[信息与通信]基于systemview的QAM调制解调系统.doc
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1、信息与通信基于systemview的QAM调制解调系统(完整版)(文档可以直接使用,也可根据实际需要修改使用,可编辑 欢迎下载)目录第一章 绪 论311 QAM简介31. 2 systemview软件介绍及特点3第二章 正交振幅调制521 MQAM信号的星座图52. 2 QAM的调制解调原理72. 3 QAM的误码率性能82. 4 QAM的改进方案9第三章 SYSTEMVIEW概述103. 1 systemview基本模块库介绍10第四章 16QAM调制解调系统实现与仿真124.1 16QAM 调制模块的模型建立与仿真144.1.1 信号源部分144.1.2 串并转换模块154.1.3 2/4
2、电平转换模块174.1.4 其余模块与调制部分的结果194.2 16QAM解调模块的模型建立与仿真224.2.1 相干解调224.2.2 4/2电平判决与毛刺消除仿真电路254.2.3 并串转换与最终解调结果对比30第五章 16QAM抗噪声性能研究345.1 16QAM抗噪声性能的systemview仿真345.2 16QAM抗噪声性能的matlab仿真38第六章 结论与总结416.1 本设计总结416.2 对设计软件的不足与实验感想41参考文献43 第一章 绪 论1.1 QAM简介 在现代通信中,提高频谱利用率一直是人们关注的焦点之一。近年来,随着通信业务需求的迅速增长,寻找频谱利用率高的数
3、字调制方式已成为数字通信系统设计、研究的主要目标之一。正交振幅调制QAM(Quadrature Amplitude Modulation)就是一种频谱利用率很高的调制方式,其在中、大容量数字微波通信系统、有线电视网络高速数据传输、卫星通信系统等领域得到了广泛应用。在移动通信中,随着微蜂窝和微微蜂窝的出现,使得信道传输特性发生了很大变化。 过去在传统蜂窝系统中不能应用的正交振幅调制也引起人们的重视。QAM数字调制器作为DVB系统的前端设备,接收来自编码器、复用器、DVB网关、视频服务器等设备的TS流,进行RS编码、卷积编码和QAM数字调制,输出的射频信号可以直接在有线电视网上传送,同时也可根据需
4、要选择中频输出。它以其灵活的配置和优越的性能指标,广泛的应用于数字有线电视传输领域和数字MMDS系统。作为国际上移动通信技术专家十分重视的一种信号调制方式之一,正交振幅调制(QAM)在移动通信中频谱利用率一直是人们关注的焦点之一,随着微蜂窝(Microcell)和微微蜂窝(Picocell)系统的出现,使得信道的传输特性发生了很大变化,接收机和发射机之间通常具有很强的支达分量,以往在蜂窝系统中不能应用的但频谱利用率很高的WAM已引起人们的重视,许多学者已对16QAM及其它变型的QAM在PCN中的应用进行了广泛深入地研究。1. 2 systemview软件介绍及特点(1) SystemView是
5、一个信号级的系统仿真软件,主要用于电路和通信系统的设计、仿真,是一个强有力的动态系统分析工具,能满足从数字信号处理、滤波器设计到复杂的通信系统等不同层的设计、仿真要求。它基于Windows环境下运行的用于系统仿真分析的可视化软件工具,它使用功能模块(Token)去描述程序,无需与复杂的程序语言打交道,不用写一句代码即可完成各种系统的设计与仿真,快速地建立和修改系统、访问与调整参数,方便地加入注释。(2) SystemView的库资源十分丰富,包括含若干图标的基本库(Main Library)及专业库(Optional Library),基本库中包括多种信号源、接收器、加法器、乘法器,各种函数运
6、算器等;专业库有通讯(Communication)、逻辑(Logic)、数字信号处理(DSP)、射频/模拟(RF/Analog)等;它们特别适合于现代通信系统的设计、仿真和方案论证,尤其适合于无线 、无绳 、寻呼机、调制解调器、卫星通讯等通信系统;并可进行各种系统时域和频域分析、谱分析,及对各种逻辑电路、射频/模拟电路(混合器、放大器、RLC电路、运放电路等)进行理论分析和失真分析。(3) 使用SystemView时,用户只关心项目的设计思想和过程,用鼠标点击图标即可完成复杂通信系统的设计、仿真、测试,而不用花费太多的精力去通过编程来建立通信仿真模型。(4) System View能自动执行系
7、统连接检查,给出连接错误信息或尚悬空的待连接端信息,通知用户连接出错并通过显示指出出错的图标。这个特点对用户系统的诊断是十分有效的。 (5) System View的另一重要特点是它可以从各种不同角度、以不同方式,按要求设计多种滤波器,并可自动完成滤波器各指标如幅频特性(伯特图)、传递函数、根轨迹图等之间的转换。 (6) 在系统设计和仿真分析方面,System View还提供了一个真实而灵活的窗口用以检查、分析系统波形。在窗口内,可以通过鼠标方便地控制内部数据的图形放大、缩小、滚动等。另外,分析窗中还带有一个功能强大的“接收计算器”,可以完成对仿真运行结果的各种运算、谱分析、滤波。System
8、 View还具有与外部文件的接口,可直接获得并处理输入/输出数据。提供了与编程语言VC+或仿真工具Matlab的接口,可以很方便的调用其函数。还具备与硬件设计的接口:与Xilinx公司的软件Core Generator配套,可以将System View系统中的部分器件生成下载FPGA芯片所需的数据文件;另外,System View还有与DSP芯片设计的接口,可以将其DSP库中的部分器件生成DSP芯片编程的C语言源代码。 第二章 正交振幅调制 数字调制具有3种基本方式:数字振幅调制、数字频率调制、数字相位调制,这3种数字调制方式都存在不足之处,如:频谱利用率低、抗多径抗衰弱能力差、功率谱衰减慢、
9、带外辐射严重等。为了改善这些不足,近几十年来人们不断提出一些新的数字调制解调技术,以适应各种通信系统的要求。其主要研究内容围绕着减小信号带宽以提高信号频谱利用率;提高功率利用率以增强抗噪声性能;适应各种随参信道以增强抗多径抗衰落能力等。例如,在恒参信道中,正交振幅调制(QAM)方式具有高的频谱利用率,因此正交振幅调制(QAM)在卫星通信和有线电视网络高速数据传输等领域得到广泛应用。所谓正交振幅调制是用两个独立的基带波形对两个互相正交的同频载波进行抑制载波的双边带调制。在这种调制中,已调载波的振幅和相位都随两个独立的基带信号变化。采用多进制正交振幅调制,可记为MQAM(M2)。增大M可提高频率利
10、用率,也即提高传输有效性。下面介绍MQAM的基本原理。 MQAM信号的星座图MQAM信号表示式可写成 ()其中,Ai和Bi是振幅,表示为 ()其中,i,j=1,2,,L,当L=1时,是4QAM信号;当L=2时,是16QAM信号;当L=4时,是64QAM信号。选择正交的基本信号为 () 在信号空间中MQAM信号点 (i,j=1,2,L) () 图是MQAM的星座图,这是一种矩形的MQAM星座图。 图 MQAM信号星座图为了说明MQAM比MPSK具有更好的抗干扰能力,图示出了16PSK和16QAM的星座图,这两个星座图表示的信号最大功率相等,相邻信号点的距离d1,d2分别为: 2DPSK 16QA
11、M 结果表明,d2d1,大约超过1.64dB。合理地比较两星座图的最小空间距离应该是以平均功率相等为条件。可以证明,在平均功率相等条件下,16QAM的相邻信号距离超过16PSK约4.19dB。星座图中,两个信号点距离越大,在噪声干扰使信号图模糊的情况下,要求分开两个可能信号点越容易办到。因此16QAM方式抗噪声干扰能力优于16PSK。图2.1.2 16QAM和16PSK的星座图MQAM的星座图除正方形外,还有圆形、三角形、矩形、六角形等。星座图的形式不同,信号点在空间距离也不同,误码性能也不同。MQAM和MPSK在相同信号点数时,功率谱相同,带宽均为基带信号带宽的2倍。 2. 2 QAM的调制
12、解调原理MQAM的调制解调框图如图所示。在发送端调制器中串/并变换使得信息速率为Rb的输入二进制信号分成两个速率为Rb/2的二进制信号,2/L电平转换将每个速率为Rb/2的二进制信号变为速率为Rb/(2lbL)的电平信号,然后分别与两个正交载波相乘,再相加后即得MQAM信号。在接收端解调器中可以采用正交的相干解调方法。接受到的信号分两路进入两个正交的载波的相干解调器,再分别进入判决器形成L进制信号并输出二进制信号,最后经并/串变换后得到基带信号。MQAM调制MQAM的解调图 MQAM调制解调框图2.3 QAM的误码率性能矩形QAM信号星座最突出的优点就是容易产生PAM信号可直接加到两个正交载波
13、相位上,此外它们还便于解调。对于M下的矩形信号星座图(k为偶数),QAM信号星座图与正交载波上的两个PAM信号是等价的,这两个信号中的每一个上都有个信号点。因为相位正交分量上的信号能被相干判决极好的分离,所以易于通过PAM的误码率确定QAM的误码率。M进制QAM系统正确判决的概率是式中是进制PAM系统的误码率,该PAM系统具有等价QAM系统的每一个正交信号中的一半平均功率。通过适当调整M进制PAM系统的误码率,可得其中是每个符号的平均信噪比。因此M进制QAM的误码率为)可以注意到,当k为偶数时,这个结果对M情形时精确的,而当k为奇数时,就找不到等价的进制PAM系统。如果使用最佳距离量度进行判决
14、的最佳判决器,可以求出任意k1误码率的严格上限其中是每比特的平均信噪比。2. 4 QAM的改进方案 为了适应不同的需要,QAM有一些改进方案,如正交部分响应幅度调制(MQPR)、非线性正交振幅调制(NLA-QAM)、叠加式正交振幅调制(SQAM)等,还可以把QAM调制与信道编码技术结合起来设计,取得最优的可靠性和有效性,这种技术称为网格编码调制(TCM)。1.MQPR调制这是一种在多电平正交调制中,上下两支路的同相和正交基带信号都用部分响应信号(通常采用第类和第类部分响应)的调制方式。QPR与QAM相比,在相同信息传输速率条件下,严格带宽受限的QPR优于QAM。2.NLA-QAM调制QAM信号
15、在进行传输之前,还要进行功率放大,而高效的功率放大是非线性的功率放大器,故而需考虑非线性对QAM的特性没有明显的影响措施,这就是NLA-QAM调制。NLA-QAM信号的产生方法与QAM不相同,但解调的方法与QAM完全一样。3.SQAM调制QAM调制信号在码元转换时刻有相位跳变的时刻,旁瓣分量比连续相位的调制信号要高。要改善QAM的频谱特性,应改善其基带波形以平滑码元转换时的相位变化,SQAM就是从这个角度提出的。SQAM的基本脉冲波形是由两个宽度为TB的升余弦波形与一个宽度为2TB的升余弦波形叠加而成。采用正交调制方式时,在下支路要延时TB/2,并且上下两支路放大倍数相差60dB。SQAM信号
16、的功率谱与QAM相比,旁瓣分量得到有效地抑制。 第三章 SYSTEMVIEW概述3. 1 systemview基本模块库介绍3.1.1systemview的基本模块库介绍信号源脉冲串Pulse Train 参数: 1.幅度 2.频率(HZ) 3.脉冲宽度(秒) 4.偏置 5.相位 功能: 产生具有设定幅度和频率的周期性脉冲串,脉宽由设置决定。y(t)=+-A*PT(t)+Bias 有方波选项。 高斯噪声Gauss noise 参数: 1.标准差或功率谱密度(W/Hz) 2.均值 功能: 产生一个具有高斯分布的随机信号。 正弦波Sinusoid 参数: 1.幅度 2.频率 3.相位 功能: 产生
17、一个正弦波:y(t)=Asin(2PIfct+*) 算子库采样器 Sample 参数: 1.采样速率 2.采样点时间宽度 3.采样时间偏差 功能: 按设定的采样率采样,输出的结果是输入信号在采样宽度内的线性组合。 采样延迟 Smple Delay 参数: 1.延迟点数 2.初始化条件 3.图符属性(主动/被动) 功能: 增益 Gain 参数: 1.单位选择2.增益 功能: 对输入信号进行放大。 逻辑非 Not 参数: 1.门限 2.True值 3.False值 功能: 对输入信号作逻辑非运算。 低通滤波器功能:将信号中的高频分量滤除函数库限幅 Limit 参数: 1.最大输入2.最大输出 功能
18、: y(t) =( OUTmax /INmax)x(t), |x(t)| INmax = OUTmax sign(x(t), 其它情况 频率调制 FM 参数: 1.载波幅度A 2.频率fc 3.相位q 4.调制增益G 通信库PN序列产生器 PN Gen参数: 1.寄存器长度(最大33位)2.种子3.时钟门限4.真假输出值5.抽头项功能: 产生伪随机序列码。误码率测试器参数:1、BER实时值2、BER累计平均值3、错误总数功能:实现误码率测量逻辑库与 AND 参考型号: 通用参数: 1.输出延时2.输出真假值3.阈值功能: 两个或两个以上的逻辑信号与操作。与非 NAND 参考型号: 通用参数:
19、1.输出延时2.输出真假值3.阈值功能: 两个或两个以上的逻辑信号与非操作。或 OR 参考型号: 通用参数: 1.输出延时2.输出真假值3.阈值功能: 两个或两个以上的逻辑信号或操作。D触发器 FF-D-1 参考型号: 7474参数: 1.输出延时2.输出真假值3.阈值功能: 带置位、清零输入,上升沿触发的D触发器。单刀双掷开关 SPDT 参考型号: 自定义参数: 1.输出延时2.阈值功能: 由数字信号控制的单刀双掷开关信号接收计算库分析 Analysis 功能: SystemView的基本信号接收器。该接收器平时无显示,必须进入系统分析窗口才能观察和分析输出结果。以及其他器件:加法器功能:实
20、现多路信号的加法乘法器功能:实现多路信号的乘法 第四章 16QAM调制解调系统实现与仿真 前面两章简单介绍了16QAM的调制解调和SYSTEMVIEW的工作原理,下面本文将用MATLAB数学软件中的SYSTEMVIEW模块实现16QAM调制、解调通信系统,并进行仿真。由第二章MQAM的调制解调原理可以得出,16QAM的调制解调框图如下所示: 图4.1 16QAM的调制解调框由图4.1可以知道,16QAM的调制解调原理比较简单,接下来,我们将通过调制与解调两大模块来介绍SYSTEMVIEW下16QAM的仿真结果,并且将对仿真结果作出分析并对系统进行一定的优化,从而获得较好的系统模型。下页为本次仿
21、真的系统总体电路图: 图4.2 16QAM调制解调电路框图 4.1 16QAM 调制模块的模型建立与仿真 通过对图4-1中16QAM调制原理框图的分析,16QAM一个码元所携带的信息为即4bit,是一般基带数字调制(QPSK)码元携带信息量的2倍。而且16QAM调制是由两路相互独立的信号进行调制,一个16QAM码元宽度是基础信号的2倍。以下我将对系统仿真框图中的各模块进行简单的介绍:信号源部分本次仿真在信号源部分采用了伪随机序列发生器,本系统只对基带信号码元速率设定为1000kbps,如果需要其他速率,只需将系统中的各个器件参数进行修改即可。下面为信号进行调制的电路框图:图4.3 调制单元电路
22、框图说明:信源t50为激励信号,其参数如图中所示,t51为伪随机序列发生器,其参数也显示了出来。从t50中的频率和脉冲宽度可以看出伪随机序列的输出脉冲宽度也就是码元周期为0.001s,即pulsew*2=0.001s。T64为串并转换模块,将信源分成两路输出。T96和t128是2-4电平转换模块,该部分是将之前的两路信号再进行串并转换然后进行二四电平转换。4.1.2 串并转换模块由于系统仿真总框图涉及模块较多,为不失美观同时又能显的浅显易懂特将串并转化作成一个单独子系统而嵌入总系统中。在这里,为了进行波形的说明,我将系统时间设定的比较短,所以在观察波形的时候,比较容易进行分析,该子系统内部框图
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