QAM传输系统的设计与实现(共24页).doc

精选优质文档-倾情为你奉上四川理工学院成人教育学院毕业设计(论文)题 目 QAM传输系统的设计与实现 教学点 重庆科创职业学院 专 业 通信技术 年 级 2011级 姓 名 祝 守 颜 指导教师 陈 佳 佳 定稿日期： 2013年4月 25 日专心-专注-专业 四川理工学院成人教育学院 毕业设计（论文）任务书学生姓名祝守颜专业班级通信工程ZB设计（论文）题目QAM传输系统的设计与实现接受任务日期2013年12月18日完成任务日期2014年4月25日指导教师（签名）陈佳佳指导教师单位重庆科创职业学院设计(论文)内容目标为了在有限的带宽信道中有效的传输大量的数据，人们研制了各种调制方式来解决有限带宽和大量数据传输之间的矛盾。例如可以采用多进制数字调制(包括幅度、频率、和相位多进制调制)、联合调制、网格调制等设计(论文)要求(1) 把基带信号的频谱搬移到一定的频带范围(2) 进行频率分配(3) 减少噪声和干扰的影响(4) 实现多路复用和克服设备的限制 参考资料(1) 王福昌.通信原理北京.清华大学出版社,2006(2) 刘连青. 数字通信技术.北京机械工业出版社，2006 (3) 樊昌信,曹丽娜 .通信原理.北京国防工业出版社，2006(4) 李立. 高速16QAM传输技术研究.西安电子科技大学,2010 QAM传输系统的设计与实现摘要 正交振幅调制QAM是一种相位和振幅联合控制的数字调制技术。它应用范围非常广泛，不仅在移动通信领域而且在有线电视传输、数字视频广播、卫星通信等领域都得到广泛应用。本文深入研究QAM调制解调的基本原理、系统结构及性能参数，实现QAM调制解调系统的Simulink仿真及性能分析；详细分析模拟信号数字化的基本理论及实现方法，实现差分脉码调制的Simulink仿真及性能比对；基于上述理论构建模拟信源QAM传输系统，并利用Matlab/Simulink进行建模仿真及性能验证。关键词: 数字传输；正交振幅调制；差分脉码调制；建模仿真DESIGN AND SIMULATION OF QAM SYSTEMABSTRACTQuadrature amplitude modulation QAM is a digital modulation technique forphase and amplitude control. It is a very wide range of applications, not only inthe field of mobile communication and cable TV transmission, digital video broadcasting, satellite communications and other fields has been widely applied.In this paper, the basic principle, structure and performance study of QAM modulation and demodulation system parameters,simulation performanceanalysis of Simulink modulation and demodulation system of QAM; and the realization method of analog signal digital basic theory in detail, realize thedifference of Simulink simulation and performance comparison of sub pulse code modulation; construction simulation source QAM transmission system based on the theory, and validation of simulation and performance modeling using Matlab/Simulink.Keywords: QAM;Quadrature amplitude modulation;Differential pulse code modulation;Modeling and simulation目 录 1.1 选题背景.1 1.2 0 致谢.18附录1.19第一章 绪论1.1选题背景信号传输的过程中需要都要占用一定的带宽，数字信号的传输比模拟信号对对带宽的需求更高。随着卫星有效载荷种类的增多和分辨率的不断提高，需要传输的信息量越来越大。为了将这些信息实时传输到地面，对星上数传系统的传输能力的要求就越来越高。为了在有限的带宽信道中有效的传输大量的数据，人们研制了各种调制方式来解决有限带宽和大量数据传输之间的矛盾。例如可以采用多进制数字调制(包括幅度、频率、和相位多进制调制)、联合调制、网格调制等等。其中幅度和相位联合调制方式，即QAM（ Quadrature Amplitude Modulation）调制方式综合ASK(Amplitude Shift Keying)与PSK(Phase Shift Keying)的优点，并通过采用多进制调制方式来提高频带利用率(提高信息传输速率)，因此它在频带利用率和接收端误译码率等指标上，比单一调制正弦波的一个参数的调制方式都要优越，但它的设备复杂程度也是比较高的1-3。随着电子技术的不断发展，设备复杂性也在相对地降低，因此QAM方式是目前高速调制解调器中比较好的的调制方式。1.2 数字调制解调技术现状与发展因为以前的通信系统为模拟通信系统，所以调制技术是由模拟信号的调制与解调技术最初开始发展的。后来，数字通信系统得到了迅速的发展，随之而来的是数字调制技术的广泛应用和迅速发展。随着现在日益增多的各种通信系统数量，为了更好的充分利用日益紧张的频谱资源，广大通信科研工作者致力于研究频谱利用率更高的新型数字调制方式，而且原CCITT(国际电报电话咨询委员会)也一直在促进并鼓励开发新奇的频谱使用技术，为了各种通信系统能够有效的进行通信，原CCITT科学地将频段分别分配给各个通信系统，因而，许多科研院所，用户个体和通信公司都在通过开发先进的调制技术用以提高频谱利用率。提高频谱利用率是人们设计和规划通信系统的关注焦点之一，同时也是提高通信系统容量的重要措施。频谱利用率越高，就要求已调信号所占的带宽要越窄，即己调信号频谱从天线发射时功率的主瓣要越窄，同时也要求旁瓣的幅度要越低，也就是说要求辐射到相邻频道的功率即带外辐射要越小。在数字调制系统中的频谱利用率主要是指传输的效率问题，也就是说，通信系统的传输速率不是唯一需要关注的指标，同时还要看在一定的传输速率下信道频带所占的宽度为多少。如果系统的频带利用率高，就表明通信系统具有较高的传输效率，反之传输效率就低。从上面对频谱利用率的定义可以发现，要使得通信系统的频谱利用率有所提高主要可以两种途径:一是通过提高该调制系统的传信率即信息传输速率，二是降低已调信号所占用的频带宽度1-3。振幅和相位联合调制QAM技术作为本课题的研究对象，就是一种近些年来获得了飞速发展的调制技术，该技术就具有极高的信息传输速率。1.3 QAM调制解调技术在数字通信领域的应用优势以WCDMA、CDMA2000和TD-SCDMA为代表的第三代移动通信网络除了支持传统的话音业务以外，还推出了大容量的宽带数据服务，与以GSM、CDMA1595标准为代表的第二代移动通信系统相比，在技术上，3G系统的上下行速率理论上可以达到2Mbit/s左右的水平，它可以提供包括视频在内的各种多媒体宽带应用服务，诸如下载或流媒体类业务，需要系统提供更高的传输速率和更多的延迟。为了满足此要求，WCDMA对空口接口作了改进，引入了HSDPA技术，使之可支持高达10Mbit/s的峰值速率。在HSDPA系统中引进了AMC技术，在HSDPA系统中AMC的调制选择了低阶的QPSK和高阶的16QAM，作为其调制方式。同样，作为宽带无线接入技术，韩国引入了WIBro技术，它可采用三种调制方式，包括QPSK、16QAM、64QAM等。而目前作为中国国内唯一拥有自主知识产权的高速率无线宽带接入技McWiLL，McWiLL终端接入设备CPE亦采用QPSK/8PSK/QAM16/QAM64自适应调制技术。IEEE802.16a标准即WiMAX有很强的的市场竞争力，真正成为城域网的无线接入手段。为了抵抗多径效应等， WIMAX协议中引入了新的物理层技术，而WiMAX协议物理层的OFDM符号的构造方案亦采用QAM调制方式4-5。1.4 仿真软件介绍MATLAB是MATrix LABoratory的缩写，是一款由美国MathWorks公司出品的商业数学软件。MATLAB 是一种用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境。除了矩阵运算、绘制函数/数据图像等常用功能外，MATLAB还可以用来创建用户界面及与调用其它语言（包括C，C+和FORTRAN）编写的程序。尽管MATLAB主要用于数值运算，但利用为数众多的附加工具（Toolbox）它也适合不同领域的应用，例如控制系统设计与分析、图像处理、信号处理与通讯、金融建模和分析等。另外还有一个配套软件包Simulink，提供了一个可视化开发环境，常用于系统模拟、动态/嵌入式系统开发等方面。Simulink是MATLAB中的一种可视化仿真工具， 是一种基于MATLAB的框图设计环境，是实现动态系统建模、仿真和分析的一个软件包，被广泛应用于线性系统、非线性系统、数字控制及数字信号处理的建模和仿真中。它可以用连续采样时间、离散采样时间或两种混合的采样时间进行建模，它也支持多速率系统，也就是系统中的不同部分具有不同的采样速率。为了创建动态系统模型，Simulink提供了一个建立模型方块图的图形用户接口(GUI) ，这个创建过程只需单击和拖动鼠标操作就能完成，它提供了一种更快捷、直接明了的方式，而且用户可以立即看到系统的仿真结果。 第二章QAM调制解调技术研究及Simulink仿真 本章对QAM调制解调相关理论进行了分析研究，给出了调制端和解调端的结构框图；构建了16QAM和64QAM调制解调系统的Simulink的仿真模型，进行仿真验证；并基于Simulink对M-QAM调制解调系统进一步进行性能分析，所得结论为后面系统规划与设计奠定基础。2.1 QAM调制正交幅度调制(QAM)是一种高效数字调制技术，具有很高的频谱利用率。而传统数字调制技术是单独利用振幅和相位携带信息，不能最充分利用信号功率利用率。此外，现代通信系统对传输速率和带宽也提出了新的要求，因此QAM引起更多关注，在有线电视网络高速数据传输、大中容量数字微波通信系统、卫星通信系统等各个领域均得到了广泛的应用。但它在随参信道无线宽带通信领域中的研究尚未发展成熟。2.1.1 QAM调制原理正交振幅调制（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两路并行的数字信号传输。正交振幅调制（QAM）信号的一般表示式为： (2-1)式（2-1）中，是基带信号的幅度，是单个基带信号的波形，宽度为。式（2-1）还可以变化为正交表示形式: （2-2）令 （2-3）则式（2-2）变成 （2-4）QAM中的振幅和可以表示为： (2-5)式（2-5）中，固定振幅为、由输入的信号最终决定。已调QAM信号在信号空间中的坐标点由、决定。QAM信号调制原理结构图如图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QAM信号。图2-1 QAM信号调制原理图2.1.2 QAM星座图星座映射规则不同，星座呈现不同的分布形式。16QAM星座图分别有星型星座和方型星座。星型星座如图2-2(a)所示，其中信号点的分布呈星型。同理，方型星座图中信号点的分布呈方形，如图2-2(b)所示。图2-2 16QAM星座图QAM调制有几个重要的参数：峰值-均值比，星座图间最小欧几里得距离和最小相位偏移。不同的数字传输系统，对这些参数的要求各不相同10-11。（1）QAM信号的峰值-均值 (2-13)其中，表示信号的峰值功率，表示信号的平均功率。（2）最小欧几里得距离最小欧几里得距离是指QAM信号星座图上星座点间的最小距离，该参数衡量了QAM信号抗高斯噪声的能力，最小距离与抗高斯白噪声的性能呈正比关系。（3）最小相位偏移最小相位偏移，是指标准QAM星座图上信号点之间的相位的最小偏移量。该参数对QAM信号抗相位抖动能力和对时钟恢复精确度的敏感性有了很好的反映，最小相位偏移量越大，抗相位抖动能力也随着越强。一个具有良好性能的QAM信号，其星座图要满足三个方面的要求12-13：（a）信号峰值-均值比要小，用以保证调制信号的包络起伏越小，从而增强其抗非线性失真的能力。（b） 信号点间的最小欧几里得距离要尽量大，从而保证获得最佳的抗加性高斯白噪声性能。（c） 星座点间最小相位偏移要保证尽量大，以增强调制信号的抗相位抖动性能，包括抗定时恢复的时钟抖动和抗信道相位抖动性能。就一个确定的QAM星座图而言，是不可能同时满足这三个要求的，而只能根据不同传输系统的要求，在保证主要性能要求的前提下，折中地或采取自适应的办法进行设计调节。不同星座的参数如表2.1所示。表2-1 星座参数值表参数类型 方形星座图1.8星型星座图1.514由表2.1可见，当信号平均功率一定时，方型星座图的最小欧几里得距离比星型星座图要大，也就是说，方型星座图抗高斯噪声能力比星型星座图强，适宜在典型的高斯白噪声信道中使用。但是，在抗相位及抗非线性失真等性能上，方型星座图不如星型星座图，这是因为其最小相位偏移比星型星座图小且峰值大于星型星座图。2.2 QAM调制解调系统的Simulink仿真Simulink是MATLAB中的一种可视化仿真工具，可实现动态系统建模、仿真和分析。在这里，基于MATLABLE/Simulink构建QAM调制解调仿真模型，进行仿真验证及性能分析。通常验证通信系统的功能一般采用星座图和眼图这两种工具，只要通过对比发送端和接收端的星座图和眼图，就可以很直观的判决通信系统性能的优劣。所以在下面各个仿真模型中，主要通过星座图模块、眼图模块及误码率统计模块来进行仿真验证和系统性能分析。Simulink模块库中提供调制器Rectangular QAM Modulator Baseband模块、解调器Rectangular QAM Demodulator Baseband模块、误码率统计模块、星座图模块等，利用这些模块构建16QAM调制解调系统7，测试模型如图2-4所示。 2-4 16QAM调制解调系统测试模型设传输符号率为1000波特，则码元时隙宽度是1ms。信源输出的随机整数送入16QAM基带调制器（用Rectangular QAM Modulator Baseband模块实现），调制输出经过高斯信道后送入接收端相应的16QAM基带解调器（Rectangular QAM Demodulator Baseband模块实现）中，调制器和解调器的参数设置必须一致。解调的符号（整数）与发送端数据进行比较得出错误符号率统计。当信道中加入的高斯噪声方差为0.02时，发送和接收信号的星座图仿真结果如图2-5所示。 图2-5 16QAM调制解调系统星座图一般，通信系统的性能验证是通过星座图、眼图及误码率这些测试工具，只要通过对比发送端和接收端的星座图和眼图，或通过误码率统计模块所显示的结果就可以很直观的判决通信系统性能的优劣。图2-5给出了系统发送端和接收端的星座图，这里基带成形滤波器的滚降系数为0，即满足理想低通特性，所以发送端的星座图与理想的星座映射图是完全一致的。由于传输信道上噪声的存在，接收端星座图与理想的星座点都有一定的偏差，通过偏差的大小可以直观的判断出系统性能的好坏。这里接收端的眼图虽然离理想的偏差比较大，但是并没有发生重叠的现象，所以通过合适的阈值检测，还是可以很好的恢复出原始的波形。图2-6 QAM16调制解调系统眼图图2-6为16QAM调制解调系统发送端和接收端的眼图。通过观察发现，在采样时刻最大眼图开启，同样由于传输信道上噪声的干扰，接收端眼图中“眼睛”张开的大小比发送端的要小的多，其大小反映着基带成形性能的优劣、码间干扰的强弱和传输信道噪声影响的大小。 当信道噪声方差为0.05时，发送10s数据，经误码率统计模块Error rate calculation计算及数据显示模块Display显示，可以观察到错误符号数为27个，相应的错误错误率为0.0027。2.3 MQAM调制解调系统性能仿真分析通信系统的任务是快速、准确地传输信息，因此传输信息的有效性和可靠性是衡量数字通信系统的性能指标。有效性可用传输速率和频带利用率来衡量，而可靠性用误码率来衡量。下面就从这几方面对MQAM调制解调系统的性能进行仿真分析。2.3.1频带利用率分析带通二进制键控系统中，每个码元只传输1b信息，其频带利用率不高。在频率资源极其宝贵和紧缺的条件下，提高频带利用率最有效的办法是使一个码元传输多个比特的信息，即采用多进制数字键控体系。在码元速率RB一定条件下，采用多进制数字键控，可以提高信息传输速率Rb。信息速率Rb和码元速率RB有以下确定的关系，即 (2-11)在比较不同通信系统的有效性时，不能单看它们的传输速率，还应考虑所占用的频带宽度。所以真正衡量数据通信系统的有效性指标是频带利用率，即 (2-12)表2-3 M-QAM调制解调系统的频带利用率MQAM4QAM16 QAM64 QAM256 QAM1024QAM4096QAM23455综上分析，可得到M-QAM调制解调系统的频带利用率如表2-3所示。由表2-3可得出结论：对于多进制M-QAM数字调制技术，随着M的增大，M-QAM调制解调系统的频带利用率增大。2.3.2 误码率分析在一维信号空间中可导出两个等概率出现的信号，其距离为A。当判决门限为A/2，方差为，信号能量为E时，正确判决的概率为 (2-13)差错概率为 (2-14)二维信号空间以64QAM为例（见图2-10），我们将多元的MQAM信号点之间的距离都设为A，用一维信号空间类似的方法，得出，三个信号点正确判断的概率分别为： (2-15)A/2A/2图2-7 64QAM第一象限星座图总的正确判决的概率为 (2-16)差错概率为 (2-17)用同样的方法可推出16QAM、256QAM、1024QAM、4096QAM的差错概率： (2-18)由式（2-18）可以看出，M越大误码率越高。这结论与前面由表2-3所得出的结论一致。因此，我们可得出结论：对于多进制M-QAM数字调制技术，制式数M大，系统误码率越大，即系统的抗噪声性能越差。2.3.3 功率利用率分析根据每个信号点到中点的距离（即信号幅值），得出信号的平均功率为 (2-19)在相同最大峰值功率的条件下的平均功率分别为 (2-20)由式2-20可以看出，M增大，M-QAM调制解调系统平均功率逐步下降。因为各调制解调最大峰值功率相同，所以功率利用减小。因此，我们可得出结论：对于多进制M-QAM数字调制技术，制式数M增大，系统的功率利用率减小。综上述分析，可得出如下结论：（1）为了提高通信系统的有效性，即提高系统的频带利用率，多进制数字调制式一个重要途径；（2）提高频带利用率是以降低功率利用率为代价。（3）在相同的发射功率下，M越大，系统的抗干扰能力越差，即系统误码率越大。（4）为了降低误码率，只有提高发射功率。对于移动设备等场合提高功率又是难以实现的。在工程实践中因权衡二者的关系。第三章 QAM传输系统的构建与仿真本章基于前面所分析研究的基本理论及仿真结果，构建了模拟信源QAM传输系统，并利用MATLAB/Simulink进行建模仿真及性能验证。3.1 QAM传输系统的模型通过前面的分析，我们熟悉了各种数字调制与解调技术的基本原理，如何模拟信号数字化及如何数模转换等，利用这些理论来构建模拟信源QAM传输系统。基于前面的数字通信系统模型，所构建的QAM传输系统的模型如图3-1所示： 信号源DPCM编码QAM调制QAM解调DPCM解码受信者信道噪声源图3-1 QAM传输系统模型此QAM传输系统设计要求：（1）模拟信号源输出模拟信号，此模拟信号可以是声音信号或图像信号；（2）在发送端，模拟信号经过DPCM编码，实现数据压缩及模拟信号数字化，再经过QAM调制后发射出去；（3）通过信道传输，信道一方面提供通路，另一方面不可避免地得来噪声，主要考虑加性噪声，如高斯白噪声；（4）在接收端，先经过QAM解调，再对其进行DPCM解码，允许一定失真情况下最终恢复出原始信号。3.2 QAM传输系统的仿真Simulink模块库中提供了16QAM调制模块、16QAM解调模块、DPCM编码模“DPCM Encoder”及DPCM解码模块 “DPCM Decoder”等模块，利用这些模块构建模拟信源的QAM数字传输测试模型，如图3-2所示。在发送端，信源利用信号发生器产生一200Hz正弦信号，对其先进行DPCM编码完成模数转换，再进行16QAM数字调制，然后发送经信道传输。要求仿真时间长度为20s，步进为1/32000s。Gain模块用于调整输入信号的幅度。在接收端，对接收到的已调信号先进行16QAM解调，再进行DPCM解码完成数模转换。设置AWGN信道噪声方差为0.01启动仿真。此系统QAM调制信号的星座图和眼图如图3-2所示。图3-2模拟信源QAM传输系统在接收端，对接收到的已调信号先进行16QAM解调，再进行DPCM解码完成数模转换。设置AWGN信道噪声方差为0.01启动仿真。此系统QAM调制信号的星座图和眼图如图3-3所示。图3-3 QAM调制信号的星座图和眼图仿真结果通过示波器观察发送端原始的输入信号和接收端恢复出的信号。示波器输出波形如图3-4所示。图3-4 信源为正弦波时示波器输出波形若在发送端信源利用信号发生器产生一800Hz三角波信号，经过此系统传输，在接收端通过示波器观察发送端原始的输入信号和接收端恢复出的信号。示波器输出波形如图3-5所示。图3-5 信源为三角波时示波器输出波形由图3-4、3-5所示的仿真结果表明此QAM传输系统可以实现模拟信号的数字化传输。参考文献1 王福昌.通信原理.北京清华大学出版社,20062 刘连青. 数字通信技术.北京机械工业出版社，2006 3 樊昌信,曹丽娜 .通信原理.北京国防工业出版社，20064 李立. 高速16QAM传输技术研究西安电子科技大学,2010 5 魏涛. QAM调制及其应用分析.通信与广播电视,20026 韩利竹,王华.MATLAB电子仿真与应用.北京国防工业出版社，20037 邵玉斌. Matlab/Simulink通信系统建模与仿真实例. 北京清华大学出版社，2008致谢 本论文是在陈佳佳老师的指导下完成的。她严肃的科学态度，严谨的治学精神，深深地感染和激励着我。从课题的选择到论文的最终完成，陈老师都始终给予我细心的指导和不懈的支持，不仅增强了我对专业知识的理解，更培养了运用专业知识的能力。在陈老师的指点和帮助下，我对专业课知识产生了浓厚的兴趣，为以后进一步的深度学习找到了方向。而且通过课题使我对使用MATALB软件的系统仿真有了更加深刻的认识，学会了如何运用Simulink仿真平台进行通信系统的设计和仿真验证。这一切，都是在陈老师的热心指导下完成的，特在此对尊敬的陈老师表示真挚的谢意。回顾四年的学习生活，我要向所有关心和培养我的各级领导、授予我知识的各位尊敬的任课老师们、关心我们生活的辅导员以及陪伴我大学生涯的同学和朋友们表示真挚的谢意！附录1 表2-1 星座参数值表参数类型 方形星座图1.8星型星座图1.514 表2-3 M-QAM调制解调系统的频带利用率MQAM4QAM16 QAM64 QAM256 QAM1024QAM4096QAM23455