第 30 卷第 6 期 2011 年6 期 煤矿电气 " !!!!" ! ! "!!!!" 16QAM-OFDM 煤 炭 技 术 Coal Technology Vol.30,No.06 June,2011 矿井基带调制系统的设计 蔡翠翠，沈 磊 （安徽理工大学 电气与信息工程学院，安徽 淮南 232001） 摘 要:分析了煤矿井下无线通信系统复杂的传输环境和主要存在的问题，介绍了 OFDM 技术抗多径衰落的原理 及特点，通过建立 OFDM 基带调制系统，使用 16QAM 调制方式对系统进行仿真，得出误码率曲线。 关键词:抗多径衰落；OFDM；16QAM；误码率 中图分类号 文献标识码 文章编号 （ ） :TD63 :A :1008-8725 2011 06-0034-03 Design of 16QAM-OFDM Baseband Modulation System in Mine CAI Cui-cui, SHEN Lei （ ） Electrical and Information Engineering College, Anhui University of Science & Technology, Huainan 232001, China Abstract:This paper analyzed the complex transmission environment of wireless communication system and the main existing problems, introduced the principles and characteristics of anti-mul－ tipath fading of OFDM technology, used 16QAM for system simulation through establishing the OFDM baseband modulation system and obtained the BER curve finally. Key words:anti-multipath fading; OFDM; 16QAM; BER 0 引言 煤矿井下无线通信系统主要应用在主巷道、斜 井、竖井以及采掘工作面，同时，由于矿井巷道的通 信环境是限空间的，受粗糙巷道四壁及巷道中的障 碍物影响，会产生多径衰落现象，这严重影响有用信 号的传播特性，甚至影响整个矿井通信系统的可靠 性。文中利用 OFDM 良好的抗多径衰落性能，建立 基带调制系统，使用 Matlab 软件对 16QAM 调制方式 进行仿真建模[1]。 1 OFDM 基本原理 OFDM 基本原理是将发送的数据流分散到许多 个子载波上，使各子载波的信号速率大为降低，从而 能够提高抗多径衰落的能力。为了提高频谱利用率， OFDM 方式中各子载波频谱有重叠，但保持相互正 交，在接收端通过相关解调技术分离出各子载波，每 个子信道上的信号带宽小于信道的相关带宽，因此 每个子信道上的特性可以看成平坦性衰落，从而可 以消除符号间干扰[2]。 2 16QAM 调制原理 ##################################################### PROFIBUS- DP 总线在上位控制器上进行控制，且编 小于高高限时，相应指示灯会紫黄闪烁并鸣警报；当 实际值高于高高限时，相应灯会红黄闪烁并鸣警报。 制了简单明了的操作程序及操作界面。此系统的成 功运行也为其他类似系统的开发设计提供参考和借 鉴。 参考文献： [1] 张维祥.电助熔在无碱玻纤池窑上的应用[J].玻璃纤维，2003（5）： （4）SPANG 控制器参数的选择及显示 针对 SPANG 控制器的参数特点，如何有效的配 置操作界面，以求达到即能够方便操作现场的控制 器又简单明了的目的。 5 结束语 该 PLC 控制系统已经成功在玻纤池窑电助熔 系统中运行 1a 多，从现场返回的信息来看，此系统 运行可靠，操作和维护简单，很好的实现了设计要 求。在此系统中，成功的首次把 SPANG 控制器通过 24- 25. [2] 张宝芳.高硼玻璃池窑中电助熔技术的应用[J].玻璃与搪瓷，2007 （8）：52- 54. [3] 王海群.基于 S7- 300PLC 的煤泥干燥控制系统[J].煤炭技术，2009 （9）：123- 125. （责任编辑 王秀丽） :2010-11-02; 收稿日期 基金项目：中国煤炭工业协会科学技术指导计划项目（MTKJ2009-320） 作者简介 :2011-03-08 修订日期 :蔡翠翠（1989-），女，安徽宿州人，硕士研究生，研究方向：智能信息处理与通信系统。 中国煤炭期刊网 www.chinacaj.net

第 6 期 蔡翠翠，等：16QAM-OFDM 矿井基带调制系统的设计 ·35· 结果再相加即产生 16QAM 信号。4 为星座图上信号 点在水平轴和垂直轴上投影的电平数[3]。 在 16QAM 中，D（同相）轴和 Q（正交）轴上电平 的数目为 4。脉冲成形滤波器是一个六阶巴特沃斯 滤波器。用于仿真的滤波器带宽是符号率的 2 倍。图 2 为 16QAM 信号散点图及相应的时域波形，上面一 排显示的是将 xq t 作为 xd t 的函数所画出的散 点图，左上图是 p(t)=1,0≤t≤Tsym 时的散点图，这里 的 Tsym 是符号周期（位周期的 4 倍），p(t)为脉冲成形 滤波器的冲激响应。右上图是将信号经过六阶巴特 沃斯滤波器形成的散点图，相应的时域图如图 2 下 排所示，其中 xd t 在左下图，xq t 在右下图。可以 清楚地看到 4 个（稳态）值[4]。 图 2 16QAM 仿真结果 3 调制器整体框图设计及仿真 调制器整体结构如图 3 所示，RTS/CTS 是一对与 PC 的握手信号，表示请求发送数据和容许发送数据。 Reset 是系统复位信号，在系统上电后，外部 CPU 给 出，将系统复位到初始状态。Clk 是系统主时钟，从 FPGA 的全局时钟管脚输入。Clockx 是 D/A 转换的使 能信号，用来控制 D/A 的转换速率。Data_in 和 Da- ta_out 是数据输入输出。整个系统的工作工程如下： 正交幅度调制 QAM是一种幅度和相位联合键控 APK 的调制方式，是用两个独立的基带波形对两个相 互正交的同频载波进行抑制载波的双边带调制。 正交幅度调制信号一般可以表达为 SMQAM t = ΣAn g t-nTs cos ωc t+θn n （1） 式中 An 和 θn ———第 n 个基带信号幅度和相位； g t-nTs ———宽度为 Ts 还可以变换为正交表示形式 的单个基带信号波形。 SMQAM t = Σ ΣAn g t-nTs sinθn Σ ΣAn g t-nTs cosθn Σsinωc t - n n xd t = ΣAn g t-nTs cosθn Σcosωc t （2） （3） 令 Σ Σ Σ Σ Σ Σ Σ Σ Σ Σ Σ Σ Σ Σ Σ n n xq t = ΣAn g t-nTs sinθn 则 SMQAM t =xd t cosωc t- xq t sinωc t （4） xd t 通常称为同相信号，xq t 称为正交信号。 从上式可以看出，已调信号是由两路相互正交 的载波叠加而成，每路载波被一组离散的振幅所调 制，故称这种调制方式为正交振幅调制。QAM 不仅 载波是正交的，而且每个载波调制的信号是双边带 信号，因此 QAM 有时被称为正交双边带调制。 MQAM 调制中的 M 一般都较大，这样才可以充 分显示其优越性，若 M 值较小，用单一的调幅或调 相即可。M 较大时，用数字表达式描述比较困难，可 以用星座图来描述 QAM 信号的信号空间分布。 其中 16QAM 是四进制的正交振幅调制,有时也 称为全响应幅相键控(APK)。在 16QAM 调制器中，输 入的二进制序列经过串 / 并变换器输出速率减半的 两路并行序列，再分别经过 2 电平到 4 电平的变换， 形成 4 电平的基带信号，形成 Am 和 Bm。为了抑制 已调信号的带外辐射，Am 和 Bm 要通过预调制低 通滤波器，再分别与相互正交的两路载波相乘，形成 两路 ASK 调制信号。最后将两路信号相加就可以得 到不同幅度和相位的已调 QAM。调制原理图如图 1 所示。图 1 中串 / 并变换器将速率为 Rb 的输入二进 制序列分成速率为 Rb/2 的两电平序列，2 到 4 电平 变换器将速率为 Rb/2 的两电平序列变成 4 电平信 号，然后分别与两个正交的载波相乘，两个相乘的 图 1 16QAM 调制原理框图 位，此时 RTS 信号有效，请求 PC 发送数据。 （2）PC 响应后，发出 CTS 信号。并开始发送数据。 图 3 OFDM 调制器整体框图 （1）系统上电后，CPU 发出 Reset 信号，系统复 中国煤炭期刊网 www.chinacaj.net

煤 炭 技 术 第 30 卷 （5） 为噪声单边 ·36· （3） 整体控制模块接收到 CTS 信号有效，将 RTS 信号置低，同时发出写使能信号和写地址产生 信号。地址产生器接到使能信号，产生写地址。 RAM_in 开始接收数据。 （4）开始处理数据，整体控制模块发出使能信 号，使 QAM16、添零、共轭模块和 IFFT 模块同时开 始工作。从 RAM_in 中读取数据送往 QAM16、添零、 共轭模块。 （5）在 QAM16、添零、共轭模块内利用 QAM16 函数，对送入数据完成 QAM16 的映射。 （6）地址产生器产生倒序的地址，将刚才读出的 数据以相反的顺序从 RAM_in 中读出送往 QAM16、 添零、共轭模块。 （7）在 QAM16、添零、共轭模块内利用 QAM16_con- jugate 函数，对送入的数据完成 QAM16 映射后取共轭 处理。同时，IFFT 模块接收 QAM16、添零、共轭模块发送 出的数据。 （8）当 QAM16、添零、共轭模块处理完 1 包数据 后，IFFT 模块开始计算，进行 OFDM 的调制。计算完 成后，发送一个信号，通知 RAM_out 准备接收数据。 （9）整体控制模块判断标志信号，产生相应的写 使能信号和写地址使能信号。RAM_out 根据相应的写 使能信号，将 IFFT 计算好的数据轮换存入 RAM_ou1 或 者 RAM_ou2。 当 有 数 据 可 以 读 出 时 ， 再 判 断 Counter。当计数器为 1 时，控制模块发出使能信号，先 从 CP 模块中读取同步头发送，同步头发送完成后，从 RAM_out 读取数据，进行发送。 （10）当 IFFT 模块计算完的数据全部送出后，整 体控制模块判断 Flag_out[1：0]，是否有空的 RAM_out 可以写数据，有则返回第 4 步，开始处理下一包数据， 没有则等待。 （11）整体模块判断 Counter，如果处理到第 10 包数据，则将 RTS 有效，请求 PC 发送下一帧数据的 信息。系统回到第 2 步，准备处理下一帧数据。 对于方型 QAM，可以看成是由两个互相正交且 独立的多电平 ASK 信号叠加而成。因此，利用多电平 信号误码率的分析方法，可以得到 M 进制 QAM 的误 码率为 pe = 1- L erfc Eb 姨姨 3logL - 1 姨 n0 为每比特码元能量；n0 2 L 式中 M=L 功率谱密度。 2 ，Eb 图 4 M 进制方型 QAM 的误码率曲线 图 4 为 M 进制方型 QAM 的误码率曲线。 MQAM 具有高频带利用率，这是以牺牲其抗干 扰性能获得的，电平数越大，信号星座点数越多，其抗 干扰性能越差。因此根据不同的传输环境或传输信源 的不同特点，来适当的改变调制信号的电平数。文中 鉴于矿井底下特殊的环境，选择 16QAM 调制方式。 4 结束语 介绍了 16QAM 基本原理，并对 16QAM- OFDM 调制系统进行整体框架的设计，利用 Matlab 软件进 行仿真，得出了详细的实现方法和仿真结果。利用 OFDM 良好的抗多径衰落特性解决了矿井无线通信 中严重的多径衰落现象，为矿井无线通信的发展提 供了依据。 参考文献： [1] 刘树棠.现代通信系统使用 MATLAB 和 Simulink[M].北京：电子 工业出版社，2005. [2] 佟学俭，罗涛.OFDM 移动通信技术原理与应用[M].北京：人民邮 电出版社，2003. [3] 丁玉美，高西全.数字信号处理[M].西安：西安电子科技大学出版 社，2000. [4] 常力，杨育红.16QAM 通信系统的 Matlab 仿真实现[J].通信技术， 2003（11）：40- 41. （责任编辑 王秀丽） 欢 迎 订 阅 煤 炭 技 术 姨 姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨 姨 姨 姨 姨 姨 姨 姨 姨 姨 姨 姨 姨 姨 姨 姨 姨 姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨 中国煤炭期刊网 www.chinacaj.net