正交振幅调制

《通信原理》课程设计报告二○一三～二○一四学年第一学期学号姓名班级电子工程系《通信原理及系统课程设计》报告-2-目录第一章绪论........................................41．1QAM简介.........................................4第二章正交振幅调制....................................52．1MQAM信号的星座图...............................52.2QAM的调制解调原理..............................6第三章16QAM调制解调系统实现与仿真......................63.116QAM调制模块的模型建立与仿真...................73.1.1串并转换模块....................................73.1.22/4电平转换模块................................93.1.3其余模块与调制部分的结果......................103.216QAM解调模块的模型建立与仿真...................113.2.1相干解调......................................113.2.24/2电平判决与毛刺消除仿真电路.................113.2.3并串转换与最终解调结果对比.....................13第四章仿真结果分析及总结.............................154.1仿真结果分析....................................154.2总结............................................15《通信原理及系统课程设计》报告-3-第一章绪论1.1QAM简介随着现代通信技术的发展，特别是移动通信技术高速发展，频带利用率问题越来越被人们关注。在频谱资源非常有限的今天，传统通信系统的容量已经不能满足当前用户的要求。正交幅度调制QAM(QuadratureAmplitudeModulation)以其高频谱利用率、高功率谱密度等优势，成为宽带无线接入和无线视频通信的重要技术方案。正交振幅调制QAM(QuadratureAmplitudeModulation)是一种频谱利用率很高的调制方式，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。作为国际上移动通信技术专家十分重视的一种信号调制方式之一，正交振幅调制（QAM）在移动通信中频谱利用率一直是人们关注的焦点之一。正交振幅键控是将两种调幅信号（2ask和2psk）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。正交振幅调制QAM(QuadratureAmplitudeModulation)是一种频谱利用率很高的调制方式，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。第二章正交振幅调制2.1MQAM信号的星座图正交振幅调制（QAM）是一种矢量调制，它是将输入比特先映射（一般采用格雷码）到一个复平面（星座）上，形成复数调制符号。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和。这样与之作幅度调制（AM）相比，其频谱利用率高出一倍。《通信原理及系统课程设计》报告-4-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。目前QAM最高已达到1024QAM。样点数目越多，其传输效率越高。但并不是样点数目越多越好，随着样点数目的增加，QAM系统的误码率会逐渐增大，所以在对可靠性要求较高的环境，不能使用较多样点数目的QAM。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。MQAM信号表示式可写成)sincos(2)(twBtwATtSciciBMQAM其中，Ai和Bi是振幅，表示为)12()12(jBjiAi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64QAM信号。选择正交的基本信号为twTttwTtcBcBsin2)(cos2)(21在信号空间中MQAM信号点jiijBAS(i,j=1,2,…,L)MQAM的星座图是一种矩形的MQAM星座图。MQAM信号星座图《通信原理及系统课程设计》报告-5-为了说明MQAM比MPSK具有更好的抗干扰能力，图2.1.2示出了16PSK和16QAM的星座图，这两个星座图表示的信号最大功率相等，相邻信号点的距离d1，d2分别为：2DPSKAAd39.016sin2116QAMAMd47.01162122结果表明，d2d1，大约超过1.64dB。合理地比较两星座图的最小空间距离应该是以平均功率相等为条件。可以证明，在平均功率相等条件下，16QAM的相邻信号距离超过16PSK约4.19dB。星座图中，两个信号点距离越大，在噪声干扰使信号图模糊的情况下，要求分开两个可能信号点越容易办到。因此16QAM方式抗噪声干扰能力优于16PSK。MQAM的星座图除正方形外，还有圆形、三角形、矩形、六角形等。星座图的形式不同，信号点在空间距离也不同，误码性能也不同。MQAM和MPSK在相同信号点数时，功率谱相同，带宽均为基带信号带宽的2倍。16QAM即16进制正交振幅调制，它是一种振幅/相位联合键控（APK)体制。16QAM的产生有2种方法：（1）正交调幅法，它是有2路正交的四电平振幅键控信号叠加而成；（2）复合相移法：它是用2路独立的四相位移相键控信号叠加而成。16QAM信号的振幅和相位作为两个独立的参量同时受到调制。故这种信号序列的第k个码元可以表示为：Sk(t)=Akcos(w0t+φk)kTt≤(k+1)T(1-1)式中，k=整数；Ak和φk分别可以取多个离散值。式(1-1)可以展开为：Sk(t)=Akcosφkcosw0t-Aksinφksinw0t(1-2)令Xk=Akcosφk(1-3)《通信原理及系统课程设计》报告-6-Yk=-Aksinφk(1-4)将式(1-3)和式(1-4)代入式(1-2)得：Sk(t)=Xkcosw0t+Yksinw0t(1-5)由上式可见，16QAM信号可以由两路独立的正交4ASK信号叠加而成，因此，这里采用正交调幅法。正交幅度调制是利用多进制振幅键控（MASK）和正交载波调制相结合产生的。2.2QAM的调制解调原理MQAM的调制解调框图如图2.2.1所示。在发送端调制器中串/并变换使得信息速率为Rb的输入二进制信号分成两个速率为Rb/2的二进制信号，2/L电平转换将每个速率为Rb/2的二进制信号变为速率为Rb/（2lbL）的电平信号，然后分别与两个正交载波相乘，再相加后即得MQAM信号。在接收端解调器中可以采用正交的相干解调方法。接受到的信号分两路进入两个正交的载波的相干解调器，再分别进入判决器形成L进制信号并输出二进制信号，最后经并/串变换后得到基带信号。MQAM调制MQAM的解调图2.2.1MQAM调制解调框图《通信原理及系统课程设计》报告-7-第三章16QAM调制解调系统实现与仿真根据第二章的16QAM调制解调原理的讲解，画出16QAM的调制解调框图如下所示：串/并转换2/4电平转换2//4电平转换LPFLPF相加LPFLPF4/2电平抽样判决4/2电平抽样判决并/串转换输入输出Rb/2Rb/2coscwtcoscwtsincwtsincwt图3.116QAM的调制解调框图3.216QAM调制解调电路框图3.116QAM调制模块的模型建立与仿真通过对图3.1中16QAM调制原理框图的分析，16QAM一个码元所携带的信息为M2log即4bit，是一般基带数字调制（QPSK）码元携带信息量的2倍。而且16QAM调制是由两路相互独立的信号进行调制，一个16QAM码元宽度是基础信号的2倍。以下我将对系统仿真框图中的各模块进行简单的介绍：3.1.1串并转换模块信号源通过串并变换，将原来的一路信源信号变成两路信号，分别为上支路信号和下支路信号，独立地进行调制和解调。串并变换的规则是根据序列编号的奇偶行，将编号为奇的码元编成一路信号，将编号为偶的码元编成一路信号。经过串并转换后，并行输出的每一路码元传输速率降为原来的一半即Rb/2.输入d：-11-1111-1-1《通信原理及系统课程设计》报告-8-上支路d_NRZ1：-1-11-1下支路d_NRZ2：111-1串/并转换实现的功能是将码元速率为10b/s的二进制基带码元序列分成两路，其中一路信号可通过直接用采样频率为5HZ的采样器对该二进制基带码元序列进行采样获得。要获得另外一路信号，需要先将该二进制基带码元序列延时一个码元周期，再用采样频率为5HZ的采样器采样。为了使这两路信号在时间上同步，还需要将第一路信号也延时一个码元周期。这样就将原二进制基带码元序列分成两路速率相同的二电平信号。具体电路图如下：图3.3串/并转换模块电路图（1）采样器的采样速率为5，采样点时间宽度为0，采样时间偏差0.（2）采样延迟的延迟点数为1.图3.4串并转换各路信号图由图可以得出经串并转换之后，并行输出的每一路码元传输速率降为了原来的一半，这也正是实际中所要求的。《通信原理及系统课程设计》报告-9-3.1.22/4电平转换模块对于2/4电平的转换，其实是将输入信号的4种状态（00,01,10,11）经过编码以后变为相应的4电平信号。这里我们选择的映射关系如下表所示：映射前数据电平/V00-301-1101113表3—12/4电平映射关系表根据以上映射关系，我们可以很容易的找出它们之间的一个数学关系。这里输入信号为两路二进制信号，假设它们是ab，则在a=1时让它输出一个幅度为2的信号，当a=0时输出幅度为-2的信号。同理当b=1是让它输出一个幅度为1的信号，当b=0时输出幅度为-1的信号。如此一来便可以得到下面的结果：当ab=00时输出：y=-2+-1=-3；ab=01时y=-2+1=-1；ab=10时y=2+-1=1；ab=11时y=2+1=3；由上所示我们可以得出：再设计2/4电平转换模块的时候，我们需要先将输入信号