基于SystemView的QAM调制解调系统的研究仿真

1、目 录中文摘要、关键词1绪 论21.1 应用背景21.2 QAM技术改进21.3 仿真软件SystemView简介21.4 论文内容及结构安排32 QAM调制解调理论研究42.1 QAM基本原理42.2 MQAM调制的一般过程52.3 MQAM解调的一般过程52.4 信号星座图63 基于SystemView的4QAM系统仿真93.1 系统仿真电路93.2 串/并转换子系统103.3 抽样判决子系统113.4 并/串转换子系统123.5 系统仿真结果133.5.1 输入与输出信号波形133.5.2 I路信号波形133.5.3 Q路信号波形143.5.4 眼图153.5.5 星座图163.5.6

2、信号功率谱163.6 系统误码率测试173.6.1 系统改进173.6.2 误码率波形18结 论20参考文献21英文摘要、关键词22基于SystemView的QAM调制解调系统的研究仿真摘要：通信技术更新换代迅速，新型业务不断出现，庞大的数据量对传输信道带宽有着越来越高的要求。然而目前可利用的频带资源却十分有限，为保证传输效率，提高频带利用率成为了当下研究的突破点。正交幅度调制（QAM）是一种幅度和相位联合调制的技术，与传统调制方式的不同在于其调制信号的相位和幅度都带有基带信息，因此它可以更加充分地利用整个信号平面从而提高频谱的利用率。QAM在各种高速通信系统（ADSL，DVB等）有着广泛的应

3、用，在当前形式下能更好的解决带宽紧张的问题。本文对QAM调制解调的基本原理进行了理论分析，给出了其调制和解调的功能框图，并结合星座图对其抗噪声性能进行了分析比较。在此基础上，通过仿真软件SystemView建立了4QAM传输系统并进行模拟仿真。之后对仿真结果进行分析，给出了信号波形图、眼图、星座图，以直观的方式验证了QAM系统的可靠性和高效性。最后通过对仿真电路的改进，也得到了系统的误码率曲线。关键字：正交幅度调制 调制原理 SystemView 星座图绪 论1.1 应用背景在现代通信系统中，随着大容量及高速率通信的发展，新的问题开始出现。图像、视频等多媒体业务要求更大的信道容量，然而可用频带

4、资源有限，不能通过无限增加频道数目来解决这些矛盾。传统数字调制方式的应用受到了限制，因此需要新的数字调制技术以实现在有限带宽内保证高效、可靠的信息传输。在已研究出的新型数字调制方式中，正交幅度调制（QuadratureAmplitudeModulation，简称QAM）表现出良好的性能，尤其是多进制QAM具有高频谱利用率、高功率谱密度等优势。并且QAM已经成为宽带无线接入及无线视频通信的重要技术方案。关于QAM调制解调技术的分析仿真对于其理论研究和工程应用具有重要意义。1.2 QAM技术改进单独采用振幅调制或者相位调制传输信息时，无法最充分地利用信号平面，这可以由矢量图中信号矢量端点的分布直接

5、观察到。采用多进制振幅调制时，信号矢量端点在一条轴上分布；采用多进制相位调制时，信号矢量端点在一个圆上分布。两种方式中，随着进制数M的增大，已调信号矢量端点增多，相互之间的最小距离都会随之减小，由此导致判决时错误概率的增大。1QAM则是振幅调制与相位调制相结合的调制方式，它同时利用了载波幅度和相位的变化来传递信息比特。这种方式常称为数字复合调制方式，或称为幅相键控方式（Amplitude Phase Keying，简称APK），两个正交载波的幅相键控即为正交振幅调制。其调制信号矢量端点在整个信号平面内合理地分散分布，在不减小最小距离的情况下，增加了信号矢量端点的数目，即能传输更多的信息量。1.

6、3 仿真软件SystemView简介SystemView是一个用于现代工程与科学系统设计及仿真的动态系统分析平台。从滤波器设计、信号处理、完整通信系统的设计与仿真，直到一般系统的数字模型建立等各个领域，SystemView在友好且功能齐全的窗口环境下，为用户提供了一个精密的嵌入式分析工具。2SystemView支持嵌入式系统和多层子系统、全部的逻辑功能、开关和非线性装置组件，完整的信号源，内部系统诊断和连接检查，分析窗口的多图显示，在线帮助系统，能够快速方便地设计、开发和测试各种系统，是目前国际上较优秀的系统设计和仿真软件。SystemView在工程技术、产品开发、通信系统仿真、信号分析、DS

7、P等方面得以迅速的应用。1.4 论文内容及结构安排本文在对QAM调制解调的基本原理进行理论研究的基础上，构建4QAM数字传输系统，通过SystemView仿真平台实现了系统的建立及实验验证。各章节安排如下：第一章简单介绍了新型调制技术的应用背景、QAM相比于传统调制方式的优越之处及仿真软件的特点。第二章分析了QAM调制解调的原理，给出了实际实用中MQAM系统中调制和解调的功能框图。最后通过理论星座图的分析对比，比较了QAM调制系统与PSK调制系统的抗噪声性能的差异。第三章基于前面所研究分析的内容，设计了4QAM数字传输系统，利用SystemView建立仿真模型，并进行性能验证。仿真表明所构建的

8、4QAM数字传输系统在允许一定失真的情况下可以实现信号的良好传输。第四章对本文所完成的工作进行了总结，并对后续研究工作提出了一些想法和建议。2 QAM调制解调理论研究2.1 QAM基本原理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。正交振幅调制信号的一般表达式为：(2.1)式(2.1)中，g(t)是高度为1、宽度为T的单个基带信号的矩形波形；An是基带信号可能取的N种不同电平值；n是载波可能取的M种不同的相位。并且式中，P1+P2+PN=1，P1+P2+PM=1。显然，QAM信号的可能状态

9、数为M×N。若M=N=2，则可合成4QAM信号；若M=N=4，则可合成16QAM信号。式(2.1)还可以变换为正交表示形式：(2.2)令则式(2.2)变为：(2.3)由此可见，QAM可看成两个正交载波调制信号之和。32.2 MQAM调制的一般过程QAM信号可以用正交调制的方法产生，其调制原理框图如图所示。图中，输入的二进制信息首先经过串/并变换器分成两路并行码流序列，同时速率减为原来的一半，之后再分别经过2电平到L电平的变换，从而形成L电平的基带信号。这里的L由调制系统的进制数所决定，即L2=M。该L电平的基带信号还要经过低通滤波器，以便滤除己调信号的带外辐射，最终形成同相和正交支路

10、的输入信号。最后两路信号再分别和同频的余弦载波以及正弦载波进行相乘，将得到的两路信号相加就得到了的己调制的QAM信号。4图2.1 QAM调制过程2.3 MQAM解调的一般过程MQAM信号的解调通常采用正交相干解调法，其解调原理框图如图2.2所示。解调器的输入信号为带有噪声的已调MQAM信号，将其与本地恢复的余弦和正弦载波信号进行相乘后，再经过低通滤波输出两路多电平基带信号。多电平判决器对这两路多电平信号进行判决、检测，再分别进行L电平到2电平转换和并/串变换器，最终可还原出调制端的输入二进制信息。4图2.2 QAM解调过程2.4 信号星座图在多进制数字调制系统中，为了直观分析信号特点，通常用星

11、座图（Signal Constellation Diagram）来表示已调信号，这里星座图指信号矢量端点在复平面上的分布图3。星座图对于判断调制方式的误码率等有很直观的作用。当分别采用4QAM、16PSK和16QAM调制方式时，信号的星座图分别如下三幅图所示：图2.3 4QAM信号星座图图2.4 16PSK信号星座图图2.5 16QAM信号星座图假定已调信号的最大幅度为1，可算出MPSK星座图上信号点之间的最小距离为而MQAM星座图上信号点之间的最小距离为比较上述两个公式可得如下结论：当M=4时，d4PSK=d4QAM，即4PSK和4QAM的星座图相同。当M>4时，例如M=16，则可算出

12、d16PSK=0.39，d16QAM=0.47。上述分析说明，4PSK与4QAM的抗噪声能力相当；但当M>4时，QAM系统的抗噪声性能会优于PSK系统。当M=16时，d4PSK<d4QAM，可看出16QAM的抗噪声性能优于16PSK。3当M较大时，MQAM系统的抗噪声性能的优势会更加明显。3 基于SystemView的4QAM系统仿真3.1 系统仿真电路本次设计以SystemView 5.0为仿真平台，对4QAM系统进行了仿真并分析。QAM系统总过程可分为串/并转换、发送滤波、正交调制、信道传输、相干解调、低通滤波、抽样判决、并/串转换、输出显示等几个模块。4QAM系统中省略了电平

13、变换模块，总体仿真电路如图3.1所示：图3.1 基于SystemView的4QAM系统仿真电路在上图中，图符0是发送信号源，以1000Hz的速率随机生成电平值为+1或-1的二进制码流；图符39是串/并转换子系统；图符37、38是预调制低通滤波器；图符8是频率为1kHz的载波发生器，与乘法器6、7共同组成正交调制器；图符9模拟具有加性噪声的信道，高斯噪声源10的标准差是0.1V，均值为0V；图符13是接收端恢复载波，为了简单起见，这里省略了载波提取的过程，其与乘法器11、12共同组成相干解调器；图符14、15为低通匹配滤波器；图符44是抽样判决子系统；图符49是并/串转换子系统；图符30、31完

14、成二进制信号的恢复；图符33、33、34、35为显示模块，用于仿真分析。系统时钟设置为：开始时间0s，采样频率5kHz,，采样点数2048个。各图符参数设置如下表所示：表3.1 4QAM系统仿真电路参数图符序号图符名称参数设置0伪随机PN序列发生器Amp=1V, Offset=0V, Rate=1kHz, Levels=237, 38, 14, 15线性系统与滤波器Butterworth Lowpass IIR, 3 Ploes, Fc=500Hz6, 7, 11, 12乘法器无8, 13正弦信号发生器Amp=1V, Freq=1kHz9加法器无10高斯噪声产生器Std Dev=0.1V, M

15、ean=0V39子系统串/并转换子系统44子系统抽样判决子系统49子系统并/串转换子系统30采样器Rate=1kHz31保持器Gain=1, Hold Last Sample32, 33, 34, 35观察窗无各子系统功能原理及内部参数设置在下面详细说明。3.2 串/并转换子系统如上文所述，串/并转换子系统的功能是将码元速率为Rb的输入二进制码流变换成两路速率减半即Rb/2的双电平序列，即将一路串行数据变为并行的两路。其内部具体电路如下图所示：图3.2 串/并转换子系统电路图图中49输入的二进制信号速率为1kHz，采样器2、3均以500Hz的速率进行采样。在下支路还加入了延时，延时时间为一个基

16、带码元时间，这样上下两路交错采样，上支路即同相I支路采样偶数码元，下支路即正交Q支路采样奇数码元。电路中详细参数设置如表3.2所示：表3.2 串/并转换子系统参数设置图符序号图符名称参数设置40输入输出端口子系统输入端口1时间延迟2, 3采样器Rate=500Hz4, 5保持器Gain=1, Hold Last Sample42, 43输入输出端口子系统输出端口3.3 抽样判决子系统接收端经过相干解调，低通滤波之后，得到含有低频分量及较多毛刺的基带信号，抽样判决子系统的作用便是从中恢复出理想波形的基带信号。两路信号的速率均是500Hz，内部具体电路如下图所示：图3.3 抽样判决子系统电路图图中

17、，采样器16、17分别对同相支路和正交支路进行采样；阶跃信号产生器21用于产生电平值为0V的参考信号，并由采样器22对参考信号进行采样；比较器19、20将两路信号采样值同参考信号采样值进行比较，判决出原始信号是+1V或是-1V，并输出锯齿波形信号；保持器23、24将锯齿波变换成矩形波，即恢复出两路基带信号。其详细参数设置如下表所示：表3.3 抽样判决子系统参数设置图符序号图符名称参数设置45, 46输入输出端口子系统输入端口16, 17, 22采样器Rate=500Hz19, 20比较器Comparison=>, True Output=1V, False Output=-1V21阶跃信

18、号发生器Amp=0V, Start=0s, Offset=0V23, 24保持器Gain=1, Hold Last Sample47, 48输入输出端口子系统输出端口3.4 并/串转换子系统抽样判决子系统输出两路速率为500Hz的二进制信号，为还原出原始信号，还应将两路并行的码流融合成一路串行码流，最终输出为速率同原始信号相同的1kHz的二进制信号。其电路图如下所示：图3.4 并/串转换子系统并串转换时，用频率为500Hz的方波脉冲与恢复出的两路输出波形相乘，取出同相和正交通道的波形信息，两路非归零二进制码变换成归零二进制码流。再将同相支路延迟一个码元宽度的时间使两路信号错开，这样便抵消了串/

19、并转换时正交支路的延迟，之后两路信号相加，便分别恢复偶数码元和奇数码元时刻的电平值。电路具体参数设置如下表：表3.4 并/串转换子系统参数设置图符序号图符名称参数设置50, 51输入输出端口子系统输入端口25, 26乘法器无27方波序列发生器Amp=1V, Freq=500Hz, PulseW=0.001s,Offset=0V, Phase=0º28时间延迟29加法器无52输入输出端口子系统输出端口3.5 系统仿真结果3.5.1 输入与输出信号波形为便于观察分析，设置系统采样点数为256并进行仿真，得到原始输入信号和恢复输出信号分别如图3.5和图3.6所示：图3.5 输入信号波形图3

20、.6 输出信号波形对比上面两幅图可以看出，系统输出端成功恢复了原始输入信号，只是经过传输过程而产生了一定的时间延迟。由此，可验证出此系统的可行性。3.5.2 I路信号波形同相支路各阶段信号波形如下列各图所示：图3.7 I路调制信号波形图3.8 I路解调端低通滤波输出波形图3.9 I路判决输出波形3.5.3 Q路信号波形正交支路各阶段信号波形如下列各图所示：图3.10 Q路调制信号波形图3.11 Q路解调端低通滤波输出波形图3.12 Q路判决输出波形3.5.4 眼图为得到理想的图形效果，设置系统采样点为2048后再次运行，接收计算器中设置起始时间0s，长度0.004s，绘出同相支路和正交支路低通

21、滤波后信号眼图如下两图所示：图3.13 I路低通滤波后信号眼图图3.14 Q路低通滤波后信号眼图3.5.5 星座图QAM系统信号经过相干解调后的I、Q两个支路的信号幅度分别作为新的图形的横纵坐标，产生了该系统的星座图，如下所示：图3.15 4QAM信号星座图观察上图，可以清晰看到QAM信号矢量端点的点群分布，星座点在2维复平面空间内基本均匀地集中于4个区域，与理论图形基本一致。图中各已调信号矢量的相位和幅度均产生变化，且点群分布有相当明显的距离。由原理可知，点群分布距离越大，允许的噪声就越大，信号抗误码能力也就越强，这说明QAM系统具有较好的误码率性能。3.5.6 信号功率谱系统输入信号和QA

22、M信号的功率谱分别如下列两图所示：图3.16 输入信号功率谱图3.17 QAM信号功率谱由功率谱图可看出，输入信号的主瓣分布在1000Hz以内，即要无失真传输该信号需要的带宽至少为1kHz。QAM信号的主瓣分布在500Hz至1500Hz之间，中心频率为1kHz，即载波频率。对比旁瓣高度可知，QAM信号的能量主要集中在主瓣内，这说明其主要能量用于传输携带的信号，从而验证了QAM调制高功率谱密度的特点。3.6 系统误码率测试3.6.1 系统改进为了测试系统的误码率，需要对所建立的系统进行改进。主要是加入高斯噪声增益控制和BER计算功能。改进后的系统仿真电路如图3.18所示。在改进电路中，增加的图符

23、有53、54、55、56和57。图符53是增益器，用于控制高斯噪声强度以改变系统信噪比。图符54是延时器，将原始信号与输出信号进行位同步以便计算误码率。图符55对信号进行采样。图符56是BER计数器，依据采样器30、55的输出波形计算比特误码率。图符57是终值接收计算器，每次系统循环结束时，显示当前循环内接收的误码率均值。系统时钟配置为：开始时间0s，采样频率5kHz,，采样点数16384个，循环次数5次。图3.18 改进后系统误码率测试仿真电路对图符53增益控制器进行全局参数链接。其增益随系统循环次数而改变，关系式为Gi=2×cl，式中Gi是增益参数，cl是系统当前循环运行次数。噪

24、声增益每次循环时减小2dB。对图符54采样点延迟器进行设置时，需要知道原始信号与输出信号数据间相差多少个采样点。在噪声设置为0时运行系统，对原始信号和输出信号进行交叉相关运算即可求得系统群延时。具体方法可参考相关资料，此处不再说明。实际运行时得到本系统群延时为15个采样点。图符10、5357的详细参数设置如下表所示。表3.5 噪声增益控制及BER相关图符参数设置图符序号图符名称参数设置10高斯噪声产生器53增益控制器Gain Uints=dB Power, Gain=-2dB54采样点延迟Delay=15 samples55采样器Rate=1kHz56BER计数器No. Trials=1bit

25、/s, Threshold=0.3V, Offset=15Bits57终值接收器无3.6.2 误码率波形系统循环运行5次后，终值接收器统计到的各次循环BER均值如下图：图3.19 各次循环运行误码率计算结果在分析窗口中利用接收计算器可绘出误码率曲线。设置横坐标信噪比的起始值为1dB，单位刻度为2dB。再将纵坐标取对数坐标，得到误码率曲线如下图：图3.20 误码率曲线观察上述两图可知，系统的误码率与理论图形基本一致，循环次数增加时，可得到更加平滑的波形图。结 论本文主要对正交幅度调制的特点、原理进行了分析，较高的频谱利用率使其在频带资源日益紧张的形势下得以广泛应用。文中的主要内容有：(1) 对当

26、前通信技术发展带来的新挑战进行简要说明，传统的数字调制方式因其弊端也不能适应新形势下的应用。(2) 由解决问题的出发点引出了正交幅度调制技术，并与传统的调幅、调相技术进行了技术上的简单比较。(3) 对正交幅度调制进行了细致的理论分析，详细介绍了调制解调的一般过程，结合星座图对其误码性能进行分析。(4) 以SystemView为仿真平台，建立了4QAM数字通信系统，通过实际运行仿真及结果分析验证了QAM系统的有效性和可靠性。论文中同样有很多不足之处，比如对QAM的理论分析还不够彻底。只对较简单4QAM系统进行了仿真，而更复杂的16QAM系统更能体现出这种技术的优势所在。从仿真结果中可看出眼图、星

27、座图、误码率曲线并不是十分理想，还需进一步的调整优化。参考文献1 李翠华. 基于SystemView的16QAM调制与解调J. 科技广场, 2009 (3): 46-47.2 戴志平, 梅进杰, 罗菁, 陈振云. SystemView数字通信系统仿真设计M. 北京邮电大学出版社, 2011.3 孙青华, 郑艳萍, 张星. 数字通信原理M. 北京邮电大学出版社, 2007.4 朱泳霖. QAM调制解调技术研究及其FPGA实现D. 中南大学, 2010.5 吕海军, 陈前斌, 吴小平. 基于SystemView的16QAM调制解调系统的设计与仿真J. 通信技术, 2008 (12): 113-11

28、5.6 樊昌信, 曹丽娜. 通信原理M. 国防工业出版社, 2006.7 陶为戈, 钱志文. QAM编解码系统的System View仿真实现J. 现代电子技术, 2006, 29(13): 41-42.8 田竹梅, 李艳萍. 基于SYSTEMVIEW的QAM调制与解调的仿真研究J. 长春师范学院学报: 自然科学版, 2010 (4): 50-53.9 陈国平. QAM调制分析与其SystemView仿真实现J. 信息通信, 2007, 19(6): 28-30.10 杨亮, 齐林, 刘艳霞. 基于SystemView的比特误码率测试的仿真J. 现代电子技术, 2005, 28(2): 109

29、-111.Research and Simulation of QAM Modulation and Demodulation System Based on SystemViewAbstract: With rapidlyupgrading of communication technology, new kinds of businesses emerges, and the huge amount of data requires suffcient transmission channel bandwidth. However, the current available bandwi

30、dth is very limited , in order to ensure efficiency of the transmission, improving bandwidth efficiency has become a new direction of the study. Quadrature amplitude modulation (QAM) is a technique combining amplitude modulation and phase modulation. Dislike the traditional modulations, phase and amplitude of the signals are modulated with baseband information, so that it can f