正交幅度调制通信系统仿真设计.docx

1、正交幅度调制通信系统仿真设计课程设计报告题 目:正交幅度调制（QAM通信系统仿真设计学生姓名： 学生学号： 系 另 专 业： 届 别： 指导教师： 正交幅度调制 QAM 通信系统1 课程设计的任务(1)通过本次课程设计，理解 16QAM 调制原理，并仿真出 16QAM 调制波形以及 星座图。(2)对 16QAM 调制信号解调还原，并掌握 16QAM 解调原理。(3)对 16QAM 与 16PSK 性能进行分析比较。2 QAM 调制研究背景及应用领域2.1 QAM 调制研究背景 正交振幅调制具有高频谱利用率、高功率谱密度、带宽利用率高等优点。在现在通信中提高频谱利用率一直是人们关注的焦点。 近些

2、年来， 随着通信业务 的需求的不断增长，寻找频谱利用率高的数字调制方式已成为数字通信系统设 计、研究的主要目的之一。正交振幅调制就是一种频谱利用率很高的调制方式。 随着微蜂窝和微微蜂窝系统的出现， 使得信道传输特性发生很大的变化， 接收机 和发射机之间通常具有很强的支达分量， 以往在蜂窝系统中不能应用的但频谱利 用率很高的 WAM 已引起人们的注意， 许多学者已对 16QAM 及其它变形的 QAM 在 PCN 中的应用进行了深入的研究。QAM 是幅度、相位联合调制技术，它同时利用了载波的幅度和相位来传递 信息比特， 因此在最小距离相同的条件下， QAM 星座图可以容纳更多的星座点， 即实现更高

3、的频带利用率，目前 QAM 星座点最高已可达 256QAM 。2.2 QAM 调制应用领域 正交振幅调制在中、 大容量数字微波通信系统、 有线电视网络高速数据传输、 卫星通信系统等领域得到广泛应用。 在移动通信中， 随着微蜂窝和微微蜂窝的出 现，使得信道传输特性发生了很大的变化。 过去在传统的蜂窝系统中不能应用的 正交振幅调制也引起了人们的注意。 QAM 数字调制器作为 DVB 系统的前端设 备，接收来自编码器、复用器、 DVB 网关视频服务器等设备的 TS 流，进行 RS 编码、卷积编码和 QAM 数字调制，输出的射频信号可以直接在有线电视网上传 送，同时也可以根据需求选择中频输出。它以其灵

4、活地配置和优越的性能指标， 广泛地应用于数字有线电视传输领域和数字 MMDS 系统。QAM调制效率高，要求传送途径的信噪比高，适合有线电视电缆传输。在 美国，正交振幅调制常用在地面微波链路， 不用于国内卫星，欧洲的电缆数字电 视采用QAM调制，而加拿大的卫星采用正交幅度调制。3 QAM调制设计原理3.1 QAM调制原理正交振幅调制(QAM )是一种振幅和相位的联合键控。在 QAM体制中， 信号的振幅和相位作为两个独立的参量同时受到控制。这种信号的一个码元可以 表示为：y(t) = Amsin c Bmcos c 0 tvTs (3-1)上式是由两个正交的载波构成，每个载波被一组离散的振幅 Am

5、 、 Bm 所调制，故称这种调制方式为正交振幅调制。式中，Ts为码元宽度；m=1、2、3、 M，M为电平数。QAM中的振幅Am和Bm可以表示成：Am=dmA (3-2)Bm = em A (3-3)式中，A是固定振幅，(dm、em)由输入数确定。(dm、em)决定了已调QAM 信号在信号空间中的坐标点4。MQAM调制框图如下图1所示。在发送端调制器中串/并转换使得信号速率 为Rb的输入二进制信号分成两个速率为 Rb/2的二进制信号，然后由2-L电平转 换将每个Rb/2的二进制序列转换成 Rb/炯2M的L电平信号，经过预调制低通 滤波器，然后分别与两个正交载波相乘，这两路信号经过相加器便可得到

6、MQAM 信号3。图1调制原理框图3.2 QAM解调原理QAM解调可以用相干解调的方法来实现。其原理图如下图 2所示。已调信 号分别与两个正交载波相乘，分别经过低通滤波器恢复得到 L电平信号，经过 抽样判决后，可以恢复出原来两路为 Rb/2的二进制序列，然后经过并/串转换恢 复出原来的二进制序列。图2 QAM解调原理框图4 QAM调制仿真测试4.1Systemview仿真软件基本使用原理Sytemview是一个信号级的系统仿真软件，主要用于电路和通信系统的设计、仿真，是一个强有力的动态系统分析工具，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、仿真要求。 Sytemvie

7、w的库资源十分丰富，包括含若干图标的基本库(Main Library )及专业库(Optional Library), 基本库包括多种信号源、接收器、加法器、乘法器，各种函数运算器等；专业库 有通讯(Communication)、逻辑(Logic)、数字信号处理(DSP)、射频/模拟(RF/A nalog)等；它们适合现代通信系统的设计、仿真和方案论证。启动Systemview，系统设计窗口如下图3所示图3系统窗口打开系统窗口，根据原理图便可设计电路图，并通过系统窗口的图符库寻找 需要的所需图符，设计其参数，便可以做出电路图。4.2QAM调制解调仿真由图1、2可以知道16QAM的调制解调原理，

8、接下来我们将根据原理图设计 仿真系统的总电路图，如下图5所示。我们将通过调制和解调两大模块进行仿真, 并且对仿真结果进行分析。图4 16QAM调制解调总电路图4.3QAM调制仿真参数设置信号源参数设置：基带信号码元速率设为 Rb=*=8bit,载频设为fs=10Hz。（载频设的比较低，目的主要是降低仿真时系统的抽样频率，加快仿真时间。 ） 系统时间设置：为获得较好的仿真波形，系统的采样率不能低于系统信号的最高 频率的4倍，当米样率为系统信号最高频率的10倍以上，仿真几乎没有失真了本次仿真取5fs,即50Hz。采样点数设为1024。表1 MQAM系统参数设置表图符编号库/符名称参数0、4Sour

9、ce:PNS eqAmp=1v,offset=0v,Rate=8Hz,Level=4,Phase=0deg2、7Source:Si nu soidAmp=1v,Freq=10H z,Phase=0deg9、 11、 18、Operator:L in earBessel Lowpass IIR,6 Poles,Fc=10Hz19Sys4.4QAM调制部分说明这里省略了串并转换和2/4电平变换，因为，这里用了两组PN伪随机序列, 可以产生两路4电平序列。下图6是调制模块：图符0、4是伪随机信号（PN Seq）指定参数产生伪随机 信号，这里参数L=4,产生4进制电平序列，得到两路并行4进制序列，经过

10、低 通滤波器和与两路正交载波相乘，然后叠加成为 16QAM信号输出。图符13、14、15、16、17、19、20、21是分析接收器图形，可以在设计窗口显示波形和信息。这里省略了 2/4电平转换，因为伪随机信号产生的是4电平序 列，不需要再进行2/4电平转换了。图5调制模块对调制模块进行仿真，其仿真图如下所示:图6伪随机信号图7并行与载波相乘后调制信号图8输出的调制信号4.5QAM解调部分说明下图10是解调模块，本次仿真中载波恢复输出同频同相波是由调制模块中 载波提供的。解调器原理是相干解调法，即已调信号与载波相乘，送入低通滤波 器中。图9解调模块对解调模块进行仿真，其仿真图如下所示：图10并行

11、输出信号在分析窗口中，单击:按钮打开计算器窗口。选择 Style功能组，然后单击(Scatter Plot )按钮，在对话框右侧选择输出两路信号波形， 单后单击(0K按钮即可，得到如下图形。图11处理后的波形使图12窗口处于激活状态，然后单击工具栏的点图显示按钮完成了整个操 作，得到的该16QAM系统的星座图如下所示。吕沽 JD 町 5i.il IZ 嗣 rf：图12星座图4.6QAM调制测试与分析现在我们将16QAM与16PSK信号做一下比较。按最大振幅相等，设最大 振幅为Am，则16PSK相邻矢量的欧氏距离为(b) 16PSK 16QAM图13 16QAM与16PSK信号矢量图d1 氐 A

12、m i = 0.393Am 疋丿(4-1)而16QAM信号的相邻欧氏距离为:此距离代表者噪声容限的大小，所以d2和d1的比值代表这两种体制的噪声 容限之比。按上式计算d2超过d1约1.57倍，但是，这是在最大功率相等时比较 的，没有考虑这两种体制的平均功率差别。16PSK信号的平均功率（振幅）就等 于其最大功率（振幅）。而16QAM信号，在等概率的出现条件下，可以计算出 最大功率与平均功率之比等于 1.8倍，即2.55dB。因此，在平均功率相等的条 件下，16QAM比16PSK信号的噪声容限达4.12dB。MPSK信号星座图上信号间的最小的距离为：MQAM信号矩形星座图上信号星座图间最小距离为

13、:当M=4的时候，dMPSK二dMQAM，实际4PSK与4QAM的星座图是相同的当 M=16 的时候，d16QAM =0.47，而 d16psK =0.39 , d16psK =d16QAM，说明 16QAM 系统抗干扰能力优于16PSK。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。k对于M二2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 .M = 2k 2个信号PAM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 的误码率确定QAM的误码率。M进

14、制QAM系统正确判决的概率是2(4-5) Pm)式中P M是 M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(4-6):M -1 N0Pm =2(1 -二)Q(_3 . Eav)M(4-7)k可以注意到，当k为偶数时，这个结果对 M二2情形时精确的，而当k奇数时，就找不到等价的-M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Eavb.(M -1)Navb其中N0是每比特的平均信噪比。表2各调制方式的误码率调制方式误码率MASKPe = 1 rfc3 r

15、I M 丿 J M 1 /MFSK巳=(M -1 Jerfc(/F )MPSK(r 八巳 erfc w r sin iV 2M丿MQAM1 M -1 Pe iog2M i Jm 丿卫9 2厂 erfc 毛rUM -11 丿其中r为信噪比通过上表可以得到，在误码率相同时候， MQAM的信噪比最小，在相同信噪比时候，MQAM的误码率最小，可以看出 MQAM的性能最好。在MQAM调 制中，在相同信噪比的情况下，进制 M越大，误码率越大，即性能越差，但是 信息传输效率越高。5总结与体会5. 1总结本设计是基于Systemview的16 QAM调制与解调系统进行设计与仿真，得到 以下结论：(1)对16Q

16、AM调制解调系统基本原理进行了较为深入的了解与分析，并且根 据原理图构建Systemview的仿真模型。(2)较为熟悉的掌握 Systemview软件在通信系统中的设计与仿真的步骤与方 法。(3)通过观察星座图可以看出16QAM的频带利用率比较高，带宽占用比较小。(4)通过测试与比较16QAM比16PSK的抗噪声能力强，相比较16QAM的性 能比较优越。5.2体会这次课程设计让我学到好多东西，首先学会怎么运用 Systemview软件设计电路图，同时掌握了运用技巧；其次让我更理解 MQAM调制的原理以及其优越 性。课程设计是培养学生综合运用所学知识，发现、提出、分析和解决问题，锻 炼实践能力的

17、重要环节， 是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程。 通过课 程设计我能够系统的了解理论知识， 能把理论知识与具体实践相结合， 培养了我 们动手、动脑能力。通过课程设计也知道了， 我们平时所学的知识如果不加以实践的话等于纸上 谈兵。课程设计主要是我们理论知识的延伸， 它的目的主要是要在设计中发现问 题，并且自己要能找到解决问题的方案， 形成一种独立的意识。 我们还能从设计 中检验我们所学的理论知识到底有多少， 巩固我们已经学会的， 不断学习我们所 遗漏的新知识，把这门课学的扎实。参考文献1 樊昌信，曹丽娜 .通信原理 M .国防工业出版社 ,2011,8:238-241.2 Wayne To

18、masi.Advanced Electronic Communications SystemsM. 电子工业出 版社， 2004,6:87-90.3孙屹.Systemview通信仿真开发手册M.国防工业出版社，2004,11:267-270.4李建东，郭梯云，邬国扬.移动通信M.西安电子科技大学出版社， 2006,12:52-56.5曹志刚，钱亚声 . 现代通信原理 M . 清华大学出版社 ,1992,8:162-167.6周润景，张斐 . 数字信号处理的 Systemview 设计与分析 M .北京航空大学出版社， 2008:196-201.7李运兰，肖要强 . 信息与同信原理实验 J. 湖南大学出版社， 2011:278-282.8袁超伟，陈德荣，冯志勇.cdma蜂窝移动通信M.北京邮电大学出版 社,2003,7:134-147.9张辉，曹丽娜.现代通信技术原理与技术M.西安电子科技大学出版社，2002:156-162.10丁玉美，高西全 .数字信号处理 M .西安电子科技大学出版社 ,2003,1:235-243.指导教师评语成绩指导教师签字：评定年 月日答辩小组评语成绩评定答辩小组签字: