課題基于FPGA的16QAM調(diào)制解調(diào)

1、基于FPGA的16QAM調(diào)制解調(diào)目 錄摘 要3Abstract41.1 選題背景及研究的意義51.2 論文內(nèi)容及安排5第二章 正交振幅調(diào)制理論研究62.1 QAM調(diào)制原理62.2 QAM解調(diào)原理82.3 本章小結(jié)10第三章 16QAM調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)與仿真113.1 16QAM調(diào)制模塊模型建立113.1.1信號(hào)源113.1.2 串/并轉(zhuǎn)換113.1.3 2/4轉(zhuǎn)換133.1.4 其他模塊143.1.5 調(diào)制實(shí)現(xiàn)153.2 16QAM解調(diào)模塊模型建立173.2.1 相干解調(diào)173.2.2 4/2轉(zhuǎn)換183.2.3 并/串轉(zhuǎn)換193.2.4 其他模塊203.2.5 解調(diào)實(shí)現(xiàn)213.3 16QAM

2、系統(tǒng)Simulink模型建立223.4 本章小結(jié)23第四章 16QAM抗噪聲性能分析244.1 16QAM錯(cuò)誤概率計(jì)算244.2 16QAM抗噪聲性能仿真244.3 本章小結(jié)26第五章 總結(jié)與展望27致 謝28參考文獻(xiàn)29摘 要QAM（Quadrature Amplitude Modulation）調(diào)制是一種具有高頻譜利用率且能夠靈活地根據(jù)傳輸環(huán)境與傳輸信源的不同自適應(yīng)地調(diào)整其調(diào)制速率的調(diào)制技術(shù)，因此可以緩和目前通信傳輸技術(shù)中頻帶緊張狀況以及多速率綜合業(yè)務(wù)傳輸。目前QAM調(diào)制技術(shù)在移動(dòng)通信領(lǐng)域，數(shù)字電視廣播，因特網(wǎng)寬帶接入以及一些專門的軍事無(wú)線通信領(lǐng)域得到了廣泛地應(yīng)用。本文首先闡述了QAM調(diào)制

3、解調(diào)技術(shù)的基本原理及QAM信號(hào)產(chǎn)生和解調(diào)所需的關(guān)鍵步驟，然后利用Simulink仿真平臺(tái)對(duì)16QAM調(diào)制與解調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行建模仿真并且在加入高斯白噪聲信道的情況下得到了調(diào)制端與解調(diào)端的波形圖，星座圖與誤碼率，最后繪制出該仿真系統(tǒng)的誤碼率曲線。關(guān)鍵詞：16QAM 調(diào)制與解調(diào) 高斯白噪聲 星座圖 誤碼率AbstractQAM is a modulation technique of high spectral efficiency, the modulation rate of QAM can be adjusted adaptively according to the environment an

4、d the type of source. Because of these advantages, the current severe situation of band can be eased. Now, QAM technique applies in the field, such as mobile communications, digital television broadcasting, Internet as well as some specialized military fields of wireless communications.The theory an

5、d model of QAM modulation and demodulation are analyzed first in this paper. And then design 16QAM modulation and demodulation system by using Simulink. In the case of adding Gaussian white noise channel, the waveform diagram, constellation diagram and BER can be obtained. Finally, by drawing out th

6、e BER curves of the simulation system the correctness of the design results can be concluded.Keywords: 16QAM Modulation and Demodulation Gaussian white noise Constellation diagram BER 第一章 緒 論1.1 選題背景及研究的意義在當(dāng)代社會(huì)中信息交換日益頻繁，隨著通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展及它們的密切結(jié)合，通信能克服對(duì)空間和時(shí)間的限制，大量的、遠(yuǎn)距離的信息傳遞和存取已成為可能。通信技術(shù)正在向數(shù)字化、智能化、綜合化、寬

7、帶化、個(gè)人化方向迅速發(fā)展，各種新的電信業(yè)務(wù)也應(yīng)運(yùn)而生。在數(shù)字通信中，調(diào)制解調(diào)的三種基本方式是：振幅鍵控、頻移鍵控和相位鍵控，單這三種基本方式在實(shí)際應(yīng)用中都存在頻譜利用率不高，系統(tǒng)容量低等缺點(diǎn)。隨著現(xiàn)代通信系統(tǒng)的快速發(fā)展,人們已經(jīng)不滿足于傳統(tǒng)通信系統(tǒng)，因此如何在有限的頻率資源中提供高容量、高速率和高質(zhì)量的多媒體綜合業(yè)務(wù)是數(shù)字通信調(diào)制解調(diào)領(lǐng)域的一個(gè)令人關(guān)注的課題。在近些年的研究中，研究人員提出了不同的高頻譜利用率和高質(zhì)量的調(diào)制解調(diào)方案，其中QAM調(diào)制解調(diào)方案為：發(fā)送數(shù)據(jù)在編碼器內(nèi)被分為兩路信號(hào)，分別與一對(duì)正交調(diào)制分量相乘，求和后輸出，接收端與發(fā)送端的過(guò)程相反。由于QAM在通信中具有許多優(yōu)越性所以得

8、到了日益廣泛的應(yīng)用?，F(xiàn)在，QAM不僅僅在DVB標(biāo)準(zhǔn)、DAVIC標(biāo)準(zhǔn)、DOCSIS1.1標(biāo)準(zhǔn)等許多國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定為調(diào)制方法而且還成為帶寬接入技術(shù)ADSL、VADSL中規(guī)定的調(diào)制方法另外在移動(dòng)通信的應(yīng)用中W.T.Webb等人提出變速Q(mào)AM應(yīng)用于Rician信道的構(gòu)想和變速率QAM的方案，并進(jìn)行了研究證明了這種調(diào)制方式具有良好的性能1。由此可見(jiàn)，QAM在當(dāng)今的通信領(lǐng)域至關(guān)重要，因此對(duì)QAM進(jìn)行必要研究具有重要的理論和實(shí)踐意義。1.2 論文內(nèi)容及安排本文圍繞QAM調(diào)制與解調(diào)理論知識(shí)展開(kāi)，在對(duì)相關(guān)理論進(jìn)行深入了解后，通過(guò)Simulink對(duì)完成了16QAM的調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)仿真建模，具體章節(jié)安排如下：首先簡(jiǎn)要

9、介紹了課題研究意義并給出本文的章節(jié)安排，其次詳細(xì)分析了QAM的調(diào)制解調(diào)結(jié)構(gòu)與原理然后實(shí)現(xiàn)16QAM調(diào)制與解調(diào)模塊仿真，最后對(duì)16QAM抗噪聲性能進(jìn)行分析，第五章對(duì)全文進(jìn)行總結(jié)與展望。第二章 正交振幅調(diào)制理論研究2.1 QAM調(diào)制原理正交振幅調(diào)制QAM（Quadrature Amplitude Modulation）是一種屬于頻譜利用率很高的調(diào)制方式，是幅移鍵控和相移鍵控的合成。它是由兩個(gè)相互獨(dú)立的數(shù)字基帶信號(hào)組成，一路數(shù)字基帶信號(hào)調(diào)制載波余弦函數(shù)，稱為同相信號(hào)（I路信號(hào)），另外一路數(shù)字基帶信號(hào)調(diào)制載波正弦函數(shù)，稱為正交信號(hào)（Q路信號(hào)），兩路信號(hào)疊加起來(lái)形成QAM調(diào)制信號(hào)。二進(jìn)制字符在每個(gè)信道中

10、碼元持續(xù)的時(shí)間內(nèi)只有1比特信息量，若采用M進(jìn)制碼元字符，則在每個(gè)碼元時(shí)間內(nèi)可以傳輸比特，這樣在相同帶寬情況下使得的數(shù)據(jù)速率增加到倍。如圖2-1是QAM調(diào)制原理圖：I支路預(yù)調(diào)制LPF×電平轉(zhuǎn)換MQAM調(diào)制信號(hào)串/ 并轉(zhuǎn)換基帶數(shù)字碼流預(yù)調(diào)制LPF電平轉(zhuǎn)換Q支路× 圖2-1 QAM信號(hào)調(diào)制原理圖首先由信號(hào)源闡述一串基帶數(shù)字碼流后經(jīng)過(guò)串并轉(zhuǎn)換的到兩路并行支路后再經(jīng)過(guò)電平轉(zhuǎn)換，預(yù)調(diào)制后I支路乘上同相載波Q支路乘上正交載波后再相加就可以得到MAQAM調(diào)制信號(hào)。其過(guò)程可以用下面的式子來(lái)表示： （2-1） 其中是MQAM調(diào)制信號(hào)，整數(shù)，和可以取多個(gè)離散值。式（2-1）還可以由式（2-2）來(lái)

11、表示： （2-2） 令 （2-3）則式（2-1）變?yōu)椋?（2-4） QAM中的振幅和可以取多個(gè)離散值的變量。已調(diào)信號(hào)的星座圖坐標(biāo)點(diǎn)由、決定2。QAM調(diào)制信號(hào)的矢量端點(diǎn)在信號(hào)空間中的分布有很多種形式，通常把調(diào)制信號(hào)矢量端點(diǎn)在空間中的分布形式稱為調(diào)制星座圖，通常QAM的信號(hào)星座圖為方形如圖2-2。 圖2-2 方形16QAM星座圖M=4,16,32，.，256的星座圖如圖2-3所示。 圖2-3 MQAM星座圖QAM星座圖除了方型還有星型星座圖，如圖2-4和圖2-5分別是星型8QAM和星型16QAM。 圖2-4 8QAM星形星座圖 圖2-5 16QAM星形星座圖此處對(duì)16QAM星座圖的模式進(jìn)行說(shuō)明。1

12、6QAM星座圖通常有兩種模式，一是自然碼模式，二是格雷碼模式。采用格雷碼的好處在于相鄰相位所代表的兩位比特只有一位不同。由于因相位誤差造成判決至相鄰相位上的概率最大，所以這樣編碼可使總誤比特率降低2，所以在星座圖中都是用的格雷編碼。具體的編碼方案如表2-1所示3。 表2-1 16QAM編碼方案 輸入的兩個(gè)比特（） I路/Q路輸出 00 -3 01 -1 11 3 10 1 2.2 QAM解調(diào)原理QAM信號(hào)的解調(diào)其實(shí)就是調(diào)制的逆過(guò)程。通常采用的是正交相干解調(diào)的方法，解調(diào)接收端接收到帶有噪聲的已調(diào)QAM信號(hào)作為輸入，與本地的相互正交的載波相乘后，再經(jīng)過(guò)低通濾波器后輸出兩路信號(hào)后通過(guò)多電平判決器對(duì)多

13、電平信號(hào)進(jìn)行判決、檢測(cè)和并/串轉(zhuǎn)換器后最終輸出基帶數(shù)字碼流。該過(guò)程可以用式2-5表示。 在無(wú)失真信道環(huán)境下，將這兩路信號(hào)通過(guò)低通濾波器后濾除了高頻分量就得到了和。所以可以看出，最終得到的信號(hào)除了幅度減少一半以 外，傳輸?shù)幕鶐?shù)字信號(hào)無(wú)失真恢復(fù)出來(lái)了，就也就是說(shuō)完成了信號(hào)的傳輸。信號(hào)經(jīng)過(guò)低通濾波器后，濾掉高頻部分得到I,Q兩路電平數(shù)為L(zhǎng)的基帶信號(hào)，如式2-6： （2-6） 圖2-6是QAM解調(diào)的基本原理圖。L-2電平轉(zhuǎn)換多電平轉(zhuǎn)換LPF二進(jìn)制碼流MQAM調(diào)制信號(hào)載波恢復(fù)并串轉(zhuǎn)換定時(shí)恢復(fù)多電平轉(zhuǎn)換L-2電平轉(zhuǎn)換LPF 圖2-6 QAM解調(diào)原理圖解調(diào)端和調(diào)制端正好相反，首先是調(diào)制后的信號(hào)經(jīng)過(guò)載波恢復(fù)

14、后進(jìn)入低通濾波器在通過(guò)電平轉(zhuǎn)換盒并串轉(zhuǎn)換就可以恢復(fù)出原始的二進(jìn)制碼流。2.3 本章小結(jié)本章介紹了QAM的調(diào)制解調(diào)的基本原理并建立了QAM調(diào)制解調(diào)的基本框架，列舉出幾種典型的QAM方形星座圖和星型星座圖，為后續(xù)的仿真建模打下理論基礎(chǔ)。第三章 16QAM調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)與仿真通過(guò)前面章節(jié)的簡(jiǎn)單介紹，下文利用Simulink仿真軟件實(shí)現(xiàn)了16QAM調(diào)制與解調(diào)。由第二章可知在本實(shí)驗(yàn)仿真系統(tǒng)中，調(diào)制端包括信號(hào)源、串/并轉(zhuǎn)換子模塊、2/4轉(zhuǎn)換子模塊、離散時(shí)間信號(hào)發(fā)散圖示波器仿真模塊、載波調(diào)制模塊等。在解調(diào)端包括同相載波模塊和正交載波模塊、低通濾波器模塊、4/2轉(zhuǎn)換模塊、并/串模塊等。下面通過(guò)詳細(xì)的分析來(lái)

15、闡述各個(gè)模塊的功能。 3.1 16QAM調(diào)制模塊模型建立 3.1.1信號(hào)源本次仿真在信號(hào)源部分采用的是偽隨機(jī)序列發(fā)生器，由于系統(tǒng)要求基帶信號(hào)碼元速率為1kbps，則此序列發(fā)生器的基本參數(shù)設(shè)置如下表3-1： 發(fā)生器多項(xiàng)式 1 0 0 0 0 1 1 初始狀態(tài) 0 0 0 0 0 1 抽樣時(shí)間 1/1000 表 3-1 信號(hào)源模塊參數(shù) 3.1.2 串/并轉(zhuǎn)換在進(jìn)行復(fù)雜的Simulink仿真的時(shí)候，模型窗口上會(huì)擺放很多模塊，這會(huì)使模型圖變得很復(fù)雜，并難以閱讀，我們可以把多個(gè)模塊組合成一個(gè)模塊，從而簡(jiǎn)化模型圖，串并轉(zhuǎn)換的模型如圖3-2。本子系統(tǒng)有一個(gè)輸入端口和兩個(gè)輸出端口。系統(tǒng)首先將輸入的基帶碼序列分

16、為上下兩路，其中上一路先按整數(shù)因子2抽取，再將信號(hào)延遲一個(gè)采樣周期，這樣便得到了原隨機(jī)序列的奇數(shù)碼元。對(duì)于下一路則先進(jìn)行碼元延遲然后采樣便可得到原序列的偶數(shù)碼元，這樣串并轉(zhuǎn)換就完成了。 圖3-2 串/并轉(zhuǎn)換模塊實(shí)際運(yùn)行中各路信號(hào)圖形如圖3-3所示，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是原來(lái)碼元速率的一半，這也正是實(shí)際運(yùn)應(yīng)中所要求的。在這里串/并轉(zhuǎn)換中的某些模塊有延遲效果，使得信號(hào)源波形在同一時(shí)刻和上下支路的波形不是對(duì)應(yīng)的，但對(duì)后面各種性能的研究是不會(huì)造成影響的。 圖3-3 串/并轉(zhuǎn)換各路信號(hào)波形觀察波形可以得出： 輸入In1: 0 0 1 1 1 0 0 1 0 0 1

17、0 1 1 則Out1: 0 1 1 0 0 1 1 Out2: 0 1 0 1 0 0 13.1.3 2/4轉(zhuǎn)換2/4電平的轉(zhuǎn)換，其實(shí)是將輸入信號(hào)的4種狀態(tài)（00,01,10,11）經(jīng)過(guò)編碼以后變?yōu)橄鄳?yīng)的4電平信號(hào)。根據(jù)表2-1的映射關(guān)系，可以得到下面的數(shù)學(xué)關(guān)系。這里的輸入信號(hào)為兩路二進(jìn)制信號(hào)，假設(shè)上一路信號(hào)是A，下一路信號(hào)是B，則在A=1時(shí)讓它輸出幅度為2的信號(hào)，當(dāng)A=0時(shí)輸出幅度為-2的信號(hào)。同理當(dāng)B=1是讓它輸出幅度為1的信號(hào)，當(dāng)B=0時(shí)輸出幅度為-1的信號(hào)。如此一來(lái)便可以得到下面的結(jié)果： 當(dāng)AB=00時(shí) 輸出： AB=01時(shí) AB=10時(shí) AB=11時(shí) 由上面所述的數(shù)學(xué)關(guān)系可以出設(shè)計(jì)

18、2/4電平轉(zhuǎn)換模塊。先將2/4轉(zhuǎn)換的輸入信號(hào)再次進(jìn)行串/并轉(zhuǎn)換，分別得到A，B兩路信號(hào)，每路信號(hào)再由常數(shù)模塊，速率轉(zhuǎn)換器和選擇器做一個(gè)簡(jiǎn)單的判決，再用一個(gè)相加模塊便實(shí)現(xiàn)了2/4電平的轉(zhuǎn)換功能。 圖3-4 2/4轉(zhuǎn)換模塊實(shí)際運(yùn)行中各路信號(hào)圖形如3-5所示圖3-5 2/4轉(zhuǎn)換波形圖觀察波形可以發(fā)現(xiàn)：輸入In1：1 0 0 1 1 0 1 0 1 0 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 1 A路: 1 0 1 1 1 1 1 1 0 0 0 B路：0 1 0 0 0 1 1 1 0 0 1 輸出Out1：1 -1 1 1 1 3 3 3 -3 -3 -1通過(guò)比較各行波形可以發(fā)現(xiàn)這個(gè)模塊已經(jīng)實(shí)

19、現(xiàn)了2/4電平的轉(zhuǎn)換，此處4電平信號(hào)的碼元傳輸速率已降為原來(lái)基帶信號(hào)速率的1/4。 3.1.4 其他模塊除以上所述的子系統(tǒng)外，調(diào)制階段還包括離散時(shí)間信號(hào)發(fā)散圖示波器、加法器、乘法器、正余弦信號(hào)發(fā)生器等。離散時(shí)間信號(hào)發(fā)散圖示波器的仿真模塊如圖3-6。 圖 3-6 離散時(shí)間發(fā)散圖示波器的仿真模塊輸入1和輸入2分別是信號(hào)源串并轉(zhuǎn)換上支路的二四轉(zhuǎn)換輸出和信號(hào)源串并轉(zhuǎn)換下支路的二四轉(zhuǎn)換輸出，兩路輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為實(shí)部和虛部后通過(guò)脈沖發(fā)生器的抽樣與保持后輸入到示波器中就可以得到16QAM調(diào)制信號(hào)的星座圖。采樣脈沖參數(shù)設(shè)置如下表3-1。兩路調(diào)制載波函數(shù)的參數(shù)設(shè)置如下表3-2。 幅度11 偏移00 頻率 (rad

20、sec) 5000*2*pi5000*2*pi相位 (rad)pi/20 抽樣時(shí)間1/500001/50000 幅度 1 周期 10 脈沖寬度 5 相位延遲 0 抽樣時(shí)間 1/5000 表3-1 脈沖參數(shù)設(shè)置 表3-2 載波參數(shù)設(shè)置 3.1.5 調(diào)制實(shí)現(xiàn)將以上所示模塊、子系統(tǒng)按原理圖進(jìn)行連接，并且對(duì)各模塊參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)定，就可以實(shí)現(xiàn)16QAM調(diào)制功能，進(jìn)行仿真得到的調(diào)制輸出波形見(jiàn)圖3-7和星座圖見(jiàn)圖3-8。 圖3-7 調(diào)制波形圖 圖3-8 16QAM調(diào)制星座圖 觀察圖3-7可以發(fā)現(xiàn)四電平信號(hào)分別乘上同相載波和正交載波后的輸出波形是正確的。圖3-8所示的16QAM星座圖是由I路的四個(gè)電平和Q路

21、的四個(gè)電平組合所得到的16個(gè)點(diǎn)（1,1），（1，3），（3,1），（3,3），（-1,1），（-1，3），（-3,1），（-3,3），（-1，-1），（-1，-3），（-3，-1），（-3，-3），（1，-1），（1，-3），（3，-1），（3，-3）和理論值一樣。3.2 16QAM解調(diào)模塊模型建立 3.2.1 相干解調(diào)調(diào)制端得到的16QAM信號(hào)經(jīng)過(guò)加性高斯白噪聲信道后變成了含有噪聲的信號(hào)。將接收到的含有噪聲的16QAM信號(hào)采用相干解調(diào)的方法，即將16QAM信號(hào)與本地載波相乘，再分別進(jìn)入同相端和正交相端，此處的本地載波要和調(diào)制端的載波同頻同相，同相載波信號(hào)的函數(shù)為正交相載波信號(hào)的函數(shù)為，然后送

22、入到低通濾波器。低通濾波器是用來(lái)濾除信號(hào)中的高頻成分，其輸出對(duì)后續(xù)判決誤差有很大的影響，所以低通濾波器的設(shè)計(jì)在本仿真中很重要。在Simulink中提供了一些濾波器，在本文涉及的仿真中濾波器均選擇貝塞爾低通濾波器。這里對(duì)LPF的參數(shù)設(shè)定如下表3-3所示： 濾波器設(shè)計(jì)方法 貝塞爾 濾波器類型 低通 濾波器設(shè)置階數(shù) 8 通帶邊頻(rads/sec) 2500*2*pi 表3-3 濾波器參數(shù)設(shè)置 圖 3-9 經(jīng)過(guò)低通濾波器前后波形圖 實(shí)際運(yùn)行中同相端信號(hào)經(jīng)過(guò)低通濾波器后的輸出波形如圖3-9所示： 觀察波形圖可以發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)濾波器后的信號(hào)的高頻分量全部被濾除，同時(shí)幅度減為原來(lái)的一半，滿足濾波器的低通特性。

23、3.2.2 4/2轉(zhuǎn)換信號(hào)經(jīng)過(guò)的是模擬低通濾波器后，得到的是一個(gè)模擬的4電平信號(hào)。所以之后需經(jīng)一系列的抽樣、量化和編碼才可以得到2電平數(shù)字信號(hào)。經(jīng)過(guò)濾波器后的信號(hào)幅度減半所以仿真子系統(tǒng)首先對(duì)模擬信號(hào)做常數(shù)為2的增益得到4電平數(shù)字信號(hào)，因?yàn)檎`差的原因經(jīng)過(guò)增益后還要通過(guò)量化器得到標(biāo)準(zhǔn)的(-3，-1,1,3)四電平信號(hào)，然后再經(jīng)過(guò)采樣然將信號(hào)分為兩路，分別進(jìn)行量化、編碼和判決得到了上下兩路二進(jìn)制信號(hào)。4/2轉(zhuǎn)換的仿真模塊見(jiàn)圖3-10： 圖 3-10 4/2轉(zhuǎn)換模塊這里對(duì)于量化器參數(shù)的設(shè)置有以下數(shù)學(xué)關(guān)系。假設(shè)4/2轉(zhuǎn)換模塊輸入為，三個(gè)量化模塊輸出分別為、，則它完成的功能見(jiàn)表3-4： 量化器1 量化器2

24、 量化器3 -3 0 0 -1 0 1 1 1 0 3 1 1 表 3-4 各量化器的數(shù)學(xué)關(guān)系 根據(jù)上面三個(gè)表格我們可以設(shè)置出各個(gè)量化器的具體參數(shù)，見(jiàn)表3-5 表3-6 量化器的參數(shù)設(shè)置 量化器1 量化器2 量化器3 量化區(qū)間劃分 -2.0 0 2.0 -2.0 0 2.0 -2.0 0 2.0 量化碼本 -3 -1 1 3 0 0 1 1 0 1 0 1 實(shí)際運(yùn)行中經(jīng)過(guò)采樣，量化和編碼后的波形如圖3-11所示： 圖3-11 各量化器的輸出波形圖 觀察上圖可以發(fā)現(xiàn)： 采樣波形y：1 3 3 3 -3 -3 -1 -3 -3 3 -3 -1 -1 -3 量化波形z1：1 1 1 1 0 0 0

25、0 0 1 0 0 0 0 量化波形z2：0 1 1 1 0 0 1 0 0 1 0 1 1 0實(shí)際波形和理論值一樣。3.2.3 并/串轉(zhuǎn)換上下兩路經(jīng)過(guò)4/2電平轉(zhuǎn)換后還需要并串轉(zhuǎn)換便可以實(shí)現(xiàn)原始波形恢復(fù)。本系統(tǒng)中的并串轉(zhuǎn)換模塊是由一個(gè)脈沖序列發(fā)生器和一個(gè)選擇器構(gòu)成。其中，脈沖序列發(fā)生器是用來(lái)產(chǎn)生占空比為0.5的序列，而選擇器是用來(lái)決定在哪一個(gè)時(shí)候輸出哪一路信號(hào)。當(dāng)輸入脈沖序列為1時(shí)，選擇器輸出第一路信號(hào)；當(dāng)輸入脈沖序列為0時(shí)，選擇器輸出第二路信號(hào)。它的參數(shù)設(shè)置如下： 第一路輸入端口標(biāo)準(zhǔn): u2閾值 閾值: 0.5 這樣本次仿真經(jīng)并串轉(zhuǎn)換以后可以最終實(shí)現(xiàn)16QAM信號(hào)的解調(diào)如圖3-12。 圖3

26、-12 并串轉(zhuǎn)換輸出波形圖 觀察波形圖可以發(fā)現(xiàn)四二判決器輸出1：0 1 1 0 1 1 1 0 1 1 0 0 四二判決器輸出2：0 0 0 1 1 0 0 0 1 0 1 0 并串輸出信號(hào)：0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 1 0 1 0 0 0 1 1 1 0 0 1 0 0 3.2.4 其他模塊除以上各模塊之外，解調(diào)階段還用到了正余弦函數(shù)信號(hào)發(fā)生器、星座圖示波器、延遲模塊和誤碼率統(tǒng)計(jì)等模塊。解調(diào)端的正余弦信號(hào)發(fā)生器、星座圖子模塊的設(shè)計(jì)與參數(shù)和調(diào)制端的一樣，在此不做過(guò)多介紹。在本系統(tǒng)仿真中由于某些模塊的延遲影響使得最終解調(diào)出的波形和信號(hào)輸入端的波形有時(shí)間上的延誤所以在誤碼率統(tǒng)計(jì)模塊前

27、面加上一個(gè)延遲模塊，誤碼率參數(shù)設(shè)置中的計(jì)算延遲設(shè)置為2。還可以通過(guò)改變信噪比的大小來(lái)改變接收端星座點(diǎn)的偏差的大小，下面圖3-13，3-14，3-15，3-16分別顯示的是信道信噪比SNR為-5dB、1dB、5dB、10dB時(shí)的16QAM信號(hào)星座圖。 圖3-13 SNR為-5dB接收端星座圖 圖3-14 SNR為1dB接收端星座圖 圖3-15 SNR為5dB接收端星座 圖3-16 SNR為10dB接收端星座圖由于傳輸信道上噪聲的存在，接收端散布圖與理想的星座點(diǎn)有一定的偏差，通過(guò)仿真圖可以清楚的看到星座圖收斂地比較好。觀察上面幾幅圖可以得出結(jié)論：隨著信噪比的增大，接收端星座點(diǎn)的收斂性越來(lái)越好。 3

28、.2.5 解調(diào)實(shí)現(xiàn)將以上所示的模塊、子系統(tǒng)按原理圖進(jìn)行連接，并且對(duì)各模塊參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)定，就可以實(shí)現(xiàn)16QAM解調(diào)功能，進(jìn)行仿真得到解調(diào)端的輸出波形，下面圖3-17是原始信號(hào)輸入波形和16QAM解調(diào)波形。 圖 3-17 原始波形和解調(diào)后的波形圖 信號(hào)源碼流：0 0 0 0 1 0 0 0 1 1 0 0 1 0 1 0 0解調(diào)端輸出碼流：0 0 0 0 1 0 0 0 1 1 0 0 1 0 1 0 0通過(guò)觀察兩路波形可以發(fā)現(xiàn)原始信號(hào)源波形和解調(diào)出的波形完全一致，所以該系統(tǒng)仿真是正確的。3.3 16QAM系統(tǒng)Simulink模型建立根據(jù)上面的分析可以利用Simulink平臺(tái)搭建出16QAM調(diào)

29、制解調(diào)系統(tǒng)如圖3-18。該系統(tǒng)包括了基帶信號(hào)發(fā)生器，串/并模塊，模塊1，載波調(diào)制模塊，高斯白噪聲信道，模塊2，誤碼率計(jì)算器等。信號(hào)有信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生后有串/并轉(zhuǎn)換模塊將串支路分為兩路并支路在經(jīng)過(guò)模塊1，輸出后乘上載波疊加進(jìn)入高斯白噪聲信道，這是一個(gè)調(diào)制階段，在解調(diào)階段16QAM信號(hào)首先乘上載波再進(jìn)入低通濾波器濾除高頻成分后進(jìn)入模塊2最后進(jìn)行并串轉(zhuǎn)換就可以得到原始碼流。其中，模塊1是2-4轉(zhuǎn)換模塊和離散時(shí)間信號(hào)發(fā)散圖示波器仿真模塊構(gòu)成的一個(gè)子模塊，如圖3-19。模塊2是濾波器、4-2電平轉(zhuǎn)換和離散時(shí)間信號(hào)發(fā)散圖示波器仿真模塊構(gòu)成的子模塊，如圖3-20。 圖3-18 16QAM調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)仿真模塊

30、圖3-29 模塊1 圖3-20 模塊23.4 本章小結(jié)本章對(duì)16QAM 進(jìn)行系統(tǒng)的建模和仿真，通過(guò)上一章節(jié)的理論知識(shí)搭建了各個(gè)模塊并闡述了每個(gè)模塊的參數(shù)設(shè)置，觀察分析各個(gè)模塊的波形圖與調(diào)制解調(diào)端的星座圖可以發(fā)現(xiàn)，在不同信噪比下接收端星座圖的星座點(diǎn)收斂性是不同的，并且在有噪聲的情況下該系統(tǒng)可以完全恢復(fù)原始基帶數(shù)字碼流，由此證明這個(gè)系統(tǒng)仿真模型是正確的。第四章 16QAM抗噪聲性能分析4.1 16QAM錯(cuò)誤概率計(jì)算在數(shù)碼流在通信信道傳輸?shù)倪^(guò)程中數(shù)字調(diào)制解調(diào)器是接口器件，它將數(shù)字信息映射成與信道特性相匹配的波形，這些波形的差別在于幅度、相位和頻率，或者兩個(gè)或多個(gè)信號(hào)參數(shù)的組合。QAM是一種聯(lián)合振幅和

31、相位的調(diào)制方式，其振幅和相位都可以攜帶信息所以有很高的頻譜利用率。對(duì)于且為偶數(shù)的矩形信號(hào)星座圖QAM信號(hào)星座圖，QAM信號(hào)等效于在正交載波上的兩個(gè)PAM信號(hào)，其中每個(gè)都有個(gè)信號(hào)點(diǎn)。由于相位正交的信號(hào)分量用相干檢測(cè)可以完全分開(kāi)，所以QAM的差錯(cuò)概率很容易由PAM的差錯(cuò)概率確定。對(duì)于M電平的QAM系統(tǒng)，一個(gè)正確判決的概率是 （4-1）其中是在這個(gè)等效QAM系統(tǒng)的每個(gè)正交信號(hào)中最具有一般平均功率的電平PAM系統(tǒng)的差錯(cuò)概率，即 （4-2）式（4-2）中是每個(gè)符號(hào)的平均SNR。因此，對(duì)于電平QAM系統(tǒng)，一個(gè)符號(hào)差錯(cuò)概率為 （4-3）4.2 16QAM抗噪聲性能仿真本系統(tǒng)對(duì)16QAM抗噪聲性能仿真還需要編

32、寫(xiě)腳本程序經(jīng)過(guò)多次運(yùn)行才能得到信道的信噪比和信號(hào)的誤碼率之間的關(guān)系。通過(guò)m文件控制高斯白噪聲信道信噪比參數(shù)，提取誤碼率，這樣在m文件中以信噪比作為變量循環(huán)，每一次用sim運(yùn)行一次Simulink回傳一個(gè)誤碼率的workplace就可以繪制出誤碼率曲線。此處Simulink仿真模塊的高斯白噪聲信道模塊參數(shù)設(shè)置為表4-1，誤碼率計(jì)算器參數(shù)設(shè)置為表4-2： 表4-1 高斯白噪聲信道模塊參數(shù) 表4-2 誤碼率計(jì)算器模塊參數(shù)初始化種子 67 模式信噪比（SNR） SNR（dB） SNR 輸入信號(hào)功率 1 接受延遲 0 計(jì)算延遲 2 計(jì)算模式 幀計(jì)算模式 數(shù)據(jù)輸出方式 workspace 變量名稱 SER

33、 將各模塊參數(shù)設(shè)置完成后把模型存盤和m文件放在同一個(gè)目錄下。m文件程序如圖4-1。 圖4-1 m腳本文件程序運(yùn)行結(jié)果如圖4-2所示，可以看出實(shí)際誤碼率曲線趨勢(shì)和理論誤碼率曲線趨勢(shì)一致，隨著信噪比的增大誤碼率越來(lái)越小。但是實(shí)際誤碼率曲線應(yīng)該在理論誤碼率曲線之上一些，而測(cè)量得到的誤碼率曲線卻在理論誤碼率曲線之下，所以可知該誤碼率曲線仿真出現(xiàn)問(wèn)題。這是由于設(shè)置高斯白噪聲信道參數(shù)時(shí)輸入信號(hào)功率是1瓦特，但是在仿真運(yùn)行時(shí)候的輸入信號(hào)功率并不是1瓦特，在誤碼率曲線圖中所展示的曲線卻是根據(jù)輸入信號(hào)功率為1瓦特情況下繪制的，所以在實(shí)際運(yùn)行中出現(xiàn)了下圖的問(wèn)題。 圖4-2 理論誤碼率曲線和實(shí)際誤碼率曲線4.3 本

34、章小結(jié)本章介紹了QAM誤碼率計(jì)算方式，在此基礎(chǔ)上通過(guò)編寫(xiě)腳本文件，系統(tǒng)誤碼率仿真繪制出誤碼率曲線圖。第五章 總結(jié)與展望在現(xiàn)代通信技術(shù)快速發(fā)展的時(shí)代，高效數(shù)字調(diào)制解調(diào)技術(shù)成為了通信發(fā)展的必然趨勢(shì)，QAM調(diào)制解調(diào)技術(shù)作為一種高頻譜利用率的高效數(shù)字方式在許多領(lǐng)域得到了應(yīng)用。本文的研究重點(diǎn)和所做的工作如下：首先對(duì)QAM調(diào)制解調(diào)進(jìn)行詳細(xì)的理論分析，展示出調(diào)制和解調(diào)的原理圖，公式和星座圖。其次文章的重點(diǎn)在利用Simulink仿真軟件搭建完整的16QAM調(diào)制與解調(diào)系統(tǒng)，通過(guò)深入分析各個(gè)模塊的工作過(guò)程，實(shí)現(xiàn)仿真并且得到了相應(yīng)的波形圖，在加入高斯白噪聲信道后發(fā)現(xiàn)解調(diào)端的星座圖各個(gè)信號(hào)點(diǎn)出現(xiàn)一定的偏移，通過(guò)比較不

35、同信噪比情況下接收端的星座圖得到隨著信噪比的增大，星座圖的收斂性越好的結(jié)論。最后編寫(xiě)腳本文件對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行編譯，繪制出誤碼率曲線。在本仿真系統(tǒng)中由于某些模塊的延遲效果使得解調(diào)信號(hào)波形與輸入波形存在一定的時(shí)延，但是并不影響對(duì)誤碼率的檢測(cè)。 經(jīng)過(guò)了一學(xué)期的研究工作對(duì)QAM調(diào)制技術(shù)有了一點(diǎn)的理解和掌握也進(jìn)行了一些分析，仿真和設(shè)計(jì)的方法，在這里對(duì)后續(xù)研究工作做一下展望：（1）在繪制誤碼率曲線的時(shí)候出現(xiàn)了問(wèn)題，可能是由于輸入信號(hào)功率的誤差所導(dǎo)致，在后續(xù)工作中可加上測(cè)量實(shí)際輸入信號(hào)平均功率模塊來(lái)繪制出誤碼率曲線圖。由于個(gè)人水平有限沒(méi)有對(duì)這個(gè)重要模塊進(jìn)行相應(yīng)的研究。由于個(gè)人水平有限沒(méi)有對(duì)這個(gè)重要模塊進(jìn)行相應(yīng)的

36、研究。（2）在使用Simulink仿真16QAM調(diào)制解調(diào)時(shí)候得到的是矩形星座圖，沒(méi)有考慮到星形星座圖的繪制，在今后的研究工作有待繼續(xù)研究。 致 謝時(shí)光荏苒，如同白駒過(guò)隙，一轉(zhuǎn)眼大學(xué)四年的求學(xué)生涯就快畫(huà)上一個(gè)句號(hào)，但是畢業(yè)對(duì)人生來(lái)說(shuō)更是一個(gè)逗號(hào)。身體發(fā)膚，受之父母。首先要感謝的是父母，沒(méi)有父母的支持我也無(wú)法順利完成學(xué)業(yè)。其次，大學(xué)，第一次身處群體生活的環(huán)境中，在這四年中，和宿友有歡樂(lè)也有矛盾，感謝她們可以包容我，體諒我。俗話說(shuō)：三人行必有我?guī)?。從她們身上我也學(xué)會(huì)了如何更好地與人相處。然后還要感謝學(xué)院提供的良好學(xué)習(xí)環(huán)境和精神氛圍。依山傍水，環(huán)境優(yōu)美。在畢業(yè)之際有幸抽選到邵老師的畢業(yè)設(shè)計(jì)課題。邵老師嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度使我受