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16QAM的调制与解调.doc

发布时间：2022-06-13 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：0.21M 资料格式：doc 举报 版权申诉
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    《通信原理》 课 程 设 计 报 告 题 目： 16QAM 调制解调系统与解调系统的仿真 专 业： 通 信 工 程 班 级： 一 班 姓 名： 张 任 强 学 号： 1404040122 湖南科技大学信息与电气工程学院
    课程设计任务书 题 目 16QAM 调制解调系统与解调系统的仿真 设 计 时 间 2017-06-10 设 计 目 的： 1、 熟悉 16QAM 信号的调制与解调，掌握 SYSTEMVIEW 软件中，观察眼图与星 座图的 方法。 2、 强化 SYSTEMVIEW 软件的使用，增强对通信系统的理解。 设 计 要 求： 通过对无噪声条件下，得到 16QAM 眼图、星座图、波形图并进行分 析。 总体方案实现： 通过 systemview 软件设计 16QAM 调制解调原理图，并分析该系统 的性质 指导教师评语
    目录 一、 课程设计的目的。 二、原理介绍及设计方案的论证。 三、各具体模块实现及调试过程。 四、结果分析及比较。 五、总结及体会。 六、参考文献
    一、 课程设计的目的。 1、熟悉 16QAM 信号的调制与解调，掌握 SYSTEMVIEW 软件中，观察眼图 与星座图的 方法。 2、 强化 SYSTEMVIEW 软件的使用增强对通信系统的理解。 二、原理介绍及设计方案的论证。 QAM 原理：是数字信号的一种调制方式，在调制过程中，同时以载波信号的幅 度和相位来代表不同的数字比特编码，把多进制与正交载波技术结合起来，进一 步提高频带利用率。正交振幅键控是一种将两种调幅信号（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。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 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 原理图 、 正交调幅是一种将两种调幅信号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。
    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。 在 QAM（正交幅度调制）中，数据信号由相互正交的两个载波的幅度变化 表示。模拟信号的相位调制和数字信号的 PSK（相移键控）可以被认为是幅度不 变、仅有相位变化的特殊的正交幅度调制。因此，模拟信号频率调制和数字信号 的 FSK（频移键控）也可以被认为是 QAM 的特例，因为它们本质上就是相位调 制。 QAM 是一种矢量调制，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，然后将符号的 I、Q 分量（对应复平面的实 部和虚部，也就是水平和垂直方向）采用幅度调制，分别对应调制在相互正交（时 域正交）的两个载波（coswt 和 sinwt）上。这样与幅度调制（AM）相比，其频 谱利用率将提高 1 倍。QAM 是幅度、相位联合调制的技术，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可实现更高的频带 利用率，QAM 最高已达到 1024-QAM（1024 个样点）。样点数目越多，其传输 效率越高，例如具有 16 个样点的 16-QAM 信号，每个样点表示一种矢量状态， 16-QAM 有 16 态，每 4 位二进制数规定了 16 态中的一态，16-QAM 中规定了 16 种载波和相位的组合，16-QAM 的每个符号和周期传送 4 比特。 QAM 调制器的原理是发送数据在比特/符号编码器（也就是串–并转换器） 内被分成两路，各为原来两路信号的 1/2，然后分别与一对正交调制分量相乘， 求和后输出。接收端完成相反过程，正交解调出两个相反码流，均衡器补偿由信 道引起的失真，判决器识别复数信号并映射回原来的二进制信号。如图 4-2 所示 的是 16-QAM 的调制原理图。作为调制信号的输入二进制数据流经过串–并变 换后变成四路并行数据流。这四路数据两两结合，分别进入两个电平转换器，转 换成两路 4 电平数据。例如，00 转换成-3，01 转换成-1，10 转换成 1，11 转换 成 3。这两路 4 电平数据 g1（t）和 g2（t）分别对载波 cos2πfct 和 sin2πfct 进 行调制，然后相加，即可得到 16-QAM 信号。
    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。但 QAM 调制技术用于 ADSL 的主要问题是如 何适应不同电话线路之间较大的性能差异。要取得较为理想的工作特性，QAM 接收器需要一个和发送端具有相同的频谱和相应特性的输入信号用于解码， QAM 接收器利用自适应均衡器来补偿传输过程中信号产生的失真，因此采用 QAM 的 ADSL 系统的复杂性来自于它的自适应均衡器。当对数据传输速率的要 求高过 8-PSK 能提供的上限时，采用 QAM 的调制方式。因为 QAM 的星座点比 PSK 的星座点更分散，星座点之间的距离因此更大，所以能提供更好的传输性能。 但是 QAM 星座点的幅度不是完全相同的，所以它的解调器需要能同时正确检测 相位和幅度，不像 PSK 解调只需要检测相位，这增加了 QAM 解调器的复杂性。 QAM 产生： 类似于其他数字调制方式，QAM 发射的信号集可以用星座图方便地表示， 星座图上每一个星座点对应发射信号集中的那一点。星座点经常采用水平和垂直 方向等间距的正方网格配置，当然也有其他的配置方式。数字通信中数据常采用 二进制 数表示，这种情况下星座点的个数是 2 的幂。常见的 QAM 形式有 16-QAM、64-QAM、256-QAM 等。星座点数越多，每个符号能传输的信息量就 越大。但是，如果在星座图的平均能量保持不变的情况下增加星座点，会使星座 点之间的距离变小，进而导致误码率上升。因此高阶星座图的可靠性比低阶要差。 QAM 信号采取正交相干解调的方法解调。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 m 电平信号 x(t)和 y(t)。因为和取值为±1，±3，…，±（m-l）， 所以判决电平应设在信号电平间隔的中点，即 Ub＝0，±2，±4，…，±（m-2）。 根据多进制码元与二进制码元之间的关系，经 m/2 转换，可将电平信号 m 转换 为二进制基带信号 x＇(t)和 y＇(t)。 QAM 特点： 数字通信中经常用错误率（包括误符号率和误比特率）与信噪比的关系衡 量调制和解调方式的性能。下面给出一些概念的记法，以得到 AWGN 信道下错 误率的表达式： M=星座点的个数 Eb=平均比特能量 Es=平均符号能量
    N0=噪声功率谱密度 Pb=误比特率 Pbc=每个正交载波上的误比特率 Ps=误符号率 Psc=每个正交载波上的误符号率 矩形 QAM（RectangularQAM）的星座图呈矩形网格配置。因为矩形 QAM 信 号之间的最小距离并不是相同能量下最大的，因此它的误码率性能没有达到最 优。不过，考虑到矩形 QAM 等效于两个正交载波上的脉冲幅度调制（PAM）的 叠加，因此矩形 QAM 的调制解调比较简单。而后面介绍的非矩形 QAM 虽然能 达到略好一些的误码率性能，但是付出的代价是困难得多的调制和解调。 最早的矩形 QAM 是 16-QAM。其原因是很容易就看得出来 2-QAM 和 4-QAM 实际上是二进制相移键控（BPSK）和正交相移键控（QPSK），而 8-QAM 则有将单数位的位分到两个载波上的问题，8-PSK 要容易得多，因此 8-QAM 很 少被使用。 16QAM: 16QAM 是指包含 16 种符号的 QAM 调制方式。16QAM 是用两路独立的正 交 4ASK 信号叠加而成，4ASK 是用多电平信号去键控载波而得到的信号。它 是 2ASK 体制的推广，和 2ASK 相比，这种体制的优点在于信息传输速率高。 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。 16 进制的正交振幅调制是一种振幅相位联合键控信号。16QAM 的产生有 2 种 方法： （1）正交调幅法，它是由 2 路正交的四电平振幅键控信号叠加而成； （2） 复合相移法：它是由 2 路独立的四相位移相键控信号叠加而成。 三、各具体模块实现及调试过程。 实验所需模块连接图如下所示： 总仿真电路图：
    元件参数表： 元件编号 0 ，12 属性 Source 类型 参数设置 Sinusiod Amp=1V；Rate=100Hz 10, 11 Source PN seq Amp=1V；Rate=10Hz； 13 Source Gauss Noise Levels=4 Std Dev=0V; Mean=0V ——— ——— 1,2,8,9 7 3,4 5,6 Multipler Adder Operator Sink ——— ——— Linear Sys Butterworth,3Poles,fc=10Hz ——— ———
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