通信原理课程设计基于SystemView的QAM和MSK调制解调系统的设计

1、目录1 选题背景11.1 背景介绍11.2 设计要求11.3 指导思想12 方案论证13 systemview介绍13.1 systemview软件简介13.2 systemview软件的特点23.3 systemview的图标库33.4 systemview的系统设计窗口34 qam调制解调系统设计44.1 qam调制解调原理44.1.1 qam调制原理44.1.2 qam解调原理64.2 系统设计64.2.1 仿真电路64.2.2 仿真结果65 msk调制解调系统设计115.1 msk调制解调原理115.1.1 msk调制原理115.1.2 msk解调原理125.2 系统设计135.2.1

2、 仿真电路135.2.2 仿真结果136 结果分析176.1 qam调制解调系统结果分析176.2 msk调制解调系统结果分析177 结论及总结17设计体会及今后的改进意见19参考文献资料1 选题背景1.1 背景介绍近年来,移动通信技术专家非常重视正交振幅调制(quadrature amplitude modulation,缩写为qam)技术,它是根据载波的不同幅度和相位代表不同的编码符号,利用了这样的特点来传递信息。qam调制具有抗噪声性强、频带利用率高等特点,被广泛应用于卫星通信和移动通信领域中,尤其适合有线电视电缆传输。由于电磁波恶劣的传播条件、快衰落的影响，使得接收信号的质量急剧下降；

3、同时，随着通信技术的快速发展，业务量急剧增加，频带资源日趋紧张，因而调制技术及调制信号应具有较强的抗干扰能力，信号占用带宽小，以提高频谱利用率，在有限的带宽内尽可能地提高传输数据的比特率，以适应通信系统的窄带数据高速传输的要求。基于这两方面的因素，最小移频键控（msk）等现代数字调制技术在数字移动通信中得到广泛的应用。1.2 设计要求通过基于systemview的qam和msk调制解调系统的设计，熟悉systemview软件在通信系统设计中的具体应用，会使用systemview观察时域波形、频谱、功率谱和星座图的方法掌握现代数字调制技术原理及设计方法，通过对qam和msk系统的设计掌握qam和

4、msk系统调制信号的产生和解调等一般过程和方法，进一步掌握一般通信系统设计的基本方法。1.3 指导思想qam和msk现代调制技术的基本原理与systemview的设计使用方法。2 方案论证方案一：运用信号级的系统仿真软件systemview5.0，根据qam与msk调制与解调系统的原理框图设计相应的调制解调仿真系统，解调是主要采用相干解调。设置合适参数，得到仿真结果，并对结果进行分析整理。方案二：，根据已知qam与msk调制解调系统表达式及原理，运用matlab+simulink对其进行编程建模，得到仿真结果，并对结果进行分析整理。方案选择：由于systemview是信号级的系统仿真软件，特别

5、适用于通信系统仿真的工具，且systemview以模块化和交互式的界面，操作简单方便，一般不需编程，波形分析的功能强大。因此，选择方案一进行系统设计。3 systemview介绍3.1 systemview软件简介systemview是美国elanix公司推出的，基于windows环境的用于系统仿真分析的可视化软件工具。它界面友好，使用方便systemview是一个信号级的系统仿真软件，主要用于电路与通信系统的设计、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、直到复杂的通信系统等不同层次的设计、仿真要求。它可以构造各种复杂的模拟、数字、数模混合及多速率系统，可用于各

6、种线性、非线性控制系统的设计和仿真systemview以模块化和交互式的界面，在大家熟悉的windows窗口环境下，为用户提供了一个嵌入式的分析引擎。使用systemview你只需要关心项目的设计思想和过程，而不必花费大量的时间去编程建立系统仿真模型。用户只需使用鼠标器点击图标即可完成复杂系统的建模、设计和测试，而不必学习复杂的计算机程序编制，也不必担心程序中是否存在编程错误。3.2systemview软件的特点（1）能仿真大量的应用系统 能在dsp、通讯和控制系统应用中构造复杂的模拟、数字、混合和多速率系统。具有大量可选择的库，允许用户有选择地增加通讯、逻辑、dsp和射频模拟功能模块。（2）

7、快速方便的动态系统设计与仿真使用用户熟悉的windows界面和功能键（单击、双击鼠标的左右键），systemview可以快速建立和修改系统，并在对话框内快速访问和调整参数，实时修改实时显示。只需简单用鼠标点击图符即可创建连续线性系统、dsp滤波器，并输入输出基于真实系统模型的仿真数据。不用写一行代码即可建立用户习惯的子系统库（metasystem）。（3）提供基于组织结构图方式的设计通过利用systemview中的图符和metasystem（子系统）对象的无限制分层结构功能，systemview能很容易地建立复杂的系统。（4）多速率系统和并行系统systemview允许合并多种数据采样率输入的

8、系统，以简化fir 滤波器的执行。这种特性尤其适合于同时具有低频和高频部分的通信系统的设计与仿真，有利于提高整个系统的仿真速度，而在局部又不会降低仿真的精度。同时还可降低对计算机硬件配置的要求。（5）完备的滤波器和线性系统设计systemview包含一个功能强大的、很容易使用的图形模板设计模拟和数字以及离散和连续时间系统的环境，还包含大量的fir/iir滤波类型和fft类型，并提供易于用dsp实现滤波器或线性系统的参数。（6）先进的信号分析和数据块处理systemview提供的分析窗口是一个能够提供系统波形详细检查的交互式可视环境。分析窗口还提供一个能对仿真生成数据进行先进的块处理操作的接收计

9、算器。（7）完善的自我诊断功能systemview能自动执行系统连接检查，通知用户连接出错并通过显示指出出错的图符。这个特点对用户系统的诊断是十分有效的。3.3 systemview的图标库图标是systemview仿真运算,处理的基本单元,共分为三大类;第一类包括信号源库,它只有输出端没有输入端;第二个类包括观察窗库,它只有输入端没有输出端;第三类包括其他所有图表库,这类图标都有一定个数的输入端和输出端. 在设计窗口的左边有一个图标库区，一组是基本库（main libraries），共8个。另一组是可选择的专业库（optional libraries）,如通信库、数字信号处理库、逻辑库、射频

10、/模拟库等，支持用户自己用c/c+语言编写源代码定义图标以完成所需自定义功能的用户自定义库（custom），及可调用、访问matlab的函数的m-link库，以及cdma、dvb、自适应滤波器库等。图3-1 基本库图标在上述八个图符中，除双击加法器和乘法器图符按钮可直接使用外，双击其他按钮会出现相应的对话框，应进一步设置图符块的操作参数。单击图符库选择区最上面的主库开关按钮“main”，将出现选择开关按钮“option”下的库（user）、通信库（comm）、dsp库、逻辑库(logic)、射频/模拟库(rf/analog)和数学库（matalab）选择按钮，可分别双击他们选择调用。在设计窗口

11、中间的大片区域就是工作区域，用户可以在这里放置、定义和连接各种图符，建立新的系统。3.4 systemview的系统设计窗口系统视窗第一行为主菜单栏它含有几个下拉式菜单，通过这些菜单可以访问重要的systemview功能，包括：文件（file）、编辑（edit）、参数优选（preferences）、视窗观察（view）、便笺（notepads）、连接（connetions）、编译器（compiler）、系统（system）、图符块（tokens）、工具（tools）和帮助（help）。用鼠标选择各菜单都会下拉显示若干选项。新建或打开设计文件的操作步骤与其它软件相同。图3-2 系统设计窗口4 q

12、am调制解调系统设计正交幅度调制qam是数字通信中一种经常利用的数字调制技术，它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（16qam）、八进制qam（64qam）、 ，对应的空间信号矢量端点分布图称为星座图，如图1所示为二进制qam（4qam）的星座图。图4-1 4qam信号星座图4.1 qam调制解调原理4.1.1 qam调制原理正交振幅调制qam(quadrature amplitude modulation)就是一种频谱利用率很高的

13、调制方式，其在中、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了广泛应用。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变化。所谓正交振幅调制是用两个独立的基带波形对两个互相正交的同频载波进行抑制载波的双边带调制。在这种调制中，已调载波的振幅和相位都随两个独立的基带信号变化。采用多进制正交振幅调制，可记为mqam（m2）。增大m可提高频率利用率，也即提高传输有效性。下面介绍mqam的基本原理。mqam信号表示式可写成其中，ai和bi是振幅，表示为其中，i,j=1,2,，l，当l=1时，是4qam信号；当l=2时，是16qam信号；当l=4时，是

14、64qam信号。选择正交的基本信号为在信号空间中mqam信号点(i,j=1,2,l)图4-2是mqam的星座图，这是一种矩形的mqam星座图。图4-2 mqam信号星座图4.1.2 qam解调原理qam信号采取正交相干解调的方法解调，其数学模型如图2所示。解调器首先对收到的qam信号进行正交相干解调。低通滤波器lpf滤除乘法器产生的高频分量。lpf输出经抽样判决可恢复出电平信号和。因为和取值一般为1，3，（-1），所以判决电平应设在信号电平间隔的中点，即0，2，4，（-2）。根据多进制码元与二进制码元之间的关系，经/2转换，可将电平信号转换为二进制基带信号和。图4-3 qam调制解调框图4.2

15、 系统设计4.2.1 仿真电路图4-4 qam仿真电路4.2.2 仿真结果仿真结果除了观察各信号接收器的波形外，还分别比较了i路和q路解调输出信号和输入原码（图4-12，4-13），输出i路和q路解调输出信号的功率谱和星座图（图4-14，4-15，4-16）图4-5 i路原码图4-6 q路原码图4-7 i路输入波形图4-8 q路输入波形图4-9 i与q路叠加波形（有噪声）图4-10 i路解调波形图4-11 q路解调输出图4-12 i路原码与解调输出比较图4-13 q路原码与解调输出比较图4-14 i路解调输出功率谱图4-15 q路解调输出功率谱图4-16 qam星座图5 msk调制解调系统设计

16、5.1 msk调制解调原理最小频移键控（minimum shift keying）是二进制连续相位fsk（cpfsk）的一种特例，它能够产生恒定包络、连续相位信号，具有正交信号的最小频率间隔，在相邻码元交界处相位连续。所谓“最小”是指这种调制方式能以最小的调制指数(0.5)获得正交信号；而“快速”是指在给定同样的频带内，msk能比2psk的数据传输速率更高，且在带外的频谱分量要比2psk衰减的快。msk信号具有如下特点：（1）已调信号的振幅是恒定的；（2）信号的频率偏移严格地等于，相应的调制指数；（3）以载波相位为基准的信号相位在一个码元期间内准确地线性变化；（4）在码元转换时刻信号的相位是连

17、续的，或者说，信号的波形没有突跳。5.1.1 msk调制原理msk信号的时域表达式为：式中，表示载波频率；a 表示已调信号振幅；表示码元宽度；表示第个码元中的信息，其取值为；表示直到时的累积（记忆）相位值。由于，故msk信号也可以看作是由两个彼此正交的载波与分别被函数与进行振幅调制而合成的。已知因而故msk信号可表示为式中，等号后面的第一项是同相分量，也称分量；第二项是正交分量，也称分量。和称为加权函数（或称调制函数）。是同相分量的等效数据，是正交分量的等效数据，它们都与原始输入数据有确定的关系。令，可得，式中，。根据上式，可构成一种msk调制器，其方框图如图5-1所示。图5-1 msk调制器

18、原理图5.1.2 msk解调原理由于msk信号调制指数较小，采用一般鉴频器方式进行解调误码率性能不太好，因此在对误码率有较高要求时大多采用相干解调方式。图5-2是msk信号相干解调器原理图，其由相干载波提取和相干解调两部分组成。图5-2 msk信号相干解调器原理图5.2 系统设计5.2.1 仿真电路图5-3 msk仿真电路5.2.2 仿真结果图5-4 原码图5-5 差分编码图5-6 i路输入图5-7 i路加权图5-8 q路输入图5-9 q路加权图5-10 msk调制输出（无噪声）图5-11 msk调制输出（有噪声）图5-12 解调输出波形图5-13 msk调制输出（无噪声）功率谱图5-14 m

19、sk调制输出（有噪声）功率谱6结果分析6.1 qam调制解调系统结果分析（1）由4-12和4-13可得，i路和q路解调输出的信号与原码接近，经过电平判定比较后可以得到有时间偏移原码信号。（2）由4-14和4-15可得，i路和q路解调出来的信号的功率多集中在020hz的频率范围内，且呈现衰落的形势，i路和q路原码设置的频率为10hz，符合实际情况。（3）由4-16可得，此qam调制系统为16qam调制系统。6.2 msk调制解调系统结果分析（1）由5-4和5-12比较可得，msk解调输出的信号与原码接近，但在时间上有延迟。（2）由5-10可得，在无噪声情况下msk已调信号的振幅是恒定的。（3）由

20、5-13和5-14，msk已调信号在40hz处功率达到峰值，又因为设置的载波频率为40hz，功率谱结果符合实际情况。7 结论及总结本次课程设计的主要任务就是用systemview软件仿真qam和msk的调制与解调系统，经过一段时间的努力，系统仿真完成。 1. 对qam和msk调制解调系统基本原理进行了较为深入地理解与分析，并且根据其原理构建了systemview的仿真模型，学会了观察功率谱星座图的方法。 2. 较为熟悉地掌握了systemview软件在通信系统设计与仿真的基本步骤与方法。3. 利用systemview实现了简单qam调制与解调系统的设计，实现与仿真，并得到相应的调制解调波形，但

21、qam解调时缺乏对信号的电平判决，只是通过与原码合并到一个窗口中进行粗略比较判定，在此方面的设计还欠缺。4. 利用systemview实现了msk调制与解调系统的设计，发现解调信号波形与输入信号波形存在一定时延，所以该系统的实时性有不足。设计体会及今后的改进意见经过这一周的通信原理课程设计的学习让我受益匪浅。在通信原理设计课程即将结束之时，我对在这周来的学习进行了总结，总结这一周来的收获与不足。取之长、补之短，在今后的学习和工作中有所受用。本周的课程设计使用了systemview软件对qam和msk调制和解调系统进行了仿真。通过这次设计，我熟练得掌握了systemview环境下的操作方法和步骤，通过对设计内容的理解和认识，进一步加深了对qam和msk信号调制解调过程的理解，由于设计过程中运用了通信原理的知识，在做设计的同