16QAM与16PSK性能对比分析研究

黎 鹏，王 涌，丁洪伟，余鹏飞，杨俊东，李志毅

16QAM与16PSK性能对比分析研究

黎 鹏1，王 涌2，丁洪伟1，余鹏飞1，杨俊东1，李志毅1

（1.云南大学 信息学院，昆明 650091；2.云南省广播电视局 科技处，昆明 650031）

在通信理论中，数字调制相比模拟调制方式具备许多优点，但都以增加信号带宽为代价。带宽作为有限资源，为提高利用率，就必须改进调制技术，引入多进制调制。文中研究了目前主流的两种多进制数字调制方式16PSK和16QAM，从多个角度对比分析两种调制方式的性能并得出结论，16QAM具有更加广泛的应用。

16PSK调制；16QAM调制；仿真；分析

与二进制相比，在信息速率相同的条件下，多进制数字调制可以增大码元宽度，降低码元速率，增加每个码元的能量，提高传输的可靠性，并能减小码间串扰影响。多进制传输的信息速率是二进制的lb M倍（在实际应用中，通常取M=2k，k为大于1的正整数），但其信号功率需求增加，实现也更加复杂。本文着重就目前两种主流的多进制调制技术16PSK和16QAM的原理、误码率、眼图、频谱等四个方面分析其性能。

1 调制原理

多进制相位键控MPSK是利用载波的相位变化来传递信息的调制方式。16PSK作为高阶PSK信号的典型，［1］设载波为cos（w0t），其时域表达式为：

式中：ai为同相分量；bi为正交分量。

16QAM调制是一种振幅、相位联合调制体制，振幅和相位作为两个独立的参量同时受到调制，其一般表达式为：

式中：Xn=Ancosφn；Yn=Ansinφn；An为第n个码元的幅度。

理论上，不同相位差的载波越多，可以表征的数字输入信息越多，频带的压缩能力越强，可以减小由于信道特性引起的码间串扰的影响，从而提高数字通信的有效性。但在多相调制时，相位取值数增大，信号之间的相位差也就减小，传输的可靠性将随之降低。16PSK和16QAM的相位都分别对应0000，0001，0010，0011，0100，0101，0110，0111，1000，1001，1010，1011，1100，1101，1110，1111等16种信息比特，如图1所示，给出了16QAM的相位星座图［2］，包含16种相位信息，相位构成一个正方形。而16PSK也包含16种相位信息，相位构成一个圆，每个相位信息位于圆周上，将圆16等分，相邻输出相位的夹角是22.5°（限于篇幅，此处图略）。各种多相制数字调制系统的误比特性能与星座图中各点之间的距离有直接关系，比较16PSK与16QAM相位星座图，可发现16QAM信号相邻两个信号的最小欧式距离大于16PSK，距离大的信号易于识别，所以M＞4时，MQAM信号的抗噪声能力优于MPSK，常被用于在频带受限的信道中传输信息。

图1 16QAM星座图

在通信的过程中，信道特性的不同直接影响信号的接收和解调效果。这种影响不仅对信号的幅度造成衰减，同时导致信号波形产生畸变，从而发生误码。经过高斯白噪声信道（SNR=15 dB）后，16QAM的星座图如图2所示。

图2 高斯白噪声16QAM星座图

从图2可明显看出，AWGN信道对调制信号存在严重干扰。类似，受AWGN信道干扰的16PSK接收信号的星座图也会产生明显的噪声，图像由原来的非常清晰，变得抖动非常厉害。

2 眼图

眼图分析是一种数字信号基带传输受扰测度研究方法，可通过眼图对基带信号的受扰程度进行表征。图3是在Matlab下完成的16QAM眼图仿真。

图3 16QAM眼图

“眼睛”的张开程度可以作为基带传输系统性能的一种度量，眼图张开部分的宽度决定了接收波形可以不受串扰影响而抽样、再生的时间间隔。显然，抽样的最佳时刻是“眼睛”张开最大的时刻；“眼睛”在特定抽样时刻的张开高度决定了系统的噪声容限；“眼睛”的闭合斜率决定了系统对抽样定时误差的敏感程度，斜率越大则对定时误差越敏感。在图中可以看出，在无噪声时，16QAM信号的眼图较清晰，“眼睛”张开较大，性能良好，而16PSK信号的眼图外观与16QAM的外观类似，只是图像非常密集，说明16QAM系统具备更大的噪声容限。当加入噪声Eb/No=15 dB后，这一趋势更加明显，16PSK的眼图已经完全闭合，16QAM还有较好的噪声容限，说明16QAM信号的眼图性能优于16PSK。

3 误码率

误码率是衡量通信系统的重要指标［3］，下面分别讨论：

1）PSK误码率计算公式

用Matlab绘制2PSK、4PSK、8PSK、16PSK、32PSK误码率曲线如图4所示。由图4可以看出，当M＞4时，不同PSK的SNR所付出的代价，例如PM=10－5时，M=4与M=8之间的比特SNR相差为4 dB，而M=8与M=16之间的比特SNR相差近似为5 dB；当信噪比一定时，例如为8时，M= 4与M=8之间的符号误码率相差约为200倍。可见随着进制数的增加，信号传输速率增加了，但随之而来的却是抗噪声性能的急剧下降。相同信噪比情况下进制数越高，误码率越大，即性能越差，但是信息传输效率越高。

在实际应用中，应当在信息传输速率和抗噪声性能之间折中选择。若信道比较理想，例如光纤通信时，由于干扰非常小，此时便可选择大M值；但若是干扰比较多，如在大城市里，则应选用较小的M值。

图4 MPSK误码率对比

图5 16PSK与16QAM误码率对比

2）16PSK、16QAM误码率对比

用Matlab绘制16PSK、16QAM的误码率图形如图5所示，可以看出，16QAM以及16PSK两种调制方式随着信噪比的增加误码率降低，而且16QAM的误码率远远低于16PSK，例如SNR=12 dB时，16QAM的误码率为10－4数量级，而16PSK误码率为10－2数量级。当信噪比一定时，16QAM的误码率远比16PSK小，这与前面所说的16QAM欧式距离较大一致，证明了16QAM误码性能优于16PSK。

4 频谱

根据PSK功率谱密度计算公式［4］：

所得的16PSK频谱图形如图6所示。经过多次仿真，发现M元PSK频谱图形非常接近，差别不大，且信号功率谱形状与ASK类似，但没有载频上的离散谱线，主瓣宽度较窄，旁瓣下降快，对邻近信道干扰小，适合窄带信道传输。这意味着与ASK相比，16PSK具有更好的功率效率。

图6 16PSK功率谱

16QAM和16PSK信号的频谱图形类似，两者的频谱利用率相同，均为η=1/2lb M。

5 结束语

16PSK与16QAM都是典型的多进制数字调制方式，两者相比，16QAM的信号幅度和相位都可以携带信息，具有较高的频带利用率，误码率较低，抗干扰性强，能很好地适应现代移动通信窄带传输的要求，很适合在频率资源紧张的信道中传输。使用16QAM的载波一般都工作在高的C/N值，使得其他载波更易受同频道和交调噪声的影响，并且，16QAM的HPA非线性比标准的16PSK载波更敏感。因此，16QAM调制技术是一种优秀的调制技术，在大容量数字通信中有广阔的应用前景。

［1］柯熙政，陈丹，答盼.16PSK系统仿真及误码率性能分析［J］.激光杂志，2010（1）：41－43.

［2］常力，杨育红，曲保章，等.16QAM通信系统的Matlab仿真实现［J］.通信技术，2003（11）：40－42.

［3］王士林.现代数字调制技术［M］.北京：人民邮电出版社，1987：83－103.

［4］樊昌信.通信原理教程［M］.2版.北京：人民邮电出版社，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 鹏（1981－），男，研究生，实验师，研究方向：通信与信息系统。