16QAM与16PSK性能对比分析研究

第１２卷第５期　实验科学与技术　Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｖ０１．１２　Ｎｏ．５　０ｃｔ．２０１４　２０１４年１０月　１６ＱＡＭ与１６ＰＳＫ性能对比分析研究　黎鹏　，王　涌　，丁洪伟　，余鹏飞　，杨俊东　，李志毅　信息学院，昆明６５００９１；２．云南省广播电视局科技处，昆明６５００３１）　（１．云南大学摘要：在通信理论中，数字调制相比模拟调制方式具备许多优点，但都以增加信号带宽为代价。带宽作为有限资源，为提　高利用率，就必须改进调制技术，引入多进制调制。文中研究了目前主流的两种多进制数字调制方式１６ＰＳＫ和１６ＱＡＭ，从　多个角度对比分析两种调制方式的性能并得出结论，１６ＱＡＭ具有更加广泛的应用。　关键词：１６ＰＳＫ调制；１６ＱＡＭ调制；仿真；分析　中图分类号：ＴＮ９１９．７２；ＴＰ３９３．１　文献标志码：Ａ　ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７２—４５５０．２０１４．０４．０１３　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｃｏｍｐａｒａｔｉｖｅ　Ｓｔｕｄｙ　ｏｎ　ｔｈｅ　Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　１６ＱＡＭ　ａｎｄ　ｔｈｅ　１６ＰＳＫ　ＬＩ　Ｐｅｎｇ　，ＷＡＮＧ　Ｙｏｎｇ　，ＤＩＮＧ　Ｈｏｎｇｗｅｉ　，ＹＵ　Ｐｅｎｇｆｅｉ　，ＹＡＮＧ　Ｊｕｎｄｏｎｇ　，ＬＩ　Ｚｈｉｙｉ　（１．Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ，Ｙｕｎｎａｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｋｕｎｍｉｎｇ　６５００９１，Ｃｈｉｎａ；　２．Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｒａｄｉｏ　ａｎｄ　Ｔｅｌｅｖｉｓｉｏｎ　Ｂｕｒｅａｕ　ｏｆ　Ｙｕｎｎａｎ　Ｐｒｏｖｉｎｃｅ，Ｋｕｎｍｉｎｇ　６５００３１，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ　ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ　ｔｈｅｏｒｙ，ｃｏｍｐ￣ｅｄ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ａｎａｌｏｇ　ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ，ｄｉｇｉｔａｌ　ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ　ａｌｔｈｏｕｇｈ　ｈａｓ　ｍａｎｙ　ａｄｖａｎｔａｇｅｓ，ｂｕｔ　ｌｏｔｓ　ｏｆ　ｔｈｅｍ　ａｒｅ　ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ　ａｔ　ｔｈｅ　ｅｘｐｅｎｓｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｉｇｎａｌ　ｂａｎｄｗｉｄｔｈ．Ｂｕｔ　ｔｈｅ　ｂａｎｄｗｉｄｔｈ　ｉＳ　ｌｉｍｉｔｅｄ　ｒｅｓｏｕｒｃｅ．ｗｅ　ｍｕｓｔ　ｎｅｅｄ　ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ　ｔｅｃｈｎｏｌ—　ｏｇｙ　ｔｏ　ｉｍｐｒｏｖｅ　ｔｈｅ　ｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ　ｒａｔｅ　ｏｆ　ｂａｎｄｗｉｄｔｈ．ａｎｄ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅ　ｔｈｅ　Ｍ—ａｒｙ　ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ．Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｄｉｓｃｕｓｓｅｓ　ｔｗｏ　ｋｉｎｄｓ　ｏｆ　Ｍ—ａｒｙ　ｄｉｇｉｔ—　ａｌ　ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ，１６ＰＳＫ　ａｎｄ　１６ＱＡＭ　ａｔ　ｐｒｅｓｅｎｔ　ｔｈｅ　ｍａｉｎｓｔｒｅａｍ，ｂｙ　ａｎａｌｙｓｉｓｉｎｇ　ｏｆ　ｔｗｏ　ｋｉｎｄｓ　ｏｆ　ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎｓ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｓ　ｆｒｏｍ　ｍａｎｙ　ａｓ—　ｐｅｃｔｓ．Ｔｈｅ　ｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎ　ｉＳ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　１６ＱＡＭ　ｈａｓ　ｍｏｒｅ　ｅｘｔｅｎｓｉｖｅ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：１６ＰＳＫ　ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ；１６ＱＡＭ　ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ；ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；ａｎａｌｙｓｉｓ　与二进制相比，在信息速率相同的条件下，多　进制数字调制可以增大码元宽度，降低码元速率，　增加每个码元的能量，提高传输的可靠性，并能减　小码间串扰影响。多进制传输的信息速率是二进制　的ｌｂＭ倍（在实际应用中，通常取Ｍ＝２　，ｋ为大　于１的正整数），但其信号功率需求增加，实现也　更加复杂。本文着重就目前两种主流的多进制调制　技术１６ＰＳＫ和１６ＱＡＭ的原理、误码率、眼图、频　谱等四个方面分析其性能。　振幅和相位作为两个独立的参量同时受到调制，其　般表达式为：　一ＳＩ６ＱＡＭ（ｆ）＝［∑Ａｎｇ（ｔ—ｎ　）】ｃｏｓ（ｔｏ。ｔ＋　）＝　［∑Ａｎｇ（ｔ—ｎ　）ｃｏｓ￣ｐ　ｃｏｓｗ　ｔ一　［∑Ａ．ｇ（ｔ—ｎ　）ｓｉｍｐ　ｓｉｎｗ　ｔ＝　［∑Ｘ　ｇ（　一ｎｒｓ）】ｃｏｓ（Ｏｃｔ一　【∑Ｙ￣ｇ（ｔ—ｎ　）］ｓｉｎｔｏ　ｔ　式中：Ｘ　＝Ａ　ｃｏｓ　；ｙｎ＝Ａ　ｓｉ“　；Ａ　为第ｎ个码元　的幅度。　理论上，不同相位差的载波越多，可以表征的　１　调制原理　多进制相位键控ＭＰＳＫ是利用载波的相位变化　来传递信息的调制方式。１６ＰＳＫ作为高阶ＰＳＫ信　号的典型，ｌ１　设载波为ＣＯＳ（Ｗ　ｔ），其时域表达式　为：　Ｓｌ６ＰｓＫ（ｔ）＝Ａｃｏｓ（０９ｏ＋０　）＝　Ａｃｏｓ（∞０ｔ）ｃｏｓ０　—Ａｓｉｎ（　ｏｔ）×ｓｉｎＯ　＝　ａｉＣＯＳ（　０ｔ）一ｂｉｓｉｎ（　０ｔ）　数字输入信息越多，频带的压缩能力越强，可以减　小由于信道特性引起的码间串扰的影响，从而提高　数字通信的有效性。但在多相调制时，相位取值数　增大，信号之问的相位差也就减小，传输的可靠性　将随之降低。１６ＰＳＫ和１６ＱＡＭ的相位都分别对应　００００，０００１，００１０，００１１，０１００，０１０１，０１１０，　式中：ａ　为同相分量；ｂ　为正交分量。　１６ＱＡＭ调制是一种振幅、相位联合调制体制，　收稿日期：２０１３—０９—２９　作者简介：黎鹏（１９８１一），男，研究生，实验师，研究　方向：通信与信息系统。　０１１１，１０００，１００１，１０１０，１０１１，１１００，１１０１，　１１１０，１１１１等１６种信息比特，如图１所示，给出　了１６ＱＡＭ的相位星座图　Ｊ，包含１６种相位信息，　相位构成一个正方形。而１６ＰＳＫ也包含１６种相位　信息，相位构成一个圆，每个相位信息位于圆周　第１２卷第５期　黎鹏，等：１６ＱＡＭ与１６ＰＳＫ性能对比分析研究　‘３７·　上，将圆ｌ６等分，相邻输出相位的夹角是２２．５。　（限于篇幅，此处图略）。各种多相制数字调制系　统的误比特性能与星座图中各点之间的距离有直接　关系，比较１６ＰＳＫ与１６ＱＡＭ相位星座图，可发现　１６ＱＡＭ信号相邻两个信号的最小欧式距离大于　１６ＰＳＫ，距离大的信号易于识别，所以Ｍ＞４时，　ＭＱＡＭ信号的抗噪声能力优于ＭＰＳＫ，常被用于在　频带受限的信道中传输信息。　图１　１６ＱＡＭ星座图　在通信的过程中，信道特性的不同直接影响信　号的接收和解调效果。这种影响不仅对信号的幅度　造成衰减，同时导致信号波形产生畸变，从而发生　误码。经过高斯白噪声信道（ＳＮＲ＝１５　ｄＢ）后，　１６ＱＡＭ的星座图如图２所示。　图２高斯白噪声１６ＱＡＭ星座图　从图２可明显看出，ＡＷＧＮ信道对调制信号　存在严重干扰。类似，受ＡＷＧＮ信道干扰的　１６ＰＳＫ接收信号的星座图也会产生明显的噪声，图　像由原来的非常清晰，变得抖动非常厉害。　２　眼图　眼图分析是一种数字信号基带传输受扰测度研　究方法，可通过眼图对基带信号的受扰程度进行表　征。图３是在Ｍａｔｌａｂ下完成的１６ＱＡＭ眼图仿真。　》　图３　１６ＱＡＭ眼图　“眼睛”的张开程度可以作为基带传输系统性　能的一种度量，眼图张开部分的宽度决定了接收波　形可以不受串扰影响而抽样、再生的时间间隔。显　然，抽样的最佳时刻是“眼睛”张开最大的时刻；　“眼睛”在特定抽样时刻的张开高度决定了系统的　噪声容限；“眼睛”的闭合斜率决定了系统对抽样　定时误差的敏感程度，斜率越大则对定时误差越敏　感。在图中可以看出，在无噪声时，１６ＱＡＭ信号　的眼图较清晰，“眼睛”张开较大，性能良好，而　１６ＰＳＫ信号的眼图外观与１６ＱＡＭ的外观类似，只　是图像非常密集，说明１６ＱＡＭ系统具备更大的噪　声容限。当加入噪声Ｅｂ／Ｎｏ＝１５　ｄＢ后，这一趋势　更加明显，１６ＰＳＫ的眼图已经完全闭合，１６ＱＡＭ　还有较好的噪声容限，说明１６ＱＡＭ信号的眼图性　能优于１６ＰＳＫ。　３　误码率　误码率是衡量通信系统的重要指标　，下面　分别讨论：　１）ＰＳＫ误码率计算公式　Ｐ—　＝２Ｑ（（ｓｑｒｔ（２ｋ．ｒ））ｓｉｎ（ｐｉ．／Ｍ））　用Ｍａｔｌａｂ绘制２ＰＳＫ、４ＰＳＫ、８ＰＳＫ、１６ＰＳＫ、　３２ＰＳＫ误码率曲线如图４所示。由图４可以看出，　当Ｍ＞４时，不同ＰＳＫ的ＳＮＲ所付出的代价，例　如Ｐ　＝１０　时，　＝４与　＝８之间的比特ＳＮＲ相差　为４　ｄＢ，而Ｍ＝８与Ｍ＝１６之间的比特ＳＮＲ相差　近似为５　ｄＢ；当信噪比一定时，例如为８时，　＝　４与　＝８之间的符号误码率相差约为２００倍。可　见随着进制数的增加，信号传输速率增加了，但随　之而来的却是抗噪声性能的急剧下降。相同信噪比　情况下进制数越高，误码率越大，即性能越差，但　是信息传输效率越高。　·３８·　实验科学与技术　ｈ　一　在实际应用中，应当在信息传输速率和抗噪声　性能之间折中选择。若信道比较理想，例如光纤通　信时，由于干扰非常小，此时便可选择大　值；　但若是干扰比较多，如在大城市里，则应选用较小　屿　屿　的Ｍ值。　ｌ０”　，ｌ　ｓｉｎ［ａｖＴ（ｆ一／＝）］ｌ　。、　ｉ　Ｐ　Ｐ　Ｐ　６　２　Ｓ　Ｐ　ｌ０，．　１０　１　Ｉ　１Ｔ　（厂＋，＝）　Ｉ　Ｊ　所得的ｌ６ＰＳＫ频谱图形如图６所示。经过多　制制划悴摔　次仿真，发现Ｍ元ＰＳＫ频谱图形非常接近，差别　不大，且信号功率谱形状与ＡＳＫ类似，但没有载　频上的离散谱线，主瓣宽度较窄，旁瓣下降快，对　邻近信道干扰小，适合窄带信道传输。这意味着与　ＡＳＫ相比，１６ＰＳＫ具有更好的功率效率。　｝　。　饕　１０　８　ｌ　２　比特俯噪￣Ｌｒｂ／ｄＢ　ＭＰＳＫ误码率对比　（）　频率／Ｈｚ　图６　１６ＰＳＫ功率谱　ｌｆ１　１６ＱＡＭ和１６ＰＳＫ信号的频谱图形类似，两者　的频谱利用率相同，均为７／＝１／２１ｂＭ。　５　结束语　Ｈ）　ｌ【】　Ｅｂ／ｉｒ　ｂ　Ｎｏ｜Ｎｏ　１６ＰＳＫ与１６ＱＡＭ都是典型的多进制数字调制方　式，两者相比，１６ＱＡＭ的信号幅度和相位都可以携　带信息，具有较高的频带利用率，误码率较低，抗　干扰性强，能很好地适应现代移动通信窄带传输的　要求，很适合在频率资源紧张的信道中传输。使用　图５　１６ＰＳＫ与１６ＱＡＭ误码率对比　２）１６ＰＳＫ、ｌ６ＱＡＭ误码率对比　用Ｍａｔｌａｂ绘制１６ＰＳＫ、１６ＱＡＭ的误码率图形如　图５所示，可以看出，１６ＱＡＭ以及１６ＰＳＫ两种调制　１６ＱＡＭ的载波一般都工作在高的Ｃ／Ｎ值，使得其他　载波更易受同频道和交调噪声的影响，并且，　１６ＱＡＭ的ＨＰＡ非线性比标准的１６ＰＳＫ载波更敏感。　因此，１６ＱＡＭ调制技术是一种优秀的调制技术，在　大容量数字通信中有广阔的应用前景。　方式随着信噪比的增加误码率降低，而且１６ＱＡＭ的　误码率远远低于１６ＰＳＫ，例如ＳＮＲ＝１２　ｄＢ时，　１６ＱＡＭ的误码率为ｌ０　数量级，而１６ＰＳＫ误码率为　１０　数量级。当信噪比一定时，１６ＱＡＭ的误码率远　比１６ＰＳＫ小，这与前面所说的１６ＱＡＭ欧式距离较大　致，证明了１６ＱＡＭ误码性能优于１６ＰＳＫ。　一参考文献　［１］柯熙政，陈丹，答盼．１６ＰＳＫ系统仿真及误码率性能　分析［Ｊ］．激光杂志，２０１０（１）：４１—４３．　［２］常力，杨育红，曲保章，等．１６ＱＡＭ通信系统的Ｍａｔ—　ｌａｂ仿真实现［Ｊ］．通信技术，２００３（１１）：４０—４２．　［３］王士林．现代数字调制技术［Ｍ］．北京：人民邮电出　版社，１９８７：８３—１０３．　４频谱　根据ＰＳＫ功率谱密度计算公式　］：　［４］樊昌信．通信原理教程［Ｍ］．２版．北京：人民邮电出　版社，２００８：１１９—１６１．