連續(xù)相位QAM調(diào)制原理

1 引言
目前通信領(lǐng)域正處于急速發(fā)展階段，由于新的需 求層出不窮，促使新的業(yè)務(wù)不斷產(chǎn)生，因而導(dǎo)致頻率資源越來(lái)越緊張。在有限的帶寬里要傳輸大量的多媒體數(shù)據(jù)，提高頻譜利用率成為當(dāng)前至關(guān)重要的課題，否則將 很難容納如此眾多的業(yè)務(wù)。正交幅度調(diào)制(QAM)由于具有很高的頻譜利用率被DVB-C等標(biāo)準(zhǔn)選做主要的調(diào)制技術(shù)。與多進(jìn)制PSK(MPSK)調(diào)制不 同，OAM調(diào)制采取幅度與相位相結(jié)合的方式，因而可以更充分地利用信號(hào)平面，從而在具有高頻譜利用效率的同時(shí)可以獲得比MPSK更低的誤碼率。

但仔細(xì)分析可以發(fā)現(xiàn)QAM調(diào)制仍存在著頻繁的相位跳變，相位跳變會(huì)產(chǎn)生較大的諧波分量，因此如果能夠在保證QAM調(diào)制所需的相位區(qū)分度的前提下，盡量減少 或消除這種相位跳變，就可以大大抑制諧波分量，從而進(jìn)一步提高頻譜利用率，同時(shí)又不影響QAM的解調(diào)性能。文獻(xiàn)中提出了針對(duì)QPSK調(diào)制的相位連續(xù)化方 法，本文借鑒該方法，提出連續(xù)相位QAM調(diào)制技術(shù)，并針對(duì)QAM調(diào)制的特點(diǎn)在電路設(shè)計(jì)時(shí)作了改進(jìn)。

2 連續(xù)相位QAM調(diào)制原理
QAM調(diào)制原理如圖1所示。QAM調(diào)制的表達(dá)式一般可表示為

其中Am=dmA，Bm=emA，式中A是固定的振幅大小，(dm，em)由輸入數(shù)據(jù)確定。
利用三角函數(shù)關(guān)系對(duì)(1)式進(jìn)行變換可得

其中
Cm、θm分別表征QAM調(diào)制信號(hào)在一個(gè)碼元區(qū)間[m一1>T，mT)內(nèi)調(diào)制信號(hào)的振幅和相角大小。相應(yīng)的，在相鄰的下一個(gè)碼元區(qū)間[mT，m+1>T)內(nèi)，QAM調(diào)制信號(hào)可表示為

比較(2)、(4)式可以發(fā)現(xiàn)，普通的QAM調(diào)制過(guò)程中存在著△θ的相位跳變量。這種相位跳變的存在會(huì)增大調(diào)制信號(hào)的諧波分量，從而使頻帶展寬。由于有用 信息主要集中在頻譜的主峰附近，諧波中幾乎不含有有用信息，所以從提高頻譜利用率的角度，如果能夠設(shè)法在保持每個(gè)碼元主要區(qū)間內(nèi)相位不變的前提下，在信號(hào) 相鄰碼元的過(guò)渡區(qū)內(nèi)逐點(diǎn)連續(xù)改變相位的值，直到下一個(gè)碼元的主要部分，就可以使信號(hào)相鄰碼元之間的過(guò)渡區(qū)內(nèi)最大相位差的絕對(duì)值趨近于零，從而既可以保證 QAM調(diào)制所必須的相位差別，又避免了相位改變時(shí)的劇烈跳變，可以大大抑制諧波分量。
根據(jù)以上分析，連續(xù)相位QAM調(diào)制原理可用如下的公式表示

其中

稱 為連續(xù)化函數(shù)，2τ稱為過(guò)渡區(qū)寬度，而把一個(gè)碼元的其它部分稱為該碼元的主要部分。之所以選用這樣的連續(xù)化函數(shù)，是因?yàn)榭紤]到sin函數(shù)取值在一l和+1 之間，并且是相當(dāng)平滑的，這樣S(t)的取值范圍是[0，1]，于是運(yùn)用公式(5)和(6)正好可以使相位在過(guò)渡區(qū)2τ內(nèi)完成△θ的變化量，即從θm到 θm+1的變化是在過(guò)渡區(qū)內(nèi)逐漸完成的，這不同于一般QAM調(diào)制的相位跳變。在過(guò)渡區(qū)結(jié)束后，即進(jìn)入一個(gè)碼元的主要部分時(shí)相位已經(jīng)達(dá)到與輸入數(shù)據(jù)相對(duì)應(yīng)的 相位值θm+1。這種變化既滿足了QAM調(diào)制相位轉(zhuǎn)移的要求，又實(shí)現(xiàn)了用相位連續(xù)變化代替跳變的目的。

圖2(a)、(b)分別給出采用普通QAM和連續(xù)相位QAM調(diào)制后的波形(以16QAM為例，過(guò)渡區(qū)寬度選為1／4個(gè)碼元周期)。為了清楚起見(jiàn)，在上圖中 截取兩個(gè)相鄰碼元的波形疊加放大后繪于圖3中。圖中虛線是經(jīng)普通16QAM調(diào)制后相鄰兩個(gè)碼元的波形，從圖3可以看出從當(dāng)前碼元到下一個(gè)碼元存在著躍變， 而連續(xù)相位16QAM調(diào)制信號(hào)的轉(zhuǎn)換線在過(guò)渡區(qū)則平緩的多(如圖中實(shí)線所示)。在過(guò)渡區(qū)結(jié)束后，即進(jìn)入每一個(gè)碼元的主要區(qū)問(wèn)時(shí)，連續(xù)相位QAM調(diào)制的相位 也已達(dá)到輸入數(shù)據(jù)所對(duì)應(yīng)的相位，所以此區(qū)間兩種調(diào)制方式的波形相同，因而圖3虛線被實(shí)線所覆蓋。

3 連續(xù)相位QAM解調(diào)原理
普通QAM的解調(diào)過(guò)程如圖4所示，引入連續(xù)化相位技術(shù)后，解調(diào)過(guò)程沒(méi)有大的改變，如上文所述，在采用連續(xù)相位QAM調(diào)制時(shí)，每一個(gè)碼元主要區(qū)間的相位仍是 與普通QAM調(diào)制相一致的，以反映出相位的變化，不同之處僅僅體現(xiàn)在過(guò)渡區(qū)內(nèi)，因此解調(diào)時(shí)只要在通過(guò)低通濾波器后進(jìn)行抽樣時(shí)，把抽樣值點(diǎn)落在每一個(gè)碼元的 主要區(qū)間，特別是選在碼元的中間部分時(shí)，所得的結(jié)果就與普通QAM解調(diào)后的結(jié)果一致。圖5(a)、(b)分別是普通16QAM和連續(xù)相位16QAM解調(diào)后 同向支路的波形圖，圖6(a)、(b)是兩者解調(diào)后正交支路的波形，圖6中虛線是經(jīng)過(guò)低通濾波后的波形。比較兩種情況下的波形可以看出，連續(xù)相位QAM和 普通QAM解調(diào)后波形的區(qū)別僅在相位改變的過(guò)渡區(qū)內(nèi)，主要區(qū)間仍然保持一致。經(jīng)過(guò)低通濾波后的波形則幾乎一致，這對(duì)判決十分有利。