毕业设计论文基于systemview的16QAM调制解调系统.docx
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毕业设计论文基于systemview的16QAM调制解调系统
第一章 绪 论
1.1QAM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（QuadratureAmplitudeModulation）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。
1.2systemview软件介绍及特点
（1）SystemView是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（MainLibrary）及专业库（OptionalLibrary），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，尤其适合于无线电话、无绳电话、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）SystemView能自动执行系统连接检查，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）SystemView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，SystemView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。
SystemView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CoreGenerator配套，可以将SystemView系统中的部分器件生成下载FPGA芯片所需的数据文件；另外，SystemView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、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（M>2）。
增大M可提高频率利用率，也即提高传输有效性。
下面介绍MQAM的基本原理。
２．１ MQAM信号的星座图
MQAM信号表示式可写成
（2.1.1）
其中，Ai和Bi是振幅，表示为
（2.1.2）
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
（2.1.3）
在信号空间中MQAM信号点
（i,j=1,2,…,L）（2.1.4）
图2.1.1是MQAM的星座图，这是一种矩形的MQAM星座图。
图2.1.1MQAM信号星座图
为了说明MQAM比MPSK具有更好的抗干扰能力，图2.1.2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
16QAM
结果表明，d2>d1，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2.1.216QAM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。
2.2QAM的调制解调原理
MQAM的调制解调框图如图2.2.1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2.2.1MQAM调制解调框图
2.3QAM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的最佳判决器，可以求出任意k
1误码率的严格上限
其中
是每比特的平均信噪比。
2.4QAM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Ⅰ类和第Ⅳ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
3.1systemview基本模块库介绍
3.1.1systemview的基本模块库介绍
信号源
脉冲串PulseTrain
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Gaussnoise
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SmpleDelay
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:
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fc3.相位q 4.调制增益G
通信库
PN序列产生器PNGen
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:
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4.116QAM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。
下页为本次仿真的系统总体电路图：
图4.216QAM调制解调电路框图
4.116QAM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：
4.1.1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，该子系统内部框图如下所示
图4.4串并转换模块
由图可知，本子系统有一个输入端口和两个输出端口。
1、t45为时钟序列，以双极性为脉冲序列，作为t47和t52的触发器时钟信号。
系统首先将输入的伪随机序列同时送入两个触发器的数据端端口。
t48和t53对触发器提供使能端及清零端的偏置。
2、由于触发器的置数端和清零端都是低电平有效，所以设置正弦信号发生器频率和相位都为0，并以余弦端输出至两个端口端，这样触发器就能正常工作。
3、我们知道，触发器是在上升沿出现的时候输出数据，当一路信号送至t47时，t45的脉冲处于下降沿时，经过t60的非门取反，对于t47就是上升沿，从而将该信号经t47输出到t54，而此时该下降沿对于t52和t54都是没有用的。
4、当t45的脉冲处于上升沿时，将t61中的数据送至t52中，由于非门的作用，t47不再输出数据，所以第二个码元信号就从t52输出了。
同时由于第一次下降脉冲时，第一个码元信号处于t56的输入端，此时的脉冲对其有用，从而将第一个码元从t54输出。
总体而言，就是单数码元从t54输出，双数码元从t52输出，所以就实现了串行到并行的转换。
5、实际运行中各路信号图形如下所示，图中从上往下依次是串行输入t55、并行输出1（t56）和并行输出2（t57）的波形。
由图可以得出经串并转换之后，并行输出的每一路码元传输速率降为了原来的一半，这也正是实际运应中所要求的。
和假设不同的是每一路输出信号前边都多了一个0码元单位，这是由于系统延时所造成的。
当然这种延时对于后面各种性能的研究是不会造成影响的。
图4.5串并转换各路信号图
分析：
1、对于第一个信号，是串行信号，二进制信息为110111100001000101…,对于第二个信号，是并行输出第一路，二进制信息为010*********…,对于第三个信号，是并行输出第二路，二进制信息为0111001011011…,我们将第一路与第二路进行合并可以得到合并后的信息0011011110001…,这与第一路的串行信息是对应的。
可见串并转换成功。
2、从得到的波形信息可以看出，并行信号的码元宽度是串行的两倍，这也是实际中所需要的。
当然，与实验电路中t45的脉冲设置也有关系。
T45的脉冲宽度与信源码元宽度是一样的。
从而在作为时钟信号的时候，可以将输出的码元宽度提高一倍。
4.1.32/4电平转换模块
对于2/4电平的转换，其实是将输入信号的4种状态（00,01,10,11）经过编码以后变为相应的4电平信号。
这里我们选择的映射关系如下表所示：
映射前数据
电平/V
00
-3
01
-1
10
1
11
3
表4—12/4电平映射关系表
根据以上映射关系，我们可以很容易的找出它们之间的一个数学关系。
这里输入信号为两路二进制信号，假设它们是ab，则在a=1时让它输出一个幅度为2的信号，当a=0时输出幅度为-2的信号。
同理当b=1是让它输出一个幅度为1的信号，当b=0时输出幅度为-1的信号。
如此一来便可以得到下面的结果：
当ab=00时输出：
y=-2+-1=-3；
ab=01时y=-2+1=-1；
ab=10时y=2+-1=1；
ab=11时y=2+1=3；
由上所示我们可以得出：
再设计2/4电平转换模块的时候，我们需要先将输入信号再次进行串并转换，每路信号做一个简单的判决，再用一个相加模块便可
实现2/4电平的转换功能。
具体电路如下所示：
说明：
1、该电路部分是总图中的t96子系统的内部详细结构。
各个器件参数具体值可见图中所设置的。
2、对于t67、t72、t74所组成的电路就是之前进行的串并转换电路。
但要注意，此时t66的脉冲序列周期要变成原来的两倍，这是因为经过串并转换后，并行电路的码元宽度变成串行的两倍。
3、t83、t86是单刀双掷开关。
这里是利用了其在输入与门限值比较大小而输出根据比较的不同选择不同的输入。
其输入为input1和input2，以及controlthreshold（控制端口）。
在输入值比设定的门限值大时，输出为input1的值，反之为input2的值。
4、对于t83，其input0为t81提供，t81为正弦函数，设定频率和相位为0，幅度为-2，取cos输出接至t83input0。
另一个input1由t82提供，幅值为2。
T83的控制端为并行输出的第一路，也就是原理中的a。
5、对t86与t83设置相似，但是其input0和1分别由提供-1和1的正弦信源提供。
我们假设t74和t72输出为11，那么根据电路中的逻辑关系，得到的就是t83输出2，t86输出1，经过t96的相加器，其输出就是3.这样就完成了2——4电平转换
图4.52/4电平转换模块
以上电路中各器件的输出波形图如下所示：
说明：
1、该模块是前面t56观察窗（第一次串并转换输出的第一路信号）的二四电平转换电路。
首先是t56的信号，后两个是t76和t77信号，这两个是t56经过了串并转换后的输出信号。
具体信号变化就不在分析。
整体上我们可以看出信号的码元宽度又变为原来的两倍。
2、下面是将t76、t77两个信号进行2——4电平转换的结果。
从图中可以看出前面2——4电平转换获得成功。
我们以前几个信号为例：
t76前几个码元为0001000，t77为011000，那么其对应的四电平就是00（-3），01（-1），10（+1），00（-3）等。
这与第三个波形结果相同，也说明了电平转换得到成功！
图4.62/4电平转换模块各点波形
对于另外一路信号运用同样的模块进行仿真即可得到相应的2-4电平转换结果。
4.1.4其余模块
除以上所述的两个子系统外，调制阶段还包括正余弦信号发生器、加法器、乘法器、频谱示波器和离散时间信号发散图示波器等。
在这里我们将载波频率定为5KHz，由于数字信源在经过串并转换和二四电平转换后码元速率已经降为信源的1/4，为250Kbps，按照载波速率为码元速率的10到20倍，我们取5KHz的载波所得到的调制信号是符合要求的。
需要改变时对载波进行频率变化即可。
所以载波信号发生器t129的参数设置如下所示：
上图中先将两路正交的信号和成一个复信号后，经离散采样加入到了信号发散图示波器，这样就可以得到原始信号的星座图了。
进行调制仿真得到的调制输出波形和星座图分别如图4.7和图4.8所示。
图4.716QAM调制波形
分析：
上图中一三行为并行输出的两路四电平信号，二四行为一三行分别与正交载波相乘后所得的两路信号。
最后一行为它们的和信号，也即为最终调制信号。
至此16QAM信号的调制也就结束了。
图4.816QAM的星座图
此时的最终调制信号还未加入高斯噪声，所以得到的信号星座图比较清晰，是理想情况下的。
下图为加入高斯噪声之前和之后的信号对比：
图4.9调制后信号与加入高斯噪声后信号对比
可见加入高斯噪声之后，信号的幅度发生了干扰，但是整体上还是反映了一定的信号形状。
4.216QAM解调模块的模型建立与仿真
16QAM解调原理框图如图4.1所示，解调器实现的核心在于4//2电平判决模块及并串转换模块。
在本次仿真中，载波恢复输出的同频同相波是直接由调制模块中的载波提供的，也就是说在仿真实验中并没有做载波恢复。
4.2.1相干解调
系统先前所得的16QAM调制信号通过高斯白噪声信道以后便可以解调了。
本系统所采用的解调器原理为相干解调法，即已调信号与载波相乘，送入到低通滤波器，其对应原理图中信号输入并与载波相乘后通过LPF的部分，输出送入到判决器判决，在这里，低通滤波器的设计很重要，在Systemview中提供了一些滤波器，我们可以加以利用，但它的参数设定对后续判决产生误差有很大关系，所以要对该滤波器的参数设定要慎重。
在本实验中涉及的仿真滤波器均选择贝塞尔低通滤波器。
这里对LPF的参数设定如下，而输出波形如图4.10所示。
下面为解调部分总电路和低通滤波器的参数值设置：
图4.10解调部分总电路
电路说明：
1、这部分电路分为直接用与调制端相同的
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