通信原理課程設(shè)計(jì)基于SystemView的QAM和MSK調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1、目錄1 選題背景11.1 背景介紹11.2 設(shè)計(jì)要求11.3 指導(dǎo)思想12 方案論證13 systemview介紹13.1 systemview軟件簡(jiǎn)介13.2 systemview軟件的特點(diǎn)23.3 systemview的圖標(biāo)庫33.4 systemview的系統(tǒng)設(shè)計(jì)窗口34 qam調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)44.1 qam調(diào)制解調(diào)原理44.1.1 qam調(diào)制原理44.1.2 qam解調(diào)原理64.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)64.2.1 仿真電路64.2.2 仿真結(jié)果65 msk調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)115.1 msk調(diào)制解調(diào)原理115.1.1 msk調(diào)制原理115.1.2 msk解調(diào)原理125.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)135.2.1

2、 仿真電路135.2.2 仿真結(jié)果136 結(jié)果分析176.1 qam調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)結(jié)果分析176.2 msk調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)結(jié)果分析177 結(jié)論及總結(jié)17設(shè)計(jì)體會(huì)及今后的改進(jìn)意見19參考文獻(xiàn)資料1 選題背景1.1 背景介紹近年來,移動(dòng)通信技術(shù)專家非常重視正交振幅調(diào)制(quadrature amplitude modulation,縮寫為qam)技術(shù),它是根據(jù)載波的不同幅度和相位代表不同的編碼符號(hào),利用了這樣的特點(diǎn)來傳遞信息。qam調(diào)制具有抗噪聲性強(qiáng)、頻帶利用率高等特點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星通信和移動(dòng)通信領(lǐng)域中,尤其適合有線電視電纜傳輸。由于電磁波惡劣的傳播條件、快衰落的影響，使得接收信號(hào)的質(zhì)量急劇下降；

3、同時(shí)，隨著通信技術(shù)的快速發(fā)展，業(yè)務(wù)量急劇增加，頻帶資源日趨緊張，因而調(diào)制技術(shù)及調(diào)制信號(hào)應(yīng)具有較強(qiáng)的抗干擾能力，信號(hào)占用帶寬小，以提高頻譜利用率，在有限的帶寬內(nèi)盡可能地提高傳輸數(shù)據(jù)的比特率，以適應(yīng)通信系統(tǒng)的窄帶數(shù)據(jù)高速傳輸?shù)囊??；谶@兩方面的因素，最小移頻鍵控（msk）等現(xiàn)代數(shù)字調(diào)制技術(shù)在數(shù)字移動(dòng)通信中得到廣泛的應(yīng)用。1.2 設(shè)計(jì)要求通過基于systemview的qam和msk調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，熟悉systemview軟件在通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的具體應(yīng)用，會(huì)使用systemview觀察時(shí)域波形、頻譜、功率譜和星座圖的方法掌握現(xiàn)代數(shù)字調(diào)制技術(shù)原理及設(shè)計(jì)方法，通過對(duì)qam和msk系統(tǒng)的設(shè)計(jì)掌握qam和

4、msk系統(tǒng)調(diào)制信號(hào)的產(chǎn)生和解調(diào)等一般過程和方法，進(jìn)一步掌握一般通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本方法。1.3 指導(dǎo)思想qam和msk現(xiàn)代調(diào)制技術(shù)的基本原理與systemview的設(shè)計(jì)使用方法。2 方案論證方案一：運(yùn)用信號(hào)級(jí)的系統(tǒng)仿真軟件systemview5.0，根據(jù)qam與msk調(diào)制與解調(diào)系統(tǒng)的原理框圖設(shè)計(jì)相應(yīng)的調(diào)制解調(diào)仿真系統(tǒng)，解調(diào)是主要采用相干解調(diào)。設(shè)置合適參數(shù)，得到仿真結(jié)果，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析整理。方案二：，根據(jù)已知qam與msk調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)表達(dá)式及原理，運(yùn)用matlab+simulink對(duì)其進(jìn)行編程建模，得到仿真結(jié)果，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析整理。方案選擇：由于systemview是信號(hào)級(jí)的系統(tǒng)仿真軟件，特別

5、適用于通信系統(tǒng)仿真的工具，且systemview以模塊化和交互式的界面，操作簡(jiǎn)單方便，一般不需編程，波形分析的功能強(qiáng)大。因此，選擇方案一進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)。3 systemview介紹3.1 systemview軟件簡(jiǎn)介systemview是美國elanix公司推出的，基于windows環(huán)境的用于系統(tǒng)仿真分析的可視化軟件工具。它界面友好，使用方便systemview是一個(gè)信號(hào)級(jí)的系統(tǒng)仿真軟件，主要用于電路與通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、仿真，是一個(gè)強(qiáng)有力的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)分析工具，能滿足從數(shù)字信號(hào)處理、濾波器設(shè)計(jì)、直到復(fù)雜的通信系統(tǒng)等不同層次的設(shè)計(jì)、仿真要求。它可以構(gòu)造各種復(fù)雜的模擬、數(shù)字、數(shù)?；旌霞岸嗨俾氏到y(tǒng)，可用于各

6、種線性、非線性控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和仿真systemview以模塊化和交互式的界面，在大家熟悉的windows窗口環(huán)境下，為用戶提供了一個(gè)嵌入式的分析引擎。使用systemview你只需要關(guān)心項(xiàng)目的設(shè)計(jì)思想和過程，而不必花費(fèi)大量的時(shí)間去編程建立系統(tǒng)仿真模型。用戶只需使用鼠標(biāo)器點(diǎn)擊圖標(biāo)即可完成復(fù)雜系統(tǒng)的建模、設(shè)計(jì)和測(cè)試，而不必學(xué)習(xí)復(fù)雜的計(jì)算機(jī)程序編制，也不必?fù)?dān)心程序中是否存在編程錯(cuò)誤。3.2systemview軟件的特點(diǎn)（1）能仿真大量的應(yīng)用系統(tǒng) 能在dsp、通訊和控制系統(tǒng)應(yīng)用中構(gòu)造復(fù)雜的模擬、數(shù)字、混合和多速率系統(tǒng)。具有大量可選擇的庫，允許用戶有選擇地增加通訊、邏輯、dsp和射頻模擬功能模塊。（2）

7、快速方便的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真使用用戶熟悉的windows界面和功能鍵（單擊、雙擊鼠標(biāo)的左右鍵），systemview可以快速建立和修改系統(tǒng)，并在對(duì)話框內(nèi)快速訪問和調(diào)整參數(shù)，實(shí)時(shí)修改實(shí)時(shí)顯示。只需簡(jiǎn)單用鼠標(biāo)點(diǎn)擊圖符即可創(chuàng)建連續(xù)線性系統(tǒng)、dsp濾波器，并輸入輸出基于真實(shí)系統(tǒng)模型的仿真數(shù)據(jù)。不用寫一行代碼即可建立用戶習(xí)慣的子系統(tǒng)庫（metasystem）。（3）提供基于組織結(jié)構(gòu)圖方式的設(shè)計(jì)通過利用systemview中的圖符和metasystem（子系統(tǒng)）對(duì)象的無限制分層結(jié)構(gòu)功能，systemview能很容易地建立復(fù)雜的系統(tǒng)。（4）多速率系統(tǒng)和并行系統(tǒng)systemview允許合并多種數(shù)據(jù)采樣率輸入的

8、系統(tǒng)，以簡(jiǎn)化fir 濾波器的執(zhí)行。這種特性尤其適合于同時(shí)具有低頻和高頻部分的通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真，有利于提高整個(gè)系統(tǒng)的仿真速度，而在局部又不會(huì)降低仿真的精度。同時(shí)還可降低對(duì)計(jì)算機(jī)硬件配置的要求。（5）完備的濾波器和線性系統(tǒng)設(shè)計(jì)systemview包含一個(gè)功能強(qiáng)大的、很容易使用的圖形模板設(shè)計(jì)模擬和數(shù)字以及離散和連續(xù)時(shí)間系統(tǒng)的環(huán)境，還包含大量的fir/iir濾波類型和fft類型，并提供易于用dsp實(shí)現(xiàn)濾波器或線性系統(tǒng)的參數(shù)。（6）先進(jìn)的信號(hào)分析和數(shù)據(jù)塊處理systemview提供的分析窗口是一個(gè)能夠提供系統(tǒng)波形詳細(xì)檢查的交互式可視環(huán)境。分析窗口還提供一個(gè)能對(duì)仿真生成數(shù)據(jù)進(jìn)行先進(jìn)的塊處理操作的接收計(jì)

9、算器。（7）完善的自我診斷功能systemview能自動(dòng)執(zhí)行系統(tǒng)連接檢查，通知用戶連接出錯(cuò)并通過顯示指出出錯(cuò)的圖符。這個(gè)特點(diǎn)對(duì)用戶系統(tǒng)的診斷是十分有效的。3.3 systemview的圖標(biāo)庫圖標(biāo)是systemview仿真運(yùn)算,處理的基本單元,共分為三大類;第一類包括信號(hào)源庫,它只有輸出端沒有輸入端;第二個(gè)類包括觀察窗庫,它只有輸入端沒有輸出端;第三類包括其他所有圖表庫,這類圖標(biāo)都有一定個(gè)數(shù)的輸入端和輸出端. 在設(shè)計(jì)窗口的左邊有一個(gè)圖標(biāo)庫區(qū)，一組是基本庫（main libraries），共8個(gè)。另一組是可選擇的專業(yè)庫（optional libraries）,如通信庫、數(shù)字信號(hào)處理庫、邏輯庫、射頻

10、/模擬庫等，支持用戶自己用c/c+語言編寫源代碼定義圖標(biāo)以完成所需自定義功能的用戶自定義庫（custom），及可調(diào)用、訪問matlab的函數(shù)的m-link庫，以及cdma、dvb、自適應(yīng)濾波器庫等。圖3-1 基本庫圖標(biāo)在上述八個(gè)圖符中，除雙擊加法器和乘法器圖符按鈕可直接使用外，雙擊其他按鈕會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)的對(duì)話框，應(yīng)進(jìn)一步設(shè)置圖符塊的操作參數(shù)。單擊圖符庫選擇區(qū)最上面的主庫開關(guān)按鈕“main”，將出現(xiàn)選擇開關(guān)按鈕“option”下的庫（user）、通信庫（comm）、dsp庫、邏輯庫(logic)、射頻/模擬庫(rf/analog)和數(shù)學(xué)庫（matalab）選擇按鈕，可分別雙擊他們選擇調(diào)用。在設(shè)計(jì)窗口

11、中間的大片區(qū)域就是工作區(qū)域，用戶可以在這里放置、定義和連接各種圖符，建立新的系統(tǒng)。3.4 systemview的系統(tǒng)設(shè)計(jì)窗口系統(tǒng)視窗第一行為主菜單欄它含有幾個(gè)下拉式菜單，通過這些菜單可以訪問重要的systemview功能，包括：文件（file）、編輯（edit）、參數(shù)優(yōu)選（preferences）、視窗觀察（view）、便箋（notepads）、連接（connetions）、編譯器（compiler）、系統(tǒng)（system）、圖符塊（tokens）、工具（tools）和幫助（help）。用鼠標(biāo)選擇各菜單都會(huì)下拉顯示若干選項(xiàng)。新建或打開設(shè)計(jì)文件的操作步驟與其它軟件相同。圖3-2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)窗口4 q

12、am調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)正交幅度調(diào)制qam是數(shù)字通信中一種經(jīng)常利用的數(shù)字調(diào)制技術(shù)，它是用兩路獨(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，如圖1所示為二進(jìn)制qam（4qam）的星座圖。圖4-1 4qam信號(hào)星座圖4.1 qam調(diào)制解調(diào)原理4.1.1 qam調(diào)制原理正交振幅調(diào)制qam(quadrature amplitude modulation)就是一種頻譜利用率很高的

13、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。所謂正交振幅調(diào)制是用兩個(gè)獨(dú)立的基帶波形對(duì)兩個(gè)互相正交的同頻載波進(jìn)行抑制載波的雙邊帶調(diào)制。在這種調(diào)制中，已調(diào)載波的振幅和相位都隨兩個(gè)獨(dú)立的基帶信號(hào)變化。采用多進(jìn)制正交振幅調(diào)制，可記為mqam（m2）。增大m可提高頻率利用率，也即提高傳輸有效性。下面介紹mqam的基本原理。mqam信號(hào)表示式可寫成其中，ai和bi是振幅，表示為其中，i,j=1,2,，l，當(dāng)l=1時(shí)，是4qam信號(hào)；當(dāng)l=2時(shí)，是16qam信號(hào)；當(dāng)l=4時(shí)，是

14、64qam信號(hào)。選擇正交的基本信號(hào)為在信號(hào)空間中mqam信號(hào)點(diǎn)(i,j=1,2,l)圖4-2是mqam的星座圖，這是一種矩形的mqam星座圖。圖4-2 mqam信號(hào)星座圖4.1.2 qam解調(diào)原理qam信號(hào)采取正交相干解調(diào)的方法解調(diào)，其數(shù)學(xué)模型如圖2所示。解調(diào)器首先對(duì)收到的qam信號(hào)進(jìn)行正交相干解調(diào)。低通濾波器lpf濾除乘法器產(chǎn)生的高頻分量。lpf輸出經(jīng)抽樣判決可恢復(fù)出電平信號(hào)和。因?yàn)楹腿≈狄话銥?，3，（-1），所以判決電平應(yīng)設(shè)在信號(hào)電平間隔的中點(diǎn)，即0，2，4，（-2）。根據(jù)多進(jìn)制碼元與二進(jìn)制碼元之間的關(guān)系，經(jīng)/2轉(zhuǎn)換，可將電平信號(hào)轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制基帶信號(hào)和。圖4-3 qam調(diào)制解調(diào)框圖4.2

15、 系統(tǒng)設(shè)計(jì)4.2.1 仿真電路圖4-4 qam仿真電路4.2.2 仿真結(jié)果仿真結(jié)果除了觀察各信號(hào)接收器的波形外，還分別比較了i路和q路解調(diào)輸出信號(hào)和輸入原碼（圖4-12，4-13），輸出i路和q路解調(diào)輸出信號(hào)的功率譜和星座圖（圖4-14，4-15，4-16）圖4-5 i路原碼圖4-6 q路原碼圖4-7 i路輸入波形圖4-8 q路輸入波形圖4-9 i與q路疊加波形（有噪聲）圖4-10 i路解調(diào)波形圖4-11 q路解調(diào)輸出圖4-12 i路原碼與解調(diào)輸出比較圖4-13 q路原碼與解調(diào)輸出比較圖4-14 i路解調(diào)輸出功率譜圖4-15 q路解調(diào)輸出功率譜圖4-16 qam星座圖5 msk調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

16、5.1 msk調(diào)制解調(diào)原理最小頻移鍵控（minimum shift keying）是二進(jìn)制連續(xù)相位fsk（cpfsk）的一種特例，它能夠產(chǎn)生恒定包絡(luò)、連續(xù)相位信號(hào)，具有正交信號(hào)的最小頻率間隔，在相鄰碼元交界處相位連續(xù)。所謂“最小”是指這種調(diào)制方式能以最小的調(diào)制指數(shù)(0.5)獲得正交信號(hào)；而“快速”是指在給定同樣的頻帶內(nèi)，msk能比2psk的數(shù)據(jù)傳輸速率更高，且在帶外的頻譜分量要比2psk衰減的快。msk信號(hào)具有如下特點(diǎn)：（1）已調(diào)信號(hào)的振幅是恒定的；（2）信號(hào)的頻率偏移嚴(yán)格地等于，相應(yīng)的調(diào)制指數(shù)；（3）以載波相位為基準(zhǔn)的信號(hào)相位在一個(gè)碼元期間內(nèi)準(zhǔn)確地線性變化；（4）在碼元轉(zhuǎn)換時(shí)刻信號(hào)的相位是連

17、續(xù)的，或者說，信號(hào)的波形沒有突跳。5.1.1 msk調(diào)制原理msk信號(hào)的時(shí)域表達(dá)式為：式中，表示載波頻率；a 表示已調(diào)信號(hào)振幅；表示碼元寬度；表示第個(gè)碼元中的信息，其取值為；表示直到時(shí)的累積（記憶）相位值。由于，故msk信號(hào)也可以看作是由兩個(gè)彼此正交的載波與分別被函數(shù)與進(jìn)行振幅調(diào)制而合成的。已知因而故msk信號(hào)可表示為式中，等號(hào)后面的第一項(xiàng)是同相分量，也稱分量；第二項(xiàng)是正交分量，也稱分量。和稱為加權(quán)函數(shù)（或稱調(diào)制函數(shù)）。是同相分量的等效數(shù)據(jù)，是正交分量的等效數(shù)據(jù)，它們都與原始輸入數(shù)據(jù)有確定的關(guān)系。令，可得，式中，。根據(jù)上式，可構(gòu)成一種msk調(diào)制器，其方框圖如圖5-1所示。圖5-1 msk調(diào)制器

18、原理圖5.1.2 msk解調(diào)原理由于msk信號(hào)調(diào)制指數(shù)較小，采用一般鑒頻器方式進(jìn)行解調(diào)誤碼率性能不太好，因此在對(duì)誤碼率有較高要求時(shí)大多采用相干解調(diào)方式。圖5-2是msk信號(hào)相干解調(diào)器原理圖，其由相干載波提取和相干解調(diào)兩部分組成。圖5-2 msk信號(hào)相干解調(diào)器原理圖5.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)5.2.1 仿真電路圖5-3 msk仿真電路5.2.2 仿真結(jié)果圖5-4 原碼圖5-5 差分編碼圖5-6 i路輸入圖5-7 i路加權(quán)圖5-8 q路輸入圖5-9 q路加權(quán)圖5-10 msk調(diào)制輸出（無噪聲）圖5-11 msk調(diào)制輸出（有噪聲）圖5-12 解調(diào)輸出波形圖5-13 msk調(diào)制輸出（無噪聲）功率譜圖5-14 m

19、sk調(diào)制輸出（有噪聲）功率譜6結(jié)果分析6.1 qam調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)結(jié)果分析（1）由4-12和4-13可得，i路和q路解調(diào)輸出的信號(hào)與原碼接近，經(jīng)過電平判定比較后可以得到有時(shí)間偏移原碼信號(hào)。（2）由4-14和4-15可得，i路和q路解調(diào)出來的信號(hào)的功率多集中在020hz的頻率范圍內(nèi)，且呈現(xiàn)衰落的形勢(shì)，i路和q路原碼設(shè)置的頻率為10hz，符合實(shí)際情況。（3）由4-16可得，此qam調(diào)制系統(tǒng)為16qam調(diào)制系統(tǒng)。6.2 msk調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)結(jié)果分析（1）由5-4和5-12比較可得，msk解調(diào)輸出的信號(hào)與原碼接近，但在時(shí)間上有延遲。（2）由5-10可得，在無噪聲情況下msk已調(diào)信號(hào)的振幅是恒定的。（3）由

20、5-13和5-14，msk已調(diào)信號(hào)在40hz處功率達(dá)到峰值，又因?yàn)樵O(shè)置的載波頻率為40hz，功率譜結(jié)果符合實(shí)際情況。7 結(jié)論及總結(jié)本次課程設(shè)計(jì)的主要任務(wù)就是用systemview軟件仿真qam和msk的調(diào)制與解調(diào)系統(tǒng)，經(jīng)過一段時(shí)間的努力，系統(tǒng)仿真完成。 1. 對(duì)qam和msk調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)基本原理進(jìn)行了較為深入地理解與分析，并且根據(jù)其原理構(gòu)建了systemview的仿真模型，學(xué)會(huì)了觀察功率譜星座圖的方法。 2. 較為熟悉地掌握了systemview軟件在通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真的基本步驟與方法。3. 利用systemview實(shí)現(xiàn)了簡(jiǎn)單qam調(diào)制與解調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)與仿真，并得到相應(yīng)的調(diào)制解調(diào)波形，但

21、qam解調(diào)時(shí)缺乏對(duì)信號(hào)的電平判決，只是通過與原碼合并到一個(gè)窗口中進(jìn)行粗略比較判定，在此方面的設(shè)計(jì)還欠缺。4. 利用systemview實(shí)現(xiàn)了msk調(diào)制與解調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，發(fā)現(xiàn)解調(diào)信號(hào)波形與輸入信號(hào)波形存在一定時(shí)延，所以該系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性有不足。設(shè)計(jì)體會(huì)及今后的改進(jìn)意見經(jīng)過這一周的通信原理課程設(shè)計(jì)的學(xué)習(xí)讓我受益匪淺。在通信原理設(shè)計(jì)課程即將結(jié)束之時(shí)，我對(duì)在這周來的學(xué)習(xí)進(jìn)行了總結(jié)，總結(jié)這一周來的收獲與不足。取之長、補(bǔ)之短，在今后的學(xué)習(xí)和工作中有所受用。本周的課程設(shè)計(jì)使用了systemview軟件對(duì)qam和msk調(diào)制和解調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行了仿真。通過這次設(shè)計(jì)，我熟練得掌握了systemview環(huán)境下的操作方法和步驟，通過對(duì)設(shè)計(jì)內(nèi)容的理解和認(rèn)識(shí)，進(jìn)一步加深了對(duì)qam和msk信號(hào)調(diào)制解調(diào)過程的理解，由于設(shè)計(jì)過程中運(yùn)用了通信原理的知識(shí)，在做設(shè)計(jì)的同