16QAM调制解调原理

16QAM调制解调原理
16QAM调制原理及其在HDTV中的应用
[摘要] 本文概述Digicipher HDTV系统采用的16QAM调制与解调原理。

并对QAM法
美国提出的Digicipher等全数字高清晰度电视(HDTV)所以能引入注目，关键采用了两大技术，
一是高效的图像压缩处理技术，使之能在6MHz带宽内传输；二是采用正交幅度键控的数字信号载波传输，
在相同接收条件下，使发射功率仅是模拟传输的十分之一以下。

Digicipher 使用l6QAM调制方式。

本文介
绍其调制与解调原理，以及它在HDTV中的应用。

一、正交幅度键控调制(QAM)的基本原理
16QAM是正交移幅键控的一种调制方式，有很高的频道利用率。

正交移幅键控信号是一种载波
键控信号，它有同相和正交两路载波，以幅度键控方式独立地传送数字信息。

它的复包络可以写成：
(1)
其中，,是多电平基带信号，它们所带的数字信息是独立的，这是正交幅度键控区别
于多相移相键控和连续相位键控的一个主要持征。

若由四电平正交调幅形成幅度键控信号，其等效基带信号在复平面上的数目为16，称为16QAM(16个信号状态)。

图1是16QAM信号矢量端点图，图中16个信号
状态排成4x4方阵，每点表示一种状态，每一状态为一矢量(包括幅度与相位)。

由图可见共有三种不同的幅度(标量)和12个不
同的相位(每个象限有3个)。

图1 16QAM信号矢量端点图
式(1)中的，可分别表示为
(2)
(3)
式中，为码元周期；为矩形脉冲；，为双极性进制码．并使之等间距，例
如，。

由于原始信息一般是二进制码，所以二进制数与多层幅度电平之间存在着变换问题，这种变
换逻辑，称为电平逻辑。

因此，多电平正交移幅键控信号可以展开成由若干个二电平正交移幅键控的线性
组台，即
其中，，是二进制码元，取值?1。

由式(1)～(5)可得
(6)
因式中每一项是QPSK等效基带信号的复包络，每次信号功率依次相差6dB，因此多电平正交
移频键控信号可用若干四相相位键控组合而成。

二、16QAM调制器的组成方法
上述表明调制方法可以分为正交调幅法和四相叠加法。

1．正交调幅法
由式(1)一(5)可得出正交调幅法的基本框图，如图2。

图2 16QAM的基本组成图
同相与正交两路位二进制码组经电平变换电路转换成电平( )的基带信号、
，分别对同相载波与正交载波进行线性调制(即相乘运算)最后相加输出MQAM。

图2示出了=2,=4输出16QAM信号的组成图。

其相应的信号矢量端点图如图3所示，其中的、采用自然码电平逻辑，经正交调制得到16个信号矢量点，这些矢量点与4位二进制码()对应关系已在图中示出。

图3 16QAM正交调幅矢量图及与4位二进制码的对应关系
2．四相叠加法
由式(6)可知，多电平正交幅度键控信号可以分解为若干个四相相位键控信号的线性组合。

对于
16QAM，式中的＝2，于是四相叠加法的组成图如图4所示。

因在多电平信号进行检测并恢复成二进制
码时，格雷码比自然码的误码性能好。

因此，在相位键控前对二进制码作自然码/格雷码变换。

图中所有的
QPSK都用格雷码逻辑。

图4 16QAM正交调幅矢量图及与4位二进制码的对应关系
3、正交调幅法与四相叠加法优缺点比较
正交调幅法只有两个载波，相位比较容易控制，但必须经过线性调制器，电路复杂。

在微波传
输中，多电平信号经过非线性射频功率放大器会引起畸变。

为了避免引起的畸变，四相叠加法是一种可实
现的方案。

在微波频段上分别进行四相调制与功率放大，最后按一定功率比值叠加。

由于四相相位键控信
号是等幅信号，这就大大减少射频功放非线性的影响，甚至可以工作在饱和状态，提高功率效率，但必须
严格控制两个四相信号的载波相位和功率的关系。

三、解调器中对多电平基带信号的判决
解调器必须是一个正交相干解调器，经过解调，得到同相与正交两路独立的多电乎基带信号。

关键是如何对多电平基带信号进行判决和检测。

由于
其中，取，用某个电平对，进行判决，判决结果
，为
(7)
(8)
一般来说，对m电平送带信号要进行(m-1)次判决。

下面以四电平的16QAM为例介绍如何对多电平基带信号进行判决并恢复出二进制码。

1、四电平自然码逻辑
将四进制的值及,的自然码及按式(7)的判决结果列在表1中。

由表1可得式(9)的关系式，式中,为还原出的二进制码，符号代表模2和运算。

表1
+0 0 0 0 0 3
+0 1 0 1 0 1
-1 0 1 1 0 1
-1 1 1 1 1 3
(9)
2、四电平格雷码逻辑
类似地将四进制的的值及，的格雷码及按式(7)的判决结果列在表2中，由
表2可得式(10)的关系式，式中,为还原出的二进制码。

表2
+0 0 0 0 0 3
+0 1 0 1 0 1
-1 1 1 1 0
1
-1 0 1 1 1 3
比较式(9)与(10)可以看出，用自然码电平逻辑还原出二进制码时，比格雷码电平逻辑需要进行
更多的模2和运算。

这说明在相同条件下，格雷码比自然码比待差错率低。

四、Digicipher HDTV中的解调方法
Digicipher HDTv系统的编码器框图如图5所示。

图5 Digicipher 编码器框图
从FEC(前向纠错编码，HDTV采用Reed—Solomn码)编码器出来的将近
20Mbit/s数据流(实际为19.51Mbit/s，包括视频编码，数字音频，数据和纠错码等)先转化为4—bit字(称为符号),符号率是原比特率的1/4，大约5M符号/s，用一个简单的D/A转换器将一对符号比特转换成四电平信号，送入平衡调制器另一端输入RF或IF载波。

用类似的方法将另一对符号比特转换成四电平信号，用与前述正交的平衡调
制器调制（即载波相位移）。

两个平衡调制器的输出合成16QAM信号，以载波（或中频）为中心。

输出
的信号将被补差成实际传输频率。

在接收机中，采用的是正交相干解调，如图6所示。

它也是由两个平衡调制器组成，本地震荡
器产生的两个相互正交的本地载波（一个载波由另一个载波移相而得）送给平衡调制器，同时本地震荡器
必须与发射机的原载波锁相，它的相位由复杂的锁相环从数据中恢复（图中未画出）。

平衡调制器输出的
不是方波，而是四电平调制的方波，呈弧型，这是因为频道带宽限制的滤波结果。

这样，同相信号和正交
信号（两者均为四电平信号）经判决重新还原成两路2比特的数字形式，经多工处理得到原来的19.51Mbit/s
数据流。

图6 16QAM解调器的组成框图
五、结束语
DigiCipher HDTV系统采用先进的数字正交调幅技术，可使用较低的传输功率，便于启用禁用频
道，且解调器的复杂程度也并不很高。

在解调器中还使用256级自适应均衡器来处理多径失真，能消除-2 +24μs范围内多径反射所造成的重影。

由于QAM与QPSK的调制，解调方法类似，且前者可由后者组合
而成，DigiCipherHDTV系统在地面传输时使用16QAM，而在卫星传输时可方便地转为QPSK。