4QAM的系统仿真与性能分析Word文件下载.docx

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一是通过提高该调制系统的信息传输速率，二是降低已调信号所占用的频带宽度。

正交振幅调制技术（QAM）随着近几年的发展，已具有极高的信息传输速率。

2正交振幅调制

数字调制具有3种基本方式：

数字振幅调制、数字频率调制、数字相位调制，这3种数字调制方式都存在不足之处，如：

频谱利用率低、抗多径抗衰弱能力差、功率谱衰减慢、带外辐射严重等。

为了改善这些不足，近几十年来人们不断提出一些新的数字调制解调技术，以适应各种通信系统的要求。

其主要研究内容围绕着减小信号带宽以提高信号频谱利用率；

提高功率利用率以增强抗噪声性能；

适应各种随参信道以增强抗多径抗衰落能力等。

例如，在恒参信道中，正交振幅调制（QAM）方式具有高的频谱利用率，因此正交振幅调制（QAM）在卫星通信和有线电视网络高速数据传输等领域得到广泛应用。

所谓正交振幅调制是用两个独立的基带波形对两个互相正交的同频载波进行抑制载波的双边带调制。

在这种调制中，已调载波的振幅和相位都随两个独立的基带信号变化。

QAM是一种振幅和相位联合键控，相位键控的带宽和功率占用方面都具有优势，即带宽占用小和比特信噪比要求低。

采用多进制正交振幅调制，可记为MQAM（M>

2）。

增大M可提高频率利用率，也即提高传输有效性。

下面介绍MQAM的基本原理。

2.1MQAM信号的星座图

星座图表示着信号矢量端点的分布图。

通常，可以QAM信号的信号空间分布状态情况由星座图来进行描述。

对于M=16的16QAM来说，图2.1.1给出了具有代表意义的信号星座图，信号点的分布成方型，故称为方型16QAM星座，也称为标准型16QAM。

因为它是其他QAM调制的基础，且有着极其广泛的应用。

图2.1.1方型16QAM星座图

MQAM信号表示式可写成

式（2.1.1）

其中，Ai和Bi是振幅，表示为

式（2.1.2）

其中，i，j=1，2，…，L，当L=1时，是4QAM信号；

当L=2时，是16QAM信号；

当L=4时，是64QAM信号。

选择正交的基本信号为

式（2.1.3）

在信号空间中MQAM信号点

（i，j=1，2，…，L）式（2.1.4）

图2.1.2是MQAM的星座图，这是一种矩形的MQAM星座图。

图2.1.2MQAM信号星座图

M=4，16，32，．．．256时，MQAM星座图如图2.1.2所示。

其中，M=32，128时星座图的形状为十字形，而M=4，16，64，256时星座图为矩形。

前者M为2的奇次方幂，也就是说每个符号携带的比特信息为奇数。

后者M为2的偶次方幂，即每个符号携带的比特信息为偶数个。

为了说明MQAM比MPSK具有更好的抗干扰能力，图2.1.3示出了16PSK和16QAM的星座图，这两个星座图表示的信号最大功率相等，相邻信号点的距离d1，d2分别为：

2DPSK

16QAM

结果表明，d2>

d1，大约超过1.64dB。

合理地比较两星座图的最小空间距离应该是以平均功率相等为条件。

可以证明，在平均功率相等条件下，16QAM的相邻信号距离超过16PSK约4.19dB。

星座图中，两个信号点距离越大，在噪声干扰使信号图模糊的情况下，要求分开两个可能信号点越容易办到。

因此16QAM抗噪声干扰能力优于16PSK。

图2.1.316QAM和16PSK的星座图

2.2QAM的调制解调原理

正交振幅调制（QAM）就是用两个相互独立的数字基带信号对相互正交且频率相同的两路载波信号进行双边带调制，因为这种已调信号在同一带宽内频谱正交，所以可用来实现同相和正交相两路并行的数字信息传输。

QAM信号的产生方法主要有两种，一种是正交调幅法，另一种方法是复合相移法。

QAM信号调制原理结构图如图2.2.1所示。

图中，输入的二进制码流经过串/并变换器输出两路并行码流序列，速率减为原来的一半，再分别经过2电平到L电平的变换，形成L电平的基带信号。

这里的L由调制系统所选的进制数所决定，该L电平的基带信号还要经过基带成形滤波器，主要是为了抑制已调信号的带外辐射，最终形成X（t）和Y（t），再分别和频率相同的同相载波以及正交相载波进行相乘运算。

将最后得到的两路信号相加就得到的已调制的QAM信号。

AmX（t）

coswtMQAM调制信号

sinwt

二进制码流

BmY（t）

图2.2.1QAM信号调制原理图

QAM信号解调原理结构图如图2.2.2所示。

QAM信号的解调通常采用正交相干解调法，解调端接收到的带有噪声的已调QAM信号作为输入，与本地恢复的两个相互正交的载波信号进行相乘运算后，再经过低通滤波也就是匹配滤波器，输出两路多电平基带信号X（t）和Y（t）。

多电平判决器对多电平基带信号进行判决和检测，再经L电平到2电平转换和并/串变换器最终输出二进制码流。

X（t）

QAM信号二进制

码流

Y（t）

图2.2.2QAM信号解调原理图

2.3QAM的误码率性能

矩形QAM信号星座最突出的优点就是容易产生PAM信号可直接加到两个正交载波相位上，此外它们还便于解调。

对于M＝

下的矩形信号星座图（k为偶数），QAM信号星座图与正交载波上的两个PAM信号是等价的，这两个信号中的每一个上都有

个信号点。

因为相位正交分量上的信号能被相干判决极好的分离，所以易于通过PAM的误码率确定QAM的误码率。

M进制QAM系统正确判决的概率是

式（2.3.1）

式中

是

进制PAM系统的误码率，该PAM系统具有等价QAM系统的每一个正交信号中的一半平均功率。

通过适当调整M进制PAM系统的误码率，可得

式（2.3.2）

其中

是每个符号的平均信噪比。

因此M进制QAM的误码率为

）

式（2.3.3）

可以注意到，当k为偶数时，这个结果对M＝

情形时精确的，而当k为奇数时，就找不到等价的

进制PAM系统。

如果使用最佳距离量度进行判决的最佳判决器，可以求出任意k

1误码率的严格上限

式（2.3.4）

是每比特的平均信噪比。

2.4QAM的改进方案

为了适应不同的需要，QAM有一些改进方案，如正交部分响应幅度调制（MQPR）、非线性正交振幅调制（NLA-QAM）、叠加式正交振幅调制（SQAM）等，还可以把QAM调制与信道编码技术结合起来设计，取得最优的可靠性和有效性，这种技术称为网格编码调制（TCM）。

1）MQPR调制

这是一种在多电平正交调制中，上下两支路的同相和正交基带信号都用部分响应信号（通常采用第Ⅰ类和第Ⅳ类部分响应）的调制方式。

QPR与QAM相比，在相同信息传输速率条件下，严格带宽受限的QPR优于QAM。

2）NLA-QAM调制

QAM信号在进行传输之前，还要进行功率放大，而高效的功率放大是非线性的功率放大器，故而需考虑非线性对QAM的特性没有明显的影响措施，这就是NLA-QAM调制。

NLA-QAM信号的产生方法与QAM不相同，但解调的方法与QAM完全一样。

3）SQAM调制

QAM调制信号在码元转换时刻有相位跳变的时刻，旁瓣分量比连续相位的调制信号要高。

要改善QAM的频谱特性，应改善其基带波形以平滑码元转换时的相位变化，SQAM就是从这个角度提出的。

SQAM的基本脉冲波形是由两个宽度为TB的升余弦波形与一个宽度为2TB的升余弦波形叠加而成。

采用正交调制方式时，在下支路要延时TB/2，并且上下两支路放大倍数相差60dB。

SQAM信号的功率谱与QAM相比，旁瓣分量得到有效地抑制。

3SYSTEMVIEW概述

3.1systemview简介

SystemView是Elanix公司推出的一个完整的动态系统设计、仿真和分析的可视化软件，主要用于通信系统的设计、仿真。

它运行于微软的Windows操作系统，能满足从数字信号处理、滤波器设计，到复杂的通信系统等不同层次的设计和仿真要求。

SystemView的主要功能分为：

（1）对系统建模。

（2）对所设计模型的系统进行动态仿真运行以及对仿真结果进行分析。

通过分析的结果，可以进一步完善系统的设计。

利用SystemView软件进行通信系统仿真设计，实现简单，不需要编程，不需要搭建复杂的硬件电路，只要通过鼠标从功能库中选择相关图符，并将它们拖到设计窗口中用线连线即可，而不需要采用分立元器件组成各个功能块后再级联成系统。

SystemView的人机界面主要有分析窗口和设计窗口。

其设计窗口用于系统的设计、构建，并可以与其他仿真工具接口。

分析窗口用于观察系统运行的结果和对该结果进行的各种复杂的计算、分析和处理。

通过设定系统定时窗口以及图符库的参数，运行系统后，可在分析窗口中显示信号，并对输入的信号进行频谱分析。

3.2systemview基本模块库介绍

信号源

伪随机序列PNseq

参数：

1.幅度2.频率3.电平数4.偏置5.相位

功能：

产生一个按设定速率，由不通过电平幅度脉冲组成的伪随机序列（PN）信号。

脉冲串PulseTrain

1.幅度2.频率（HZ）3.脉冲宽度（秒）4.偏置5.相位

产生具有设定幅度和频率的周期性脉冲串，脉宽由设置决定。

高斯噪声Gaussnoise

1.标准差或功率谱密度（W/Hz）2.均值

产生一个具有高斯分布的随机信号。

正弦波Sinusoid

1.幅度2.频率3.相位

产生一个正弦波。

算子库

采样器Sample

1.采样速率2.采样点时间宽度3.采样时间偏差

按设定的采样率采样，输出的结果是输入信号在采样宽度内的线性组合。

低通滤波器

将信号中的高频分量滤除。

延迟Delay

1.延迟类型2.延迟时间

选择内插与非内插延迟类型，y（t）=x（t-τ）。

保持器Hold

1.增益2.选择保持两采样点之间的最后一个值或零

用于采样或抽样后返回系统采样率。

增益Gain

1.单位选择2.增益

对输入信号进行放大。

逻辑库

模拟比较器AnaCmp

1.输出延时2.输出真假值

差分模拟比较器，带同相反相输出。

信号接收器库

分析Analysis

SystemView的基本信号接收器。

该接收器平时无显示，必须进入系统分析窗口才能观察和分析输出结果。

停止StopSink

当接收到的数据值大于或等于设定的门限值时即停止系统仿真。

在分析窗口可以观察到输出结果。

终值FinalValue

在每个系统循环结束时，显示该循环接收的最终值。

每个循环只保留一个样本，在分析窗口观察结果。

通信图符库

比特误码率BER

1.测试bit数2.门限3.时间偏置选择

估计信道的比特误码率。

作长时间仿真时，可配合循环选项及停止接收图符进行。

以及其他器件：

加法器Adder

实现多路信号的加法

乘法器Multiplier

实现多路信号的乘法

子系统Metasystem

它代表一个复杂的子系统，子函数或仿真的子过程的图符。

44QAM调制解调系统实现与仿真

前面两章简单介绍了QAM的调制解调和SYSTEMVIEW的工作原理，下面本文将用SYSTEMVIEW仿真软件实现4QAM调制、解调通信系统，并进行仿真。

由第二章MQAM的调制解调原理可以得出，4QAM的调制解调框图如下所示：

图4.14QAM的调制解调框图

由图4-1可以知道，4QAM的调制解调原理比较简单。

4QAM的仿真因为是二进制电平控制，可直接由PN伪随机序列器产生，这样就省去了2-L变换。

接下来，我们将通过调制与解调两大模块来介绍SYSTEMVIEW软件下4QAM的仿真结果，并且将对仿真结果作出分析并对系统进行一定的优化，从而获得较好的系统模型。

下图为本次仿真的系统总体电路图：

图4.24QAM调制解调电路仿真图

4.14QAM调制模块的模型建立与仿真

通过对图4-1中4QAM调制原理框图的分析，4QAM一个码元所携带的信息为

即2bit，相当于一般基带数字调制（QPSK）码元携带信息量。

4.1.1信号源部分

本次仿真在信号源部分采用了伪随机序列发生器，本系统对基带信号码元速率设定为1kbps。

下面为信号进行调制的电路框图：

图4.3调制单元电路框图

说明：

T0为伪随机序列发生器，可产生伪随机序列（PN）信号。

由码元速率为1kbps，可以得出伪随机序列的输出脉冲宽度也就是码元周期为0.001s。

T26为串并转换模块，将信源分成两路输出。

4.1.2串并转换模块

由于系统仿真总框图涉及模块较多，为不失美观同时又能显的浅显易懂特将串并转化作成一个单独子系统而嵌入总系统中。

在这里，为了进行波形的说明，系统时间设定的比较短，所以在观察波形的时候，比较容易进行分析，该子系统内部框图如下所示：

图4.4串并转换模块

由图可知，本子系统有一个输入端口（T27）和两个输出端口（T33、T34）。

系统首先将输入的伪随机序列同时送入两个采样保持的数据端端口。

一路信号经过采样保持后输出，一路信号先进行延迟再经过采样保持后输出。

实际运行中各路信号图形如下所示，图中从上往下依次是串行输入T5、并行输出1（T51）和并行输出2（T52）的波形。

图4.5串并变换前后信号波形对比

分析：

1）对于第一个信号，是串行信号，二进制信息为010*********…，对于第二个信号，是并行输出第一路，二进制信息为00001000011011011010…，对于第三个信号，是并行输出第二路，二进制信息为110110*********01100…，我们将并行输出第一路与第二路进行合并，即两路交叉合并（类似于两路变一路进行排队），可以得到合并后的信息010*********…，这与第一路的串行信息是对应的。

可见串并转换成功。

2）从得到的波形信息可以看出，并行信号的码元宽度是串行的两倍，这也是实际中所需要的。

当然，与实验电路中T53、T55设置也有关系，在采样的时候，将采样频率降低一倍，可以将输出的码元宽度提高一倍。

4.1.3其余模块与调制部分的结果

除以上所述的两部分外，调制阶段还包括正余弦信号发生器、加法器、乘法器、观察窗等。

在这里我们将载波频率定为1MHz，由于数字信源在经过串并转换后码元速率已经降为信源的1/2，为500bps所以载波信号发生器T8的参数设置如下所示：

经过载波调制后将同相和正交两路信号相加，就得到了4QAM调制信号。

波形如下图所示：

图4.6正交信号

图4.7局部放大后的正交信号

由图4-7可知，与载频为1M的正弦波相乘，结果依然为正弦波。

图4.8同相信号

图4.9局部放大后的同相信号

由图4-9可知，与载频为1M的余弦波相乘，结果依然为余弦波。

正交信号与同相信号相移相差π/2。

下图为加入高斯噪声之前和之后的信号对比：

图4.10调制后信号与加入高斯噪声后信号对比

这样根本看不清楚信号内部的变化，下面我将放大调制信号与加入高斯噪声的局部，图形如下图所示：

图4.11放大后的调制信号与放大后的高斯信号

可见加入高斯噪声之后，信号的幅度发生了干扰，但是整体上还是反映了一定的信号形状。

以下为加入均匀噪声前后的信号波形对比：

图4.12调制信号与加入均匀噪声后的信号波形对比

可见加入均匀噪声之后，信号的幅度几乎没有什么变化，整体上还是信号的原本形状，只是在边缘部分多了一些噪声毛刺。

将调制信号和加入均匀噪声局部放大后的波形为：

图4.13放大后的调制信号与放大后的均匀噪声信号

4.24QAM解调模块的模型建立与仿真

4QAM解调原理框图如图4-1所示，解调器实现的核心在于抽样判决模块及并串转换模块。

在本次仿真中，载波恢复所用的载频与载波调制所用的载频相同，为1MHz。

4.2.1相干解调

系统先前所得的4QAM调制信号通过高斯白噪声信道以后便可以解调了。

本系统所采用的解调原理为相干解调法，即已调信号与载波相乘，送入到低通滤波器，滤除高频信号。

其对应原理图中信号输入并与载波相乘后通过LPF的部分，输出送入到判决器判决，再经过并串变换得到4QAM解调信号。

在这里，低通滤波器的设计很重要，在Systemview中提供了一些滤波器，我们可以加以利用，但它的参数设定对后续判决产生误差有很大关系，所以要对该滤波器的参数设定要慎重。

在本实验中涉及的仿真滤波器均选择模拟低通滤波器。

这里对LPF的参数设定如下，而输出电路如图4-9所示。

下面为解调部分总电路和低通滤波器的参数值设置：

图4.14解调部分总电路

信号经过低通滤波器后的信号波形与串并变换后的信号波形对比，如下图所示：

第一路

第二路：

图4.15信号经串并变换与经过低通滤波器的信号对比

由上图可知，串并变换后的两路信号波形与经过低通滤波器的信号波形大体一致，只是多了一些噪声，说明载波恢复过程正确。

4.2.2抽样判决模块

在图4-9中，T16和T18是两个抽样判决子系统。

由于在信号的传输过程中有各种干扰（噪声和码间串扰），不同时刻的值跟原先实际的不一定相同，比如在第一个时刻抽样得到的是0.9（进行判决，可以发现此时的值很接近1，因此，此时的信号的值就当成1，从而得到1，同样在其它的时候得到不同的抽样值根据情况判断此处原来的值到底是0还是1），利用这种方式就可以将原来的基带信号恢复或者再生。

其功能就是去除噪声干扰和码间干扰。

该子系统内部框图如下所示：

图4.16抽样判决模块

经过低通滤波器输出的波形与进行抽样判决后的波形进行对比，如下图所示：

第一路：

图4.17抽样判决前后对比

由上图，可清晰地看出经过抽样判决可去除噪声干扰和码间干扰，将信号恢复。

4.2.3并串转换与最终解调结果对比

该电路中，第一个输入为并行数据的第一路输入，第二个为并行数据的第二路输入，分别经过时钟脉冲的判决。

第一路信号再经过一个延迟，与第二路信号相加。

再经过采样保持，得到的信号即为QAM解调信号。

下图为并串变换电路连接。

各个器件的参数设置如下：

图4.18并串变换电路

两路信号经过脉冲延时相加后的波形如下图所示：

图4.19两路信号相加后的波形

图4.20并串变换前后信号波形对比

并串变换即将最后的两路并行信号转换成串行信号。

上图中，从上到下依次是并行输出1（T17）、并行输出2（T19）和串行输入（T25）。

对于第一个信号T17，二进制信息为01101100010100100110…，对于第二个信号T19，二进制信息为00001000011011011010…，对于第三个信号T25，二进制信息为00101000111000000011…，我们将