ADS在16QAM通信系统中的应用

摘要 介绍了16QAM通信系统的概念、工作原理以及利用ADS软件建立通信系统模型的方法，并进行了系统分析。在ADS中，对调制信号的表示方法、脉冲形成、通道滤波、频谱分析——数值频谱和频率频谱、客户化调制等技术进行了仿真，实现了通信系统的模拟。
关键词 正交幅度调制；星座图；编码；比特恢复；传输信道

现代通信中，提高频谱利用率成为被关注的焦点。近年来，随着通信业务需求的增长，寻找频谱利用率高的数字调制方式已成为数字通信系统设计、研究的主要目标之一。正交振幅调制(Quadrature AmplitudeModulation，QAM)是一种频谱利用率很高的调制方式，其在中、大容量数字微波通信系统、有线电视网络高速数据传输、卫星通信系统等领域得到了广泛应用。

1 16QAM的通信系统原理
在谈论16QAM系统时，首先介绍QAM的概念，QAM是一种在两个正交载波上进行幅度调制的调制方式。这两个载波通常是相位差为90°的正弦波，因此被称作正交载波。
通常可以同时进行幅度和相位的调制，也可以分开进行调制，但实现起来较困难。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。其是正交的，且互不相干。
16QAM原理框图如图1所示，其中图1(a)为发射机原理图，图1(b)为接收机原理图。

I-Q的调制信号可由同相载波和90°相移的载波相加合成，在电路上直接牵涉到载波相位的改变，所以较好实现。其次，I-Q图上只有几个同定点，简单的数字电路就足以胜任编码的工作。而且不同调变技术的差异只在于I-Q图上点的分布不同而已，所以只要改变I-Q编码器，利用同样的调制器，便可得到不同的调制结果。I-Q解调变换的过程较容易，只要取得和发射机相同的载波信号，解调器的方块图基本上只是调制器的反向而已。从硬件的实现而言，调制器和解调器的方块图上，没有会因为I-Q值的不同而必须改变的部份，所以这两个方块图可以应用在所有的I-Q调变技术中。
星座图是对系统最直观的测试。常用的有：直角坐标图和极坐标图。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，基准信号通常是载波，幅度为绝对值或相对值。每一个星座点对应一个一定幅度和相位的模拟信号，其模拟信号再被上变频到射频信号发射出去。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。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，参数按离散的数字信息改变。
QAM调制实际上是幅度调制和相位调制的组合。相位加幅度状态定义了一个数字或数字的组合。QAM的优点是具有较大的符号率，从而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越多，效率就越高。对于给定的系统，所需要的符号数为2 n，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。作为通信系统，除调制、解调部分外，传输信道也是必不可少的部分。

2 ADS仿真实现
(1)16QAM发射机的实现。在ADS中用数值域元件可完成16QAM发射机的仿真。在通信系统抗干扰和噪声能力由调制时符号决定，一般用直接映射，即将数据源用Bits映射，在此首先将数据源用整数斜升源RampInt代替Bits，同时加入到BIT的转换元件，同时用TableCx及CxToRect元件即可完成格雷编码。
TableCx元件的输出表示调制信号的复包络，每个符号上使用多次采样，在本实例中采用8次，SamPerSym=8；Nsample=100，sink元件为CxBBout存储信号经采样后和复包络。对数值进行FFT处理即可得到调制信号的频谱，在ADS中设置公式为BB_fft=fft(CxBBOut)，为显示调制信号在载波附近的频谱，可使用ADS中数据索引功能实现，首先利用数据流仿真可输出测量数据对时间或测量数据的索引，得到数据点数：fft_size=sweep_size(BB_fit)。
选择FFT上半部分：fft_1st=BB_fft[0：：(fft_size-1)／2]；
选择FFT下半部分：fft_2nd=BB_fft[(fft_size-1)／2+1：：(fft_size-1)]。
将两部分组合：spectrum=[fft_2nd，fft_1st]_fft=[-(fft_size-1)／2：：(fft_size-1)／2]。
显示调制信号频谱为在直角坐标：显示dBmVs x_fft。具体仿真结果如图2和图3所示。

调制信号带宽由基带滤波器来进行限带。在ADS中可使用数值域中的滤波元件，也可使用定时域中的滤波器元件。定时滤波器元件可从Timed>Filters库中调入；数值滤波可以从“Numeric>Communications”库中调入，也可从“Numeric>Signal Processing”中调入。再选用升余弦，该元件除滤波外，也可进行上、下采样。经滤波后仿真结果如图4所示。