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通信工程毕业优秀论文Word版
哈尔滨师范大学黑河函授站
成人高等教育汉语言文学专业本科毕业论文
QAM传输系统的设计与实现
论文作者：
何昇芳
作者单位：
黑河市移动公司
专业：
通讯工程
年级：
2012级
2014年4月10日
QAM传输系统的设计与实现
通信工程专业林龙
[摘要]正交振幅调制QAM是一种相位和振幅联合控制的数字调制技术。
它应用范围非常广泛，不仅在移动通信领域而且在有线电视传输、数字视频广播、卫星通信等领域都得到广泛应用。
本文深入研究QAM调制解调的基本原理、系统结构及性能参数，实现QAM调制解调系统的Simulink仿真及性能分析；详细分析模拟信号数字化的基本理论及实现方法，实现差分脉码调制的Simulink仿真及性能比对；基于上述理论构建模拟信源QAM传输系统，并利用Matlab/Simulink进行建模仿真及性能验证。
仿真结果表明，所构建的QAM数字传输系统可以实现模拟信号良好的传输。
[关键词]数字传输；正交振幅调制；差分脉码调制；建模仿真
DesignandSimulationofQAMSystem
CommuncationEngineeringMajorLinLong
Abstract:
Quadratureamplitudemodulationisajoint-controlleddigitalmodulationtechnologyofphaseandamplitude.Itiswidelyusednotonlyinthemobilecommunicationfield,butalsoinotherfields,suchaswiretelevisiontransmissionfield,digitalvideobroadcasting,satellitecommunication,etc...ThispaperstudiesthebasicprinciplesofQAMmodulationanddemodulation,thensimulatesthewhole16QAMsystemanddiscussesperformancesofsystembythesimulinktoolbox.Thispaperalsoanalysesthebasicprinciplesandimplementationmethodondigit
alizinganalogsignals,thensimulatestheDPCMsystemandcontrastsperformancesofsystem.Atlast,thispaperdesignsaQAMtransmissionsystemofanalogsources,thensimulatesthewholetransmissionsystemandcomparingperformancesofsystem.Thesimulationshowsanalogsignalscanbetransmittedcorrectlyinthesystemdesignedinthispaper.
Keywords:
digitaltransmission;quadratureamplitudemodulation;differentialpulsecodemodulation;modelandsimulate
1引言1
1.1课题研究背景及意义1
1.1.1调制在通信系统中的作用1
1.1.2数字调制解调技术现状与发展2
1.2QAM调制解调技术在数字通信领域的应用优势2
1.3仿真软件介绍3
1.4论文主要内容及结构安排3
2QAM调制解调技术研究及Simulink仿真4
2.1QAM调制4
2.1.1QAM调制原理5
2.1.2QAM调制性能6
2.1.3QAM星座图7
2.2QAM解调8
2.3QAM调制解调系统的Simulink仿真9
2.3.116QAM调制解调系统的Simulink仿真9
2.3.264QAM调制解调系统的Simulink仿真11
2.4MQAM调制解调系统性能仿真分析12
2.4.1频带利用率分析12
2.4.2误码率分析13
2.4.3功率利用率分析15
2.5本章小结15
3模拟信号数字化研究及Simulink仿真15
3.1脉冲编码调制16
3.2差分脉冲编码调制16
3.2.1DPCM编解码基本原理16
3.2.2最佳预测器17
3.2.3DPCM的系统性能分析19
3.3DPCM的Simulink仿真20
3.4信道误码对语音质量影响的仿真分析21
3.4.1最佳预测器抽头系数的确定21
3.4.2构建测试模型及仿真22
3.4.3与PCM话音解码对比分析23
3.5本章小结24
4QAM传输系统的构建与仿真24
4.1构建QAM传输系统24
4.1.1模拟信源数字通信系统模型24
4.1.2QAM传输系统的模型26
4.2QAM传输系统的仿真26
4.3应用实例的仿真29
4.4本章小结30
结论及尚存在的问题30
参考文献31
致谢32
1引言
信号传输的过程中需要都要占用一定的带宽，数字信号的传输比模拟信号对对带宽的需求更高。
随着卫星有效载荷种类的增多和分辨率的不断提高，需要传输的信息量越来越大。
为了将这些信息实时传输到地面，对星上数传系统的传输能力的要求就越来越高。
为了在有限的带宽信道中有效的传输大量的数据，人们研制了各种调制方式来解决有限带宽和大量数据传输之间的矛盾。
例如可以采用多进制数字调制（包括幅度、频率、和相位多进制调制）、联合调制、网格调制等等。
其中幅度和相位联合调制方式，即QAM（QuadratureAmplitudeModulation）调制方式综合ASK（AmplitudeShiftKeying）与PSK（PhaseShiftKeying）的优点，并通过采用多进制调制方式来提高频带利用率（提高信息传输速率），因此它在频带利用率和接收端误译码率等指标上，比单一调制正弦波的一个参数的调制方式都要优越，但它的设备复杂程度也是比较高的[1-3]。
随着电子技术的不断发展，设备复杂性也在相对地降低，因此QAM方式是目前高速调制解调器中比较好的的调制方式。
1.1课题研究背景及意义
调制是指为了适应信道传输的要求，把基带信号的频谱搬移到一定的频带范围。
对基带信号进行调制的目的主要有:
进行频率分配、信号容易辐射、减少噪声和干扰的影响、实现多路复用和克服设备的限制等。
调制方式有许多，不同的调制方式对通信系统的有效性和可靠性有着很大的影响。
传统的频率调制和相位调制两种数字调制方式都存在频谱利用率低、抗多径衰落能力差、功率谱衰减慢、带外辐射严重等不足。
正交振幅调制（QAM）是一种相位和振幅联合控制的数字调制技术，它不仅可以得到更高的频谱效率，而且可以在限定的频带内传输更高速率的数据。
QAM在当今通信领域扮演着重要的角色，因此对QAM进行深入研究具有
重要的理论和现实意义。
1.1.1调制在通信系统中的作用
从语音、图像、音乐等信源直接转换而得到的电信号频谱比较低，其频谱特点是低通频谱，有些包括直流分量也有些可能不包含，其最高频率和最低频率的比值一般都比较大，比如语音信号的频谱范围大概为三百到三千赫兹，这种信号被称为基带信号。
为了使基带信号能够在频带信道上进行传输，比如无线信道，同时也为了能够同时传输多路基带信号，就需要采用调制和解调的技术。
调制解调研究的主要内容包括:
己调信号的频谱特性、调制的原理、解调的原理、已调信号的产生方法、解调的实现方法、解调后的误码率性能和信噪比性能等。
1.1.2数字调制解调技术现状与发展
因为以前的通信系统为模拟通信系统，所以调制技术是由模拟信号的调制与解调技术最初开始发展的。
后来，数字通信系统得到了迅速的发展，随之而来的是数字调制技术的广泛应用和迅速发展。
随着现在日益增多的各种通信系统数量，为了更好的充分利用日益紧张的频谱资源，广大通信科研工作者致力于研究频谱利用率更高的新型数字调制方式，而且原CCITT（国际电报电话咨询委员会）也一直在促进并鼓励开发新奇的频谱使用技术，为了各种通信系统能够有效的进行通信，原CCITT科学地将频段分别分配给各个通信系统，因而，许多科研院所，用户个体和通信公司都在通过开发先进的调制技术用以提高频谱利用率。
提高频谱利用率是人们设计和规划通信系统的关注焦点之一，同时也是提高通信系统容量的重要措施。
频谱利用率越高，就要求已调信号所占的带宽要越窄，即己调信号频谱从天线发射时功率的主瓣要越窄，同时也要求旁瓣的幅度要越低，也就是说要求辐射到相邻频道的功率即带外辐射要越小。
在数字调制系统中的频谱利用率主要是指传输的效率问题，也就是说，通信系统的传输速率不是唯一需要关注的指标，同时还要看在一定的传输速率下信道频带所占的宽度为多少。
如果系统的频带利用率高，就表明通信系统具有较高的传输效率，反之传输效率就低。
从上面对频谱利用率的定义可以发现，要使得通信系统的频谱利用率有所提高主要可以两种途径:
一是通过提高该调制系统的传信率即信息传输速率，二是降低已调信号所占用的频带宽度[1-3]。
振幅和相位联合调制QAM技术作为本课题的研究对象，就是一种近些年来获得了飞速发展的调制技术，该技术就具有极高的信息传输速率。
1.2QAM调制解调技术在数字通信领域的应用优势
以WCDMA、CDMA2000和TD-SCDMA为代表的第三代移动通信网络除了支持传统的话音业务以外，还推出了大容量的宽带数据服务，与以GSM、CDMA1595标准为代表的第二代移动通信系统相比，在技术上，3G系统的上下行速率理论上可以达到2Mbit/s左右的水平，它可以提供包括视频在内的各种多媒体宽带应用服务，诸如下载或流媒体类业务，需要系统提供更高的传输速率和更多的延迟。
为了满足此要求，WCDMA对空口接口作了改进，引入了HSDPA技术，使之可支持高达10Mbit/s的峰值速率。
在HSDPA系统中引进了AMC技术，在HSDPA系统中AMC的调制选择了低阶的QPSK和高阶的16QAM，作为其调制方式。
同样，作为宽带无线接入技术，韩国引入了WIBro技术，它可采用三种调制方式，包括QPSK、16QAM、64QAM等。
而目前作为中国国内唯一拥有自主知识产权的高速率无线宽带接入技——McWiLL，McWiLL终端接入设备CPE亦采用QPSK/8PSK/QAM16/QAM64自适应调制技术。
IEEE802.16a标准即WiMAX有很强的的市场竞争力，真正成为城域网的无线接入手段。
为了抵抗多径效应等，WIMAX协议中引入了新的物理层技术，而WiMAX协议物理层的OFDM符号的构造方案亦采用QAM调制方式[4-5]。
移动通信系统中的另一研究热点即数字集群移动通信系统，也采用QAM数字调制技术[4-5]。
与频率调制MSK、GMSK，相位调制OQPSK、π/4-QPSK等相比，QAM是一种相位和振幅联合控制的数字调制技术。
它不仅可以得到更高的频谱效率，而且可以在限定的频带内传输更高速率
的数据。
在数字广播电视传输中，QAM成为DVB-C系统标准的调制方式。
QAM除了是DOCSISl.1标准中规定的调制方式之外，而且成为现代CATV双向网、宽带接入技术ADSL、VADSL中规定的调制方式[4-5]。
1.3仿真软件介绍
MATLAB是MATrixLABoratory的缩写，是一款由美国MathWorks公司出品的商业数学软件。
MATLAB是一种用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境。
除了矩阵运算、绘制函数/数据图像等常用功能外，MATLAB还可以用来创建用户界面及与调用其它语言（包括C，C++和FORTRAN）编写的程序。
尽管MATLAB主要用于数值运算，但利用为数众多的附加工具（Toolbox）它也适合不同领域的应用，例如控制系统设计与分析、图像处理、信号处理与通讯、金融建模和分析等。
另外还有一个配套软件包Simulink，提供了一个可视化开发环境，常用于系统模拟、动态/嵌入式系统开发等方面。
Simulink是MATLAB中的一种可视化仿真工具，是一种基于MATLAB的框图设计环境，是实现动态系统建模、仿真和分析的一个软件包，被广泛应用于线性系统、非线性系统、数字控制及数字信号处理的建模和仿真中。
它可以用连续采样时间、离散采样时间或两种混合的采样时间进行建模，它也支持多速率系统，也就是系统中的不同部分具有不同的采样速率。
为了创建动态系统模型，Simulink提供了一个建立模型方块图的图形用户接口（GUI），这个创建过程只需单击和拖动鼠标操作就能完成，它提供了一种更快捷、直接明了的方式，而且用户可以立即看到系统的仿真结果[6-9]。
1.4论文主要内容及结构安排
本文在对QAM调制解调的基本原理、模拟信号数字化传输理论进行深入研究的基础上，构建模拟信源的QAM数字传输系统，通过Matlab软件的Simulink仿真平台实现了系统的建立及实验验证。
各章节安排如下：
第一部分简单介绍了课题的背景、研究意义及仿真软件——Matlab/Simulink，重点分析了QAM技术发展概要及应用现状，最后给出了论文内容安排及论文的主要工作。
第二部分分析了16QAM调制解调的原理、系统结构及性能参数，利用Simulink仿真平台对16QAM和64QAM调制解调系统作了仿真建模，通过比较其发送端和接收端的星座图及眼图进行性能验证，最后基于16QAM调制解调系统的理论知识构建了MQAM调制解调系统，并进行系统性能仿真分析。
从而得出多进制调制情况下频带利用率、功率利用率、误码率与调制方式、传输环境之间的定量关系，为后面系统设计奠定基础。
第三部分研究了模拟信号数字化的典型实现方法，即差分脉冲编码调制技术，分析了基本原理，研究了实现过程。
最后基于MATLAB/Simulink软件，建立各个编解码模型，进行仿真验证，并进一步对PCM及DPCM进行传输误码与解码话音质量的性能分析。
仿真结果表明在无误码传输中DPCM的解码音质不如PCM强，但DPCM的抗噪声能力比PCM强。
这些结论为后面模拟信源数字传输系统的设计提供参考依据。
第四部分基于前面所研究分析的内容，构画了模拟信源的QAM数字传输系统，实现了模拟信号在QAM数字通信系统中的传输，并基于MATLAB/Simulink建立仿真模型，进行性能验证。
仿真表明所构建的QAM数字传输系统在允许一定失真的情况下可以实现模拟信号的良好传输。
第五部分总结与展望，对本文所完成的工作进行了总结，并对后续研究工作提出了一些想法和建议。
2QAM调制解调技术研究及Simulink仿真
本章对QAM调制解调相关理论进行了分析研究，给出了调制端和解调端的结构框图；构建了16QAM和64QAM调制解调系统的Simulink的仿真模型，进行仿真验证；并基于Simulink对M-QAM调制解调系统进一步进行性能分析，所得结论为后面系统规划与设计奠定基础。
2.1QAM调制
正交幅度调制（QAM）是一种高效数字调制技术，具有很高的频谱利用率。
而传统数字调制技术是单独利用振幅和相位携带信息，不能最充分利用信号功率利用率。
此外，现代通信系统对传输速率和带宽也提出了新的要求，因此QAM引起更多关注，在有线电视网络高速数据传输、大中容量数字微波通信系统、卫星通信系统等各个领域均得到了广泛的应用。
但它在随参信道无线宽带通信领域中的研究尚未发展成熟。
2.1.1QAM调制原理
正交振幅调制（QAM）就是用两个相互独立的数字基带信号对相互正交且频率相同的两路载波信号进行双边带调制，因为这种已调信号在同一带宽内频谱正交，所以可用来实现同相和正交两路并行的数字信号传输。
正交振幅调制（QAM）信号的一般表示式为[3]：
（2-1）
式（2-1）中，
是基带信号的幅度，
是单个基带信号的波形，宽度为
。
式（2-1）还可以变化为正交表示形式:
（2-2）
令
（2-3）
则式（2-2）变成
（2-4）
QAM中的振幅和
可以表示为：
（2-5）
式（2-5）中，固定振幅为
、
、
由输入的信号最终决定。
已调QAM信号在信号空间中的坐标点由
、
决定。
QAM信号调制原理结构图如图2-1所示。
图中，输入的二进制码流经过串/并变换器输出两路并行码流序列，速率减为原来的一半，再经过2电平到L电平的变换，形成L电平的基带信号。
这里的L由调制系统所选的进制数所决定，该L电平的基带信号还要经过基带成形滤波器，主要是为了抑制已调信号的带外辐射，最终形成X（t）和Y（t）,再分别和频率相同的同相载波以及正交相载波进行相乘运算。
将最后得到的两路信号相加就得到的已调制QAM信号。
图2-1QAM信号调制原理图
2.1.2QAM调制性能
QAM信号的波形可表示成两个标准正交信号波形
和
的线型组合[10-11]，即：
（2-6）
式中
（2-7）
（2-8）
且
=
（2-9）
式中
是信号脉冲g（t）的能量。
任意一对信号向量之间的欧氏距离是[10-11]：
（2-10）
在特殊情况下，即信号幅度取一组离散值{（2m-1-M）d,m=1,2….M}信号星座图是矩形的。
在这种情况下，相邻两点间的欧氏距离即最小距离为：
（2-11）
为了求QAM的错误概率，这里必须详细说明信号点的星座图。
错误概率主要由信号点间的最小距离决定，假设信号星座满足条件
，若所有星座点是等概率，那么它们的平均发送功率是：
（2-12）
式（2.9）中，M是QAM星座图中的点数，（
）是由A归一化的信号坐标。
2.1.3QAM星座图
星座映射规则不同，星座呈现不同的分布形式。
16QAM星座图分别有星型星座和方型星座。
星型星座如图2-2（a）所示，其中信号点的分布呈星型。
同理，方型星座图中信号点的分布呈方形，如图2-2（b）所示。
图2-216QAM星座图
QAM调制有几个重要的参数：
峰值-均值比γ，星座图间最小欧几里得距离
和最小相位偏移
。
不同的数字传输系统，对这些参数的要求各不相同[10-11]。
（1）QAM信号的峰值-均值γ
（2-13）
其中，
表示信号的峰值功率，
表示信号的平均功率。
（2）最小欧几里得距离
最小欧几里得距离
是指QAM信号星座图上星座点间的最小距离，该参数衡量了QAM信号抗高斯噪声的能力，最小距离
与抗高斯白噪声的性能呈正比关系。
（3）最小相位偏移
最小相位偏移
，是指标准QAM星座图上信号点之间的相位的最小偏移量。
该参数对QAM信号抗相位抖动能力和对时钟恢复精确度的敏感性有了很好的反映，最小相位偏移量
越大，抗相位抖动能力也随着越强。
一个具有良好性能的QAM信号，其星座图要满足三个方面的要求[12-13]：
a）信号峰值-均值比要小，用以保证调制信号的包络起伏越小，从而增强其抗非线性失真的能力。
b）信号点间的最小欧几里得距离要尽量大，从而保证获得最佳的抗加性高斯白噪声性能。
c）星座点间最小相位偏移要保证尽量大，以增强调制信号的抗相位抖动性能，包括抗定时恢复的时钟抖动和抗信道相位抖动性能。
就一个确定的QAM星座图而言，是不可能同时满足这三个要求的，而只能根据不同传输系统的要求，在保证主要性能要求的前提下，折中地或采取自适应的办法进行设计调节。
不同星座的参数如表2.1所示。
表2-1星座参数值表
参数
类型
方形星座图
1.8
星型星座图
1.514
由表2.1可见，当信号平均功率
一定时，方型星座图的最小欧几里得距离
比星型星座图要大，也就是说，方型星座图抗高斯噪声能力比星型星座图强，适宜在典型的高斯白噪声信道中使用。
但是，在抗相位及抗非线性失真等性能上，方型星座图不如星型星座图，这是因为其最小相位偏移
比星型星座图小且峰值
大于星型星座图。
2.2QAM解调
MQAM信号的解调通常采用正交相干解调法，其解调器原理图2-3所示。
解调端接收到的带有噪声的已调MQAM信号作为输入，与本地恢复的两个相互正交的载波信号进行相乘运算后，再经过低通滤波也就是匹配滤波器，输出两路多电平基带信号X（t）和Y（t）。
多电平判决器对多电平基带信号进行判决和检测，再经L电平到2电平转换和并/串变换器最终输出二进制码流。
图2-3MQAM信号相干解调原理图
2.3QAM调制解调系统的Simulink仿真
Simulink是MATLAB中的一种可视化仿真工具，可实现动态系统建模、仿真和分析。
在这里，基于MATLABLE/Simulink构建QAM调制解调仿真模型，进行仿真验证及性能分析。
通常验证通信系统的功能一般采用星座图和眼图这两种工具，只要通过对比发送端和接收端的星座图和眼图，就可以很直观的判决通信系统性能的优劣。
所以在下面各个仿真模型中，主要通过星座图模块、眼图模块及误码率统计模块来进行仿真验证和系统性能分析。
2.3.116QAM调制解调系统的Simulink仿真
Simulink模块库中提供调制器RectangularQAMModulatorBaseband模块、解调器RectangularQAMDemodulatorBaseband模块、误码率统计模块、星座图模块等，利用这些模块构建16QAM调制解调系统[7]，测试模型如图2-4所示。
2-416QAM调制解调系统测试模型
设传输符号率为1000波特，则码元时隙宽度是1ms。
信源输出的随机整数送入16QAM基带调制器（用RectangularQAMModulatorBaseband模块实现），调制输出经过高斯信道后送入接收端相应的16QAM基带解调器（RectangularQAMDemodulatorBaseband模块实现）中，调制器和解调器的参数设置必须一致。
解调的符号（整数）与发送端数据进行比较得出错误符号率统计。
当信道中加入的高斯噪声方差为0.02时，发送和接收信号的星座图仿真结果如图2-6所示。
图2-516QAM调制解调系统星座图
一般，通信系统的性能验证是通过星座图、眼图及误码率这些测试工具，只要通过对比发送端和接收端的星座图和眼图，或通过误码率统计模块所显示的结果就可以很直观的判决通信系统性能的优劣。
图2-5给出了系统发送端和接收端的星座图，这里基带成形滤波器的滚降系数为0，即满足理想低通特性，所以发送端的星座图与理想的星座映射图是完全一致的。
由于传输信道上噪声的存在，接收端星座图与理想的星座点都有一定的偏差，通过偏差的大小可以直观的判断出系统性能的好坏。
这里接收端的眼图虽然离理想的偏差比较大，但是并没有发生重叠的现象，所以通过合适的阈值检测，还是可以很好的恢复出原始的波形。
图2-6QAM16调制解调系统眼图
图2-6为16QAM调制解调系统发送端和接收端的眼图。
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