1、QPSK与16QAM调制在卫星通信中的性能分析杨雪梅 陆晓明(北京跟踪与通信技术研究所 北京100094)摘要介绍了QPSK与16QAM调制的概念，详细分析了QPSK与16QAM调制的频带利用率和误码性能，总结了卫星通信中采用16QAM调制的优缺点。得出如下结论：16QAM技术可有效地利用带宽，并在带宽利用率上比QPSK更有效，因而采用16QAM调制有利于节省卫星转发器。但是16QAM的功率利用率比QPSK调制方式要低，所以需要配置较大功率的高功放。关键词QPSK 16QAM频带利用率误码性能QPSK调制技术是等包络，且具有带宽较窄、频带利用率高，抗干扰能力强等特点，所以QPSK在传统上作为卫
2、星通信的最佳调制技术。但是，现在卫星转发器功率已经做得很大，卫星转发器功率受限变成频带受限，同时通信容量需求的大量增加，只有采用更好的调制技术才能解决这些问题。16QAM调制技术相比较而言是一种最优的调制技术。16QAM调制技术长期应用在大容量数字微波中，但当今国际市场上出现了采用16QAM调制技术的卫通调制解调器，如美国COMTECH EF DATA公司新推出的CDM一600。该卫通调制解调器支持速率高达20Mbps。1 PSK和QAM的概念所谓数字调制就是用数字基带信号对载波的某些参量进行控制，使载波的这些参量随基带信号的变化而变化。PSK调制是受键控的载波相位按基带脉冲而改变的一种数字调
3、制方式。MPSK为M进制相位调制又称多相制，它是利用载波的多种不同相位来表征数字信息的调制方式。QPSK是4相绝对移相键控。QAM(正交幅度键控)是用两个独立的基带波形对两个相互正交的载波进行抑制载波双边带调制的一种方式。由于正交幅度调制过程使载波振幅和相位同时变化，其中16QAM是四进制的正交振幅调制，有时也称为全响应幅相键控(APK)。2误码性能比较2。1 4QAM与QPSK比较图1是QPSK调制信号分布图。图2是两幅度QAM(4QAM)调制信号分布图，这两个幅度用a和口表示。为了在这两个信号集中保持相同的平均功率，必须满足条件：(口2+p2)2=2A2。当a=A，p=3A时，合成的信号点
4、落在一个菱形的棱上，并且信号之间的最小间隔等于2A。因此，两幅度QAM信号与QPSK信号比较没有明显的优点。图1 QPSK调制信号分布图图2两幅度QAM调制信号分布图22 8PSK和8QAM比较研究8QAM的信号集，如图4所示，信号间的最小距离等于2，图中给出每一信号点的坐标(d。，e。)。假定各信号点是等概的，平均发送功率是：肼P=A2M(d。2+e。2)=473A2。图3是8PSK信号图，其中两个相临点间隔为2，假定各信号点是等概的，从而，8PSK信号的平均发送功率是P=683A2。很显然，8PSK信号需要多出大约16dB的功率，才能达到图6中所示的8QAM信号的性能。23 16PSK$a
5、160AM比较由图5可见，16PSK信号相邻的两信号点的距20陀年第28癌1：llg 6期 无线tl!,jtt信技术 51 万方数据0乍 3心 哆图3 8PSK信号分布图 图4 8QAM信号分布图离为d，一2Asin(，r16)=039A。对于16QAM信号来说，相邻信号点的距离为d，=3A(L一1)，式中是在两个正交方向(髫或Y)上信号的电平数。取L=4，故d2=23A=047A，比d1超过164A(dB)。实际上，应该以信号的平均功率相等为条件来比较上述信号的距离才合理。可以证明，QAM信号的最大功率与平均功率之比为：L2e=最大功率平均功率=L(L一1)22(2i一1)2。i=1对于16
6、QAM来说，L=4，所以160AM=18。至于16PSK信号的平均功率，因为其包络恒定，因而e。6，sK=1。这样，在平均功率相等的条件下，16QAM的相邻信号距离超过16PSK约419(dB)。1 l厂 努。L j图5 16PSK信号的信号分布图 厂。 分O Of 乡图6 16QAM信号的信号分布图24 MPSK和MQAM比较一个M进制PSK信号集，在一个半径为r的圆周上具有M个相等间隔的点，所以，相邻两点之间的距离是2，容易看出圆周的半径必定是r=1sin(1rM)一Mrr M大时。因此，当M增加时为了保持相同的差错概率性能，M进制PSK的平均功率必需增加为(Mzf)2，M进制QAM的平均
7、功率必需增加为2(M一1)3。其比值为：附表不同肘值时的D_】If值M lOlog3M22(M一1)丌2。dB8 14316 44132 70164 995D村=3M22(M一1)丌2。式中DJlf表明用MQAM代替MPSK的优点。不同M值时的D村值见附表。25 QPSK信号和16QAM信号比较由图1 QPSK调制信号分布图和图6 16QAM调制的信号分布图相比较，很显然16QAM调制信号点之间的距离小于QPSK调制信号点之间的距离，即为了达到相同的误码率，在采用16QAM调制的情况下，系统需要更大的发射功率。因而QPSK调制的抗误码性能优于16QAM调制。3频带利用率传输一组M进制多相信号集
8、所需的信道带宽等于等效低通信号脉冲u(t)的带宽。设1L(t)的宽度为丁，其带宽形=1丁，又因为M=2，T=kR=(1092M)R6，所以MPSK调制频带利用率为：R6W=l092M(bsHz)。MQAM信号可以看成是两个正交的抑制载波双边带调幅信号的相加，因此，MQAM信号的功率谱取决于同相路和正交路基本信号的功率谱。从而，MQAM信号的最高频带利用率为l092M(bsHz)。QPSK调制为四进制调相，M=4，利用MPSK调制的频带利用率公式可得出QPSK的频带利用率为2bsHz。对于16QAM信号，M=16，它的频带利用率为l09216=4bsHz，比QPSK信号的频带利用率大多了。4 结
9、束语16QAM调制在卫星通信中不利之处：首先，采用16QAM调制虽然比采用QPSK调制时的频带利用率提高了，但是为了达到相同的接收误码率，采用i6QAM调制需要更大的发射功率，从而需要配置较大功率的高功率放大器；其次，卫星通信信道是个较典型的带限和非限性的恒参信道。信道中的中频滤波器，使得信道的通频带具有带限性，发射设备高功率放大器及转发器中的行波管放大器都是非线性的，而且具有幅相转换效应，即当输入信号幅度变化时，能够转换为输出信号相位变化。当地面站HPA或卫星放大器工作于饱和状态导致放大器工作于非线性模式，这会造成多载波工作环境下的交调干扰。此外，16QAM这种具有不同幅度包络的调制技术，其
10、幅度变化容易向非线性转化，产生衰落的信号群集，最终影响链路总误码性能。因此，当采用信号幅度有变化的QAM信号调制时，为达到所需性能，使放大器工作于线性区域是必要的。52 RADIo COMMUNICATlONS TECHNOLOGY VoI28 No6 22 万方数据总之，16QAM技术可有效地利用带宽，并在带宽利用率上比QPSK和8PSK更有效，因而采用16QAM调制有利于节省卫星转发器。但是16QAM的功率利用率比QPSK调制方式要低，所以需要配置较大功率的高功放。并且，16QAM对于地面站和转发器HPA非线性比标准的QPSK或8PSK载波更敏感。所以，选择合适的地面站和转发器补偿是关键。
11、还有，使用16QAM的载波一般都工作在高的CN值，使得其它载波更易受同频道和交调噪声的影响。参考文献1 约翰G普罗基斯美齐怀亮等译北京：电子工业出版社，1998：2272312王一青，贺创新卫星环境中的16QAM卫星通信广播电视CHINA SArl：OM200153樊昌信通信原理北京：国防工业出版社，1998：2002054 曹志刚现代通信原理北京：清华大学出版社，1999：1501535 蔡剑铭卫星通信系统北京：人民邮电出版社，1996：333，335(上接第33页)智能天线下行发射波束形成相对来说比较困难，这是由于智能天线赋形下行波束时很难知道下行信道的相关信息，目前研究者大多数利用上行信
12、道信息来估计下行信道的研究方法。这种方法很适合于时分双工系统(TDD)中，这是因为在TDD系统中，智能天线上、下信道工作于同一频率上，因而上、下信道有很大相关性，所以利用上行信道的相关信息来估计下行信道是科学的。但在频分双工(FDD)系统中情况就不同，由于上、下行信道所使用频率不同，因此，上、下行信道的相关性很弱，若也利用上行信道信息来估测下行信道，这样赋形出来的波束绝对不是最佳的。因此，归根到底来讲，智能天线研究的核心是智能算法的研究，因为智能算法决定着阵列暂态响应的速率和可实现电路的复杂度。目前提出很多著名算法，概括地讲有两大类：盲算法与非盲算法。盲算法是接收端无需发射端的先验信息，靠自己
13、估计发射端发送的信号并以其为参考信号进行算法处理来确定各加权值，这样的算法比如有：自适应衡模算法(CM)；非盲算法是需要参考信号(导频序列)的算法，此时接收端知道发射端发送信号的相关信息，收端进行算法处理时，先按一定的准则确定或逐渐调整权值，以使智能天线输出与已知输入最大相关，确定出最佳的权值；常用的相关准则有最小均方误差准则(MMSE)、最小均方准则(LMs)旧。5 J和递归最小平方误差(RLS)准则等。非盲算法相对盲算法而说，通常误差较小，收敛速度也快，但它需要发送信号的先验信息，因而浪费系统资源。在实际的通信系统中，一般将两者结合起来使用，即先用非盲算法确定初始权值，再用盲算法进行调整与
14、跟踪。4结束语智能天线技术对移动通信系统所带来的优势是目前任何技术所难以替代的，它对提高系统容量具有巨大的潜力；但是由于自适应过程在实现中影响因素复杂，难于动态捕获和跟踪所需用户信号，因而在高速移动传输环境中采用智能天线尚有困难。从目前来看，必须将智能天线和其它抗干扰的数字信号处理技术结合使用，才可能达到最佳效果，顺利冲向3G之路。然而，在移动通信技术的发展中，智能天线已经成为一个最活跃的领域，它将是3G或者未来先进的移动通信系统采用的首选关键技术!参考文献1 Draft New 17IrURIMTRSPCDetailed Specification of theRadio Interface
15、 of IMT一2000Doc817rEMP2 LC Van AttaElectromagnetic ReflectionUSPatent 2 908002，October 6 19593 CHMays1he Relationship of Algorithms Used with Adjustable Threshold Elements to Differential EquationsIEEETransElectronic Computers(Short Notes)V01EC一14，February 1965：62634 KSminbuch and BWidrowA Critical
16、Comparision of TwoKinds of Adaptive Classification NetworksIEEE Trans，Electronic Computers(Short Notes)V01EC一14，October 1965：7377405 JSKoford and GFGronerThe Use of an AdaptiveThreshold Element to Design a Linear Optimal Pattern ClassitierIEEE Trans，Information TheoryV01IT一12，January1966：42。5020蛇年第2
17、8卷第6期 无线电通信技术 53 万方数据QPSK与16QAM调制在卫星通信中的性能分析作者： 杨雪梅， 陆晓明作者单位： 北京跟踪与通信技术研究所,北京,100094刊名： 无线电通信技术英文刊名： RADIO COMMUNICATIONS TECHNOLOGY年，卷(期)： 2002,28(6)被引用次数： 1次参考文献(5条)1.蔡剑铭 卫星通信系统 19962.曹志刚 现代通信原理 19993.樊昌信 通信原理 19984.王一青;贺创新 卫星环境中的16QAM 2001(05)5.齐怀亮 约翰G普罗基斯 1998本文读者也读过(10条)1. 梁海丽.段吉海.游路路.LIANG HAI
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