课题-基于FPGA的16QAM调制解调

1基于FPGA的16QAM调制解调目录摘要...............................................3Abstract................................................41.1选题背景及研究的意义..............................51.2论文内容及安排....................................5第二章正交振幅调制理论研究..............................62.1QAM调制原理......................................62.2QAM解调原理......................................82.3本章小结........................................10第三章16QAM调制解调系统的实现与仿真...................113.116QAM调制模块模型建立...........................113.1.1信号源......................................113.1.2串/并转换...................................113.1.32/4转换....................................133.1.4其他模块....................................143.1.5调制实现....................................153.216QAM解调模块模型建立..........................173.2.1相干解调...................................1723.2.24/2转换...................................183.2.3并/串转换..................................193.2.4其他模块...................................203.2.5解调实现...................................223.316QAM系统Simulink模型建立......................223.4本章小结........................................24第四章16QAM抗噪声性能分析.............................244.116QAM错误概率计算...............................244.216QAM抗噪声性能仿真.............................254.3本章小结........................................26第五章总结与展望.....................................27致谢..................................................28参考文献...............................................293摘要QAM（QuadratureAmplitudeModulation）调制是一种具有高频谱利用率且能够灵活地根据传输环境与传输信源的不同自适应地调整其调制速率的调制技术，因此可以缓和目前通信传输技术中频带紧张状况以及多速率综合业务传输。目前QAM调制技术在移动通信领域，数字电视广播，因特网宽带接入以及一些专门的军事无线通信领域得到了广泛地应用。本文首先阐述了QAM调制解调技术的基本原理及QAM信号产生和解调所需的关键步骤，然后利用Simulink仿真平台对16QAM调制与解调系统进行建模仿真并且在加入高斯白噪声信道的情况下得到了调制端与解调端的波形图，星座图与误码率，最后绘制出该仿真系统的误码率曲线。关键词：16QAM调制与解调高斯白噪声星座图误码率4AbstractQAMisamodulationtechniqueofhighspectralefficiency,themodulationrateofQAMcanbeadjustedadaptivelyaccordingtotheenvironmentandthetypeofsource.Becauseoftheseadvantages,thecurrentseveresituationofbandcanbeeased.Now,QAMtechniqueappliesinthefield,suchasmobilecommunications,digitaltelevisionbroadcasting,Internetaswellassomespecializedmilitaryfieldsofwirelesscommunications.ThetheoryandmodelofQAMmodulationanddemodulationareanalyzedfirstinthispaper.Andthendesign16QAMmodulationanddemodulationsystembyusingSimulink.InthecaseofaddingGaussianwhitenoisechannel,thewaveformdiagram,constellationdiagramandBERcanbeobtained.Finally,bydrawingouttheBERcurvesofthesimulationsystemthecorrectnessofthedesignresultscanbeconcluded.Keywords:16QAMModulationandDemodulationGaussianwhitenoiseConstellationdiagramBER5第一章绪论1.1选题背景及研究的意义在当代社会中信息交换日益频繁，随着通信技术和计算机技术的发展及它们的密切结合，通信能克服对空间和时间的限制，大量的、远距离的信息传递和存取已成为可能。通信技术正在向数字化、智能化、综合化、宽带化、个人化方向迅速发展，各种新的电信业务也应运而生。在数字通信中，调制解调的三种基本方式是：振幅键控、频移键控和相位键控，单这三种基本方式在实际应用中都存在频谱利用率不高，系统容量低等缺点。随着现代通信系统的快速发展,人们已经不满足于传统通信系统，因此如何在有限的频率资源中提供高容量、高速率和高质量的多媒体综合业务是数字通信调制解调领域的一个令人关注的课题。在近些年的研究中，研究人员提出了不同的高频谱利用率和高质量的调制解调方案，其中QAM调制解调方案为：发送数据在编码器内被分为两路信号，分别与一对正交调制分量相乘，求和后输出，接收端与发送端的过程相反。由于QAM在通信中具有许多优越性所以得到了日益广泛的应用。现在，QAM不仅仅在DVB标准、DAVIC标准、DOCSIS1.1标准等许多国际标准中规定为调制方法而且还成为带宽接入技术ADSL、VADSL中规定的调制方法另外在移动通信的应用中W.T.Webb等人提出变速QAM应用于Rician信道的构想和变速率QAM的方案，并进行了研究证明了这种调制方式具有良好的性能[1]。由此可见，QAM在当今的通信领域至关重要，因此对QAM进行必要研究具有重要的理论和实践意义。1.2论文内容及安排本文围绕QAM调制与解调理论知识展开，在对相关理论进行深入了解后，通过Simulink对完成了16QAM的调制解调系统仿真建模，具体章节安排如下：首先简要介绍了课题研究意义并给出本文的章节安排，其次详细分析了QAM的调制解调结构与原理然后实现16QAM调制与解调模块仿真，最后对16QAM抗噪声性能进行分析，第五章对全文进行总结与展望。6第二章正交振幅调制理论研究2.1QAM调制原理正交振幅调制QAM（QuadratureAmplitudeModulation）是一种属于频谱利用率很高的调制方式，是幅移键控和相移键控的合成。它是由两个相互独立的数字基带信号组成，一路数字基带信号调制载波余弦函数，称为同相信号（I路信号），另外一路数字基带信号调制载波正弦函数，称为正交信号（Q路信号），两路信号叠加起来形成QAM调制信号。二进制字符在每个信道中码元持续的时间内只有1比特信息量，若采用M进制码元字符，则在每个码元时间内可以传输Mk2log比特，这样在相同带宽情况下使得的数据速率增加到k倍。如图2-1是QAM调制原理图：图2-1QAM信号调制原理图首先由信号源阐述一串基带数字码流后经过串并转换的到两路并行支路后再经过电平转换，预调制后I支路乘上同相载波Q支路乘上正交载波后再相加就可以得到MAQAM调制信号。其过程可以用下面的式子来表示：)cos()(0kkMQAMtAtSTktkT)1(（2-1）其中MQAMS是MQAM调制信号，k整数，kA和k可以取多个离散值。式（2-1）还可以由式（2-2）来表示：tAtAtSkkkkMQAM00sinsincoscos)(（2-2）令kknkknAXAYcossin（2-3）基带数字码流串/并转换电平转换电平转换预调制LPF预调制LPF路I路IQ支路××tcostsin∑MQAM调制信号I支路7则式（2-1）变为：ttYttXtScncnMQAMsin)(cos)()(（2-4）QAM中的振幅nX和nY可以取多个离散值的变量。已调信号的星座图坐标点由nX、nY决定[2]。QAM调制信号的矢量端点在信号空间中的分布有很多种形式，通常把调制信号矢量端点在空间中的分布形式称为调制星座图，通常QAM的信号星座图为方形如图2-2。图2-2方形16QAM星座图M=4,16,32，...，256的星座图如图2-3所示。图2-3MQAM星座图8QAM星座图除了方型还有星型星座图，如图2-4和图2-5分别是星型8QAM和星型16QAM。图2-48QAM星形星座图图2-516QAM星形星座图此处对16QAM星座图的模式进行说明。16QAM星座图通常有两种模式，一是自然码模式，二是格雷码模式。采用格雷码的好处在于相邻相位所代表的两位比特只有一位不同。由于因相位误差造成判决至相邻相位上的概率最大，所以这样编码可使总误比特率降低[2]，所以在星座图中都是用的格雷编码。具体的编码方案如表2-1所示[3]。表2-116QAM编码方案2.2QAM解调原理QAM信号的解调其实就是调制的逆过程。通常采用的是正交相干解调的方法，解调接收端接收到带有噪声的已调QAM信号作为输入，与本地的相互正交的载波相乘后，再经过低通滤波器后输出两路信号后通过多电平判决器对多电平信号进行判决、检测和并/串转换器后最终输出基带数字码流。该过程可以用式2-5表示。输入的两个比特（10aa）I路/Q路输出00-301-11131019)52(sin212cos2121sin2sin212cos2121costXtYYtSQtYtXXtSIckckkcMQAMckckkcMAQM支路支路在无失真信道环境下，将这两路信号通过低通滤波器后滤除了高频分量就得到了kX21和kY21。所以可以看出，最终得到的信号除了幅度减少一半以外，传输的基带数字信号无失真恢复出来了，就也就是说完成了信号的传输。信号经过低通滤波器后，滤掉高频部分得到I,Q两路电平数为L的基带信号，如式2-6：kkXIYQ2121支路支路（2-6）图2-6是QAM解调的基本原理图。图2-6QAM解调原理图解调端和调制端正好相反，首先是调制后的信号经过载波恢复后进入低通滤