正交幅度调制通信系统仿真设计

图 5 调制模块
6
对调制模块进行仿真，其仿真图如下所示：
图 6 伪随机信号
图 7 并行与载波相乘后调制信号 并行与载波相乘后调制信号
图 8 输出的调制信号
7
4.5 QAM 解调部分说明 下图 10 是解调模块，本次仿真中载波恢复输出同频同相波是由调制模块中 载波提供的。解调器原理是相干解调法，即已调信号与载波相乘，送入低通滤波 器中。
MPSK 信号星座图上信号间的最小的距离为： π d MPSK = 2 sin M MQAM 信号矩形星座图上信号星座图间最小距离为： d MQAM = 2 = L −1 2 M −1
（4-3）
（4-4）
当 M=4 的时候， d MPSK = d MQAM ，实际 4PSK 与 4QAM 的星座图是相同的。
5
本次仿真取 5fs,即 50Hz。采样点数设为 1024。
表 1 MQAM 系统参数设置表 系统参数设置表
图符编号 0、4 2、7 9、11、18、 19 库/符名称 参数
Source:PNS eq Source:Sinusoid Operator:Linear Sys
Amp=1v,offset=0v,Rate=8Hz,Level=4,Phase=0deg Amp=1v,Freq=10Hz,Phase=0deg Bessel Lowpass IIR,6 Poles,Fc=10Hz
（4-1）
而 16QAM 信号的相邻欧氏距离为：
d2 = 2 Am = 0.471Am 3
（4-2）
此距离代表者噪声容限的大小,所以 d 2 和 d1 的比值代表这两种体制的噪声 容限之比。按上式计算 d 2 超过 d1 约 1.57 倍，但是，这是在最大功率相等时比较 的，没有考虑这两种体制的平均功率差别。16PSK 信号的平均功率（振幅）就等 于其最大功率（振幅） 。而 16QAM 信号，在等概率的出现条件下，可以计算出 最大功率与平均功率之比等于 1.8 倍，即 2.55dB。因此，在平均功率相等的条 件下，16QAM 比 16PSK 信号的噪声容限达 4.12dB[1]。
PM = 1 − 1 − P
(
M
)
2
(4-7)
k
可以注意到，当 k 为偶数时，这个结果对 M＝ 2 情形时精确的，而当 k 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
3E av PM ≤ 1 − 1 − 2Q ( M − 1) N 0
图 4 16QAM 调制解调总电路图
4.3 QAM 调制仿真参数设置 调制仿真参数设置 信号源参数设置：基带信号码元速率设为 Rb =
1 = 8bit ,载频设为 fs=10Hz。 （载 T
频设的比较低，目的主要是降低仿真时系统的抽样频率，加快仿真时间。 ） 系统时间设置： 为获得较好的仿真波形， 系统的采样率不能低于系统信号的最高 频率的 4 倍， 当采样率为系统信号最高频率的 10 倍以上， 仿真几乎没有失真了。
4.4 QAM 调制部分说明 这里省略了串并转换和 2/4 电平变换， 因为， 这里用了两组 PN 伪随机序列， 可以产生两路 4 电平序列。 下图 6 是调制模块：图符 0、4 是伪随机信号（PN Seq）指定参数产生伪随机 信号，这里参数 L=4，产生 4 进制电平序列，得到两路并行 4 进制序列，经过低 通滤波器和与两路正交载波相乘，然后叠加成为 16QAM 信号输出。 图符 13、14、15、16、17、19、20、21 是分析接收器图形，可以在设计窗口 显示波形和信息。 这里省略了 2/4 电平转换， 因为伪随机信号产生的是 4 电平序 列，不需要再进行 2/4 电平转换了。
式中，A 是固定振幅， （ d m 、 em ）由输入数确定。 （ d m 、 em ）决定了已调 QAM 信号在信号空间中的坐标点[4]。 MQAM 调制框图如下图 1 所示。在发送端调制器中串/并转换使得信号速率 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， 然后由 2-L 电平转 换将每个 Rb/2 的二进制序列转换成 Rb/㏒ 2M 的 L 电平信号，经过预调制低通 滤波器， 然后分别与两个正交载波相乘， 这两路信号经过相加器便可得到 MQAM 信号[3]。
图 9 解调模块
对解调模块进行仿真，其仿真图如下所示：
图 10 并行输出信号
在分析窗口中，单击 α 按钮打开计算器窗口。选择 Style 功能组，然后单 击（Scatter Plot）按钮，在对话框右侧选择输出两路信号波形，单后单击（OK） 按钮即可，得到如下图形。
8
பைடு நூலகம்
图 11 处理后的波形
使图 12 窗口处于激活状态， 然后单击工具栏的点图显示按钮完成了整个操 作，得到的该 16QAM 系统的星座图如下所示。
10
当 M=16 的时候， d16QAM = 0.47 ，而 d16 PSK = 0.39 ， d16 PSK < d16QAM ，说明 16QAM 系统抗干扰能力优于 16PSK。 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＝ 2 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 = 2 k 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
（4-8）
≤ 4Q
3kE avb ( M − 1) N 0
4
图 3 系统窗口
打开系统窗口， 根据原理图便可设计电路图， 并通过系统窗口的图符库寻找 需要的所需图符，设计其参数，便可以做出电路图。 4.2 QAM 调制解调仿真 由图 1、2 可以知道 16QAM 的调制解调原理，接下来我们将根据原理图设计 仿真系统的总电路图， 如下图 5 所示。 我们将通过调制和解调两大模块进行仿真， 并且对仿真结果进行分析。
、 ｛ Bm ｝ 上式是由两个正交的载波构成，每个载波被一组离散的振幅｛ Am ｝ 所调制， 故称这种调制方式为正交振幅调制。 式中， Ts 为码元宽度； m=1、 2、 3、 、 、 M，M 为电平数。 QAM 中的振幅 Am 和 Bm 可以表示成： Am = d m A Bm = em A （3-2） （3-3）
k
Pc = (1 − P
式中
P
M
M
)2
（4-5）
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
P
M
= 2(1 −
1
M
)Q (
3 E av ) M −1 N0
（4-6）
E av 其中 N 0 是每个符号的平均信噪比。因此 M 进制 QAM 的误码率为
图 12 星座图
4.6 QAM 调制测试与分析 调制测试与分析 现在我们将 16QAM 与 16PSK 信号做一下比较。按最大振幅相等，设最大 振幅为 Am ，则 16PSK 相邻矢量的欧氏距离为:
9
(a) 16QAM 图 13 16QAM 与 16PSK 信号矢量图
(b) 16PSK
π d1 ≈ Am = 0.393 Am 8
1 课程设计的任务 课程设计的任务 (1)通过本次课程设计，理解 16QAM 调制原理，并仿真出 16QAM 调制波形以及 星座图。 (2)对 16QAM 调制信号解调还原，并掌握 16QAM 解调原理。 (3)对 16QAM 与 16PSK 性能进行分析比较。 2 QAM 调制研究背景及应用领域 调制研究背景及应用领域 2.1 QAM 调制研究背景 调制研究背景 正交振幅调制具有高频谱利用率、高功率谱密度、带宽利用率高等优点。 在现在通信中提高频谱利用率一直是人们关注的焦点。 近些年来， 随着通信业务 的需求的不断增长，寻找频谱利用率高的数字调制方式已成为数字通信系统设 计、研究的主要目的之一。正交振幅调制就是一种频谱利用率很高的调制方式。 随着微蜂窝和微微蜂窝系统的出现， 使得信道传输特性发生很大的变化， 接收机 和发射机之间通常具有很强的支达分量， 以往在蜂窝系统中不能应用的但频谱利 用率很高的 WAM 已引起人们的注意， 许多学者已对 16QAM 及其它变形的 QAM 在 PCN 中的应用进行了深入的研究。 QAM 是幅度、相位联合调制技术，它同时利用了载波的幅度和相位来传递 信息比特， 因此在最小距离相同的条件下， QAM 星座图可以容纳更多的星座点， 即实现更高的频带利用率，目前 QAM 星座点最高已可达 256QAM。 2.2 QAM 调制应用领域 调制应用领域 正交振幅调制在中、 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的变化。 过去在传统的蜂窝系统中不能应用的 正交振幅调制也引起了人们的注意。QAM 数字调制器作为 DVB 系统的前端设 备，接收来自编码器、复用器、DVB 网关视频服务器等设备的 TS 流，进行 RS 编码、卷积编码和 QAM 数字调制，输出的射频信号可以直接在有线电视网上传
乘法器 LPF 多电平判决 L-2电平转换
载波恢复
并/串转换
乘法器
LPF
多电平判决
L-2电平转换
图 2 QAM 解调原理框图
4 QAM 调制仿真测试 调制仿真测试 4.1 Systemview Systemview 仿真软件基本使用原理 Sytemview 是一个信号级的系统仿真软件，主要用于电路和通信系统的设 计、仿真，是一个强有力的动态系统分析工具，能满足从数字信号处理、滤波器 设计到复杂的通信系统等不同层次的设计、仿真要求。Sytemview 的库资源十分 丰富，包括含若干图标的基本库（Main Library）及专业库（Optional Library）, 基本库包括多种信号源、接收器、加法器、乘法器，各种函数运算器等；专业库 有通讯（ Communication） 、逻辑（ Logic ） 、数字信号处理（ DSP ） 、射频/模拟 （RF/Analog）等；它们适合现代通信系统的设计、仿真和方案论证。 启动 Systemview，系统设计窗口如下图 3 所示
课程设计报告
题 目： 正交幅度调制（QAM）通信系统仿 真设计
学生姓名： 学生学号： 系 专 届 别： 业： 别：
梁美丽 1008040118 电气信息学院 通信工程 2014 届 沈晓波
指导教师：
电气信息工程学院制 2013 年 5 月
1
正交幅度调制 QAM 通信系统仿真设计
学生：梁美丽 指导老师：沈晓波 电气信息工程学院通信工程专业
2
送，同时也可以根据需求选择中频输出。它以其灵活地配置和优越的性能指标， 广泛地应用于数字有线电视传输领域和数字 MMDS 系统。 QAM 调制效率高，要求传送途径的信噪比高，适合有线电视电缆传输。在 美国，正交振幅调制常用在地面微波链路，不用于国内卫星，欧洲的电缆数字电 视采用 QAM 调制，而加拿大的卫星采用正交幅度调制。 3 QAM 调制设计 调制设计原理 设计原理 3.1 QAM 调制原理 正交振幅调制（QAM）是一种振幅和相位的联合键控。在 QAM 体制中， 信号的振幅和相位作为两个独立的参量同时受到控制。 这种信号的一个码元可以 表示为： y (t ) = Am sin ω c + Bm cos ω c 0≤t＜Ts （3-1）
3
2-L 电 平 变 换
LPF
乘法器
载波发生 串 /并 转 换
90度相移
加法器
2-L 电 平 变 换
LPF
乘法器
图 1 调制原理框图 调制原理框图
3.2 QAM 解调原理 QAM 解调可以用相干解调的方法来实现。其原理图如下图 2 所示。已调信 号分别与两个正交载波相乘，分别经过低通滤波器恢复得到 L 电平信号，经过 抽样判决后，可以恢复出原来两路为 Rb/2 的二进制序列，然后经过并/串转换恢 复出原来的二进制序列。