正交振幅調(diào)制概要

1、HUBEI UNIVERSITY OF ECONOMICS通信原理課程設(shè)計(jì)報(bào)告二O三二O四學(xué)年第一學(xué)期學(xué)號(hào)_姓名_班級(jí)_電子工程系通信原理及系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)報(bào)告-2-目 錄第一章 緒 論. 41 1 QAM 簡(jiǎn)介. 4第二章 正交振幅調(diào)制. 52. 1 MQAM 信號(hào)的星座圖. 52. 2 QAM 的調(diào)制解調(diào)原理. 6第三章 16QAM 調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與仿真 . 63.1 16QAM 調(diào)制模塊的模型建立與仿真 . 73.1.1 串并轉(zhuǎn)換模塊. 73.1.2 2/4 電平轉(zhuǎn)換模塊. 93.1.3其余模塊與調(diào)制部分的結(jié)果 . 103.2 16QAM 解調(diào)模塊的模型建立與仿真. 113.2.1相干解調(diào)

2、. 113.2.2 4/2 電平判決與毛刺消除仿真電路 . 113.2.3 并串轉(zhuǎn)換與最終解調(diào)結(jié)果對(duì)比 . 13第四章 仿真結(jié)果分析及總結(jié) . 153.2.2 仿真結(jié)果分析. 153.2.3 總結(jié). 15通信原理及系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)報(bào)告-3-第一章 緒論1.QAM 簡(jiǎn)介隨著現(xiàn)代通信技術(shù)的發(fā)展，特別是移動(dòng)通信技術(shù)高速發(fā)展，頻帶利用率問題越來(lái)越被 人們關(guān)注。在頻譜資源非常有限的今天，傳統(tǒng)通信系統(tǒng)的容量已經(jīng)不能滿足當(dāng)前用戶的要 求。正交幅度調(diào)制QAM（Quadrature AmplitudeModulatio n）以其高頻譜利用率、高功率譜密 度等優(yōu)勢(shì)，成為寬帶無(wú)線接入和無(wú)線視頻通信的重要技術(shù)方案。正交振

3、幅調(diào)制QAM（Quadrature Amplitude Modulatio n）是一種頻譜利用率很高的調(diào)制方式，其在中、大容量數(shù)字微波通信系統(tǒng)、有線電視網(wǎng)絡(luò)高速數(shù)據(jù)傳輸、衛(wèi)星通信系統(tǒng)等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng) 用。在移動(dòng)通信中，隨著微蜂窩和微微蜂窩的出現(xiàn)，使得信道傳輸特性發(fā)生了很大變化。作為國(guó)際上移動(dòng)通信技術(shù)專家十分重視的一種信號(hào)調(diào)制方式之一，正交振幅調(diào)制（QAM在移動(dòng)通信中頻譜利用率一直是人們關(guān)注的焦點(diǎn)之一。正交振幅鍵控是將兩種調(diào)幅信號(hào)（2ask和2psk）匯合到一個(gè)信道的方法，因此會(huì)雙倍擴(kuò)展有效帶寬。正交調(diào)幅被用于脈沖調(diào)幅，特別是在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。正交調(diào)幅信號(hào)有兩個(gè)相同頻率的載波，但是相位相差90度

4、（四分之一周期，來(lái)自積分術(shù)語(yǔ)）。一個(gè)信號(hào)叫I信號(hào)，另一個(gè)信號(hào)叫Q信號(hào)。從數(shù)學(xué)角度將一個(gè)信號(hào)可以表示成正弦，另一個(gè)表示成余弦。兩種被調(diào)制的載波在發(fā)射時(shí)已被混和。到達(dá)目的地后，載波被分離，數(shù)據(jù)被分別提取然后 和原始調(diào)制信息相混和。QAM是用兩路獨(dú)立的基帶信號(hào)對(duì)兩個(gè)相互正交的同頻載波進(jìn)行抑制載波雙邊帶調(diào)幅，利用這種已調(diào)信號(hào)的頻譜在同一帶寬內(nèi)的正交性，實(shí)現(xiàn)兩路并行的數(shù)字信息的傳輸。該調(diào) 制方式通常有二進(jìn)制QAM（4QAM、四進(jìn)制QAM（I6QAM）、八進(jìn)制QAM（ 64QAM、，對(duì) 應(yīng)的空間信號(hào)矢量端點(diǎn)分布圖稱為星座圖，分別有4、16、64、個(gè)矢量端點(diǎn)。電平數(shù)m和信號(hào)狀態(tài)M之間的關(guān)系是對(duì)于4QAM當(dāng)兩

5、路信號(hào)幅度相等時(shí)，其產(chǎn)生、解調(diào)、性能及相 位矢量均與4PSK相同。正交振幅調(diào)制QAM（Quadrature Amplitude Modulation）是一種頻譜利用率很高的調(diào)制方式，其在中、大容量數(shù)字微波通信系統(tǒng)、有線電視網(wǎng)絡(luò)高速數(shù)據(jù)傳 輸、衛(wèi)星通信系統(tǒng)等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。第二章正交振幅調(diào)制MQAI 信號(hào)的星座圖正交振幅調(diào)制（QAM）是一種矢量調(diào)制，它是將輸入比特先映射（一般采用格雷碼）到一個(gè)復(fù)平面（星座）上，形成復(fù)數(shù)調(diào)制符號(hào)。正交調(diào)幅信號(hào)有兩個(gè)相同頻率的載波，但是相位相差90度（四分之一周期，來(lái)自積分術(shù)語(yǔ)）。一個(gè)信號(hào)叫I信號(hào)，另一個(gè)信號(hào)叫Q信號(hào)。從數(shù)學(xué)角度將一個(gè)信號(hào)可以表示成正弦，另一個(gè)表

6、示成余弦。兩種被調(diào)制的載波在 發(fā)射時(shí)已被混和。到達(dá)目的地后，載波被分離，數(shù)據(jù)被分別提取然后和原始調(diào)制信息相 和。這樣與之作幅度調(diào)制（AM）相比，其頻譜利用率高出一倍。通信原理及系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)報(bào)告-4-QAM是用兩路獨(dú)立的基帶信號(hào)對(duì)兩個(gè)相互正交的同頻載波進(jìn)行抑制載波雙邊帶調(diào)幅，利用這種已調(diào)信號(hào)的頻譜在同一帶寬內(nèi)的正交性，實(shí)現(xiàn)兩路并行的數(shù)字信息的傳輸。該調(diào) 制方式通常有二進(jìn)制QAM（4QAM）、四進(jìn)制QAM（16QAM）、八進(jìn)制QAM（64QAM）、, 對(duì)應(yīng)的空間信號(hào)矢量端點(diǎn)分布圖稱為星座圖， 分別有4、16、64、個(gè)矢量端點(diǎn)。目前QAM最高已達(dá)到1024QAM。樣點(diǎn)數(shù)目越多，其傳輸效率越高。但并不

7、是樣點(diǎn)數(shù)目越多越好，隨著樣點(diǎn)數(shù)目的增加，QAM系統(tǒng)的誤碼率會(huì)逐漸增大，所以在對(duì)可靠性要求較高的環(huán)境， 不能使用較多樣點(diǎn)數(shù)目的QAM。對(duì)于4QAM，當(dāng)兩路信號(hào)幅度相等時(shí)，其產(chǎn)生、解調(diào)、性能及相位矢量均與4PSK相同。Ai = (2i -1)Bj = _(2j -1)其中，i,j=1,2,，L,當(dāng)L=1時(shí)，是4QAM言號(hào)；當(dāng)L=2時(shí)，是16QAM言號(hào)；當(dāng)L=4在信號(hào)空間中MQAMI號(hào)點(diǎn)(Ad仁BJZ丄)MQAI的星座圖是一種矩形的MQAMI座圖。時(shí)，是64QAM言號(hào)。選擇正交的基本信號(hào)為1(t)=A coswt TBMQAI信號(hào)表示式可寫成SMQAM(t)=T2B(Aicoswet Bisinwc

8、t)其中，Ai和Bi是振幅，表示為通信原理及系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)報(bào)告-5-MQAMI號(hào)星座圖通信原理及系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)報(bào)告-6-為了說(shuō)明MQAM比MPSK具有更好的抗干擾能力，圖2.1.2示出了16PSK和16QAM勺星座圖，這兩個(gè)星座圖表示的信號(hào)最大功率相等，相鄰信號(hào)點(diǎn)的距離di,d2分別為：2DPSKdi：2Asin0.39A16結(jié)果表明，d2d1，大約超過1.64dB。合理地比較兩星座圖的最小空間距離應(yīng)該是以平均功率相等為條件。可以證明，在平均功率相等條件下，16QAM的相鄰信號(hào)距離超過16PSK約4.19dB。星座圖中，兩個(gè)信號(hào)點(diǎn)距離越大，在噪聲干擾使信號(hào)圖模糊的情況下，要求分開兩個(gè)可能信號(hào)點(diǎn)越容

9、易辦到。因此16QAM方式抗噪聲干擾能力優(yōu)于16PSKMQAI的星座圖除正方形外， 還有圓形、三角形、矩形、六角形等。星座圖的形式不同， 信號(hào)點(diǎn)在空間距離也不同，誤碼性能也不同。MQAM口MPSK在相同信號(hào)點(diǎn)數(shù)時(shí)，功率譜相同，帶寬均為基帶信號(hào)帶寬的2倍。16QAM即16進(jìn)制正交振幅調(diào)制，它是一種振幅/相位聯(lián)合鍵控(APK)體制。16QAM的產(chǎn)生有2種方法：(1)正交調(diào)幅法，它是有2路正交的四電平振幅鍵控信號(hào)疊加而成；(2)復(fù)合相移法：它是用2路獨(dú)立的四相位移相鍵控信號(hào)疊加而成。16QAM信號(hào)的振幅和相位作為兩個(gè)獨(dú)立的參量同時(shí)受到調(diào)制。故這種信號(hào)序列的第k個(gè)碼元可以表示為：Sk(t)=Akcos

10、(wot+抵)kTt氣k+1)T式中，k=整數(shù)；Ak和如分別可以取多個(gè)離散值。式(1-1)可以展開為：Sk(t)=Akcos抵coswot-AksinQkSinwot Xk=AkCOSk16QAM(1-1)(1-2)(1-3)通信原理及系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)報(bào)告-7-Yk=-Aksin旅(1-4)將式(1-3)和式(1-4)代入式(1-2)得：Sk(t)=XkCOSWot+Yksinwot(1-5)由上式可見，16QAM信號(hào)可以由兩路獨(dú)立的正交4ASK信號(hào)疊加而成，因此，這里采用正交調(diào)幅法。正交幅度調(diào)制是利用多進(jìn)制振幅鍵控(MASK)和正交載波調(diào)制相結(jié) 合產(chǎn)生的。2. 2 QAM 的調(diào)制解調(diào)原理MQAM

11、勺調(diào)制解調(diào)框圖如圖2.2.1所示。在發(fā)送端調(diào)制器中串/并變換使得信息速率為Rb的輸入二進(jìn)制信號(hào)分成兩個(gè)速率為Rb/2的二進(jìn)制信號(hào)，2/L電平轉(zhuǎn)換將每個(gè)速率為Rb/2的二進(jìn)制信號(hào)變?yōu)樗俾蕿镽b/(2lbL)的電平信號(hào)，然后分別與兩個(gè)正交載波相乘，再相加后即得MQAMI號(hào)。在接收端解調(diào)器中可以采用正交的相干解調(diào)方法。接受到的信號(hào)分兩路進(jìn)入兩個(gè)正交的載波的相干解調(diào)器，再分別進(jìn)入判決器形成L進(jìn)制信號(hào)并輸出二進(jìn)制信號(hào)，最后經(jīng)并/串變換后得到基帶信號(hào)圖 2.2.1 MQAM 調(diào)制解調(diào)框圖MQAI 調(diào) 制 9MQAM 勺解調(diào)通信原理及系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)報(bào)告-8-第三章 16QAM 調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與仿真根據(jù)第二章

12、的16QAM調(diào)制解調(diào)原理的講解，畫出16QAM的調(diào)制解調(diào)框圖如下所示:圖 3.1 16QAM 的調(diào)制解調(diào)框圖 3.2 16QAM 調(diào)制解調(diào)電路框圖16QAM 調(diào)制模塊的模型建立與仿真通過對(duì)圖3.1中16QA碉制原理框圖的分析，16QAMP個(gè)碼元所攜帶的信息為log 2M即4bit，是一般基帶數(shù)字調(diào)制（QPSK碼元攜帶信息量的2倍。而且16QA碉制是由兩路相互獨(dú)立的信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，一個(gè)16QA碼元寬度是基礎(chǔ)信號(hào)的2倍。以下我將對(duì)系統(tǒng)仿真框圖中的各模塊進(jìn)行簡(jiǎn)單的介紹：串并轉(zhuǎn)換模塊信號(hào)源通過串并變換，將原來(lái)的一路信源信號(hào)變成兩路信號(hào)，分別為上支路信號(hào)和下支路 信號(hào)，獨(dú)立地進(jìn)行調(diào)制和解調(diào)。Rb/2輸入通

13、信原理及系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)報(bào)告-9-串并變換的規(guī)則是根據(jù)序列編號(hào)的奇偶行，將編號(hào)為奇的 碼元編成一路信號(hào)，將編號(hào)為偶的碼元編成一路信號(hào)。經(jīng)過串并轉(zhuǎn)換后，并行輸出的每一 路碼元傳輸速率降為原來(lái)的一半即Rb/2.輸入d：-1 1 -1 1 1 1 -1 -1上支路d_NRZ1:-1-1 1-1下支路d_NRZ2:1 1 1-1串/并轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)的功能是將碼元速率為10b/s的二進(jìn)制基帶碼元序列分成兩路，其中一路信號(hào)可通過直接用采樣頻率為5HZ的采樣器對(duì)該二進(jìn)制基帶碼元序列進(jìn)行采樣獲得。要獲得另外一路信號(hào)，需要先將該二進(jìn)制基帶碼元序列延時(shí)一個(gè)碼元周期，再用采樣頻率為5HZ的采樣器采樣。為了使這兩路信號(hào)在時(shí)間上

14、同步，還需要將第一路信號(hào)也延時(shí)一個(gè)碼 元周期。這樣就將原二進(jìn)制基帶碼元序列分成兩路速率相同的二電平信號(hào)。具體電路圖如 下:圖 3.3 串/并轉(zhuǎn)換模塊電路圖采樣器的采樣速率為5，采樣點(diǎn)時(shí)間寬度為0,采樣時(shí)間偏差0.(2)采樣延遲的延遲點(diǎn)數(shù)為1.圖 3.4串并轉(zhuǎn)換各路信號(hào)圖由圖可以得出經(jīng)串并轉(zhuǎn)換之后，并行輸出的每一路碼元傳輸速率降為了原來(lái)的一半，這 也正是實(shí)際中所要求的。通信原理及系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)報(bào)告-10-3.1.2 2/4 電平轉(zhuǎn)換模塊對(duì)于2/4電平的轉(zhuǎn)換，其實(shí)是將輸入信號(hào)的4種狀態(tài)(00,01,10,11)經(jīng)過編碼以后變?yōu)橄鄳?yīng)的4電平信號(hào)。這里我們選擇的映射關(guān)系如下表所示：映射前數(shù)據(jù)電平/V00

15、-301-1101113表312/4電平映射關(guān)系表根據(jù)以上映射關(guān)系，我們可以很容易的找出它們之間的一個(gè)數(shù)學(xué)關(guān)系。這里輸入信號(hào)為兩路二進(jìn)制信號(hào)， 假設(shè)它們是ab,則在a=1時(shí)讓它輸出一個(gè)幅度為2的信號(hào)，當(dāng)a=0時(shí)輸 出幅度為-2的信號(hào)。同理當(dāng)b=1是讓它輸出一個(gè)幅度為1的信號(hào)，當(dāng)b=0時(shí)輸出幅度為-1的信 號(hào)。如此一來(lái)便可以得到下面的結(jié)果:進(jìn)行串并轉(zhuǎn)換，每路信號(hào)做一個(gè)簡(jiǎn)單的判決，再用一個(gè)相加模塊便可。實(shí)現(xiàn)2/4電平的轉(zhuǎn)換 功能。具體電路如下所示:圖 3.5 2/4電平轉(zhuǎn)換模塊(1)因?yàn)槭窃僖淮蔚拇⑥D(zhuǎn)換，采樣器的采樣速率為2.5,采樣點(diǎn)時(shí)間寬度為0，采樣時(shí)間偏差0.采樣延遲的延遲點(diǎn)數(shù)為1.當(dāng)ab

16、=00時(shí)輸出：y=-2 + -1=-3；ab=01時(shí)y=-2 + 1=-1；ab=10時(shí)y=2 + -1 =1；ab=11時(shí)y=2 + 1 =3；上所示我們可以得出：再設(shè)計(jì)2/4電平轉(zhuǎn)換模塊的時(shí)候,我們需要先將輸入信號(hào)再次由通信原理及系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)報(bào)告-11-對(duì)于59,其inputO為61提供，61為正弦函數(shù)，設(shè)定頻率和相位為0，幅度為2,取cos輸出接至59inputO。另一個(gè)inputl由60提供，幅值為-2。59的控制端為并行輸出的第一路，也就是原理中的a。對(duì)62與59設(shè)置相似，但是其inputO和1分別由提供-1和1的正弦信源提供。我們假設(shè)57和58輸出為11,那么根據(jù)電路中的邏輯關(guān)系，

17、得到的就是59輸出-2，62輸出-1，經(jīng)過65的相加器，其輸出就是-3.這樣就完成了24電平轉(zhuǎn)換。*-A 通甲祁I(lǐng) EiMJR2IP.1 V1.1匸1 1 11 1 1|II I|Mtfr11E121*1 fe| a | m Tno*-=驛my1 2a jID1 fei.ILI_1 11Tdfeh khSHCMKiciZ1.41 -bi t圖 3.6 2/4 電平轉(zhuǎn)換模塊各點(diǎn)波形由圖可見，完成了2-4電平的轉(zhuǎn)換。3.1.3 其余模塊除以上所述的兩個(gè)子系統(tǒng)外，調(diào)制階段還包括正余弦信號(hào)發(fā)生器、加法器、乘法器、 頻譜示波器和離散時(shí)間信號(hào)發(fā)散圖示波器等。3.2 16QAM 解調(diào)模塊的模型建立與仿真16

18、QAM解調(diào)原理框圖如圖3.8所示，解調(diào)器實(shí)現(xiàn)的核心在于4112電平判決模塊及并串轉(zhuǎn)換模塊。在本次仿真中，載波恢復(fù)輸出的同頻同相波是直接由調(diào)制模塊中的載波提供 的。通信原理及系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)報(bào)告-12-3.2.1 低通濾波器圖 3.9低通濾波參數(shù)設(shè)計(jì)4/2 電平判決由于前面采用的是模擬低通濾波器，所以在4/2電平判決之前得到的是一個(gè)模擬的4電平信號(hào)。之后要想得到2電平的數(shù)字信號(hào)，需經(jīng)一系列的抽樣、量化和編碼。這里我們?cè)?次使用子系統(tǒng)這一概念,假設(shè)上述模塊輸入為x,輸出分別為為y、z1、z2,則它完成的功能是:_3; x 蘭-2_ 1; 2：x _ 0 1;0cx 蘭 23;x20; y = _3zl

19、T0;y=jI I;y = i1; y = 30; y一3z2;y0; y = 11; y = 3便完成了以下映射關(guān)系，也最終實(shí)現(xiàn)了4/2電平的轉(zhuǎn)換。圖 3.8解調(diào)部分總電路這樣兩路二進(jìn)制信號(hào)經(jīng)并串轉(zhuǎn)換后,參數(shù)設(shè)計(jì)如下所示:通信原理及系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)報(bào)告-13-映射前數(shù)據(jù)電平/V-300-101110311表3-2 4/2電平映射關(guān)系表42電平判決子系統(tǒng)如下圖所示:圖3.10 4/2電平轉(zhuǎn)換模塊1、 對(duì)于電平判決，我們可以將四電平分成兩級(jí)，第一級(jí)為門限值為0V的一級(jí)。這一級(jí)將四電平分為正值和負(fù)值，正值時(shí)兩位二進(jìn)制輸出的第一位為1，負(fù)值時(shí)兩位二進(jìn)制輸出第一位為0。第二級(jí)分成兩個(gè)部分，第一個(gè)部分判決門

20、限為2V，在第一級(jí)輸出為1的前提下，如果第二級(jí)大于2V時(shí)輸出第二位為1,小于2V時(shí)輸出第二位為0;同樣在第一級(jí) 輸出為0的前提下，如果第二級(jí)大于-2V時(shí)輸出第二位為1,小于-2V時(shí)輸出第二位為0。該部分的功能是有電路中97,5,99實(shí)現(xiàn)的。2、101是完成對(duì)第二級(jí)輸出的組合。由于第二級(jí)輸出的二進(jìn)制由5和99產(chǎn)生，所以必須在第一級(jí)確定的情況下對(duì)第二級(jí)輸出進(jìn)行選擇。101實(shí)現(xiàn)的就是這個(gè)功能。101的輸入控制端由97提供，也就是第一級(jí)輸出的二進(jìn)制控制。在第一級(jí)輸出為1時(shí)，我們控制5的結(jié)果輸出即可，所以101的input0與5輸出端相連，input1與99輸出端相連。從而完成了第二路（就是并行數(shù)據(jù)第二

21、路）的數(shù)據(jù)輸出。并串轉(zhuǎn)換并串轉(zhuǎn)換是串并轉(zhuǎn)換的逆過程，并串轉(zhuǎn)換的目的是將兩路四電平信號(hào)合成一路四電平信號(hào)，從而還原出原基帶序列。具體方法是：用一個(gè)脈沖寬度為其周期的一半的脈沖串分 別與這兩路四電平信號(hào)相乘進(jìn)行采樣，并將第二路信號(hào)延時(shí)一個(gè)脈沖寬度。然后將這兩路通信原理及系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)報(bào)告-14-信號(hào)相加，再經(jīng)過采樣保持即恢復(fù)原基帶序列。具體電路圖如下:3.11并串轉(zhuǎn)換電路采樣脈沖串的幅度為 1V，頻率為分別為 2.5Hz 和 5Hz（因?yàn)榍懊娼?jīng)過兩次 串并轉(zhuǎn)換變?yōu)樗碾娖叫盘?hào)，所以當(dāng)要經(jīng)過并串變換時(shí)，也要經(jīng)過兩次）延遲器的延遲時(shí)間分別為 0.2s 和 0.1s。采樣器的采樣速率為分別為 5Hz 和 10Hz，采樣點(diǎn)時(shí)間寬度為 0，采樣時(shí)間偏 差 0。（4）采樣保持器的增益為 1。最后解調(diào)端輸出的波形為:統(tǒng)tH 5&3.12輸出波形通信原理及系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)報(bào)告-15-3.14加了噪聲的星座圖第4章仿真結(jié)果分析及總結(jié)4.1 仿真結(jié)果分析（1）從圖中基帶信號(hào)波形和并