通信基础 - 星座图的原理和应用

图3
图 4 表示极坐标和直角坐标的转换
Mag
M I 2 Q2
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Phase


atan

Q I

I、Q调制的主要优点是：既便于将两个独立信号分量组合成一个复合信号；相应地也 可以将其复合信号分解为两个独立的部分。大多数数字调制是在I、Q平面上将数据映射为 许多离散的点，我们称这些点为星座。当信号从一个点移向另一个点时，幅度调制和相位调 制就同时完成了。I、Q信号分别是在X轴和Y轴上的投影，合成矢量的幅度表示载波的幅度， 合成矢量与X轴的夹角表示载波相位。因此可以通过改变I 、Q驱动信号的幅度映射I-Q空间 中的任意一点。在I 和Q信号传送的值只有预先定义的几个值，代表广泛不同的状态，一个 调制的协议针对每个调制形式规定允许的状态数量。
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图4 QAM调制的基本原理 QAM调制实际上是幅度调制和相位调制的组合。相位 + 幅度状态定义了一个数字或数 字的组合。QAM的优点是具有更大的符号率，从而可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（基本信息单位）越多，效率就越高。对于给定的系统， 所需要的符号数为2n,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。对于64QAM，n = 6，因此有64个符号，每个符 号代表6bit：000000，000001，000010等。 以上就是QAM调制的基本原理。经过信道编码的二进制的MPEG-2比特流进入QAM调 制器，信号被分为两路，一路给I，另一路给Q，每一路一次给3比特的数据，这3比特的二 进制数一共有8种不同的状态，分别对应8种不同的电平幅度，这样I有8个不同幅度的电平， Q有8个不同幅度的电平，而且I和Q两路信号正交。这样任意一个I的幅度和任意一个Q的幅 度组合都会在极坐标图上映射一个相应的星座点，这样每个星座点代表由6个比特的数据组 成的一个映射，I和Q一共有8×8共64种组合状态，各种可能出现过的数据状态组合最后映射 到星座图上为图5所显示的64QAM星座图。
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图1 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 一般是载波，幅度为绝对值或相对值。
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图2
在数字通信中，通常以I、Q表示，极坐标中I轴在相位基准上，而Q轴则旋转90度。矢 量信号在I轴上的投影为I分量，在Q轴上的投影为Q分量。图3显示I和Q的关系。
图5
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每一个星座点对应一个一定幅度和相位的模拟信号，这个模拟信号再被上变频到射频信 号发射出去。这里再顺便说明一下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（或是它们的 组合）。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（幅度、 频率或相位）按离散的数字信息改变。
星座图的原理和应用
I、Q调制和星座图 数据经过信道编码之后，被映射到星座图上。下面讨论星座图的概念。图1就是QAM调 制器的基本原理框图，这里包含几个主要的概念：什么是I、Q调制；数字信号怎样映射到 极坐标上面。 什么是I、Q调制，为什么要采用I-Q调制 一个信号有三个特性随时间变化：幅度、相位或频率。然而，相位和频率仅仅是从不同 的角度去观察或测量同一信号的变化。人们可以同时进行幅度和相位的调制，也可以分开进 行调制，但是这既难于产生更难于检测。但是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。这两个分量是正交的，且互不相干的。 图1中的QAM调制器中I和Q信号来自一个信号源，幅度和频率都相同，唯一不同的是Q 信号的相位与I信号相差90o。具体关系如图2所示，当I的幅度为1的时候，Q的幅度为0，而 当I的幅度为0的时候，Q的幅度为1，两个信号互不相干，相位相差90o，是正交的。