ADS在16QAM通信系统中的应用

摘要 介绍了16QAM通信系统的概念、工作原理以及利用ADS软件建立通信系统模型的方法，并进行了系统分析。在ADS中，对调制信号的表示方法、脉冲形成、通道滤波、频谱分析——数值频谱和频率频谱、客户化调制等技术进行了仿真，实现了通信系统的模拟。
关键词 正交幅度调制；星座图；编码；比特恢复；传输信道

    现代通信中，提高频谱利用率成为被关注的焦点。近年来，随着通信业务需求的增长，寻找频谱利用率高的数字调制方式已成为数字通信系统设计、研究的主要目标之一。正交振幅调制(Quadrature AmplitudeModulation，QAM)是一种频谱利用率很高的调制方式，其在中、大容量数字微波通信系统、有线电视网络高速数据传输、卫星通信系统等领域得到了广泛应用。

1 16QAM的通信系统原理
    在谈论16QAM系统时，首先介绍QAM的概念，QAM是一种在两个正交载波上进行幅度调制的调制方式。这两个载波通常是相位差为90°的正弦波，因此被称作正交载波。
    通常可以同时进行幅度和相位的调制，也可以分开进行调制，但实现起来较困难。在特制的系统中信号可以分解为一组相对独立的分量：同相(I)和正交(Q)分量。其是正交的，且互不相干。
    16QAM原理框图如图1所示，其中图1(a)为发射机原理图，图1(b)为接收机原理图。

    I-Q的调制信号可由同相载波和90°相移的载波相加合成，在电路上直接牵涉到载波相位的改变，所以较好实现。其次，I-Q图上只有几个同定点，简单的数字电路就足以胜任编码的工作。而且不同调变技术的差异只在于I-Q图上点的分布不同而已，所以只要改变I-Q编码器，利用同样的调制器，便可得到不同的调制结果。I-Q解调变换的过程较容易，只要取得和发射机相同的载波信号，解调器的方块图基本上只是调制器的反向而已。从硬件的实现而言，调制器和解调器的方块图上，没有会因为I-Q值的不同而必须改变的部份，所以这两个方块图可以应用在所有的I-Q调变技术中。
    星座图是对系统最直观的测试。常用的有：直角坐标图和极坐标图。极坐标图是观察幅度和相位的最好方法，载波是频率和相位的基准，信号表示为对载波的关系。信号可以以幅度和相位表示为极坐标的形式。相位是对基准信号而言的，基准信号通常是载波，幅度为绝对值或相对值。每一个星座点对应一个一定幅度和相位的模拟信号，其模拟信号再被上变频到射频信号发射出去。模拟调制和数字调制的区别：模拟调制和数字调制之间的差别在于调制参数。在这两种方案中，改变的是载波信号的幅度、频率或相位。在模拟调制中载波参数按连续的模拟信息信号改变，而在数字调制中，参数按离散的数字信息改变。
    QAM调制实际上是幅度调制和相位调制的组合。相位加幅度状态定义了一个数字或数字的组合。QAM的优点是具有较大的符号率，从而获得更高的系统效率。通常由符号率确定占用带宽。因此每个符号的比特越多，效率就越高。对于给定的系统，所需要的符号数为2 n，这里n是每个符号的比特数。对于16QAM，n=4，因此有16个符号，每个符号代表4 bit：0000，0001，0010等。作为通信系统，除调制、解调部分外，传输信道也是必不可少的部分。

2 ADS仿真实现
    (1)16QAM发射机的实现。在ADS中用数值域元件可完成16QAM发射机的仿真。在通信系统抗干扰和噪声能力由调制时符号决定，一般用直接映射，即将数据源用Bits映射，在此首先将数据源用整数斜升源RampInt代替Bits，同时加入到BIT的转换元件，同时用TableCx及CxToRect元件即可完成格雷编码。
    TableCx元件的输出表示调制信号的复包络，每个符号上使用多次采样，在本实例中采用8次，SamPerSym=8；Nsample=100，sink元件为CxBBout存储信号经采样后和复包络。对数值进行FFT处理即可得到调制信号的频谱，在ADS中设置公式为BB_fft=fft(CxBBOut)，为显示调制信号在载波附近的频谱，可使用ADS中数据索引功能实现，首先利用数据流仿真可输出测量数据对时间或测量数据的索引，得到数据点数：fft_size=sweep_size(BB_fit)。
    选择FFT上半部分：fft_1st=BB_fft[0：：(fft_size-1)／2]；
    选择FFT下半部分：fft_2nd=BB_fft[(fft_size-1)／2+1：：(fft_size-1)]。
    将两部分组合：spectrum=[fft_2nd，fft_1st]_fft=[-(fft_size-1)／2：：(fft_size-1)／2]。
    显示调制信号频谱为在直角坐标：显示dBmVs x_fft。具体仿真结果如图2和图3所示。

    调制信号带宽由基带滤波器来进行限带。在ADS中可使用数值域中的滤波元件，也可使用定时域中的滤波器元件。定时滤波器元件可从Timed>Filters库中调入；数值滤波可以从“Numeric>Communications”库中调入，也可从“Numeric>Signal Processing”中调入。再选用升余弦，该元件除滤波外，也可进行上、下采样。经滤波后仿真结果如图4所示。

    在仿真时，必须确定时间／频率域中的频谱特性，例如扫描带宽和频谱的分辨率带宽。这些特性由时间步长或采样点以及总的仿真时间长度决定。将载波频率偏移30 MHz，即调制信号，其可看做是改变载波信号，但ADS在处理信号时仍然是认为载波频率为原载波。ADS中将射频信号的频率特性称特征频率，其可以和调制信号的载波相同，也可以不同。如ADS中已有模块不能满足设计需要，可以定制新的客户化调制技术。在此次仿真中将产生频率偏移的电路用两个元件代替即可。设置载波每100个符号改变一次的发射机仿真结果。具体原理及结果仿真如图5和图6所示。

    (2)16QAM接收机实现。接收机的完成基本是发射机的逆过程。具体步骤如下：将调制电路中数据源，频谱分析等原件删除，作为收电路输入。其余建立同发射机。使用负的频率偏移，可以抵消发射机中的频率跳变，使用公式同发射机。升余弦函数选用根升余弦函数，与发射机构成匹配，减少码间干扰。比特恢复IntToBit转换元件完成比特恢复的过程，将整数表示的符号转化为相应的4 bit位。出错检查，接收机完成简单的解调过程就可以检查从发射到接收的数据传输错误。利用误码率公式：Num_err=sum(abs(Bits_out-Bits_in))，其中Bits_out和Bits_in都是逻辑电平0或1。误码率高是因为未考虑处理过程的时延。仿真结果如图7和图8所示。

    (3)传播信道。传输通道影响由传播时延和通道噪声两个原因造成，在ADS中可通过下面方法解决。传播时延：在接收机和发射机之间加入delay元件。通道噪声：利用TkSlider元件在通道中计人噪声大小，该噪声加到了复包络中的实部和虚部，因此在实际中不仅影响幅度，还影响相位。运行仿真，可查看各部分的数据。

3 结束语
    介绍了利用ADS软件对数字调制通信系统的仿真工作，通过在ADS软件中，对采样数、时间、以及噪声等调整，确定系统中影响通信质量因素，从而提高通信系统的设计水平。