QAM调制解调器的研究与实现

曹桂芹

【摘要】 本文探讨QAM调制解调器的研究与实现，希望对相关工作有所帮助。

【关键词】 32QAM 调制解调器 通信

随着通信安全日益受到重视，保密通信已经不仅仅是军事、政治领域的问题，已经成为了人们普遍关注的焦点，目前对于QAM调制解调技术的研究已经比较成熟，但是如何将QAM调制解调技术应用于数字电话加密，仍然有待于进一步探索，在上述背景下，探讨QAM调制解调器的研究与实现，对保障通信安全具有很大意义。

一、QAM调制技术的原理及实现

正交幅度调制（quadrature amplitude modulation，QAM）主要是通过两路正交载波的多种幅度来携带符号信息，由于正交幅度调制具有多元特性，因此也记为MQAM，在正交幅度调制技术中，两个支路的幅度具有多种取值，合成信号的相位以及幅度具有多种组合，正交幅度调制技术的星座图安排具有以下原则：在一定的发送平均功率下，力求dmin（信号星座点之间的最小距离）达到最大，让系统达到最佳的误码性能。本文在此仿照ITU-TV.32标准，研究10kb/s高速modem调制解调器的设计和实现，发射部分包括扰码器、比特分组转换器、差分编码、卷积编码、星座映射、成形滤波、上变频调制等环节，具体如图1所示。

如图所示，首先由加扰器对二进制比特流实施加扰，之后进行比特分组，实现串并变换，然后再经过一系列数字处理，把数字信号转为模拟信号，最终将模拟信号送入名话信道。

1.1 数据加扰的原理和实现

加扰的目的就是将数据比特流随机化，数字信号原始比特流通常会出现长时间‘0或‘1无变化的比特信号，这样容易导致载波补偿时失步，降低解调性，而数据加扰使得原始比特流实施扰乱，有利于解调端获取同步，便于信号编码传输，扰乱器中线性反馈移位寄存器的结构如图2所示。

其中an代表移位寄存器状态，具有0或1两种取值，n代表移位寄存器编号，cn代表反馈抽头连接线状态，具有0或1两种取值，0代表该寄存器没有参与反馈，而1代表该寄存器参与反馈，代表运算或者异。

在实现数据扰乱时，首先确定m序列的生成多项式，具体如下：

GPCM=1+X18+X-23

之后依据生成多项式的最高次数定义寄存器数量为23，之后对抽头赋值，没有参与反馈的抽头为0，反之则为1，最终完成后续的处理环节。

1.2 比特分组

数据加扰后，需要对二进制比特流进行分组，之后完成TCM编码编制，比特分组转换器的原理如图3所示。

如图所示，将扰码器输出的序列进行分组，每4位为1组，每组中的4个比特再分成2个小组，Q1n及Q2n为第1小组，用作差分编码，Q3n及Q4n为第2小组，直接输出，通过差分编码，第1小组的2个比特得出Y1n和Y2n，输出Y1n和Y2n的同时保留Y1n和Y2n的值，以用作卷积编码输入，通过卷积编码，Y1n和Y2n得出冗余位Y0n，把Y0n、Y1n、Y2n与Q3n、Q4n共同实现星座映射。

二、QAM解调技术的原理和实现

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，通过匹配滤波的作用，将原始的基带I、Q路信号还原出来，再通过符号同步模块，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，解调流程如图4所示。

2.1 下变频正交解调

下变频正交解调和上变频正交调制是互逆的过程，数字下变频的基本模型如图5所示。

数字下变频过程可以分为两个环节，首先要实现频谱搬移，另外下变频另一个关键环节就是复相位抽取滤波，尽管可以把信号正交解调出来，不过仍属高采样数据流，因此为了降低硬件资源的消耗，可以在下变频之后来实施抽取滤波。在本文中，下变频之前的采样率是32kHz，采样率以及符号速率大大低于主流兆级的宽带通信系统，相对于目前大多数硬件产品而言，采样率也较低，因而本文没有实施抽取处理，只进行一次低通滤波，下变频输出时采样率保持不变。

2.2 符号同步

在QAM接收机之中，首先要对接收的信号实施采样，之后送入定时恢复环路，定时恢复环路包括内插滤波器、控制器、环路滤波器、定时误差检测模块，其工作原理如下：1）对采样信号实施内插处理；2）实施定时误差检测；3）估计内插时刻与采样时刻之间的偏差；4）通过环路滤波器，把定时误差结果送入控制器；5）调整下一次内插时刻；6）在反馈回路的作用下，实现符号同步自动调节。

2.3 自动增益控制

反馈式自动增益环路主要包括4个模块，分别为幅度提取模块、误差检测模块、环路滤波模块、增益调节模块，符号同步完成之后，首先通过幅度提取模块，提取I、Q两路信号的幅度信息，之后将信息送入误差检测模块，通过与固定参考值的对比，获取误差信号，再通过环路滤波模块，把误差信号中的高频分量滤除，然后把经过环路滤波处理的信号送入增益控制器，进而形成反馈环路，实现自动增益。

2.4 载波同步

对于QAM调制解调技术来说，对相偏与频偏十分敏感，下变频后信号一定要进行相偏、频偏的补偿，这样才能恢复正确的星座图，提高解调性能，降低误码率。如图6所示，由于载波相位偏移对32QAM星座图产生了影响，导致星座旋转了θ度。

可以看出，旋转角度（θ）是由两个部分构成的，一部分是固定相位误差Δφ，另一部分是固定频率误差Δω，而载波同步就是要把星座点恢复到原始位置，本文采用相干解调法，从接收到的已调信号中直接恢复载波信号。

三、系统测试

本文中为了测试系统的实际性能，采用matlab对系统进行测试，测试不同噪声比之下系统的实际性能，首先调制处理一组随机信号，通过dat的形式保存输出的已调信号，再采用matlab中的awgn函数，实施加噪处理，之后把信号送入解调模块，对比输出结果与发送信号，获取误比特率。

因为awgn加入的是具有随机性的白噪，为了评价的客观性，本文采取蒙特卡罗法实施测试，不同信噪比之下的加噪音、解调、误比特率测试都反复进行30次，最终获取误比特率均值，制作32QAM经白噪声后解调误比特率曲线，系统在不同信噪比之下的误比特率如图7所示。

由图可见，17dB和20dB之间，曲线随着信噪比的增加而出现陡降，系统基本满足理论曲线要求，基本满足工程实际需求。不过信噪比大于20dB之后，随着信噪比增加误码下降变缓，究其原因，是因为定点算法精度欠佳造成的，以后要积极解决这一问题。

四、总结

如今通信技术发展迅速，同时信息安全和通信保密也越来越受到关注，通信保密技术发生了很大变革，如今人们已经深深意识到秘密信息被截收以及通信线路被窃听得严重性，对通信安全的需求越来越高，因此QAM调制解调器得应用越来越广泛，本文分析了QAM调制解调器的研究与实现，经过测试证明，系统基本满足理论曲线要求，基本满足工程实际需求，以后还要进一步解决定点算法精度欠佳问题。

参 考 文 献

[1]刘华桥. 64QAM调制解调关键技术研究与实现[D].电子科技大学，2013.

[2]冉元进. 基于16QAM的宽带可变速率调制解调器研究与实现[D].电子科技大学，2013.

[3]陈巍. QAM调制解调器的研究与实现[D].国防科学技术大学，2012.

[4]刘勇. 遥测技术中QAM调制解调器的FPGA实现[D].哈尔滨工程大学，2011.

[5]宋汉斌. 三维调制解调器的理论研究[D].复旦大学，2012.

[6]朱泳霖. QAM调制解调技术研究及其FPGA实现[D].中南大学，2010.