正交振幅調制概要

1、HUBEI UNIVERSITY OF ECONOMICS通信原理課程設計報告二O三二O四學年第一學期學號_姓名_班級_電子工程系通信原理及系統(tǒng)課程設計報告-2-目 錄第一章 緒 論. 41 1 QAM 簡介. 4第二章 正交振幅調制. 52. 1 MQAM 信號的星座圖. 52. 2 QAM 的調制解調原理. 6第三章 16QAM 調制解調系統(tǒng)實現(xiàn)與仿真 . 63.1 16QAM 調制模塊的模型建立與仿真 . 73.1.1 串并轉換模塊. 73.1.2 2/4 電平轉換模塊. 93.1.3其余模塊與調制部分的結果 . 103.2 16QAM 解調模塊的模型建立與仿真. 113.2.1相干解調

2、. 113.2.2 4/2 電平判決與毛刺消除仿真電路 . 113.2.3 并串轉換與最終解調結果對比 . 13第四章 仿真結果分析及總結 . 153.2.2 仿真結果分析. 153.2.3 總結. 15通信原理及系統(tǒng)課程設計報告-3-第一章 緒論1.QAM 簡介隨著現(xiàn)代通信技術的發(fā)展，特別是移動通信技術高速發(fā)展，頻帶利用率問題越來越被 人們關注。在頻譜資源非常有限的今天，傳統(tǒng)通信系統(tǒng)的容量已經不能滿足當前用戶的要 求。正交幅度調制QAM（Quadrature AmplitudeModulatio n）以其高頻譜利用率、高功率譜密 度等優(yōu)勢，成為寬帶無線接入和無線視頻通信的重要技術方案。正交振

3、幅調制QAM（Quadrature Amplitude Modulatio n）是一種頻譜利用率很高的調制方式，其在中、大容量數(shù)字微波通信系統(tǒng)、有線電視網絡高速數(shù)據(jù)傳輸、衛(wèi)星通信系統(tǒng)等領域得到了廣泛應 用。在移動通信中，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。作為國際上移動通信技術專家十分重視的一種信號調制方式之一，正交振幅調制（QAM在移動通信中頻譜利用率一直是人們關注的焦點之一。正交振幅鍵控是將兩種調幅信號（2ask和2psk）匯合到一個信道的方法，因此會雙倍擴展有效帶寬。正交調幅被用于脈沖調幅，特別是在無線網絡應用。正交調幅信號有兩個相同頻率的載波，但是相位相差90度

4、（四分之一周期，來自積分術語）。一個信號叫I信號，另一個信號叫Q信號。從數(shù)學角度將一個信號可以表示成正弦，另一個表示成余弦。兩種被調制的載波在發(fā)射時已被混和。到達目的地后，載波被分離，數(shù)據(jù)被分別提取然后 和原始調制信息相混和。QAM是用兩路獨立的基帶信號對兩個相互正交的同頻載波進行抑制載波雙邊帶調幅，利用這種已調信號的頻譜在同一帶寬內的正交性，實現(xiàn)兩路并行的數(shù)字信息的傳輸。該調 制方式通常有二進制QAM（4QAM、四進制QAM（I6QAM）、八進制QAM（ 64QAM、，對 應的空間信號矢量端點分布圖稱為星座圖，分別有4、16、64、個矢量端點。電平數(shù)m和信號狀態(tài)M之間的關系是對于4QAM當兩

5、路信號幅度相等時，其產生、解調、性能及相 位矢量均與4PSK相同。正交振幅調制QAM（Quadrature Amplitude Modulation）是一種頻譜利用率很高的調制方式，其在中、大容量數(shù)字微波通信系統(tǒng)、有線電視網絡高速數(shù)據(jù)傳 輸、衛(wèi)星通信系統(tǒng)等領域得到了廣泛應用。第二章正交振幅調制MQAI 信號的星座圖正交振幅調制（QAM）是一種矢量調制，它是將輸入比特先映射（一般采用格雷碼）到一個復平面（星座）上，形成復數(shù)調制符號。正交調幅信號有兩個相同頻率的載波，但是相位相差90度（四分之一周期，來自積分術語）。一個信號叫I信號，另一個信號叫Q信號。從數(shù)學角度將一個信號可以表示成正弦，另一個表

6、示成余弦。兩種被調制的載波在 發(fā)射時已被混和。到達目的地后，載波被分離，數(shù)據(jù)被分別提取然后和原始調制信息相 和。這樣與之作幅度調制（AM）相比，其頻譜利用率高出一倍。通信原理及系統(tǒng)課程設計報告-4-QAM是用兩路獨立的基帶信號對兩個相互正交的同頻載波進行抑制載波雙邊帶調幅，利用這種已調信號的頻譜在同一帶寬內的正交性，實現(xiàn)兩路并行的數(shù)字信息的傳輸。該調 制方式通常有二進制QAM（4QAM）、四進制QAM（16QAM）、八進制QAM（64QAM）、, 對應的空間信號矢量端點分布圖稱為星座圖， 分別有4、16、64、個矢量端點。目前QAM最高已達到1024QAM。樣點數(shù)目越多，其傳輸效率越高。但并不

7、是樣點數(shù)目越多越好，隨著樣點數(shù)目的增加，QAM系統(tǒng)的誤碼率會逐漸增大，所以在對可靠性要求較高的環(huán)境， 不能使用較多樣點數(shù)目的QAM。對于4QAM，當兩路信號幅度相等時，其產生、解調、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L=1時，是4QAM言號；當L=2時，是16QAM言號；當L=4在信號空間中MQAMI號點(Ad仁BJZ丄)MQAI的星座圖是一種矩形的MQAMI座圖。時，是64QAM言號。選擇正交的基本信號為1(t)=A coswt TBMQAI信號表示式可寫成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)課程設計報告-5-MQAMI號星座圖通信原理及系統(tǒng)課程設計報告-6-為了說明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，這兩個星座圖表示的信號最大功率相等，相鄰信號點的距離di,d2分別為：2DPSKdi：2Asin0.39A16結果表明，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的相鄰信號距離超過16PSK約4.19dB。星座圖中，兩個信號點距離越大，在噪聲干擾使信號圖模糊的情況下，要求分開兩個可能信號點越容

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， 信號點在空間距離也不同，誤碼性能也不同。MQAM口MPSK在相同信號點數(shù)時，功率譜相同，帶寬均為基帶信號帶寬的2倍。16QAM即16進制正交振幅調制，它是一種振幅/相位聯(lián)合鍵控(APK)體制。16QAM的產生有2種方法：(1)正交調幅法，它是有2路正交的四電平振幅鍵控信號疊加而成；(2)復合相移法：它是用2路獨立的四相位移相鍵控信號疊加而成。16QAM信號的振幅和相位作為兩個獨立的參量同時受到調制。故這種信號序列的第k個碼元可以表示為：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)課程設計報告-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信號可以由兩路獨立的正交4ASK信號疊加而成，因此，這里采用正交調幅法。正交幅度調制是利用多進制振幅鍵控(MASK)和正交載波調制相結 合產生的。2. 2 QAM 的調制解調原理MQAM

11、勺調制解調框圖如圖2.2.1所示。在發(fā)送端調制器中串/并變換使得信息速率為Rb的輸入二進制信號分成兩個速率為Rb/2的二進制信號，2/L電平轉換將每個速率為Rb/2的二進制信號變?yōu)樗俾蕿镽b/(2lbL)的電平信號，然后分別與兩個正交載波相乘，再相加后即得MQAMI號。在接收端解調器中可以采用正交的相干解調方法。接受到的信號分兩路進入兩個正交的載波的相干解調器，再分別進入判決器形成L進制信號并輸出二進制信號，最后經并/串變換后得到基帶信號圖 2.2.1 MQAM 調制解調框圖MQAI 調 制 9MQAM 勺解調通信原理及系統(tǒng)課程設計報告-8-第三章 16QAM 調制解調系統(tǒng)實現(xiàn)與仿真根據(jù)第二章

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

13、信原理及系統(tǒng)課程設計報告-9-串并變換的規(guī)則是根據(jù)序列編號的奇偶行，將編號為奇的 碼元編成一路信號，將編號為偶的碼元編成一路信號。經過串并轉換后，并行輸出的每一 路碼元傳輸速率降為原來的一半即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/并轉換實現(xiàn)的功能是將碼元速率為10b/s的二進制基帶碼元序列分成兩路，其中一路信號可通過直接用采樣頻率為5HZ的采樣器對該二進制基帶碼元序列進行采樣獲得。要獲得另外一路信號，需要先將該二進制基帶碼元序列延時一個碼元周期，再用采樣頻率為5HZ的采樣器采樣。為了使這兩路信號在時間上

14、同步，還需要將第一路信號也延時一個碼 元周期。這樣就將原二進制基帶碼元序列分成兩路速率相同的二電平信號。具體電路圖如 下:圖 3.3 串/并轉換模塊電路圖采樣器的采樣速率為5，采樣點時間寬度為0,采樣時間偏差0.(2)采樣延遲的延遲點數(shù)為1.圖 3.4串并轉換各路信號圖由圖可以得出經串并轉換之后，并行輸出的每一路碼元傳輸速率降為了原來的一半，這 也正是實際中所要求的。通信原理及系統(tǒng)課程設計報告-10-3.1.2 2/4 電平轉換模塊對于2/4電平的轉換，其實是將輸入信號的4種狀態(tài)(00,01,10,11)經過編碼以后變?yōu)橄鄳?電平信號。這里我們選擇的映射關系如下表所示：映射前數(shù)據(jù)電平/V00

15、-301-1101113表312/4電平映射關系表根據(jù)以上映射關系，我們可以很容易的找出它們之間的一個數(shù)學關系。這里輸入信號為兩路二進制信號， 假設它們是ab,則在a=1時讓它輸出一個幅度為2的信號，當a=0時輸 出幅度為-2的信號。同理當b=1是讓它輸出一個幅度為1的信號，當b=0時輸出幅度為-1的信 號。如此一來便可以得到下面的結果:進行串并轉換，每路信號做一個簡單的判決，再用一個相加模塊便可。實現(xiàn)2/4電平的轉換 功能。具體電路如下所示:圖 3.5 2/4電平轉換模塊(1)因為是再一次的串并轉換，采樣器的采樣速率為2.5,采樣點時間寬度為0，采樣時間偏差0.采樣延遲的延遲點數(shù)為1.當ab

16、=00時輸出：y=-2 + -1=-3；ab=01時y=-2 + 1=-1；ab=10時y=2 + -1 =1；ab=11時y=2 + 1 =3；上所示我們可以得出：再設計2/4電平轉換模塊的時候,我們需要先將輸入信號再次由通信原理及系統(tǒng)課程設計報告-11-對于59,其inputO為61提供，61為正弦函數(shù)，設定頻率和相位為0，幅度為2,取cos輸出接至59inputO。另一個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62與59設置相似，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57和58輸出為11,那么根據(jù)電路中的邏輯關系，

17、得到的就是59輸出-2，62輸出-1，經過65的相加器，其輸出就是-3.這樣就完成了24電平轉換。*-A 通甲祁I 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 電平轉換模塊各點波形由圖可見，完成了2-4電平的轉換。3.1.3 其余模塊除以上所述的兩個子系統(tǒng)外，調制階段還包括正余弦信號發(fā)生器、加法器、乘法器、 頻譜示波器和離散時間信號發(fā)散圖示波器等。3.2 16QAM 解調模塊的模型建立與仿真16

18、QAM解調原理框圖如圖3.8所示，解調器實現(xiàn)的核心在于4112電平判決模塊及并串轉換模塊。在本次仿真中，載波恢復輸出的同頻同相波是直接由調制模塊中的載波提供 的。通信原理及系統(tǒng)課程設計報告-12-3.2.1 低通濾波器圖 3.9低通濾波參數(shù)設計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模擬的4電平信號。之后要想得到2電平的數(shù)字信號，需經一系列的抽樣、量化和編碼。這里我們再 次使用子系統(tǒng)這一概念,假設上述模塊輸入為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系，也最終實現(xiàn)了4/2電平的轉換。圖 3.8解調部分總電路這樣兩路二進制信號經并串轉換后,參數(shù)設計如下所示:通信原理及系統(tǒng)課程設計報告-13-映射前數(shù)據(jù)電平/V-300-101110311表3-2 4/2電平映射關系表42電平判決子系統(tǒng)如下圖所示:圖3.10 4/2電平轉換模塊1、 對于電平判決，我們可以將四電平分成兩級，第一級為門限值為0V的一級。這一級將四電平分為正值和負值，正值時兩位二進制輸出的第一位為1，負值時兩位二進制輸出第一位為0。第二級分成兩個部分，第一個部分判決門

20、限為2V，在第一級輸出為1的前提下，如果第二級大于2V時輸出第二位為1,小于2V時輸出第二位為0;同樣在第一級 輸出為0的前提下，如果第二級大于-2V時輸出第二位為1,小于-2V時輸出第二位為0。該部分的功能是有電路中97,5,99實現(xiàn)的。2、101是完成對第二級輸出的組合。由于第二級輸出的二進制由5和99產生，所以必須在第一級確定的情況下對第二級輸出進行選擇。101實現(xiàn)的就是這個功能。101的輸入控制端由97提供，也就是第一級輸出的二進制控制。在第一級輸出為1時，我們控制5的結果輸出即可，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。并串轉換并串轉換是串并轉換的逆過程，并串轉換的目的是將兩路四電平信號合成一路四電平信號，從而還原出原基帶序列。具體方法是：用一個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相乘進行采樣，并將第二路信號延時一個脈沖寬度。然后將這兩路通信原理及系統(tǒng)課程設計報告-14-信號相加，再經過采樣保持即恢復原基帶序列。具體電路圖如下:3.11并串轉換電路采樣脈沖串的幅度為 1V，頻率為分別為 2.5Hz 和 5Hz（因為前面經過兩次 串并轉換變?yōu)樗碾娖叫盘?，所以當要經過并串變換時，也要經過兩次）延遲器的延遲時間分別為 0.2s 和 0.1s。采樣器的采樣速率為分別為 5Hz 和 10Hz，采樣點時間寬度為 0，采樣時間偏 差 0。（4）采樣保持器的增益為 1。最后解調端輸出的波形為:統(tǒng)tH 5&3.12輸出波形通信原理及系統(tǒng)課程設計報告-15-3.14加了噪聲的星座圖第4章仿真結果分析及總結4.1 仿真結果分析（1）從圖中基帶信號波形和并