通信原理中星座圖詳解

星座圖(constellation diagram)有助於定義信號元素的振幅和相位,尤其當我們使用兩個載波(一個同相,而另一個正交)時。當處理多電平ASK,PSK或QAM(見下一個節)時,星座圖很有用。在星座圖中,一個信號元素用一個點表示。它攜帶的位或者位組合一般寫在它的旁邊。

星座圖有兩根軸。水平X軸與同相載波相關,垂直Y軸與正交載波相關。圖中每個點,可以包含4條信息。點在X軸的投影定義了同相成分的峯值振幅,點在Y軸的投影定義了正交成分的峯值振幅。點到原點的連線(向量)長度是該信號元素的峯值振幅(X成分和Y成分的組合),連線和X軸之間的角度是信號元素的相位。所有需要的信息都可以從星座圖中輕易得到。

舉例,希望起到拋磚引玉的作用!

1、對於ASK,我們只需要同相載波。因此,兩個點應該在X軸上。二進制0有0V的振幅,二進制1有比如1V的振幅。這兩個點位於原點和單位1處。

2、BPSK也只使用同相載波。但是,我們使用極性NRZ信號用於調製。它產生兩種類型的信號元素,一種振幅是1,另一種振幅是-1.換句話說,BPSK創建兩個不同的信號元素,一個振幅爲1並同相;另一個振幅爲1並有180度相移。

3、QPSK使用兩種載波:一個同相而另一種正交。表示11的點由兩個組合信號元素組成,兩個都是1V的振幅,一個元素由同相載波表示,另一個元素由正交載波表示。發送這個2位數據的元素的最後信號元素的振幅都是2,相位都是45度。其它三個點類似。所有信號元素的振幅都有2,但是它們的相位不同(45度,135度,-135度和-45度)。當然,可以選擇載波振幅1代替1V振幅。

以下爲摘錄:

QAM調製實際上是幅度調製和相位調製的組合。相位 + 幅度狀態定義了一個數字或數字的組合。QAM的優點是具有更大的符號率,從而可獲得更高的系統效率。通常由符號率確定佔用帶寬

一個信號有三個特性隨時間變化:幅度、相位或頻率。然而,相位和頻率僅僅是從不同的角度去觀察或測量同一信號的變化。人們可以同時進行幅度和相位的調製,也可以分開進行調製,但是這既難於產生更難於檢測。但是在特製的系統中信號可以分解爲一組相對獨立的分量:同相(I)和正交(Q)分量。這兩個分量是正交的,且互不相干的。

  正交幅度調製(QAM,Quadrature Amplitude Modulation)是一種在兩個正交載波上進行幅度調製的調製方式。這兩個載波通常是相位差爲90度(π/2)的正弦波,因此被稱作正交載波。這種調製方式因此而得名。

  圖1中的QAM調製器中I和Q信號來自一個信號源,幅度和頻率都相同,唯一不同的是Q信號的相位與I信號相差90o。具體關係如下圖所示,當I的幅度爲1的時候,Q的幅度爲0,而當I的幅度爲0的時候,Q的幅度爲1,兩個信號互不相干,相位相差90o,是正交的。

模擬信號的相位調製和數字信號的PSK可以被認爲是幅度不變、僅有相位變化的特殊的正交幅度調製。由此,模擬信號頻率調製和數字信號FSK也可以被認爲是QAM的特例,因爲它們本質上就是相位調製。

  I-Q的調變信號可由同相載波和90度相移的載波相加合成,在電路上下直接牽涉到載波相位的改變,所以比較好實現。其次,通常I-Q圖上只有幾個固定點,簡單的數字電路就足以騰任編碼的工作。而且不同調變技術的差異只在於I-Q圖上點的分佈不同而已,所以只要改變I-Q編碼器,利用同樣的調變器,便可得到不同的調變結果。

  I-Q解調變換的過程也很容易,只要取得和發射機相同的載波信號,解調器的方塊圖基本上只是調變器的反向而已。從硬件的開點而言,調變器和解調器的方塊圖上,沒有會因爲I-Q值的不同(不同的I-Q調變技術)而必須改變的部份,所以這兩個方塊圖可以應用在所有的I-Q調變技術中。

 

 

附:QAM解調各點波形

 

星座圖:

  極座標圖是觀察幅度和相位的最好方法,載波是頻率和相位的基準,信號表示爲對載波

  的關係。信號可以以幅度和相位表示爲極座標的形式。相位是對基準信號而言的,基準信號

  一般是載波,幅度爲絕對值或相對值。

在數字通信中,通常以I、Q表示,極座標中I軸在相位基準上,而Q軸則旋轉90度。矢量信號在I軸上的投影爲I分量,在Q軸上的投影爲Q分量。下圖顯示I和Q的關係。

QAM調製實際上是幅度調製和相位調製的組合。相位 + 幅度狀態定義了一個數字或數字的組合。QAM的優點是具有更大的符號率,從而可獲得更高的系統效率。通常由符號率確定佔用帶寬。因此每個符號的比特(基本信息單位)越多,效率就越高。對於給定的系統,所需要的符號數爲2n,這裏n是每個符號的比特數。對於16QAM,n = 4,因此有16個符號,每個符號代表4 bit:0000, 0001,0010等。對於64QAM,n = 6,因此有64個符號,每個符號代表6bit:000000,000001,000010等。

  以上就是QAM調製的基本原理。經過信道編碼的二進制的MPEG-2比特流進入QAM調製器,信號被分爲兩路,一路給I,另一路給Q,每一路一次給3比特的數據,這3比特的二進制數一共有8種不同的狀態,分別對應8種不同的電平幅度,這樣I有8個不同幅度的電平,Q有8個不同幅度的電平,而且I和Q兩路信號正交。這樣任意一個I的幅度和任意一個Q的幅度組合都會在極座標圖上映射一個相應的星座點,這樣每個星座點代表由6個比特的數據組成的一個映射,I和Q一共有8×8共64種組合狀態,各種可能出現過的數據狀態組合最後映射到星座圖上爲圖5所顯示的64QAM星座圖。

 每一個星座點對應一個一定幅度和相位的模擬信號,這個模擬信號再被上變頻到射頻信號發射出去。這裏再順便說明一下模擬調製和數字調製的區別:模擬調製和數字調製之間的差別在於調製參數。在這兩種方案中,改變的是載波信號的幅度、頻率或相位(或是它們的組合)。在模擬調製中載波參數按連續的模擬信息信號改變,而在數字調製中,參數(幅度、頻率或相位)按離散的數字信息改變。


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