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通信原理中星座图详解

2018-06-19 19:19

  星座图(constellation diagram)有助于定义信号元素的振幅和相位,尤其当我们使用两个载波(一个同相,而另一个正交)时。当处理多电平ASK,PSK或QAM(见下一个节)时,星座图很有用。在星座图中,一个信号元素用一个点表示。它携带的位或者位组合一般写在它的旁边。

  星座图有两根轴。水平X轴与同相载波相关,垂直Y轴与正交载波相关。图中每个点,可以包含4条信息。点在X轴的投影定义了同相成分的峰值振幅,点在Y轴的投影定义了正交成分的峰值振幅。点到原点的连线(向量)长度是该信号元素的峰值振幅(X成分和Y成分的组合),连线和X轴之间的角度是信号元素的相位。所有需要的信息都可以从星座图中轻易得到。

  1、对于ASK,我们只需要同相载波。因此,两个点应该在X轴上。二进制0有0V的振幅,二进制1有比如1V的振幅。这两个点位于原点和单位1处。

  2、BPSK也只使用同相载波。但是,我们使用极性NRZ信号用于调制。它产生两种类型的信号元素,一种振幅是1,另一种振幅是-1.换句话说,BPSK创建两个不同的信号元素,一个振幅为1并同相;另一个振幅为1并有180度相移。

  3、QPSK使用两种载波:一个同相而另一种正交。表示11的点由两个组合信号元素组成,两个都是1V的振幅,一个元素由同相载波表示,另一个元素由正交载波表示。发送这个2位数据的元素的最后信号元素的振幅都是2,相位都是45度。其它三个点类似。所有信号元素的振幅都有2,但是它们的相位不同(45度,135度,-135度和-45度)。当然,可以选择载波振幅1代替1V振幅。

  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

  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。

  正交幅度调制(QAM,Quadrature Amplitude Modulation)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度(π/2)的正弦波,因此被称作正交载波。这种调制方式因此而得名。

  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。具体关系如下图所示,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。

  模拟信号的相位调制和数字信号的PSK可以被认为是幅度不变、仅有相位变化的特殊的正交幅度调制。由此,模拟信号频率调制和数字信号FSK也可以被认为是QAM的特例,因为它们本质上就是相位调制。

  I-Q的调变信号可由同相载波和90度相移的载波相加合成,在电上下直接牵涉到载波相位的改变,所以比较好实现。其次,通常I-Q图上只有几个固定点,简单的数字电就足以腾任编码的工作。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,利用同样的调变器,便可得到不同的调变结果。

  I-Q解调变换的过程也很容易,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变器的反向而已。从硬件的开点而言,调变器和解调器的方块图上,没有会因为I-Q值的不同(不同的I-Q调变技术)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。

  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

  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。下图显示I和Q的关系。

  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,信号被分为两,一给I,另一给Q,每一一次给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。

  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。

  文章标签:星座图ASKBPSKQPSK个人分类:通信原理想对作者说点什么?我来说一句星座图映射

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