正交振幅調(diào)制

1、通信原理及系統(tǒng)課程設(shè)計報告通信原理課程設(shè)計報告 二一三 二一四 學(xué)年第 一 學(xué)期學(xué) 號 姓 名 班 級 電子工程系目 錄第一章 緒 論411 QAM簡介4第二章 正交振幅調(diào)制521 MQAM信號的星座圖52. 2 QAM的調(diào)制解調(diào)原理6第三章 16QAM調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)實現(xiàn)與仿真63.1 16QAM 調(diào)制模塊的模型建立與仿真73.1.1 串并轉(zhuǎn)換模塊73.1.2 2/4電平轉(zhuǎn)換模塊93.1.3 其余模塊與調(diào)制部分的結(jié)果103.2 16QAM解調(diào)模塊的模型建立與仿真113.2.1 相干解調(diào)113.2.2 4/2電平判決與毛刺消除仿真電路113.2.3 并串轉(zhuǎn)換與最終解調(diào)結(jié)果對比13第四章 仿真結(jié)果分

2、析及總結(jié)154.1 仿真結(jié)果分析154.2 總結(jié)15 第一章 緒論1.1 QAM簡介 隨著現(xiàn)代通信技術(shù)的發(fā)展，特別是移動通信技術(shù)高速發(fā)展，頻帶利用率問題越來越被人們關(guān)注。在頻譜資源非常有限的今天，傳統(tǒng)通信系統(tǒng)的容量已經(jīng)不能滿足當前用戶的要求。正交幅度調(diào)制QAM(Quadrature Amplitude Modulation)以其高頻譜利用率、高功率譜密度等優(yōu)勢，成為寬帶無線接入和無線視頻通信的重要技術(shù)方案。正交振幅調(diào)制QAM(Quadrature Amplitude Modulation)是一種頻譜利用率很高的調(diào)制方式，其在中、大容量數(shù)字微波通信系統(tǒng)、有線電視網(wǎng)絡(luò)高速數(shù)據(jù)傳

3、輸、衛(wèi)星通信系統(tǒng)等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。在移動通信中，隨著微蜂窩和微微蜂窩的出現(xiàn)，使得信道傳輸特性發(fā)生了很大變化。作為國際上移動通信技術(shù)專家十分重視的一種信號調(diào)制方式之一，正交振幅調(diào)制（QAM）在移動通信中頻譜利用率一直是人們關(guān)注的焦點之一。正交振幅鍵控是將兩種調(diào)幅信號（2ask和2psk）匯合到一個信道的方法，因此會雙倍擴展有效帶寬。正交調(diào)幅被用于脈沖調(diào)幅，特別是在無線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。 正交調(diào)幅信號有兩個相同頻率的載波，但是相位相差90度（四分之一周期，來自積分術(shù)語）。一個信號叫I信號，另一個信號叫Q信號。從數(shù)學(xué)角度將一個信號可以表示成正弦，另一個表示成余弦。兩種被調(diào)制的載波在發(fā)射時已被混和。到達目

4、的地后，載波被分離，數(shù)據(jù)被分別提取然后和原始調(diào)制信息相混和。QAM是用兩路獨立的基帶信號對兩個相互正交的同頻載波進行抑制載波雙邊帶調(diào)幅，利用這種已調(diào)信號的頻譜在同一帶寬內(nèi)的正交性，實現(xiàn)兩路并行的數(shù)字信息的傳輸。該調(diào)制方式通常有二進制QAM（4QAM）、四進制QAM（l6QAM）、八進制QAM（64QAM）、，對應(yīng)的空間信號矢量端點分布圖稱為星座圖，分別有4、16、64、個矢量端點。電平數(shù)m和信號狀態(tài)M之間的關(guān)系是對于4QAM，當兩路信號幅度相等時，其產(chǎn)生、解調(diào)、性能及相位矢量均與4PSK相同。正交振幅調(diào)制QAM(Quadrature Amplitude Modulation)是一種頻譜利用率很

5、高的調(diào)制方式，其在中、大容量數(shù)字微波通信系統(tǒng)、有線電視網(wǎng)絡(luò)高速數(shù)據(jù)傳輸、衛(wèi)星通信系統(tǒng)等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。第二章 正交振幅調(diào)制2.1MQAM信號的星座圖 正交振幅調(diào)制（QAM）是一種矢量調(diào)制，它是將輸入比特先映射（一般采用格雷碼）到一個復(fù)平面（星座）上，形成復(fù)數(shù)調(diào)制符號。正交調(diào)幅信號有兩個相同頻率的載波，但是相位相差90度（四分之一周期，來自積分術(shù)語）。一個信號叫I信號，另一個信號叫Q信號。從數(shù)學(xué)角度將一個信號可以表示成正弦，另一個表示成余弦。兩種被調(diào)制的載波在發(fā)射時已被混和。到達目的地后，載波被分離，數(shù)據(jù)被分別提取然后和原始調(diào)制信息相和。 這樣與之作幅度調(diào)制（AM）相比，其頻譜利用

6、率高出一倍。    QAM是用兩路獨立的基帶信號對兩個相互正交的同頻載波進行抑制載波雙邊帶調(diào)幅，利用這種已調(diào)信號的頻譜在同一帶寬內(nèi)的正交性，實現(xiàn)兩路并行的數(shù)字信息的傳輸。該調(diào)制方式通常有二進制QAM（4QAM）、四進制QAM（l6QAM）、八進制QAM（64QAM）、，對應(yīng)的空間信號矢量端點分布圖稱為星座圖，分別有4、16、64、個矢量端點。目前QAM最高已達到1024QAM。樣點數(shù)目越多，其傳輸效率越高。但并不是樣點數(shù)目越多越好，隨著樣點數(shù)目的增加，QAM系統(tǒng)的誤碼率會逐漸增大，所以在對可靠性要求較高的環(huán)境，不能使用較多樣點數(shù)目的QAM。對于4QAM，當兩路信號

7、幅度相等時，其產(chǎn)生、解調(diào)、性能及相位矢量均與4PSK相同。MQAM信號表示式可寫成 其中，Ai和Bi是振幅，表示為 其中，i,j=1,2,，L，當L=1時，是4QAM信號；當L=2時，是16QAM信號；當L=4時，是64QAM信號。選擇正交的基本信號為 在信號空間中MQAM信號點 (i,j=1,2,L) MQAM的星座圖是一種矩形的MQAM星座圖。 MQAM信號星座圖為了說明MQAM比MPSK具有更好的抗干擾能力，圖2.1.2示出了16PSK和16QAM的星座圖，這兩個星座圖表示的信號最大功率相等，相鄰信號點的距離d1，d2分別為： 2DPSK 16QAM 結(jié)果表明，d2>d1，大約超過

8、1.64dB。合理地比較兩星座圖的最小空間距離應(yīng)該是以平均功率相等為條件。可以證明，在平均功率相等條件下，16QAM的相鄰信號距離超過16PSK約4.19dB。星座圖中，兩個信號點距離越大，在噪聲干擾使信號圖模糊的情況下，要求分開兩個可能信號點越容易辦到。因此16QAM方式抗噪聲干擾能力優(yōu)于16PSK。MQAM的星座圖除正方形外，還有圓形、三角形、矩形、六角形等。星座圖的形式不同，信號點在空間距離也不同，誤碼性能也不同。MQAM和MPSK在相同信號點數(shù)時，功率譜相同，帶寬均為基帶信號帶寬的2倍。16QAM即16進制正交振幅調(diào)制，它是一種振幅/相位聯(lián)合鍵控（APK)體制。16QAM的產(chǎn)生有2種方

9、法： （1） 正交調(diào)幅法，它是有 2 路正交的四電平振幅鍵控信號疊加而成； （2） 復(fù)合相移法：它是用2路獨立的四相位移相鍵控信號疊加而成。16QAM信號的振幅和相位作為兩個獨立的參量同時受到調(diào)制。故這種信號序列的第k個碼元可以表示為： Sk(t)=Akcos(w0t+k) kT<t(k+1)T (1-1)式中，k=整數(shù)；Ak和k分別可以取多個離散值。式(1-1)可以展開為： Sk(t)=Akcoskcosw0t-Aksinksinw0t (1-2)令 Xk=Akcosk (1-3) Yk=-Aksink (1-4)將式(1-3)和式(1-4)代入式(1-2)得： Sk(t)=Xkcos

10、w0t+Yksinw0t (1-5)由上式可見，16QAM信號可以由兩路獨立的正交4ASK信號疊加而成，因此， 這里采用正交調(diào)幅法。 正交幅度調(diào)制是利用多進制振幅鍵控（MASK）和正交載波調(diào)制相結(jié)合產(chǎn)生的。2. 2 QAM的調(diào)制解調(diào)原理MQAM的調(diào)制解調(diào)框圖如圖2.2.1所示。在發(fā)送端調(diào)制器中串/并變換使得信息速率為Rb的輸入二進制信號分成兩個速率為Rb/2的二進制信號，2/L電平轉(zhuǎn)換將每個速率為Rb/2的二進制信號變?yōu)樗俾蕿镽b/（2lbL）的電平信號，然后分別與兩個正交載波相乘，再相加后即得MQAM信號。在接收端解調(diào)器中可以采用正交的相干解調(diào)方法。接受到的信號分兩路進入兩個正交的載波的相干

11、解調(diào)器，再分別進入判決器形成L進制信號并輸出二進制信號，最后經(jīng)并/串變換后得到基帶信號。 MQAM調(diào)制 MQAM的解調(diào)圖2.2.1 MQAM調(diào)制解調(diào)框圖 第三章 16QAM調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)實現(xiàn)與仿真根據(jù)第二章的16QAM調(diào)制解調(diào)原理的講解，畫出16QAM的調(diào)制解調(diào)框圖如下所示： 圖3.1 16QAM的調(diào)制解調(diào)框 圖3.2 16QAM調(diào)制解調(diào)電路框圖3.1 16QAM 調(diào)制模塊的模型建立與仿真通過對圖3.1中16QAM調(diào)制原理框圖的分析，16QAM一個碼元所攜帶的信息為即4bit，是一般基帶數(shù)字調(diào)制（QPSK）碼元攜帶信息量的2倍。而且16QAM調(diào)制是由兩路相互獨立的信號進行調(diào)制，一個16QAM碼元

12、寬度是基礎(chǔ)信號的2倍。以下我將對系統(tǒng)仿真框圖中的各模塊進行簡單的介紹：3.1.1 串并轉(zhuǎn)換模塊信號源通過串并變換，將原來的一路信源信號變成兩路信號，分別為上支路信號和下支路信號，獨立地進行調(diào)制和解調(diào)。串并變換的規(guī)則是根據(jù)序列編號的奇偶行，將編號為奇的碼元編成一路信號，將編號為偶的碼元編成一路信號。經(jīng)過串并轉(zhuǎn)換后，并行輸出的每一路碼元傳輸速率降為原來的一半即Rb/2.     輸入d：-1 1 -1 1 1 1 -1 -1    

13、0;上支路d_NRZ1：-1 -1 1 -1     下支路d_NRZ2：1 1 1 -1 串/并轉(zhuǎn)換實現(xiàn)的功能是將碼元速率為10b/s的二進制基帶碼元序列分成兩路，其中一路信號可通過直接用采樣頻率為5HZ的采樣器對該二進制基帶碼元序列進行采樣獲得。要獲得另外一路信號，需要先將該二進制基帶碼元序列延時一個碼元周期，再用采樣頻率為5HZ的采樣器采樣。為了使這兩路信號在時間上同步，還需要將第一路信號也延時一個碼元周期。這樣就將原二進制基帶碼元序列分成兩路速率相同的二電平信號。具體電路圖如下

14、： 圖3.3 串/并轉(zhuǎn)換模塊電路圖 （1）采樣器的采樣速率為5，采樣點時間寬度為0，采樣時間偏差0. （2）采樣延遲的延遲點數(shù)為1. 圖3.4 串并轉(zhuǎn)換各路信號圖由圖可以得出經(jīng)串并轉(zhuǎn)換之后，并行輸出的每一路碼元傳輸速率降為了原來的一半，這也正是實際中所要求的。3.1.2 2/4電平轉(zhuǎn)換模塊對于2/4電平的轉(zhuǎn)換，其實是將輸入信號的4種狀態(tài)（00,01,10,11）經(jīng)過編碼以后變?yōu)橄鄳?yīng)的4電平信號。這里我們選擇的映射關(guān)系如下表所示： 映射前數(shù)據(jù) 電平/V 00 -3 01 -1 10 1 11 3表31 2/4電平映射關(guān)系表 根據(jù)以上映射關(guān)系，我們可以很容易的找出它們之間的一個數(shù)學(xué)關(guān)系。這里輸入信

15、號為兩路二進制信號，假設(shè)它們是ab，則在a=1時讓它輸出一個幅度為2的信號，當a=0時輸出幅度為-2的信號。同理當b=1是讓它輸出一個幅度為1的信號，當b=0時輸出幅度為-1的信號。如此一來便可以得到下面的結(jié)果： 當ab=00時 輸出： y=-2 + -1=-3； ab=01時 y=-2 + 1=-1； ab=10時 y=2 + -1 =1； ab=11時 y=2 + 1 =3； 由上所示我們可以得出：再設(shè)計2/4電平轉(zhuǎn)換模塊的時候，我們需要先將輸入信號再次進行串并轉(zhuǎn)換，每路信號做一個簡單的判決，再用一個相加模塊便可。實現(xiàn)2/4電平的轉(zhuǎn)換功能。具體電路如下所示： 圖3.5 2/4 電平轉(zhuǎn)換模塊

16、 （1） 因為是再一次的串并轉(zhuǎn)換，采樣器的采樣速率為2.5, 采樣點時間寬度為0，采樣時間偏差0.（2） 采樣延遲的延遲點數(shù)為1. (3) 對于59，其input0為61提供，61為正弦函數(shù)，設(shè)定頻率和相位為0，幅度為2，取cos輸出接至59input0。另一個input1由60提供，幅值為-2。59的控制端為并行輸出的第一路，也就是原理中的a。(4)對62與59設(shè)置相似，但是其input0和1分別由提供-1和1的正弦信源提供。我們假設(shè)57和58輸出為11，那么根據(jù)電路中的邏輯關(guān)系，得到的就是59輸出-2，62輸出-1，經(jīng)過65的相加器，其輸出就是-3.這樣就完成了24電平轉(zhuǎn)換。 圖3.6 2

17、/4電平轉(zhuǎn)換模塊各點波形 由圖可見，完成了2-4電平的轉(zhuǎn)換。3.1.3 其余模塊 除以上所述的兩個子系統(tǒng)外，調(diào)制階段還包括正余弦信號發(fā)生器、加法器、乘法器、頻譜示波器和離散時間信號發(fā)散圖示波器等。 圖3.7 16QAM調(diào)制波形3.2 16QAM解調(diào)模塊的模型建立與仿真16QAM解調(diào)原理框圖如圖3.8所示，解調(diào)器實現(xiàn)的核心在于4/2電平判決模塊及并串轉(zhuǎn)換模塊。在本次仿真中，載波恢復(fù)輸出的同頻同相波是直接由調(diào)制模塊中的載波提供的。 圖3.8 解調(diào)部分總電路3.2.1 低通濾波器參數(shù)設(shè)計如下所示： 圖3.9 低通濾波參數(shù)設(shè)計3.2.2 4/2電平判決由于前面采用的是模擬低通濾波器，所以在4/2電平判

18、決之前得到的是一個模擬的4電平信號。之后要想得到2電平的數(shù)字信號，需經(jīng)一系列的抽樣、量化和編碼。這里我們再次使用子系統(tǒng)這一概念，假設(shè)上述模塊輸入為x，輸出分別為為y、z1、z2，則它完成的功能是： 這樣兩路二進制信號經(jīng)并串轉(zhuǎn)換后，便完成了以下映射關(guān)系，也最終實現(xiàn)了4/2電平的轉(zhuǎn)換。 映射前數(shù)據(jù) 電平/V -3 00 -1 01 1 10 3 11 表3-2 4/2電平映射關(guān)系表42電平判決子系統(tǒng)如下圖所示：圖 3.10 4/2電平轉(zhuǎn)換模塊1、 對于電平判決，我們可以將四電平分成兩級，第一級為門限值為0V的一級。這一級將四電平分為正值和負值，正值時兩位二進制輸出的第一位為1，負值時兩位二進制輸出

19、第一位為0。第二級分成兩個部分，第一個部分判決門限為2V，在第一級輸出為1的前提下，如果第二級大于2V時輸出第二位為1，小于2V時輸出第二位為0；同樣在第一級輸出為0的前提下，如果第二級大于-2V時輸出第二位為1，小于-2V時輸出第二位為0。該部分的功能是有電路中97,5,99實現(xiàn)的。2、 101是完成對第二級輸出的組合。由于第二級輸出的二進制由5和99產(chǎn)生，所以必須在第一級確定的情況下對第二級輸出進行選擇。101實現(xiàn)的就是這個功能。101的輸入控制端由97提供，也就是第一級輸出的二進制控制。在第一級輸出為1時，我們控制5的結(jié)果輸出即可，所以101的input0與5輸出端相連，input1與9

20、9輸出端相連。從而完成了第二路（就是并行數(shù)據(jù)第二路）的數(shù)據(jù)輸出。3.2.3 并串轉(zhuǎn)換 并串轉(zhuǎn)換是串并轉(zhuǎn)換的逆過程，并串轉(zhuǎn)換的目的是將兩路四電平信號合成一路四電平信號，從而還原出原基帶序列。具體方法是：用一個脈沖寬度為其周期的一半的脈沖串分別與這兩路四電平信號相乘進行采樣，并將第二路信號延時一個脈沖寬度。然后將這兩路信號相加，再經(jīng)過采樣保持即恢復(fù)原基帶序列。具體電路圖如下： 3.11 并串轉(zhuǎn)換電路(1) 采樣脈沖串的幅度為1V， 頻率為分別為2.5Hz和5Hz（因為前面經(jīng)過兩次 串并轉(zhuǎn)換變?yōu)樗碾娖叫盘?，所以當要?jīng)過并串變換時，也要經(jīng)過兩次）(2) 延遲器的延遲時間分別為0.2s和0.1s。(3) 采樣器的采樣速率為分別為5Hz和10Hz，采樣點