基于SystemView的QAM系统的设计

基于SystemView的QAM系统的设计一、摘要在现代通信中，伴随着大量和远距离数字通信技术的发展，围绕充分节省频谱和高效率利用频带，QAM的运用较为广泛。该设计详细介绍了QAM调制、解调和判决原理，讨论了QAM的误码率性能，并在SystemView5.0下对系统进行了仿真，观察并分析了原始输入信号、调制信号、解调信号、星座图以及信号的功率谱图。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。二、设计目的和意义通过基于SystemView的QAM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，了解和熟悉现代数字调制技术，通过对QAM系统的设计掌握QAM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。由具体QAM系统的的软件仿真，了解QAM技术的一般工作原理及其优缺点。三、设计原理正交幅度调制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（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，如图1所示为二进制QAM（4QAM）的星座图。图14QAM信号星座图1、正交幅度调制原理QAM信号的同相和正交分量可以独立地分别以ASK方式传输数字信号。其数学模型如图2所示。如果两通道的基带信号分别为和，则QAM信号可表示为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umn(t)=AmgT(t)cos(2fct+n)m=1,2…M1,n=1,2…M22、QAM的解调和判决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，…，±（-l），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2QAM调制、解调框图3、QAM的误码率性能分析矩形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＝2k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M=2k/2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2)1(McPP式中MP是M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)13()11(20NEMQPavMM其中Eav/N0是每个符号的平均信噪比。因此M进制QAM的误码率为1(1MPMP)2可以注意到，当k为偶数时，这个结果对M＝2k情形时精确的，而当k为奇数时，就找不到等价的M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k1误码率的严格上限20)1(3211NMEQPavM0)1(34NMkEQavb其中Eav/N0是每比特的平均信噪比.4、SystemView其特点简介(1)强大的动态系统设计与仿真功能SystemView提供了开发电子系统的模拟和数字工具，包含几百种信号源、接收端、操作符和功能块，各功能模块都用形象直观的图符表示，使用SystemView不用编程，只需用鼠标从SystemView库中选择图符，并将他们拖到设计窗口中就可以构造出各种线性和非线性、离散和连续、模拟、数字、模数混合系统以及各种多速率系统，可用于各种线性和非线性控制系统的仿真。由于SystemView的所有图符都有相似的参数定义窗口，我们所做的只是根据需要修改所调用图符的参数。(2)方便快捷SystemView使用了用户熟悉的Windows界面的功能键，用户可以方便快捷地在设计窗口和分析窗口之间切换，对所设计系统进行时域和频域分析，分析窗口中的分析结果以图形直观显示，使得对所设计系统的修改、调试简单易行，达到实时修改、实时显示的操作效果。用户还可以在屏幕上给设计系统加上注解。以上这些特点使得systemview能在工程技术、产品开发、通信系统仿真、信号分析、DSP等方面得以迅速的应用。Systemview已成为当前广泛实用的系统级仿真工具5、SystemView与通信理论的关系计算机仿真技术的基础，是建立工程问题的数学模型。只有建立了工程问题的数学模型，才能通过计算机进行仿真，达到对系统分析和检验的目的。但由于现代通信系统和电子系统的复杂性，在许多时候直接建立数学模型是相当复杂的，也不利于工程使用。因此，在电子系统的分析和设计中，人们一直希望有一种既能按物理概念直接建立分析和仿真模型，又能提供直观数学模型分析和仿真的工具。SystemView就是一种比较适合这两种建模方法的现代通信系统设计、分析和仿真试验工具。四、详细设计步骤QAM系统总的可分为串并转换、调制、解调、判决、并串转换、输出几个模块组成。如图4所示：图3QAM系统总框图图4QAM系统总过程串并转换调制解调信道低通滤波判决并串转换噪声基带信号恢复基带信号1、时钟的设计系统仿真之前首先必须定义这些参数，系统定时直接控制系统的仿真。同时系统定时的设定直接影响系统仿真的精度，采样频率过高会增加仿真的时间，过低则有可能得不到正确的仿真结果。该设计采用的时钟设计如图5所示。在不影响仿真的时间的情况下，设计采样点1500点，采样频率为50Hz。图5系统时钟窗口2、串并转换模块的设计首先将输入信号（5Hz二进制随机数列）进行采样再分做两路，对其中一路进行压缩并保持，得到串并转换后I路输入信号，对另一路延迟一段时间后再进行压缩和保持，得到串并转换后Q路输入信号，具体设计如图6所示，其中采样频率设计为5Hz，压缩为原来频率的一半，延时设计为1个符号周期。图6串并转换模块3、调制解调模块的设计对I路和Q路串并转换后输入信号分别和两个正交的载波信号相乘。即得QAM信号，为模拟实际过程，对QAM信号加入一定的噪声，然后对信号进行解调。解调可采用相干解调的方法，分别乘同相载波，然后经过低通滤波器进行滤波滤除高频分量就可以得到解调后经低通滤波I路信号和Q路信号。具体设计如图7所示，载波（图符8和13）的频率为10Hz，噪声（图符10）幅度0.1V，低通滤波器(图符14和15)设计参数如图8所示。图7调制解调模块图8低通滤波器设置窗口4、判决模块的设计对解调后经低通滤波I路和Q路信号进行采样，然后进行电平比较，最后保持，其输出就是抽样判决后I路和Q路信号，具体设计如图9所示，采样频率设置为2.5Hz，比较器(图符89、90)的设计如图10所示。图9判决模块图10比较器设置窗口5、并串转换模块的设计该模块的设计思想是让抽样判决后I路和Q路信号分别和方波信号相乘，然后把I路信号延迟后和Q路信号相加，对相加后的信号进行采样保持后就是还原后的原始信号了，具体设计如图11所示，脉冲(图符141)频率设置为2.5Hz，延时一个符号周期。图11并串转换模块五、设计结果及分析1、原始信号（对应标号为29）的显示结果：图12原始信号2、串并转换后I路输入信号（标号为的70）显示结果：图13串并转换后I路输入信号3、串并转换后Q路输入信号（标号为71）的显示结果：图14串并转换后Q路输入信号4、加噪后的调制信号（标号为32）的显示结果：图15加噪后的调制信号5、解调后经低通滤波I路信号（标号为33）的显示结果：图16解调后经低通滤波I路信号6、解调后经低通滤波Q路信号（标号为34）的显示结果：图17解调后经低通滤波Q路信号7、抽样判决后I路信号（标号为105）的显示结果：图18抽样判决后I路信号8、抽样判决后Q路信号（标号为104）的显示结果：图19抽样判决后Q路信号9、并串转换后输出信号（标号为37）的显示结果：图20并串转换后输出信号10、信号的功率谱图：图21信号的功率谱图11、对应的星座图：图22对应的星座图输出的信号和原始的信号做对比后可以发现，输出的解调后的信号有一定的时延，这是因为在串并、并串转换过程中对信号的采样保持所造成的，但由于各路采样是同时进行的，所以最后恢复出来的依旧是原始信号，只不过总的延时出现了而已，并没有损失有用信息。同时从信号的功率谱密度图可以看出，QAM调制对带宽的利用率的确要高，体现了QAM调制技术的优越性，为这项技术的发展奠定了基础。六、总结由QAM调制解调原理以及在SystemView下的仿真，可以看到QAM信号具有很高的频带利用率以及较好的信噪比。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较好的选择。七、体会在SystemView软件环境下，按设计要求的内容完成了对“基于SystemView的QAM系统的设计”的设计。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信号调制过程的理解，由于设计过程中运用了通信原理的知识，在做设计的同时又对通信原理的知识做了巩固。在设计的过程中也遇到了很多问题，比如模块参数的设计，由于参数设计的不确切，对设计结果有很大的影响，通过反复的实验和向同学们求助，一步一步的完成了对专业方向的设计。有了这次的专业方向设计，深深的认识到我们所学课程和专业方向设计之间的联系是多么的紧密，通过通信专业方向设计可以把我们所学的知识融会贯通，做再一次的消化和吸收，从中我也感觉到了自己的不足，对知识的掌握力度不够，对知识的变通和运用也不够灵活，今后要加强对综合知识的运用，通过综合的设计全面的掌握通信方面的知识，形成一个体系，为以后的学习和工作打下好的基础。八、参考文献[1]曹志刚、钱亚生.现代通信原理.清华大学出版社.2007年8月[2]王立宁乐光新詹菲.MATLAB与通信仿真.人民邮电出版社.2000年1月[3]罗卫兵.SystemView动态系统分析及通信系统仿真.西安电子科技大学出版社.2002年8月