，6，7，8，然后将i的值转换成对应的二进制数据。解码时分别从2个子序列中连续取3位数据合并成一组6位二进制数来表示一个符号。

表2是当I序列的幅度为-7，Q序列的幅度从-7至7时，恢复出的二进制序列。其他7个幅度电平的解码方法与表2类似，总共解码出64组数据。

表2 8-2电平转换及并/串转换

3 仿真结果分析

仿真模型运行后，可以通过查看64-QAM的星座图来观察信号的调制与解调质量，发射端星座图如图3（a）所示，接收端星座图如图3（b）所示。

图3 64-QAM星座图

图3中横坐标是I信号的电平幅度，纵坐标是Q信号的电平幅度，横、纵坐标都是无纲量。星座图共包含64个点，每个点的幅度都在（-7、-5、-3、-1、1、3、5、7）8个幅度中取某个值，图 3（a）是调制端信号的星座图，图3（b）是解调端信号的星座图，可知在传输系统中存在一些噪声干扰，但是整体星座图的质量很清晰，由星座图的对比可知，该系统能正确的根据每个点的位置来解码，完成高速串行信号的传输。

4 结语

64-QAM是一种高效的数字调制方式，广泛应用于传输领域。通过借助Optisystem光通信仿真软件，对64-QAM调制系统作了深入研究，仿真结果验证了搭建的模型能完成64-QAM的调制与解调。下一步的研究工作是将64-QAM的调制格式应用于DVB-C系统，以实现数字电视视频、音频流的高速传输，同时，256-QAM调制格式也是下一步的研究重点。

[1] 高俊明.高速光纤通信系统中新型调制码型的研究与实现[D].上海:上海交通大学,2009.

[2] 刘钰.基于 System View的数字电视有线传输系统的仿真分析[D].济南:山东大学,2005.

[3] 李小娟,朱立东.一种改进的QAM载波恢复方法[J].通信技术,2010,43(03):46-47.

[4] 江林超,李光球.相关衰落信道上广义矩形 MQAM的性能[J].通信技术,2009,42(03):61-64.

[5] 高长亮,王春华, 张羽飞. 数字CATV系统中激光器削波对 QAM信号影响的研究[J].通信技术,2009,42(12):19-20.

[6] 高长亮,蒋志立,王春华.拉曼放大对长跨距有线电视网中 QAM信号的影响[J].信息安全与通信保密,2008(11):70-74.

[7] WU Zhiqiang, WU Zhijin, DAVID A. Wiegandtand.High-performance 64-QAM OFDM via Carrier Interferometry Spreading Codes[J]. Vehicular Technology Conference, 2003(01):557-561.

[8] YU Jianjun,ZHOU Xiang.Generation and Detection of QAM in Digital Coherent System[J]. IEEE Photonics Society, 2010(7-11):401-402.