16QAM與16PSK性能對比分析研究

黎 鵬，王 涌，丁洪偉，余鵬飛，楊俊東，李志毅

16QAM與16PSK性能對比分析研究

黎 鵬1，王 涌2，丁洪偉1，余鵬飛1，楊俊東1，李志毅1

（1.云南大學(xué) 信息學(xué)院，昆明 650091；2.云南省廣播電視局 科技處，昆明 650031）

在通信理論中，數(shù)字調(diào)制相比模擬調(diào)制方式具備許多優(yōu)點(diǎn)，但都以增加信號(hào)帶寬為代價(jià)。帶寬作為有限資源，為提高利用率，就必須改進(jìn)調(diào)制技術(shù)，引入多進(jìn)制調(diào)制。文中研究了目前主流的兩種多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制方式16PSK和16QAM，從多個(gè)角度對比分析兩種調(diào)制方式的性能并得出結(jié)論，16QAM具有更加廣泛的應(yīng)用。

16PSK調(diào)制；16QAM調(diào)制；仿真；分析

與二進(jìn)制相比，在信息速率相同的條件下，多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制可以增大碼元寬度，降低碼元速率，增加每個(gè)碼元的能量，提高傳輸?shù)目煽啃裕⒛軠p小碼間串?dāng)_影響。多進(jìn)制傳輸?shù)男畔⑺俾适嵌M(jìn)制的lb M倍（在實(shí)際應(yīng)用中，通常取M=2k，k為大于1的正整數(shù)），但其信號(hào)功率需求增加，實(shí)現(xiàn)也更加復(fù)雜。本文著重就目前兩種主流的多進(jìn)制調(diào)制技術(shù)16PSK和16QAM的原理、誤碼率、眼圖、頻譜等四個(gè)方面分析其性能。

1 調(diào)制原理

多進(jìn)制相位鍵控MPSK是利用載波的相位變化來傳遞信息的調(diào)制方式。16PSK作為高階PSK信號(hào)的典型，［1］設(shè)載波為cos（w0t），其時(shí)域表達(dá)式為：

式中：ai為同相分量；bi為正交分量。

16QAM調(diào)制是一種振幅、相位聯(lián)合調(diào)制體制，振幅和相位作為兩個(gè)獨(dú)立的參量同時(shí)受到調(diào)制，其一般表達(dá)式為：

式中：Xn=Ancosφn；Yn=Ansinφn；An為第n個(gè)碼元的幅度。

理論上，不同相位差的載波越多，可以表征的數(shù)字輸入信息越多，頻帶的壓縮能力越強(qiáng)，可以減小由于信道特性引起的碼間串?dāng)_的影響，從而提高數(shù)字通信的有效性。但在多相調(diào)制時(shí)，相位取值數(shù)增大，信號(hào)之間的相位差也就減小，傳輸?shù)目煽啃詫㈦S之降低。16PSK和16QAM的相位都分別對應(yīng)0000，0001，0010，0011，0100，0101，0110，0111，1000，1001，1010，1011，1100，1101，1110，1111等16種信息比特，如圖1所示，給出了16QAM的相位星座圖［2］，包含16種相位信息，相位構(gòu)成一個(gè)正方形。而16PSK也包含16種相位信息，相位構(gòu)成一個(gè)圓，每個(gè)相位信息位于圓周上，將圓16等分，相鄰輸出相位的夾角是22.5°（限于篇幅，此處圖略）。各種多相制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的誤比特性能與星座圖中各點(diǎn)之間的距離有直接關(guān)系，比較16PSK與16QAM相位星座圖，可發(fā)現(xiàn)16QAM信號(hào)相鄰兩個(gè)信號(hào)的最小歐式距離大于16PSK，距離大的信號(hào)易于識(shí)別，所以M＞4時(shí)，MQAM信號(hào)的抗噪聲能力優(yōu)于MPSK，常被用于在頻帶受限的信道中傳輸信息。

圖1 16QAM星座圖

在通信的過程中，信道特性的不同直接影響信號(hào)的接收和解調(diào)效果。這種影響不僅對信號(hào)的幅度造成衰減，同時(shí)導(dǎo)致信號(hào)波形產(chǎn)生畸變，從而發(fā)生誤碼。經(jīng)過高斯白噪聲信道（SNR=15 dB）后，16QAM的星座圖如圖2所示。

圖2 高斯白噪聲16QAM星座圖

從圖2可明顯看出，AWGN信道對調(diào)制信號(hào)存在嚴(yán)重干擾。類似，受AWGN信道干擾的16PSK接收信號(hào)的星座圖也會(huì)產(chǎn)生明顯的噪聲，圖像由原來的非常清晰，變得抖動(dòng)非常厲害。

2 眼圖

眼圖分析是一種數(shù)字信號(hào)基帶傳輸受擾測度研究方法，可通過眼圖對基帶信號(hào)的受擾程度進(jìn)行表征。圖3是在Matlab下完成的16QAM眼圖仿真。

圖3 16QAM眼圖

“眼睛”的張開程度可以作為基帶傳輸系統(tǒng)性能的一種度量，眼圖張開部分的寬度決定了接收波形可以不受串?dāng)_影響而抽樣、再生的時(shí)間間隔。顯然，抽樣的最佳時(shí)刻是“眼睛”張開最大的時(shí)刻；“眼睛”在特定抽樣時(shí)刻的張開高度決定了系統(tǒng)的噪聲容限；“眼睛”的閉合斜率決定了系統(tǒng)對抽樣定時(shí)誤差的敏感程度，斜率越大則對定時(shí)誤差越敏感。在圖中可以看出，在無噪聲時(shí)，16QAM信號(hào)的眼圖較清晰，“眼睛”張開較大，性能良好，而16PSK信號(hào)的眼圖外觀與16QAM的外觀類似，只是圖像非常密集，說明16QAM系統(tǒng)具備更大的噪聲容限。當(dāng)加入噪聲Eb/No=15 dB后，這一趨勢更加明顯，16PSK的眼圖已經(jīng)完全閉合，16QAM還有較好的噪聲容限，說明16QAM信號(hào)的眼圖性能優(yōu)于16PSK。

3 誤碼率

誤碼率是衡量通信系統(tǒng)的重要指標(biāo)［3］，下面分別討論：

1）PSK誤碼率計(jì)算公式

用Matlab繪制2PSK、4PSK、8PSK、16PSK、32PSK誤碼率曲線如圖4所示。由圖4可以看出，當(dāng)M＞4時(shí)，不同PSK的SNR所付出的代價(jià)，例如PM=10－5時(shí)，M=4與M=8之間的比特SNR相差為4 dB，而M=8與M=16之間的比特SNR相差近似為5 dB；當(dāng)信噪比一定時(shí)，例如為8時(shí)，M= 4與M=8之間的符號(hào)誤碼率相差約為200倍?？梢婋S著進(jìn)制數(shù)的增加，信號(hào)傳輸速率增加了，但隨之而來的卻是抗噪聲性能的急劇下降。相同信噪比情況下進(jìn)制數(shù)越高，誤碼率越大，即性能越差，但是信息傳輸效率越高。

在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)當(dāng)在信息傳輸速率和抗噪聲性能之間折中選擇。若信道比較理想，例如光纖通信時(shí)，由于干擾非常小，此時(shí)便可選擇大M值；但若是干擾比較多，如在大城市里，則應(yīng)選用較小的M值。

圖4 MPSK誤碼率對比

圖5 16PSK與16QAM誤碼率對比

2）16PSK、16QAM誤碼率對比

用Matlab繪制16PSK、16QAM的誤碼率圖形如圖5所示，可以看出，16QAM以及16PSK兩種調(diào)制方式隨著信噪比的增加誤碼率降低，而且16QAM的誤碼率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于16PSK，例如SNR=12 dB時(shí)，16QAM的誤碼率為10－4數(shù)量級(jí)，而16PSK誤碼率為10－2數(shù)量級(jí)。當(dāng)信噪比一定時(shí)，16QAM的誤碼率遠(yuǎn)比16PSK小，這與前面所說的16QAM歐式距離較大一致，證明了16QAM誤碼性能優(yōu)于16PSK。

4 頻譜

根據(jù)PSK功率譜密度計(jì)算公式［4］：

所得的16PSK頻譜圖形如圖6所示。經(jīng)過多次仿真，發(fā)現(xiàn)M元PSK頻譜圖形非常接近，差別不大，且信號(hào)功率譜形狀與ASK類似，但沒有載頻上的離散譜線，主瓣寬度較窄，旁瓣下降快，對鄰近信道干擾小，適合窄帶信道傳輸。這意味著與ASK相比，16PSK具有更好的功率效率。

圖6 16PSK功率譜

16QAM和16PSK信號(hào)的頻譜圖形類似，兩者的頻譜利用率相同，均為η=1/2lb M。

5 結(jié)束語

16PSK與16QAM都是典型的多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制方式，兩者相比，16QAM的信號(hào)幅度和相位都可以攜帶信息，具有較高的頻帶利用率，誤碼率較低，抗干擾性強(qiáng)，能很好地適應(yīng)現(xiàn)代移動(dòng)通信窄帶傳輸?shù)囊螅苓m合在頻率資源緊張的信道中傳輸。使用16QAM的載波一般都工作在高的C/N值，使得其他載波更易受同頻道和交調(diào)噪聲的影響，并且，16QAM的HPA非線性比標(biāo)準(zhǔn)的16PSK載波更敏感。因此，16QAM調(diào)制技術(shù)是一種優(yōu)秀的調(diào)制技術(shù)，在大容量數(shù)字通信中有廣闊的應(yīng)用前景。

［1］柯熙政，陳丹，答盼.16PSK系統(tǒng)仿真及誤碼率性能分析［J］.激光雜志，2010（1）：41－43.

［2］常力，楊育紅，曲保章，等.16QAM通信系統(tǒng)的Matlab仿真實(shí)現(xiàn)［J］.通信技術(shù)，2003（11）：40－42.

［3］王士林.現(xiàn)代數(shù)字調(diào)制技術(shù)［M］.北京：人民郵電出版社，1987：83－103.

［4］樊昌信.通信原理教程［M］.2版.北京：人民郵電出版社，2008：119－161.

Analysis of the Com parative Study on the Performance of the 16QAM and the 16PSK

LIPeng1，WANG Yong2，DING Hongwei1，YU Pengfei1，YANG Jundong1，LIZhiyi1
（1.School of Information，Yunnan University，Kunming 650091，China；2.Department of Science and Technology，Radio and Television Bureau of Yunnan Province，Kunming 650031，China）

In communication theory，compared with the analogmodulation，digitalmodulation although hasmany advantages，but lots of them are increasing at the expense of the signal bandwidth.But the bandwidth is limited resource，wemustneedmodulation technology to improve the utilization rate of bandwidth，and introduce the M－arymodulation.This paper discusses two kinds ofM－ary digitalmodulation，16PSK and 16QAM at present themainstream，by analysising of two kinds ofmodulations performances from many aspects.The conclusion is that the 16QAM hasmore extensive application.

16PSK modulation；16QAM modulation；simulation；analysis

TN919.72；TP393.1

A

10.3969/j.issn.1672－4550.2014.04.013

2013－09－29

黎 鵬（1981－），男，研究生，實(shí)驗(yàn)師，研究方向：通信與信息系統(tǒng)。