QAM调制及解调系统的设计.doc

湖南大学HUNAN UNIVERSITY课程设计报告题 目：QAM调制及解调系统的设计目录1.QAM概述31.1引言31.2 QAM简介31.3 QAM的具体实现51.4 QAM的解调和判决71.5 QAM的误码率性能82.基于Systemview的QAM系统的研究与设计102.1串并转换模块112.2二四进制转换122.3门限判决四二电平转换子系统132.4并串子系统142.5锁相环实行载波同步模块142.6波形图152.7小结183.调试过程及分析194.参考文献.211.QAM概述1.1引言随着通信业迅速的发展，传统通信系统的容量已经越来越不能满足当前用户的要求，而可用频谱资源有限，业不能靠无限增加频道数目来解决系统容量问题。另外，人们亦不能满足通信单一的语音服务，希望能利用移动电话进行图像等多媒体信息的通信。但由于图像通信比电话需要更大的信道容量。高效、可靠的数字传输系统对于数字图像通信系统的实现很重要，正交幅度调制QAM是数字通信中一种经常利用的数字调制技术，尤其是多进制QAM具有很高的频带利用率，在通信业务日益增多使得频带利用率成为主要矛盾的情况下，正交幅度调制方式是一种比较好的选择。1.2 QAM简介QAM（Quadrature Amplitude Modulation） 为正交幅度调制的简称。它是一种将两种调幅信号汇合到一个信道的方法，因此会双倍扩展有效带宽。正交调幅被用于脉冲调幅，特别是在无线网络应用。 正交调幅信号有两个相同频率的载波，但是相位相差90度（四分之一周期，来自积分术语）。一个信号叫I信号，另一个信号叫Q信号。从数学角度将一个信号可以表示成正弦，另一个表示成余弦。两种被调制的载波在发射时已被混和。到达目的地后，载波被分离，数据被分别提取然后和原始调制信息相混和。 QAM是用两路独立的基带信号对两个相互正交的同频载波进行抑制载波双边带调幅，利用这种已调信号的频谱在同一带宽内的正交性，实现两路并行的数字信息的传输。该调制方式通常有二进制QAM（4QAM）、四进制QAM（l6QAM）、八进制QAM（64QAM）、，对应的空间信号矢量端点分布图称为星座图，分别有4、16、64、个矢量端点。电平数m和信号状态M之间的关系是对于4QAM，当两路信号幅度相等时，其产生、解调、性能及相位矢量均与4PSK相同。在QAM（正交幅度调制）中，数据信号由相互正交的两个载波的幅度变化表示。模拟信号的相位调制和数字信号的PSK（相移键控）可以被认为是幅度不变、仅有相位变化的特殊的正交幅度调制。因此，模拟信号相位调制和数字信号的PSK（相移键控）也可以被认为是QAM的特例，因为它们本质上就是相位调制。这里主要讨论数字信号的QAM，虽然模拟信号QAM也有很多应用，例如NTSC和PAL制式的电视系统就利用正交的载波传输不同的颜色分量。 QAM是一种矢量调制，将输入比特先映射（一般采用格雷码）到一个复平面（星座）上，形成复数调制符号，然后将符号的I、Q分量（对应复平面的实部和虚部，也就是水平和垂直方向）采用幅度调制，分别对应调制在相互正交（时域正交）的两个载波（coswt和sinwt）上。这样与幅度调制（AM）相比，其频谱利用率将提高1倍。QAM是幅度、相位联合调制的技术，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可实现更高的频带利用率，QAM最高已达到1024-QAM（1024个样点）。样点数目越多，其传输效率越高，例如具有16个样点的16-QAM信号，每个样点表示一种矢量状态，16-QAM有16态，每4位二进制数规定了16态中的一态，16-QAM中规定了16种载波和相位的组合，16-QAM的每个符号和周期传送4比特。 QAM调制器的原理是发送数据在比特/符号编码器（也就是串并转换器）内被分成两路，各为原来两路信号的1/2，然后分别与一对正交调制分量相乘，求和后输出。接收端完成相反过程，正交解调出两个相反码流，均衡器补偿由信道引起的失真，判决器识别复数信号并映射回原来的二进制信号。作为调制信号的输入二进制数据流经过串并变换后变成四路并行数据流。这四路数据两两结合，分别进入两个电平转换器，转换成两路4电平数据。例如，00转换成-3，01转换成-1，10转换成1，11转换成3。这两路4电平数据g1（t）和g2（t）分别对载波cos2fct和sin2fct进行调制，然后相加，即可得到16-QAM信号。 采用QAM调制技术，信道带宽至少要等于码元速率，为了定时恢复，还需要另外的带宽，要增加15%左右。与其他调制技术相比，QAM编码具有能充分利用带宽、抗噪声能力强等优点。但QAM调制技术用于ADSL的主要问题是如何适应不同电话线路之间较大的性能差异。要取得较为理想的工作特性，QAM接收器需要一个和发送端具有相同的频谱和相应特性的输入信号用于解码，QAM接收器利用自适应均衡器来补偿传输过程中信号产生的失真，因此采用QAM的ADSL系统的复杂性来自于它的自适应均衡器。 在移动通信中频谱利用率一直是人们关注的焦点之一，随着微蜂窝（Microcell）和微微蜂窝（Picocell）系统的出现，使得信道的传输特性发生了很大变化，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已引起人们的重视，许多学者已对16QAM及其它变型的QAM在PCN中的应用进行了广泛深入地研究。 1.3 QAM的具体实现 QAM就是用两个调制信号对频率相同、相位正交的两个载波进行调幅，然后将已调信号加在一起进行传输或发射。在NTSC制和PAL制中形成色度信号时，用的就是正交调幅方式将两个色差信号调制到色度副载波上。 QAM也可用于数字调制。数字QAM有4QAM、8QAM、16QAM、32QAM等调制方式。其中，16QAM和32QAM广泛用于数字有线电视系统。下面以16QAM为例介绍其原理。 作为调制信号的输入二进制数据流经过串并变换后变成四路并行数据流。这四路数据两两结合，分别进入两个电平转换器，转换成两路4电平数据。例如，00转换成3，01转换成1，10转换成1，11转换成3。这两路4电平数据g1（t）和g2（t）分别对载波cos2fct和sin2fct进行调制，然后相加，即可得到16QAM信号。 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，正交调幅通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调幅。QAM是幅度、相位联合调制的技术，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星座图中可以容纳更多的星座点，即可实现更高的频带利用率，目前QAM星座点最高已可达256QAM。 PSK只利用了载波的相位，它所有的星座点只能分布在半径相同的圆周上。当星座点较多时，星座点之间的最小距离就会很密，非常容易受到噪声干扰的影响。调制技术的可靠性可由相邻星座点之间的最小距离来衡量，最小距离越大，抵抗噪声等干扰的能力越强，当然前提是信号的平均功率相同。当噪声等干扰的幅度小于最小距离的1/2时，解调器不会错判，即不会传输误码；当噪声等干扰的幅度大于最小距离的1/2时，将传输误码。因此PSK一般只用在8PSK以下，常用的是BIT/SK和QPSK。当星座点进一步增加时，即需要更高的频带利用率时，就要采用QAM调制。在PSK中I信号和Q信号互相不独立，为了得到恒定的包络信号，它们的数值是受到限制的，这是PSK信号的基本特性。如果去掉这一限制，就得到正交幅度调制QAM。作为一个特例，当每个正交信号只有两个数值时，QAM与4-PSK完全相同。当M4时QAM的信号星座呈正方形分布，而不再像PSK那样沿着一个固定的圆周分布。 正交幅度调制（QAM）信号采用了两个正交载波，每一个载波都被一个独立的信息比特序列所调制。发送信号波形如图2.1.1所示式中Amc和Ams是电平集合，这些电平是通过将k比特序列映射为信号振幅而获得的。例如一个16位正交幅度调制信号的星座图如下图所示，该星座是通过用M4PAM信号对每个正交载波进行振幅调制得到的。利用PAM分别调制两个正交载波可得到矩形信号星座。QAM 可以看成是振幅调制和相位调制的结合。因此发送的QAM信号波形可表示为如果M1=2k1,M2=2k2那么QAM方法就可以达到以符号速率RB/(k1+k2)同时发送k1+k2=log2M1M2个二进制数据。图2.1.2给出了QAM调制器的框图。1.4 QAM的解调和判决假设在信号传输中存在载波相位偏移和加性高斯噪声。因此r(t)可以表示为其中是载波相位偏移，且将接收信号与下述两个相移函数进行相关如图2.2.1所示，相关器的输出抽样后输入判决器。使用图2.2.1中所示的锁相环估算接收信号的载波相位偏移，相移和对该相位偏移进行补偿。假设图中所示的时钟与接收信号同步，以使相关器的输出在适当的时刻及时被抽样。在这些条件下两个相关器的输出分别为其中 噪声分量是均值为0，方差为的互不相关的高斯随机变量。最佳判决器计算距离量度1.5 QAM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，可得其中是每个符号的平均信噪比。因此M进制QAM的误码率为 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k1误码率的严格上限 其中是每比特的平均信噪比。2.基于Systemview的QAM系统的研究与设计总模块说明：信源为PN序列，有两种电平信号，经过串并转换后，进入二四进制转换模块，该模块是把二电平的信源信号变成4电平信号，即将0，1交替组合，变成00,11,01,10,各个数据代表不同的幅度，因为是处理串并转换后的信号，所以要处理I路和Q路两路信号，此时频率为信源频率的1/4。随后的输出与载波相乘，进行调制，完成后将两路信号对应位置相加，得到一频率为250Hz的信号，经过有高斯噪声的信道，进入接收端。通过锁相环得到载波信号，与接收到的信号进行相乘，完成解调过程。再将得到的波形经过线性低通滤波器（频率设为300Hz，大于250Hz），进行滤波，随后将波形放大2倍，进入四二进制转换，再进入整流模块，后进入并串转换，随后将两路信号相加，得到总的信号，随后将信号再次进行并串转换，得到最后的波形。参数设置：Token 21 Parameters: Operator: Sampler Interpolating Rate = 50 Hz Aperture = 0 sec Aperture Jitter = 0 sec Max Rate = 50 HzToken 35 Parameters: Operator: Hold Last Value Gain = 2 Out Rate = 100e+3 Hz Max Rate = 100e+3 HzToken 1 Parameters: Source: PN Seq Amp = 3 v Offset = 0 v Rate = 50 Hz Levels = 4 Phase = 0 deg Max Rate = 100e+3 HzToken 14 Parameters: Source: Sinusoid Amp = 1 v Freq = 10.7e+6 Hz Phase = 0 deg Output 0 = Sine t28 Output 1 = Cosine t29 Max Rate (Port 0) = 100e+3 HzToken 20 Parameters: Source: Gauss Noise Std Dev = 500e-3 v Mean = 0 v Max Rate = 100e+3 HzToken 32 Parameters: Operator: Linear Sys Butterworth Lowpass IIR 3 Poles Fc = 100 Hz Quant Bits = None Init Cndtn = Transient DSP Mode Disabled Max Rate = 100e+3 Hz 2.1串并转换模块参数设置：Token 53 Parameters: Source: Sinusoid Amp = 1 v Freq = 0 Hz Phase = 0 deg Output 0 = Sine Output 1 = Cosine t52 t52 Token 48 Parameters:Source: Sinusoid Amp = 1 v Freq = 0 Hz Phase = 0 deg Output 0 = Sine Output 1 = Cosine t47 t54 t54 t47 Token 54 Parameters:Logic: FF-D-1 Gate Delay = 0 sec Threshold = 0 v True Output = 1 v False Output = -1 v Rise Time = 0 sec Fall Time = 0 sec Set* = t48 Output 1 Data = t47 Output 0 Clock = t45 Output 0 Clear* = t48 Output 1 Output 0 = Q t62 Output 1 = Q* Token 45 Parameters: Source: Pulse Train Amp = 2 v Freq = 500 Hz PulseW = 1e-3 sec Offset = -1 v Phase = 90 degToken 54 Parameters: Logic: FF-D-1 Gate Delay = 0 sec Threshold = 0 v True Output = 1 v False Output = -1 v Rise Time = 0 sec Fall Time = 0 sec Set* = t48 Output 1 Data = t47 Output 0 Clock = t45 Output 0 Clear* = t48 Output 1 Output 0 = Q t62 Token 47 Parameters: Logic: FF-D-1 Gate Delay = 0 sec Threshold = 0 v True Output = 1 v False Output = -1 v Rise Time = 0 sec Fall Time = 0 sec Set* = t48 Output 1 Data = t61 Output 0 Clock = t60 Output 0 Clear* = t48 Output 1 Output 0 = Q t54 Output 1 = Q* Token 48 Parameters: Source: Sinusoid Amp = 1 v Freq = 0 Hz Phase = 0 deg Output 0 = Sine Output 1 = Cosine t47 t54 t54 t47 如图，上图为串并模块的原理图，为方便分析，将3个触发器从左到右，从上往下分为A，B，C，当数据输入近来时，如果处于时钟上升沿，则Qc输出数据，当时钟下降沿来临时，由于QA时钟输入信号是上述时钟信号取反后得到，因此在这个下降沿时刻有效，此时QA输出数据，进入QB，并在下一个时钟上升沿来时，同QC一起输出。因此Qc是第一路输出，QB是第二路输出。达到串并转换的目的。 2.2二四进制转换参数设置： Token 66 Parameters: Source: Pulse Train Amp = 2 v Freq = 250 Hz PulseW = 2e-3 sec Offset = -1 v Phase = 90 deg Token 82 Parameters: Source: Sinusoid Amp = 2 v Freq = 0 Hz Phase = 0 deg Output 0 = Sine Output 1 = Cosine t83 Token 81 Parameters: Source: Sinusoid Amp = -2 v Freq = 0 Hz Phase = 0 deg Output 0 = Sine Output 1 = Cosine t83 Token 84 Parameters: Source: Sinusoid Amp = -1 v Freq = 0 Hz Phase = 0 deg Output 0 = Sine Output 1 = Cosine t86 Token 85 Parameters: Source: Sinusoid Amp = 1 v Freq = 0 Hz Phase = 0 deg Output 0 = Sine Output 1 = Cosine t86 Token 73 Parameters: Source: Sinusoid Amp = 1 v Freq = 0 Hz Phase = 0 deg Output 0 = Sine Output 1 = Cosine t72 t72 Token 72 Parameters:Logic: FF-D-1 Gate Delay = 0 sec Threshold = 0 v True Output = 1 v False Output = -1 v Rise Time = 0 sec Fall Time = 0 sec Set* = t73 Output 1 Data = t87 Output 0 Clock = t66 Output 0 Clear* = t73 Output 1 Output 0 = Q t77 t86 Output 1 = Q* 说明：该模块前面部分和串并转换模块是一样的，信号进入该模块，相当于再进行一次串并转换，过程不再多说。然后将两个D触发器输出作为输入，分别控制两个单刀双掷开关，根据不同的数据，使单刀双掷开关按要求输出数据。2.3门限判决四二电平转换子系统 说明：该模块主要是将四电平图形变为二电平图形，与前面的二四电平转换模块相对应，是前模块的逆变换。其中4570，4573，4572是3路相同的输入，它们3路输入和4532两路输出作为控制单刀双掷开关的器件，随着它们值的变化，单刀双掷开关有按电路走向输出电平值，完成整个四二转换过程。当4570输入为0时，4536输进4532的值0被输出，控制后续开关。参数设置： Token 4541 Parameters: Logic: SPDT Switch Delay = 0 sec Threshold = 500e-3 v Input 0 = t4535 Output 0 Input 1 = t4534 Output 0 Control = t4532 Output 0 Token 4536 Parameters:Source: Sinusoid Amp = 1 v Freq = 0 Hz Phase = 0 deg Output 0 = Sine t4532 t4534 t4535 Output 1 = Cosine Token 4544 Parameters:Source: Pulse Train Amp = 1 v Freq = 250 Hz PulseW = 2e-3 sec Offset = 0 v Phase = 0 deg 2.4并串子系统 说明：并串子系统与前面的串并子系统相对应，是前面串并过程的逆过程。4916PN序列频率为250Hz，而后面的PN序列4913频率为500Hz，因此在4913的一个时钟内，4916有两个周期，控制电路连续运行两次，将经过与门，或门，D触发器运算后的数据有序地输出，并使整个过程输出的频率为500Hz。在这个实验中，并串转换经历两次，将输入的250Hz变换成信源的1000Hz。参数设置：Token 4917 Parameters:Source: Pulse Train Amp = 2 v Freq = 100 Hz PulseW = 5e-3 sec Offset = 0 v Phase = 0 degToken 4916 Parameters:Source: Pulse Train Amp = 1 v Freq = 250 Hz PulseW = 2e-3 sec Offset = 0 v Phase = 0 degToken 4915 Parameters: Operator: NOT Threshold = 500e-3 True = 1 False = 0Token 4918 Parameters: Source: Sinusoid Amp = 1 v Freq = 0 Hz Phase = 0 deg Output 0 = Sine Output 1 = Cosine t4909 t4909 t4926 t4926 Token 4913 Parameters: Source: Pulse Train Amp = 1 v Freq = 500 Hz PulseW = 1e-3 sec Offset = 0 v Phase = 0 deg Token 4909 Parameters: Logic: FF-D-1 Gate Delay = 0 sec Threshold = 500e-3 v True Output = 1 v False Output = 0 v Rise Time = 0 sec Fall Time = 0 sec Set* = t4918 Output 1 Data = t4905 Output 0 Clock = t4913 Output 0 Clear* = t4918 Output 1 Output 0 = Q t4922 t5679 Output 1 = Q* 2.5锁相环实行载波同步模块参数设置：Token 167 Parameters:Operator: Linear Sys Butterworth Lowpass IIR 4 Poles Fc = 100 Hz Quant Bits = None Init Cndtn = 0 DSP Mode DisabledToken 169 Parameters: Operator: Linear Sys Butterworth Lowpass IIR 1 Poles Fc = 100 Hz Quant Bits = None Init Cndtn = Transient DSP Mode DisabledToken 170 Parameters: Function: Freq Mod Amp = 1 v Freq = 1e+3 Hz Phase = 0 deg Mod Gain = 5 Hz/v Output 0 = Quadrature (Sin) t166 t173 Output 1 = In-Phase (Cos) t165 t174 该模块主要是为了得到与调制模块相同的载波而建立的。2.6波形图 上图为信源输出图形，该序列为PN序列，有两个电平，频率为1000Hz，幅度为2V上图为末尾输出的图形，上图为信源模块输出（黄色）和最后并串转换后（绿色）输出，可以发现两者除了幅度不同，图形是相同的，只是有一个延迟，说明整个过程是正确的。而如果要得到和信源完全一样的图形，只要在最后部分加一个增益放大模块和一个延迟器件，选择合适参数即可得到和信源一眼的图形。串并转换后输入的第一路数据串并转换后输出的第二路数据二四转换后输出的第一路数据二四转换后输出的第二路数据 上图为I路信号经过线性滤波器后输出的图像上图为Q路信号经过线性滤波器后得到的图形上图为I路第一路信号通过整流电路后的图形上图为I路第二路信号通过整流电路后的图形上图为Q路第一路信号通过整流电路后的图形上图为Q路第二路信号通过整流电路后的图形2.7小结这个实验让我接触到了QAM这种比较高效的调制方式，它是一种信号幅度与相位结合的数字调制方式，信号点不是限制在圆周上，而是均匀地分布在信号平面上，从而使得在同样M值和信号功率条件下，具有很高的抗干扰能力。而且它的信道利用率也很高。16QAM的每个信号点都可视为同相与正交两个分量的矢量合，与同相和正交载波相乘的信号为两个4电平基带信号，分别由输入的二进制序列转换而成。在16QAM信号的解调器中，“低通滤波器”后边接“取样判决器”可以大大提高解调输出的正确性，取样判决器的作用就是最大限度地消除各种不利因素，使信号星座图更加趋于理想16Q