MQAM调制与解调的设计

1、MQAM 调制与解调的设计与实现摘 要软件无线电是一种开放式的体系结构，通过对通用硬件平台加载软件来实现各种无线通信功能。基于软件无线电的调制解调器是当前通信领域研究的热点之一。调制解调是移动通信中的一项关键技术，它的好坏直接关系着通信系统的性能。随着数字时代发展对信息传输量的增加，各种现代调制解调技术都在追求可靠高速的数据传输。要在统一传输信道中实现多数据传输，需要一种节约有限频谱资源，提高频谱利用率的调制方式。MQAM 技术满足了这一点。这使MQAM 技术在当前通信领域甚至是4G 通信系统中倍受重视。随着对通信、电子信息类人才项目开发能力的需求也不断增加，高校通信教学改革势在必行。本文从培

2、养学生实际动手能力出发，设计出集验证性和设计性于一体，具备较高的综合性和系统性的实验系统。实现一种基于FPGA 的软件无线电MQAM 调制解调实验系统。文章首先介绍了MQAM 技术发展情况，论文核心部分主要阐述了MQAM 调制解调及载波恢复数学模型、软件设计、FPGA 实现方案、测试结果及分析。本文提出了种新的16QAM 快速载波恢复算法及实现方案，并设计了一个更便于人机对话的可视化实验平台。系统采用一个通用硬件平台和模块化的软件设计实现MQAM 调制解调实验系统。通过仿真与实际测试，结果正确且工作稳定可靠。关键字： FPGA，软件无线电，实验系统，MQAM ，调制解调，载波恢复HAbstra

3、ctSoftware radio is an open architecture which central conception is to standardized hardware platform and realize various wireless communication functions via loading softwareModulator and Demodulator based on SoftRadio are focuses in telecommunication areas recentlyModulation anddemodulation is a

4、crucial technology in mobile communiction ，itsperformance can contribute directly to communication systemWith ，A variety of modem modulationdemodulation techniques are seeking stable capability of highspeed rate to satisfy the urgenirequire ofvastcommunication date in the digital era of informationI

5、n order to apply several applications in the same propagation channel，we must improve the bandwidth efficiency to save limited frequency resources and achieve high一speedtransmission rate Therefore the wide-band techniques which isMQAM has become one of focuses of academic and 4G communicationWith th

6、e requirement of capability of project development oftelecommunications and teleinformation engineerThe experiment teaching in the univercity and college must be reformedThis paper gives a quality design of synthesize and systematicness to foster hands on capability and presents adesign of MQAM modu

7、latordemodulator based on software defined radiowith FPGAThe characteristics and overview ofMQAM are firstly introduced，then mathematical structures of the modulator demodulations and carri recovery,design of software，realization of the program based on FPGA and analysis of test results This paper e

8、laborate a new algorithm of 1 6QAM carrier recovery and the design of experiment hardware with visualizaton System bases on a common hardware platform and modular software design toachieve the experiment system ofMQAM modulator demodulator KEY WORDS：FPGA,software radio，experimatal system，MQAM ，目 录摘

9、要 . 1Abstract . 2一、设计目的： . 4二、设计要求： . 4三、调制解调技术 . 41、模拟调制技术 . 4(1幅度调制 . 4(2角度调制 . 52、数字调制技术 . 5(1二进制振幅键控(ASKOOK . 5(2二进制移频键控(FSK . 6(3二进制移相键控(PSK . 6(4正交幅度调制(QAM . 7(5最小频移键控(MSK . 7四、MQAM 调制与解调原理 . 81、MQAM 的调制原理 . 8（1）产生矩形星座MQAM 信号的原理框图及功能介绍: . 9（2）MQAM 调制信号星座图的设计 . 10（3）用DDS 产生正余弦函数原理 . 122、QAM 的解调

10、原理 . 13五、仿真结果及分析 . 13六、程序代码 . 14七、心得体会 . 21八、参考文献 . 22一、设计目的： 1、 掌握MQAM 调制与解调原理。2、 掌握仿真软件使用方法3、 设计16QAM 调制与解调仿真电路，观察仿真结果并与理论情况比较得出结论。二、设计要求： 1、 给出MQAM 的实现框图，说明系统中各主要组成部分的功能。2、 根据选用的软件编好用于系统仿真的测试文件。3、 给出仿真结果及进行分析。4、 独立完成课程设计报告。三、调制解调技术1、模拟调制技术调制的实质是进行频谱交换，经过调制后的已调波应当具有两个特性：一是携带 基带信号信息；二是适合信道传输。模拟调制技术

11、分为幅度调制和角度调制两种。(1幅度调制幅度调制(AM是指用调制信号控制载波的幅值，是一种线性调制技术，实现了调制信号频谱的线性搬移。在幅度调制中主要有调幅(AM，以及抑制其载波分量的双边带调制(DSB、单边带调制(SSB、残留边带调制(VSB。AM 调制实现起来比较简单，但是调制效率低，有用信息的载波功率只占了不到50发射功率。DSB 率除了AM 中不携带信息的载波分量，SSB 只保留了上个可反应全部信息的边带信号，VSB 较SSB 更容易实现。对于幅度调制而言，AM 常用包络检波法解调，其检波输出正比于输入信号的包络变化，为非相干解调。而所有抑制载波分量幅度调制的效率提高了，但是已调信号的

12、包络不再与调制信号的变化相一致，因此不能采用包络检波解调方式，一般都是采用相干解调方式。(2角度调制角度调制是用调制信号控制载波的角度，是一种非线性调制技术，有较好的抗噪声性能。角度调制包括频率调制(FM和相位调制(PM，两者可以互换。FM 指载波的瞬时角频率偏移随调制信号的变化而线性变化，PM 指载波的瞬时相位偏移是调制信号的线性函数。正弦波的频率的变化会引起相位的变化，同样，相位的变化也会引起频率的变化，两者的变化均为角度变化，所以统称为角度调制。在角度调制中已调信号的频谱不再是调制信号频谱的线性搬移，会产生许多新的频谱成分。另外，根据调制前后信号带宽的相对变化可以将角度调制分为窄带角度调

13、制(窄带FM 宽带角度调制和(宽带FM 。对于角度调制而言，其中窄带FM 与AM 信号频谱结构相似，可以看成线性调制，可以采取相干解调或非相干解调，而宽带角度调制只能用非相干解调方式解调。第一代的模拟蜂窝移动通信系统采用的是宽带FM 方式。2、数字调制技术用数字信号控制高频载波，将基带数字信号变换为频带数字信号的过程为数字调制。它与模拟调制的区别主要是基带信号不同，是用数字信号直接控制载波某个参量来实现的(幅度、频率或相位 。下面介绍几种常用的数字调制方式。(1 二进制振幅键控(ASKOOK二进制振幅键控法(ASK的载波幅度是随着调制信号而变化的， 其最简单的形式是，载波在二进制调制信号控制下

14、通断， 此时又可称作开关键控法(OOK。 多电平MASK 调制方式是一种比较高效的传输方式，但由于它的抗噪声能力较差，尤其是抗衰落的能力不强，因而一般只适宜在恒参信道下采用。幅度键控可以通过乘法器和开关电路来实现。载波在数字信号1或0的控制下通或断，在信号为1的状态载波接通，此时传输信道上有载波出现；在信号为0的状态下，载波被关断，此时传输信道上无载波传送。那么在接收端我们就可以根据载波的有无还原出数字信号的1和0。对于二进制幅度键控信号的频带宽度为二进制基带信号宽度的两倍。对ASK 解调的方式有包络检波和相干解调两种方式。包络检波方法为让信号通过一个低通滤波器，然后进行硬判决，得到基带信号信

15、息。如图1所示：图1 二进制振幅键控ASK(2二进制移频键控(FSKFSK 信号产生可以分为：直接调频法和频率键控法。直接调频法是用数字基带矩 形脉冲控制一个振荡器的频率参数，直接改变振荡频率，输出不同的频率信号；频率 键控法是用数字基带矩形脉冲作为控制两个不同频率信号的载波源。对FSK 解调方式有很多，如鉴频法、差分检测法、包络检测法及过零检测法等： 鉴频法是将等幅调频波变换成调幅调频波，再经过振幅检波器(通常为低通滤波器 提取频率变化信息；差分检测法原理是将输入信号与其延迟信号进行比较，检测出不同频率信息；包络检测法是用两个窄带的分路滤波器分别滤出两个频率的子信号，经过包络检波后取出它们的

16、包络，然后经过抽样判决得到基带信号。(3二进制移相键控(PSKPSK 利用载波相位变化来直接表示数据信息，称为绝对移相。一般情况下在+l和-1等概率出现时，二进制移相键控信号的功率谱密度由离散谱和 连续谱组成，其结构与二进制振幅键控信号的功率谱密度相似，带宽也是基带信号带宽 的两倍。相关的调试方式还有DPSK ，是利用现对移相实现数据传输。调制方法相同，只是调制前要对基带信号进行差分编码。信号的抗干扰性优于PSK ，可以解决接收端相位模糊问题。 二进制移相键控PSK 解调只能采用相干解调法。(4正交幅度调制(QAM 同其它调制方式类似，QAM 通过载波某些参数的变化传输信息。在QAM 中，数据

17、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 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。由此，模拟信号频率调制和数字信号FSK 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。类似于其他数字调制方式，QAM 发射信号集可以用星座图方便地表示。星座图上每一个星座点对应发射信号集中的一个信号。设正交幅度调制的发射信号集大小为N ，称之为N-QAM 。星座点经常采用水平和垂直方向等间距的正方网格配置，当然也

18、有其他的配置方式。数字通信中数据常采用二进制表示，这种情况下星座点的个数一般是2的幂。常见的QAM 形式有16-QAM 、64-QAM 、256-QAM 等。星座点数越多，每个符号能传输的信息量就越大。但是，如果在星座图的平均能量保持不变的情况下增加星座点，会使星座点之间的距离变小，进而导致误码率上升。因此高阶星座图的可靠性比低阶要差。(5最小频移键控(MSKMSK 调制是一种特殊的频率调制，可以看成是2FSK 的一种特殊情况。它具有正交信号的最小频差，在相邻符号交界处信号保持连续等特点。其可以用正交调制发产生，与OQPS 信号的产生相类似。只是OQPSK 两路基带信号的矩形波形被正弦形脉冲锁

19、代替。所以从现调制方法角度看，也是一类特殊的QAM 调制。那么对MSK 解调也可同样采用正交相干解调法。以上主要对与MQAM 调制相关的几种调制方式进行了阐述。在次基础上，给出MQAM 调制原理。四、MQAM 调制与解调原理 目前通信领域正处于急速发展阶段，由于新的需 求层出不穷，促使新的业务不断产生，因而导致频率资源越来越紧张。在有限的带宽里要传输大量的多媒体数据，提高频谱利用率成为当前至关重要的课题，否则将 很难容纳如此众多的业务。正交幅度调制(QAM由于具有很高的频谱利用率被DVB-C 等标准选做主要的调制技术。与多进制PSK(MPSK调制不同，OAM 调制采取幅度与相位相结合的方式，因

20、而可以更充分地利用信号平面，从而在具有高频谱利用效率的同时可以获得比MPSK 更低的误码率。1、MQAM 的调制原理正交幅度调制（QAM ）是由两个正交载波的多电平振幅键控信号叠加而成的，在同样的符号速率下能够提供更高的比特传输速率，而不影响传输的可靠性。在高速的无线传输系统中，MQAM 是一类基本的调制方式，在实际中常用16-QAM 及64QAM 这两种QAM 调制技术。MQAM 信号的矢量表达式为：s (t =s f (t +s f (t , i =1, 2,., M i i 11i 22即将其表示为两个归一化正交基函数f1与f2的线性组合。其中： f 1=g T t COS w c t

21、, 0t T s E g t sin w c t , 0t T s g T E g f 2=系数为s =i 1T s0s (t f (t dt =a i 1i 2ic s =i 20T s s (t f (t dt =a is , i =1, 2,., M 2, i =1, 2,., M 2g g式中的Eg 为发送滤波器冲激响应g t （t ）的脉冲能量。（1）产生矩形星座MQAM 信号的原理框图及功能介绍:-sin w c t产生矩形星座MQAM 信号的原理框图 够光滑。两个支路Ik ，Qk 分别与载波的正、余弦值相乘后，再相加即实现了连续相位QAM 调制，当然此时输出的还是数字信 号，再经

22、过D A 转换和相应滤波处理后，就变成模拟信号。分析可以发现QAM 调制仍存在着频繁的相位跳变，相位跳变会产生较大的谐波分量，因此如果能够在保证QAM 调制所需的相位区分度的前提下，尽量减少 或消除这种相位跳变，就可以大大抑制谐波分量，从而进一步提高频谱利用率，同时又不影响QAM 的解调性能。（2）MQAM 调制信号星座图的设计通过对MQAM 信号星座图的优化设计, 可以得到性能各异的MQAM 调制方案。MQAM 信号星座图有圆形星座图、不均匀圆形星座图和方形星座图三大类型。图1 - a 、b 、c 分别示出了16QAM(m= 4 以上三种类型的星座图。在设计圆形星座图时, 当半径比率RR(R

23、R =A2 / A1 很大时, 内环星座点上的欧几里德距离d1变小, 而环间星座点上欧几里德距离d2 变大。因此在外环半径A2 为定值的情况下, 总可以找到一个RR , 使得星座图的最小欧几里德距离最大2 ,从而提高系统的抗高斯白噪声性能。从几何角度上看, 当d1 = d2 = (A2 - A1 = d , 即半径比率RR = A2 / A21177 时, 圆形星座图的最小欧几里德距离dmin 最大, 其参数为:d1 = 2 ·A1 ·cos6715° (8 因此, A2 = (1 + 2 ·cos6715° A1 (9由式(8 和(9 , 可

24、求出圆形星座图的平均功率E0 为:8*A +8*A E =5. 4d 16221202 （10）由(10 式,可求出其最小欧几里德距离dmin :d min =0. 3400 (11并且根据式(8 、(9 和(10 , 可求出圆形星座图的峰值- 均值比为: =(A 22E =(3. 01d 5. 4d 22=1. 7 （12）最后由图1 - a ,可以求出其最小相位偏移min = 45°。而对于不均匀圆形星座图, 当d1 = d3 , 即半径比率RR 2172 时, 其最小欧几里德距离dmin 达到最大。表1 给出了三种类型星座图的参数比较。由表可见, 当信号平均功率E0一定时, 方

25、形星座图的最小欧几里德距离dmin 最大, 不均匀圆形星座图次之, 而圆形星座图最差。即方形星座图抗高斯白噪声能力最强, 最适宜在典型的高斯白噪声信道中使用。但是, 在抗相位抖动及抗非线性失真等性能上, 方形星座图则不如圆形星座图和不均匀圆形星座图, 这是因为其最小相位偏移min 最小, 且峰值- 均值比都大于后两者。因此, 圆形星座图更适宜用于瑞利衰落的无线信道中。另外, 从表1还可以看到, 不均匀圆形星座图仅仅是通过对圆形星座图内外环星座点作重新安排, 就可获得约217dB = 20log( 的性能改善, 而且其抗非线性失真性能也有所提高(= 113< 117 。为了充分利用方形星座

26、图具有高抗高斯白噪声的优点, 并且克服其峰值- 均值比高的缺点, 各种变形的方形星座图得到人们的重视, 如矩形星座图和梯形星座图等。这些星座图除了保持有方形星座图相同的抗高斯白噪声性能外, 还在一定程度上克服了方形星座图的缺陷。MQAM 的高频带利用率是以牺牲其抗干扰性来获得的, 电平数越大, 信号星座点数越多, 其抗干扰性能越差。因此, 除了可以通过选择星座图的类型改善其性能外, 还可以根据不同的传输环境或传输信源的不同, 来自适应地改变MQAM 调制信号的电平数, 即星座点数, 以保证获得预期的传输性能。当然, 在这种情况下, 相应的信号传输速率也随之变化, 这就是所谓变速率MQAM 调制

27、方式。总的来说, 变速m2QAM 调制就是根据衰落信道的传输特性, 或根据传输源的特性自适应地调节信号的调制电平数或信号星座图。 虽然矩形星座图不是最优的星座图结构，但在最小欧式距离给定的情况下，产生具有矩阵星座的MQAM 信号是最容易实现的，且其误符号率只比最优MQAM 结构大，因而得到广泛使用。MQAM 信号的平均信号功率谱主瓣宽度为2Rs ，Rs 为符号传输速率， 等于信息符号速率Rb/（log2M ）。在Rb 一定时，M 越大，其主瓣宽度越大，频带利用率就越高。（3）用DDS 产生正余弦函数原理 同的应用。目前，最常见的信号源类型包括任意波形发生器，函数发生器，RF 信号源，以及基本的

28、模拟输出模块。信号源中采用DDS 技术在当前的测试测量行业已经逐渐称为一种主流的做法。2、QAM 的解调原理在高斯白噪声的环境下，MQAM 信号的最佳解调框图如下：将接收的到的信号采取正交相干解调的方法解调，将接收的信号分成两路，一路与cos w c t 相乘，另一路与sin w c t 相乘。然后经过低通滤波器（积分电路）滤除乘法器产生的高频分量，获得有用信号。低通滤波器输出通过抽样判决可恢复出电平信号。然后经过并/串变换得到恢复数据。矩形MQAM 信号的最佳接收误符号率与MASK 的性能一样。将MQAM 和MPSK 及MASK 进行比较，可以得到以下结论：三者频带利用率都相同，但是在相同的

29、信噪比下，MPSK 和MQAM 的误符号率都小于MASK ；且在M>8的情况下，MQAM 的误符号率小于MPSK 的误符号率。五、仿真结果及分析将用Verilog 高级语言编写的程序在systemview 仿真软件进行编译生成图形文件。 16QAM 调制波形仿真图 经分析其仿真图与理论结果相同，所以此系统设置正确。六、程序代码16QAM 调制源代码 timescale 1ns / 1ps/ / Company: / Engineer: / Create Date: 22:55:47 09/16/2007 / Design Name:/ Module Name: qam16 / Proje

30、ct Name: / Target Devices: / Tool versions: / Description: / Dependencies: / Revision:/ Revision 0.01 - File Created / Additional Comments: /module qam16(clk, clk12p5MHz, reset, x, y; input clk; input clk12p5MHz; input reset; input x;output 17:0 y;reg 1:0 cnt; reg 3:0 x_t,x_t_1; reg 16 : 0 csignal;

31、reg 16 : 0 ssignal; wire 24 : 0 data; wire 4 : 0 a; wire 15 : 0 cosine;wire 15 : 0 sine;/完成输入比特的寄存用于控制DDS 的输出always (posedge clk beginif(!reset beginx_t <= 0;x_t_1 <= 0;cnt <= 0;endelse begincnt <= cnt + 1;x_t_13:0 <= x_t_12:0, x;if(cnt = 0x_t <= x_t_1;elsex_t <= x_t;endendassig

32、n a = 0;assign data = 2684355;/产生相应的同相和正交信号always (posedge clk12p5MHz beginif(!reset begincsignal <= 0;csignal <= 0;endelse begin/ 配置dds 输出信号的幅度值case(x_t 4'b0000: begin / cos+sincsignal16 <= cosine15;csignal15:0 <= cosine15:0;ssignal16 <= sine15;ssignal15:0 <= sine15:0;end4'

33、;b0001: begin / 2cos+sincsignal16:1 <= cosine15:0;csignal0 <= 0;ssignal16 <= sine15;ssignal15:0 <= sine15:0;end4'b0010: begin / cos+2sincsignal16 <= cosine15;csignal15:0 <= cosine15:0;ssignal16:1 <= sine15:0;ssignal0 <= 0;end4'b0011: begin /2cos+2sincsignal16:1 <=

34、cosine15:0;csignal0 <= 0;ssignal16:1 <= sine15:0;ssignal0 <= 0;end4'b0100: begin / -cos+sin/ 这里采用了近似操作，即各位取反，得到相应的负值，/ 会有1的误差，但相对于17比特数，可以忽略不计。csignal16 <= !cosine15;csignal15:0 <= !cosine15:0;ssignal15:0 <= sine15:0;end4'b0101: begin / -2cos+sincsignal16:0 <= !cosine15:

35、0;csignal0 <= 0;ssignal16 <= sine15;ssignal15:0 <= sine15:0;end4'b0110: begin/ -cos+2sincsignal16 <= !cosine15;csignal15:0 <= !cosine15:0;ssignal16:1 <= sine15:0;ssignal0 <= 0;end4'b0111: begin / -2cos+2sincsignal16:0 <= !cosine15:0;csignal0 <= 0;ssignal16:1 <=

36、sine15:0;ssignal0 <= 0;end4'b1000: begin / -cos-sincsignal16 <= !cosine15;csignal15:0 <= !cosine15:0;ssignal16 <= !sine15;ssignal15:0 <= !sine15:0;end4'b1001: begin / -2cos-sincsignal16:0 <= !cosine15:0;csignal0 <= 0;ssignal15:0 <= !sine15:0;end4'b1010: begin / -c

37、os-2sincsignal16 <= !cosine15;csignal15:0 <= !cosine15:0;ssignal16:1 <= !sine15:0;ssignal0 <= 0;end4'b1011: begin /-2cos-2sincsignal16:0 <= !cosine15:0;csignal0 <= 0;ssignal16:1 <= !sine15:0;ssignal0 <= 0;end4'b1100: begin / cos-sincsignal16 <= cosine15;csignal15:0

38、 <= cosine15:0;ssignal16 <= !sine15;ssignal15:0 <= !sine15:0;end4'b1101: begin / 2cos-sincsignal16:0 <= cosine15:0;csignal0 <= 0;ssignal16:1 <= !sine15:0;ssignal0 <= 0;end4'b1110: begin / cos-2sincsignal16 <= cosine15;csignal15:0 <= cosine15:0;ssignal16:1 <= !si

39、ne15:0;ssignal0 <= 0;end4'b1111: begin / 2cps-2sincsignal16:0 <= cosine15:0;csignal0 <= 0;ssignal16:1 <= !sine15:0;ssignal0 <= 0;enddefault: begincsignal <= 0;ssignal <= 0;endendcaseendend/计算调制输出assign y = reset ? csignal16, csignal + ssignal16, ssignal:0;/调用DDS 的IPCore, 用于产生10MHz 的正弦波和余弦波ddsqam ddsqam(.DATA