16QAM调制与解调.docx

目录一、设计思路及设计方案11. 1. 16QAM定义及调制原理11.1.1. QAM定义11.1.2. 16QAM信号星座11.1.3. 调制解调原理：21.2. 设计思路31.3. 设计方案3二、系统方框图及分析32.1.调制部分方框图32.2解调部分方框图：4三、总体电路组成与分析53.1.总体电路图53.2. 总电路参数设置：63.3.电路分析：6四、子电路系统分析74.1.串并变换子系统74.1.1 电路图74.1.2.电路分析：74.1.3输入输出波形如下图：84.2.二四电平转换子系统84.2.1 电路图84.2.2.电路分析:94.2.3输入输出波形如下图：94.3.四电判决子系统104.3.1 电路图104.3.2.电路分析:104.3.3输入输出波形如下图：114.4.二四电平转换子系统124.4.1 电路图124.4.2.电路分析:124.4.3输入输出波形如下图：144.5并串转换子系统144.5.1 电路图144.5.2.电路分析:15五、仿真波形165.1基带信号与还原信号对比16六、设计总结17七、参考文献17一、设计思路及设计方案1. 1. 16QAM定义及调制原理1.1.1. QAM定义QAM（Quadrature Amplitude Modulation）：正交振幅调制。正交振幅调制，这是近年来被国际上移动通信技术专家十分重视的一种信号调制方式。QAM是数字信号的一种调制方式，在调制过程中，同时以载波信号的幅度和相位来代表不同的数字比特编码，把多进制与正交载波技术结合起来，进一步提高频带利用率。1.1.2. 16QAM信号星座SMQAMt=2TB(Aicoswct+Bjsinwct)其中，Ai和Bi是振幅，表示为 Ai=(2i-1) Bj=(2j-1)其中i,j=1,2,3当L=2时，是16QAM信号选择正交的基本信号为：1（t）=2TBcoswct2（t）=2TBsinwct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 d1=2Asin16=0.39A 16QAM d2=2M-1=0.47A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。16QAM星座图16FSK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1.1.3. 调制解调原理：在QAM（正交幅度调制）中，数据信号由相互正交的两个载波的幅度变化表示。QAM是一种矢量调制，将输入比特先映射（一般采用格雷码）到一个复平面（星座）上，形成复数调制符号，然后将符号的I、Q分量（对应复平面的实部和虚部，也就是水平和垂直方向）采用幅度调制，分别对应调制在相互正交（时域正交）的两个载波（coswt和sinwt）上。这样与幅度调制（AM）相比，其频谱利用率将提高1倍。QAM是幅度、相位联合调制的技术，它同时利用了载波的幅度和相位来传递信息比特，因此在最小距离相同的条件下可实现更高的频带利用率，QAM最高已达到1024-QAM（1024个样点）。样点数目越多，其传输效率越高，例如具有16个样点的16-QAM信号，每个样点表示一种矢量状态，16-QAM有16态，每4位二进制数规定了16态中的一态，16-QAM中规定了16种载波和相位的组合，16-QAM的每个符号和周期传送4比特。1.2. 设计思路16-QAM信号，每个样点表示一种矢量状态，16-QAM有16态，每4位二进制数规定了16态中的一态，16-QAM中规定了16种载波和相位的组合，16-QAM的每个符号和周期传送4比特。16进制的正交振幅调制是一种振幅相位联合键控信号。16QAM的产生有2种方法：（1）正交调幅法，它是有2路正交的四电平振幅键控信号叠加而成；（2）复合相移法：它是用2路独立的四相位移相键控信号叠加而成。这里采用正交调幅法。1.3. 设计方案首先，伪随机码发生器产生速率为Rb的二进制序列，此二进制码流经串一并变换器将分成两个速率为Rb2的两电平序列，2一4电平变换器将每个速率为Rb2的两电平序列变成速率为Rb4，4电平信号，然后分别与两个正交的载波相乘，相加后即产生QAM信号。QAM信号的解调器同样可以采用正交的相干解调方法。同相I路和正交Q路的4电平基带信号用判决器判决后，分别恢复出速率等于Rb2的二进制序列，最后经并一串变换器将两路二进制序列合成一个速率为Rb的二进制序列。二、系统方框图及分析2.1.调制部分方框图串并转换2/4电平转换2/4电平转换载波产生/2移相16QAM信号二进制序列MQAM的调制解调框图如上图所示。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。2.2解调部分方框图：/2移相载波提取低通滤波低通滤波定时提取4电平抽判4电平抽判4/2电平转换4/2电平转换并串转换16QAM信号的解调可以采用相干解调法，如上图所示，16QAM信号与本地载波恢复的两个正交载波相乘后，经低通滤波输出4电平信号，16QAM信号的16个信号点在水平轴和垂直轴上的投影的电平数均有四个，对应低通滤波器输出的四电平信号，因而抽样判决器应有三个判决电平：+2，0，-2，4电平判决器对4个电平基带信号进行判决和检验，再经4电平到2电平转换和并串转换最终输出二进制数据。三、总体电路组成与分析3.1.总体电路图3.2. 总电路参数设置：Token 0: 频率：10HZ 振幅：0.5V Offset:0.5V 电平：2Token141 140: 频率：30HZ 振幅：1VToken 51 52 : 低通频率：7HZ3.3.电路分析：系统主要分为调制和解调两部分，包含有串并变换子系统、2-4变换子系统、4电平判决子系统、4-2变换子系统、并串变换子系统。调制部分用到了串并变换子系统和2-4变换子系统1).10HZ的基带信号先通过串并变换子系统变为两路频率为5HZ的信号。2).两路信号再分别通入2-4变换子系统即二四电平转换变成频率为2.5HZ的四电平信号，设为A.B。3).四电平信号分别与两路正交信号相乘即得到Acoswt,Bsinwt两路4ASK信号4).两路4ASK信号相加就得到了16QMA调制信号。解调部分用到了4电平判决子系统、4-2变换子系统和并串变换子系统。其中解调采用的是相干解调法。1).16QMA调制信号与两路与载波同频同相的正交信号相乘得到y1=Acoswt*coswt+Bsinwt*coswt y2=Acoswt*sinwt+Bsinwt*sinwt。2).两路信号分别经过低通滤波器得到两路四电平信号包络图形。3).然后经过4电平判决子系统，得到两路四电平信号。4).经过四二电平转换子系统得到两路二电平信号5).最后经过并串转换还原出基带信号。四、子电路系统分析4.1.串并变换子系统4.1.1 电路图参数设置：Token130：延时 1 samplesToken131：延时 2T=2/10=0.2sToken132 133:采样频率 5HZToken135 134：Gain 14.1.2.电路分析：把一路串行输入的信号转变为两路并行输出的信号，两路并行信号一路是由串行信号的第奇数个信号组成，一路是由串行信号的第偶数个信号组成，因此将其中一路信号延时一个周期另一个信号延时两个周期，这样得到的两路并行信号会产生相同的延时。且两路并行信号的频率是串行信号的一半。4.1.3输入输出波形如下图： 4.2.二四电平转换子系统4.2.1 电路图参数设置：Token29：延时 1 samplesToken28：延时 2T=2/5=0.4sToken31 30:采样频率 2.5HZToken32 33：Gain 1Token34:判决电压 0.2V true out 2V false out -2VToken35:判决电压 0.2V true out 1V false out -1V4.2.2.电路分析: 两路并行信号重复串并转换的原理再次一分为二，在将每一个1/4信号通过判决器，分电压大于0或等于0分别输出2 -2 1 -1 这样两路1/4信号相加即得到3 -3 1 -1这样四电平信号。4.2.3输入输出波形如下图：4.3.四电判决子系统4.3.1 电路图参数设置：Token58：放大倍数 5Token59：判决电压 5V true out 2V false out 0VToken60：判决电压 0V true out 2V false out 0VToken61：判决电压 -5V true out -1V false out -3V4.3.2.电路分析: 5 2 0 0 2 0 -5 -1 -3经过低通滤波器后的四电平信号大致形状和二四变换输出的四电平信号相同，但是波形有很多毛刺，要得到平滑的四电平信号，首先将不规则信号放大，然后根据放大波形得出比较电压，最后将比较器的输出结果相加。0.5V 1.5V电压放大5倍分别为2.5V 7.5V -2.5V -7.5V，要将这四个不同幅值电压区分，需要设置判决电压选取判决电压为5V,0V,-5V。按左图关系取值最后得到四电平信号。4.3.3输入输出波形如下图：4.4.二四电平转换子系统4.4.1 电路图参数设置：Token73：a=b true out 1V false out 0VToken75:振幅 3VToken74：a=b true out 1V false out 0VToken76：振幅 -1VToken77：比较电压 0V true out 1V false out 0VToken80：频率 2.5HZ pulse width T/2=1/2*2.5= 0.2s Token110 111：delay 0.2s()Token83：delay 1 samplesToken84：采样频率 5HZToken85：Gain 1V4.4.2.电路分析: 频率为2.5HZ的四电平信号分为三路，第一路通过电压比较器1，即若输入电压等于3V则输出1否则输出0；第二路通过电压比较器2，即若输入电压等于-1V则输出1否则输出0；第三路通过电压比较器3，即若施输入电压大于0则输出1否则输出0 。又因为一个四电平码元对应两个二电平码元，经分析得电压比较器3输出的是高位二电平码元，电压比较器1,2输出的是低位二电平码元。例如输入3，比较器3输出1，比较器1输出1；输入1，比较器3输出1，比较器1,2都输出0；输入-1，比较器3输出0，比较器1输出1；输入-3，比较器3输出0，比较器1,2都输出0 。电压比较器输出的是频率为2.5HZ的二电平信号，但是四二变换要得到频率为5HZ的二电平信号，所以电压比较器输出均要与频率为2.5HZ的方波相乘，这样每个周期为T=1/2.5s的二电平码元就变为了1/2T=1/5s的时间内包含原有码元信息，另一个1/2T=1/5s的时间内始终为0不含码元信息。即输入10101111输出10001000101010101) 电压比较器3和方波相乘后的输出H,其格式为a0a0a0a0,其中a取值0或1，相当于是高位二电平码元全部输出，并且空出了两个高位码元之间的低位码元。2) 电压比较器1,2与方波相乘后的输出L,其格式为b0b0b0b0，其中b取值0或1，包含了二电平的低位码元，但L不能与H直接相加，因为低位码元在高位码元之后，所以信号l要延时1/2T=1/5s得到L,L的格式为0b0b0b0b,之后L再与H相加即得到格式为abababab的信号，即最终把频率为2.5HZ的高低位两路二电平信号整合成为一路高低位按顺序排列的一路二电平信号。e)输入输出波形4.4.3输入输出波形如下图：4.5并串转换子系统4.5.1 电路图参数设置：Token128 比较电压 0V true out 1V false out 0VToken138 delay 0.1sToken103 126 ： 5HZ pulse width T/2=1/2*5= 0.1sToken107：振幅 0V4.5.2.电路分析: 两路信号同时乘以同频率的方波信号，然后第二路并行信号延时1/2T=1/2*5s，最后两路信号相加即得到频率为10kHZ的一路信号，因为信号有些毛刺，再将信号通入一个比较器，大于0输出1，反之输出0，得到最终串行信号。4.5.3输入输出波形如下图：五、仿真波形5.1基带信号与还原信号对比六、设计总结这次实验主要是能清楚掌握16QAM调制解调过程中各信号之间的相互转换，以及调制与解调原理，只有清楚了各个小模块的功能及工作原理