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光载无线系统中高阶调制格式性能研究毕业论文目 录摘 要IIIABSTRACTIV第1章 绪 论11.1 课题研究背景和意义11.2 选题的研究现状及意义21.3 QAM调制及解调原理31.4 QAM调制的性能51.4.1 误码率51.4.2 频带利用率61.5 课题的主要研究工作6第2章 ROF技术分析82.1 简单RoF链路分析82.1.1 对光源的调制技术82.1.2 光探测器92.1.3 光纤色散对RoF链路的影响102.2 RoF技术特点102.3 本章小节11第3章 ROF系统的构建与仿真123.1 RoF系统的组成123.2仿真系统设计133.2.1 频谱图143.2.2 波形图和眼图153.2.3 不同功率下的眼图163.2.4 不同光纤长度下的眼图173.3 仿真结果分析183.4 本章小结20第4章 16QAM设计与实现214.1 16QAM调制模块214.2 16QAM解调模块234.3 星座图模块244.4 测误码率模块254.5 随机序列产生模块264.6 信道传输模块264.7 仿真结果与分析274.8 本章小结28第5章 16QAM的ROF系统仿真295.1 16QAM的MATLAB Component设计295.2 16QAM模块305.2.1 16QAM调制模块实现315.2.2 16QAM解调模块实现325.2.3 星座图模块实现325.2.4 测试误码率模块实现335.2.5 16QAM组件的设计335.3系统仿真及分析335.4 本章小结38结 论39致 谢40参考文献41第52页第1章 绪 论1.1 课题研究背景和意义当前，在骨干光网络趋于饱和情况下，接入网领域成为各大运营商投资的重要领域。无线接入与光纤接入各有优势，无线接入能给用户带来无处不在的服务，而光纤接入具有低损耗、高带宽、防电磁干扰得特性。因此，人们就想到能不能将两种技术融合起来，于是Radio-over-Fiber(RoF)技术就应运而生，并且受到越来越多的关注1。应高速大容量无线通信的需求，光载无线通信新兴发展起来，将无线通信与光纤通信结合在一起。在RoF系统，光纤只作为传输媒介，由中心站实现信号交换、控制和再生，而基站负责光电转换的实现。这样就可以把复杂的设备集中在中心站，让基站只做一些简单操作，由于基站数目会很多，这样就可以达到减少基站的成本和功耗的目的。由于现在视频服务和高速数据传输已经成为一种趋势，在未来我们的宽带接入必然需要达到Gbs量级2，而RoF系统是结合无线传输系统和光载网络系统的优势，有能力为固定用户和移动用户同时提供更好的和更灵活的数据服务，所以它已经成为一项受人关注的解决方案。而在RoF系统中，最关键的技术是毫米波射频信号的加载、产生和传输，这些是实现信号在RoF系统中高质量传输的关键所在。到现在为止，国际上实现该毫米波的方式有以下3类。1）光自外差技术：采用锁模或则锁相激光器方案获取我们所需要的频谱纯净的光源。2）上下变频技术和外调制技术：通过光强度调制器来对激光器的输出广播进行调制，就能产生边频光波分量3。3）光学倍频技术：采用周期性光滤波器来将光波的相位变化变成强度变化。光纤传输有效提高了无线宽带，然而在大气中，无线发射的损耗很增加，因此要改造蜂窝结构，缩短每个蜂窝之间的距离，增加蜂窝结构数量，这样也可以使组网变得更加灵活，而且可以有效降低多径效应。除此之外，光纤作为传输链路，还具有低损耗、高带宽和防止电磁干扰得优点。因此，RoF技术将会在未来的各个通信领域有更广阔的应用前景。随着光纤通信的发展，系统的传输速率与容量也不断增加。因此需要一些更加高效的调制技术来处理，QAM就这样出现了，它是一种高效的幅度相位联合调制技术，使用这种技术，可以极大地提高频带利用率，已经被广泛应用与卫星通信，还有数字电视领域和数字微波系统中4。到现在为止，很多国家的数字电视已经采用QAM调制格式。目前，低阶QAM调制已经无法满足数据传输要求，人们都将目光转向了高阶QAM，所以高阶QAM调制性能研究也成为一大热点。当前，QAM调制格式是国内外在无线通信领域的研究热点，这是因为在抗噪声和带宽方面，QAM的表现都是很好的，特别是在有线电视数据传输方面，还有宽带接入方面，而在光纤传输中，对QAM信号的研究还是比较少的，所以这也是本论文对QAM信号在RoF系统中传输性能进行研究的意义所在。1.2 选题的研究现状及意义在这个对传输速度要求越来越高的时代，NRZ码的缺点越来越明显，所以研究新型调制格式成为一个热点。现在主要的研究方向有基于相位和基于强度的。基于相位的有差分正交相控键移、八相位差分相移键控和差分相移键控等，而基于强度的有单边带归零码、载波抑制归零码和归零码等。基于强度的RZ码调制格式与NRZ码相比，优势明显。当使用相同传输系统时，而且信号发射功率相同，NRZ码的峰值率无法与RZ码相比，所以如果把NRZ码替换成RZ码，能够显著降低对系统OSNR的需求5。除此之外，RZ码的平均光功率比较低，脉冲宽度比较窄，这些特性都能够很好的改善非线性。而且，在偏振模色散方面，RZ码的表现也比NRZ码好得多。不过RZ码有一些缺点，就是频带比较宽，易受到色散影响。各种RZ码之间也存在一些差异，码元间的反向输出是CSRZ码和RZ码的主要不同，所以CSRZ码不会有直流分量，并且能抑制载波分量。与NRZ码相比，CSRZ码的频谱相隔小，而且带宽一样，所以在RZ码调制格式中，其色散容忍度还是比较好的。而且在脉冲形状上，CSRZ码和RZ码一样，因此在非线性容忍度上的表现也比较好。接着是SSBRZ码，与RZ码相比，其频谱宽度仅仅是它的二分之一，所以，SSBRZ的中继距离与色散容忍度的表现都很好，而且RZ码的优点，SSBRZ码都有。如果在WDM系统采用SSBRZ码，将能够有效提高频带利用率，提高数据传输量和缩短波长间隔6。而CRZ码则与SSBRZ码有点相似，所以RZ码的优点，CRZ码也拥有，除此之外，CRZ码也具有比较好的非线性容忍度。所以这两调制格式的应用也越来越广泛。相位调制格式，顾名思义，就是将传输信号放在码元之间的相位变化中。由于这一特性，相位调制格式具有与强度调制格式所没有的特点，主要有以下几点：由于检测方式采用平衡检测，接收端的灵敏度增加，对与传输功率的要求减少，因此调制信号可以进行远距离传输。除此之外，由于具有相同的幅度值，即传输过程中每个码元中光功率是一样的，这样就能减小由码元之间的干扰引起的失真程度7。与QPSK、8DPSK调制格式相比，每个码元有4bit的16QAM调制格式有着更高的频谱利用率8。因此波特率相同情况下，16QAM信号有着更快的传输速率，而且能够传输更多的数据。除此之外，16QAM也比16DPSK有着更好的抗噪声的特性。因为信号的误码率性能跟星座图里各个矢量点之间的最小距离有关，而16QAM是同时调制相位和幅度的，与只调制相位的16DPSK相比，能够更好地利用信号平面，所以16QAM比16DPSK有着更好的抗噪声性能9。在当前情况下，光纤通信系统中，新型光调制技术越来越受到关注。之前，非NRZ码由于调制简单和频率紧凑而一直被使用。而现在，随着通信系统传输速率越来越高，NRZ调制格式在色散、非线性等方面的表现越来越受到诟病，无法满足我们的需求。所以新型调制技术也就随之出现，新型调制格式不仅能提高传输的速率，而且还没有降低传输性能10，这正是符合高速传输系统的需求。所以采取新型调制技术是大势所趋。在相位调制格式中，最经常使用的是DPSK，它的频谱宽度是在RZ码与NRZ码之间的，而且相对与RZ码，有着更高的频谱效率，除此之外不需要激光器有太高的线宽，所以DPSK有着很好的非线性容限和更高的色散容限11。在现在这个对传输速率越来越高的信息时代，多进制调制格式的应用也越来越广泛，如DQPSK和8DPSK等。而8DPSK和DQPSK则比DPSK有更好的色散容限和更加出色的频谱利用率。因为拥有着更好的频带利用率和更加出色的抗噪声特点，在现在高速光纤通信系统中，相位调制得到了越来越多的青睐。1.3 QAM调制及解调原理QAM调制是振幅相位联合调制技术，实质上，QAM调制是抑制载波的双边带调制，它是利用正交的单频载波对独立的两路基带信号进行相位与幅度联合调制12。经过调制后，在相同带宽内已调信号频谱相互正交，这样就实现了两路信号并行传输。QAM调制信号表达式如下。 (1-1)式（1-1）中，是基带信号幅度，是宽度为 的单个基带波形，式（1-1）的正交形式如式（1-2）。 (1-2)令 (1-3)将式（1-3）代入（1-2）中，得 (1-4)QAM调制信号中的振幅和表示如（1-5）。 (1-5)式（1-5）中 是固定振幅,，决定信号在信号空间中位置，由输入信号决定的，而且两者之间相互独立。根据QAM调制原理，设计出的QAM调制器原理框图如图1-1。图1-1 QAM调制框图如图1-1所示，基带信号进过串并转换后，分成两路信号，在分别经过2进制到4进制转换后，获得码元为2bit的信号，然后在经过成型滤波和相位调制，获得两路调制信号，然后再将两路信号叠加获得16QAM调制信号。根据QAM解调原理，设计出的QAM解调器原理框图如图1-2。图1-2 QAM解调器框图如图1-2所示，接收端信号是经过光载无线系统传输后得到的，将QAM信号转换为基带信号的过程就是将基带信转换为QAM信号的逆向。不过要增加低通滤波器和同步判决。低通滤波器是为了滤除传输过程中产生的噪声，同步判决是为了正确的接收QAM信号，因为信号传输过程肯定会出现延时，影响信号接收。假设通信信道为理想信道，QAM解调的数学公式如式1-6和式1-7。同相信号表达式如式1-6。 (1-6)正交分量信号表达式如式1-7。 (1-7)经过去除载波，再将信号通过低通滤波，滤除高频分量，就可以获得和，可以看到处理损失一定的幅度值外，获得信号并未失真。所以，从数学上看，该解调方法是正确的。1.4 QAM调制的性能具有较低的误码率和较高的频谱利用率是QAM调制解调的突出特点，本小节将讨论QAM调制信号的误码率和频带利用率。1.4.1 误码率QAM信号用星座图来表示信号空间分布状态13。有方形星座图和星型星座图，方形星座图的信号点分布是成方型，而星型星座图的信号点分布成星型。由于方型星座图比较容易产生PAM信号且容易解调，所以应用比较广泛。本文将讨论在方形星座图下的QAM调制信号误码率。在方形星座图中，当（k为偶数）时，通过多个正交的单频载波来调制两个PAM信号获得。由于解调器能够分辨出同频带内的两个正交信号，故为了得到QAM信号的误码率，可以利用ASK的误码率公式。所以能够获得M进制QAM的判决概率如下。 (1-10)即是进制PAM信号的误码率。通过查阅资料，得到PAM信号与QAM信号的误码率关系为：PAM信号的平均功率是同等QAM信号的一半。而PAM信号误码率表达式如式1-11。 (1-11)式1-11中，为平均信噪比。结合式（1-10）和式（1-11），可以获得M进制QAM的误码率，公式如下。 (1-12)所以当k为偶数时，可以看出结果很准确。但是如果k为基数时，就找不到与之等同的进制PAM信号。1.4.2 频带利用率为输入调制器的基带二进制信号序列，经过串并转换后，将信号一分为二，所以两路信号的比特率都是2分之一的比特率,再经过2进制转L进制的电平转换后，传输的码率就变为，其中L为M进制的平方根。由于在调制的时候中，需要通过成型滤波器，这样就抑制了带外辐射。设置滚降因子为，这样就能获得无码间干扰情况下的带宽B。其表达式如式（1-13）。 (1-13)调制信号通过带通滤波器后，带宽变为2B，所以QAM信号的系统频带利用率表达式如式（1-14）14。 (1-14)1.5 课题的主要研究工作本论文主要的工作是研究16QAM信号在RoF系统中的传输性能，通过RoF系统的构建和16QAM模块的构建，接着进行系统仿真，然后对16QAM等高阶调制格式的性能做出分析和总结。本文内容安排如下：第一章是绪论，简述本课题的研究背景和意义，然后介绍高阶调制格式的研究现状，分析16QAM研究的意义和价值，16QAM调制信号的生成原理和产生过程，最后阐述本课题的主要研究工作。第二章RoF技术分析，主要是对RoF简单链路进行分析，RoF简单链路包括光纤、光探测器和光源，其中重点介绍光探测器的原理。第三章使用Optisystem软件建立光载无线通信系统，并且测试系统接收端的信号 误码率，通过获取不同工功率下的误码率来绘制功率-误码率曲线，测试RoF系统的性能。第四章通过研究16QAM信号生成原理，使用MATLAB进行编程，编写16QAM模块，并通过方形星座图来测试代码是否正确。16QAM的代码模块只要包括16QAM编码模块，16QAM解码模块，星座图模块。第五章将MATLAB代码模块嵌入用Optisystem建立的RoF系统，测试星座图和误码率，获取数据来研究16QAM信号的传输性能。第2章 RoF技术分析RoF技术是一种新型传输技术，它是利用光纤替代原来的大气进行信号传输15。其系统框图如图2-1。从图中可以看出来，中心节点使用光纤来连接多个基站，在这个过程中，光纤将作为一个传输信号的通道。所有的再生、交换、控制的操作信号的工作都将在中心节点处完成。图2-1 RoF的网络结构图当信号是下行传输时，刚开始在中心节点，要利用全光技术和光器件对信号进行调制，然后进行光电转换。接着以光纤为传输介质，将该信号传输到基站，最后在基站，再次通过光电探测器和信号解调技术，将光信号转换为我们所需要的信号，并把信号在天线上变为电磁波发送出去。当信号为上行传输的时候，它只有一个地方与下行传输不同，就是要将光信号进行相应的频率下变换，同时接收端也需要变换，通过变换后就能正确接收信号。接下来主要介绍RoF的简单链路和RoF技术的特点。其中RoF的简单链路包括光调制技术、光探测器和长距离传输时光纤色散的影响。2.1 简单RoF链路分析简单RoF链路由三部分组成，分别是一段光纤、光探测器和光源。首先将发射信号调制到光源上，然后输出到光纤上，经过光纤传输后，接收端经过光探测器来分离出微波信号16。2.1.1 对光源的调制技术在RoF链路中，光源是起点，也是一个比较核心的部件，在光源处，通过调制就可以将原来的电信号转换为光信号，实现信号在光纤上传输的第一步。光调制技术包括外调制与直接调制。外调制技术是通过将激光器的输出光引入外调制器，以调制信号来控制外调制器，通过外调制器的物理效应来改变输出光的强度等参数。调制过程如图2-2，由于调制对象变为输出的激光，所以我们可以把激光器这一块做得很好，来避免光源的异常现象17。在波分复用系统里，外调制技术经常被使用，由外调制器决定其调制带宽，非光源。而在实现过程中，有两种外调制器，分别是强度调制和相位调制。图2-2 外调制过程直接调制技术是改变输入电流的方式来控制激光器的输出，这样就实现了将电信号转换为光信号这一目的。半导体激光器能够直接采用该调制方式，因为它是一种电光直接转换器件。如图2-3所示，是一个数字发光机，激光器的驱动电路是很重要一部分，它需要具备控制激光器的功率和温度，除此之外还必须确保光源输出的稳定性和保护电路的功能。在实现上，直接调制技术也有两个方向，模拟调制与数字调制18。图2-3 直接调制的数字发光机2.1.2 光探测器在光接收机中，光探测器是核心部分。和光发射机的功能相反，它用于把光信号转换为电信号。在光纤通信中，有三中光探测器最常用，分别是金属半导体型、雪崩二极管型和PIN管类型的光电探测器19。光探测器分为对相位调制信号的检测，对强度调制信号的直接检测和想干检测。而相干检测的性能比较好，与直接探测相比，能够将接收机灵敏度提高1025dB，由于在相干检测当中，本地光源与被探测光需要在偏振态上一样，所以需要用到偏振适配器在接收端。除此之外，还需使用保偏光纤在传输时。而且还有一个难点，就是无法完全匹配两光束相位。以此，对于相干探测的使用不多。主要是使用对相位调制信号的检测，对强度调制信号的直接检测。2.1.3 光纤色散对RoF链路的影响当RoF链路比较短的时候，光纤色散的影响不明显，所以常常被人们忽略。但是，随着RoF链路越来越长的时候，这种影响也就越来越大，这从根本影响了信号带宽和RoF的传输距离。当光信号中不同频率部分传输时速度不一样，就会产生色散现象。色散的种类很多，主要有以下四类：材料色散、波导色散、多模色散和偏振色散。在单模光纤中主要是波导色散，在多模光纤中主要时多模色散。而光纤是普通单模光纤，光信号的群速度为1550nm时，色散值大约是17ps/(nm.km)。所以固定长度的光纤里，随着频率提高，接收端的射频功率会非周期性减少。而与此同时，固定的频率情况下，随着传输距离提高，接收端的射频功率也会非周期性降低20。2.2 RoF技术特点根据RoF产生的背景，该技术主要是结合了高频电波和光纤的优势，所以RoF技术也就拥有了它们两的优点。1) 低损耗：RoF技术采用的是光纤作为传输通道来传输毫米波。而光纤的特性就是低损耗，所以当传输距离比较远的时候，信号的传送功率会比较小。所以采用光纤，将大大地降低系统消耗的功率。2) 高带宽：光纤的带宽很高，在忽略在远距离中的传输损耗情况下，在三个低损耗窗户的总带宽将会超过50THz21。而在现在的商业系统中，没有完全的使用它的全部带宽，仅仅是其中一部分。高带宽带来的好处是显而易见的，可以很容易地使用频率的上下转换和滤波等信号处理。而在当前无法完全发挥光纤的高带宽特性，主要是由于当前传输系统带宽不够高。为了充分发挥光纤特性，就要使用新技术来提升带宽。3) 不会受电磁波干扰：在RoF技术中，光信号是在光纤里面传输的，属于增强了抗干扰能力。4) 便于维护和安装：由于RoF系统的结构就是将简单设备放在基站，将复杂设备放在中心站。所以当要改变了一些结构或则添加一些新功能时，只要要中心站上进行改变就可以，而基站基本不需要变动，而中心站的数目比较少，所以维护成本会比较低。这样可以降低成本，有利于RoF技术的推广。5) 减少功率消耗：RoF系统中，功率消耗主要是发射信号时和信号传输过程中，但是由于现在发射功率主要是中心站的工作，而基站只负责接收信号，而不用再次发射信号22，可以减少一部分功率。而由于传输介质又是光纤，传输过程中的功率消耗将大大降低，所以总的功率消耗也会大大降低。2.3 本章小节本章主要介绍了RoF技术中的简单RoF链路构成，通过分析光调制技术、光探测器以及色散对RoF链路传输的影响，明白了RoF技术的关键所在，知道了应该从哪些方面来改善RoF系统，提高系统传输性能，接下来一章将进行RoF系统的构建，进行真正的系统仿真。第3章 RoF系统的构建与仿真3.1 RoF系统的组成RoF通信系统的组成部分包括光缆、电光转换器件、光电转换器件、和微波驱动器件。微波驱动器件是把调制好的信号驱动到适当的电平输出，光电转换器件主要包括微波激光器和电光调制器，主要完成电信号到光信号的转换。而光电转换器件就是实际的光电探测器，完成光信号到电信号的转换。光缆是光信号在RoF系统中传输通道。由于实际中微波天线光纤馈线的应用需求，设计了一个RoF通信系统，主要组成部分有微波射频信号的放大与衰减，光电转换和电光转换部分。系统的结构图如图3-1所示。电光转换光电转换微波收发信号分离装置光纤馈电线路微波衰减器 微波收发信号共用装置微波放大器主机天线光电光转换光电转换微波衰减器微波放大器光纤馈电线路图3-1 RoF系统结构图在这个RoF传输系统中，由于主机发射功率过大，如果直接调制和光电转换，很有可能损坏器件，因此要在微波信号发送端与电光转换之间添加一个衰减器，来减低信号功率。降低至毫瓦级别，这样就能不损坏器件，使器件能够正常工作。与之相对应的，在光电转换器件与微波接收器件之间需要加入一个微波放大器，这样才能保证天线的发射功率足够大，能够使信号覆盖足够的区域。按照调制模式的不同，系统的电光转换可以分为外调制模式和直接调制模式。外调制模式是通过将激光器的输出光引入外调制器，以调制信号来控制外调制器，通过外调制器的物理效应来改变输出光的强度等参数。而直接调制则是改变输入电流的方式来控制激光器的输出。半导体激光器能够直接采用该调制方式，因为它是一种电光直接转换器件。RoF系统中用光电探测器来实现光电转换部分，作用就是实现光信号到电信号的转换。由于PIN光电二极管具有响应速度快、工作电压较低、转换线性度好等优势，所以选择PIN光电二极管作为光电转换部分。3.2仿真系统设计有了之前RoF系统结构的基础，现在我们要使用Optisystem软件对RoF系统通信链路进行仿真，通常情况下，我们在RoF通信系统中采用正交调幅（QAM）和移相键控PSK等。由于我们主要关注的是光纤传输和激光器的非线性对调制信号的影响，不关心在RoF系统中具体物理特性的干扰。所以我们应该简化RoF系统输入信号。我们在仿真中的处理是将输入信号简化为一串串长度固定的二进制序列，然后将二进制信号进过一个基带调制模块，生成调制信号，再将这个信号与高频载波混频，然后通过直接调制的方式，进过激光器，将电信号转换为光信号，然后通过光纤传输，在接收端再添加光电转换器，即光电检测器检测，重新获取电信号，即调制信号。系统仿真框图如图3-2所示。信号调制半导体激光器二进制信号发生器PSK编码跨导放大器自动增益控制PIN光电检测器光纤二进制信号输出PSK解码信号解调图3-2 RoF系统仿真框图在Optisystem软件中，提供了很多现成的器件，包括二进制信号发生器、基带信号调制器、半导体激光器、增益控制器、光纤、PIN光电检测器、信号解调器等，实际仿真中可能还要添加滤波器，可以滤除在光信号传输过程中产生的噪声，以免影响信号的接收判决。通过使用Optisystem提供的库器件，并根据我们的实际要求，可以设置各个器件的参数，在使用这些器件时，遇到了以下问题，不过在阅读了Optisystem提供的英文帮助文档后，我逐渐了解到设置方法，在元件库里，找到相关元件，设置好参数后，就可以根据先后顺序将各个元件连接起来，构建成RoF通信系统仿真结构图，其图如图3-3所示。图3-3 RoF系统仿真结构图在这个RoF系统中，设置波特率为10Mbit/s，二进制序列长度为1024bit，载波速率要高一点，为6GHz。而且要把载波相位调整为90度，而接收端去除载波是也要将相位调整为90度，这样就不会出现相位翻转。光纤长度设为10km，在接收端使用眼图来观察输出信号，添加RF Spectrum Analyzer来观察调制信号输出端与系统接收端的频谱图，以此来改变低通滤波的滤波值通过OScilloscopeVisualizer器件来观察调制信号的波形图和系统接收端的波形图，。在该系统中有一个功率衰减器，主要是是为了调节接收器输入功率，测量误码率曲线，所以在接收端与光电转换器件之间添加一个衰减器，降低输入信号的功率，来获取不同的误码率数据。3.2.1 频谱图通过系统仿真，获得调制信号输出端与系统接收端未去噪声和去噪声后的频谱图如图3-4(a)、图3-4(b)和图3-4(c)所示。从图3-4(a)、图3-4(b)和图3-4(c)可以看出，调制信号经过系统传输后，出现了明显的被干扰得现象，这是因为系统传输必然会产生噪声，影响接收端的信号的质量。所以调制信号自身的容错能力很重要。 (a) 发送端的调制信号 (b) 接收端未滤波的信号 (c) 接收端滤波的信号 图3-4 RoF系统中信号频谱图3.2.2 波形图和眼图调制信号输出的波形图和系统接收端的未滤波和滤波后波形图如图3-5(a)、图3-5(b)和图3-5(c)所示。从图3-5(a)和图3-5(b)可以看出，调制信号经过系统传输后，出现了明显的被干扰得现象，这是因为系统传输必然会产生噪声，影响接收端的信号的质量。所以调制信号自身的容错能力很重要。 (a) 发送端信号 (b) 接收端未滤波的信号 (c) 接收端已滤波的信号图3-5 RoF系统中调制信号波形图3.2.3 不同功率下的眼图通过功率衰减器来调节接收端的信号功率，来看看眼图的变化情况。衰减量分别是40dB、50dB情况下的眼图分别如图3-6(a)、图3-6(b)和所示。 (a) 40dB的衰减功率 (b) 50dB的衰减功率图3-6 接收端的信号眼图从图3-6(a)、图3-6(b)可以看出，随着衰减器的衰减值的增大，即接收端功率的不断降低，系统的接收端眼图也越来越差，而眼图是衡量系统传输性能的标准，即测试系统误码率的标准。不过两者必然成正比的，这是可以肯定的。3.2.4 不同光纤长度下的眼图通过不断改变光纤光纤长度来观察眼图的变化。通过将光纤长度设置为10km、100km，获得的接收端眼图如图3-7(a)、3-7(b)所示。 (a) 10km的光纤长度 (b) 100km的光纤长度 图3-7 接收端信号眼图从图图3-7(a)和3-7(b)中可以看出，随着光纤的不断变长，系统传输接收端眼图变得越来越差，即误码率越来越大，由于通过10km和100km眼图的对比，可以看出，系统误码率上升的不是很快，这主要得益于光纤的低功耗特性，而在RoF网络系统中，传输距离很少超过这个距离，所以光纤损耗可以忽略不计。3.3 仿真结果分析在RoF系统中使用眼图进行观察，是因为眼图可以检测出系统性能。由于传输过程存在码间串扰和噪声，所以可以通过观察眼图，来判断RoF系统的传输性能的好坏。在图3-8(b)给出了RoF链路的系统眼图，可以看出，经过光纤RoF链路传输后，对定时抖动不太敏感，零失真量比较小，眼图斜边的斜率不是很大。而在抽样的时候，信号未出现很大的失真。所以这个RoF系统可以满足基带信号传输的要求。 (a) 理想链路 (b) RoF链路 图3-8 接收端信号眼图表3-1 功率-误码率数据表接收端功率（dBm）-55.015-55.115-55.215-55.315-55.415-55.515误码率1.2752e-76.8332e-73.3612e-61.4733e-55.6771e-50.00019158在RoF系统仿真结构图中，有一个功率衰减器，通过不断调节功率衰减器的衰减值，在眼图工具中获取系统传输的误码率值，然后记录接收端的功率值和误码率值，打开MATLAB，获得的数据如表3-1所示。用这些数据绘制RoF系统传输的功率-误码率关系曲线，获得的二维关系图如图3-9所示。图3-9 功率-误码率图由图3-9的功率误码率曲线关系可知，随着功率的不断降低，系统误码率不断的增大。当我们将RoF系统接收端功率调到功率为0.4时，系统的误码率几乎为0。如果再增加功率的话，误码率也几乎不变，而当功率调到功率为0.05是系统误码率也达到了最大。从功率-误码率图可以看出，它们的关系几乎是线性的。即随着功率增加，系统的误码率会不断线性降低，这个也与理论相符合。在传输过程中，系统必然会产生噪声，当信号的发射功率提高之后，受到系统传输产生的噪声干扰就会减少。不管信号的功率多强，系统传输产生的噪声功率基本是一样的。误码率式检测系统传输性能的一个中指标，通过误码率的值，我们能看出系统的优劣，如果误码率太高，就要适当地修改系统结构，来改善传输性能，减少误码率。所以到目前为止，RoF系统算是搭建成功了，接下来就是使用MATLAB来编写QAM调制解调模块。3.4 本章小结整体而言，RoF系统时一个比较复杂的传输系统。通过使用Optisystem构建RoF系统仿真模型，并通过系统仿真，我们获取了很多有用的数据，分析这些数据，我们可以看出RoF系统的一些传输特性。可以看出，影响RoF系统传输性能的主要有传输介质、信号发射功率和基带信号调制方式，通过眼图，我们已经看出通过光纤传输的信号误码率很低，而改变信号接收端功率会对误码率产生很明显的影响。而对与调制信号，主要是QAM信号，将在下一章介绍。第4章 16QAM设计与实现在第一章里，已经介绍了QAM调制解调原理。而且还给出了QAM调制的原理框图。根据图1-1 QAM调制框图和图1-2 QAM解调框图，就可以进行16QAM模块代码的编写。而编写代码使用的则是MATLAB软件。接着可以把16QAM代码模块分为16QM调制模块和16QAM解调模块，不过由于要在MATLAB中验证16QAM调制模块的正确性，还需要再编写星座图模块，来验证16QAM调制信号的正确性。除此之外，由于16QAM在RoF系统中传输时，无法使用Optisystem提供的眼图观察16QAM的系统误码率，还需要编写测误码率来获取16QAM的系统误码率信息。为了模拟系统信道传输，还应该加入信号传输模块。所以总的模块由六个。整体代码模块流程如图4-1。二进制随机信号序列信道传输16QAM解调16QAM调制画星座图测误码率图4-1 整体模块流程图4.1 16QAM调制模块根据图1-1 QAM调制模块，在16QAM调制模块中，主要可以分成以下几个模块：串并转换模块、2进制转4进制模块、基带成形滤波器模块、信号调制模块。串并转换模块： I=x(1: 2: nn-1); Q=x(2: 2:nn);I路分量为奇数位序列，Q路分量为偶数为序列。1) 二进制转四进制模块： T = 0 1;3 2; %四进制中：03 n = length(x); %算出序列长度 j = 1; for i = 1: 2: n-1; xi=x(i: i+1)+1; %取出长度为2的序列 yn(j) = T(xi(1), xi(2); %2进制映射到4进制 j = j + 1; end; yn = yn - 1.5; %电平处理 y=yn; for i = 1: m-1; y=y; yn; end; y=y(:); %映射电平分别为-1.5；0.5；0.5；1.52进制转4进制的原理就是0 0 表是0；0 1 表示 1；1 0 表示3；1 1表示2；这个考虑到码间串扰，所以没有用1 0 表示2，1 1表示3。通过使用这个映射表，将2进制序列转换为4进制序列。再经过电平处理，将4进制的数字映射到电平上。2) 基带成形滤波器模块 function y=bshape(x,fs,fb,N,alfa,delay); %设置默认参数 if nargin 6; delay = 8; end; if nargin 5 ; alfa = 0.5; end; if nargin 4; N = 16; end; b = firrcos(N, fb, 2*alfa*fb, fs); y = filter(b, 1, x);该成形滤波器采用的是基带升余弦成形滤波器，主要需要使用到firrcos和filter两个matlab函数。通过这两个函数，可以定义滤波器的截至频率，滤波边沿的滚降幅度，以及延时等。3) 信号调制模块：y = I .* cos(2 * pi * fc * t) Q .* sin( 2 * pi * fc * t); %调制根据调制原理公式，可以直接写出该模块，其中表示调制载波频率，通过将I路信号与Q路信号，分别调制，并将两路信号叠加，最终生成变量y，即16QAM调制输出信号。4.2 16QAM解调模块16QAM解调模块与16QAM调制模块正好相反，是一个逆向过程。根据16QAM解调框图，可以将16QAM解调模块代码分成以下几个模块：信号解调模块、低通滤波模块、4进制转2进制模块、并串转换模块。1) 信号解调模块 dt = 1 / fs; t = 0: dt: (length(y)-1)*dt; I = y .* cos(2 * pi * fc * t); %I路分量解调 Q = -y .* sin(2 * pi * fc * t);%Q路分量解调为抽样频率，dt为抽样间隔。即每隔dt时间进行抽样。然后将抽取的I路信号与Q路信号同时进行解调。然后就可以4进制电平信号。2) 低通滤波模块 b, a = butter(2, 2 * fb / fs); %设计巴特沃斯滤波器 I = filtfilt(b, a, I); %I路滤波 Q = filtfilt(b, a, Q); %Q路滤波 使用butter函数，设置滤波器的滤波截至频率。然后对I路分量以及Q路分量同时使用filtfilt函数进行滤波。3) 门限判决模块 I0 = find(yn = 0.5 & yn = 1.5 & yn = 2.5); yn(I3) = ones(size(I3)*3;由于信号在传输过程中是以电平的形式存在，所以首先要进行门限判决，从电平值来判断代表的信号值。由于在前面将信号转为电平时，把信号值0到3分别映射到电平的 -1.5，-0.5；0.5和1.5。所以将电平映射到数字信号值时，也应该映射到0到3。find函数就是来判断电信号的电平值，zeros函数表示判决其值为0，ones函数表示判决其值为1.4) 四进制转二进制模块 T = 0 0; 0 1; 1 1; 1 0; %2进制4机制映射表 n = length(yn); %求序列长度 for i=1: n; xn(i,:) = T(yn(i)+1, :); %映射 end; xn = xn; xn = xn(:); xn = xn;与2进制转4进制类似，4进制转2进制也是一个映射过程，就是将一个4进制的信号值转换为2bit的二进制序列。由于在2进制转4进制时，是将0 0 映射到0，0 1 映射到 1，1 0 映射到3，1 1 映射到2。所以在4进制到2进制的转换中，就是将0映射到 0 0，1映射到0 1，2映射到1 1，3映射到1 0。5) 并串转换模块 nn = length(xn); %求其长度 xn = xn(1: nn/2); xn(nn/2+1: nn); %获得一路信号 xn = xn(:); xn = xn; %调整序列中各位的原来位置 由于在之前进行串并转换时，将随机信号以奇数位和偶数位方式分开，所以在信号合并时，就需要将I路信号安排在奇数位，将Q路信号安排在偶数位，实现两路信号的合并。其方法如代码所示，先用一个行数为2的矩阵来装下两路信号，再将两路信号合成成一路信号，再调整信号序列的位置，这样就能重组该信号序列，获得正确的二进制序列。4.3 星座图模块在多元调制技术当中，眼图是一种重要的测量方式。它能够在信号空间当中显示信号所在位置23，所以能够提供具体的、直观的显示结果，便于我们来观察系统传输特性。在星座图当中，我们可以观察到系统的功率利用率和频率利用率是否充分利用。可以看到，在特定调制方式下信号空间中信号的排列与分布情况24。经过系统传输后，调制信号的最小距离能否保证误码率要求，也能通过星座图观察得到。在星座图当中，可以用X轴表示16QAM的同相分量，用Y轴表示16QAM的正交分量。在X-Y平面上信号的分布即是星座图。部分代码如下。 N = length(x); m = 2*fs/fb;n=fs/fc; i1=m-n; i=1; ph0=(i1-1)*2*pi/n; while i = N/m; xi=x(i1:i1+n-1); y=2*fft(xi)/n; C(i)=y(2); i=i+1; i1=i1+m; end;由于QAM调制信号是相位幅度联合调制信号，如果要使用这个信号来作为输入数据进行绘制星座图，则要先将16QAM调制信号进行处理，获得我们所需要的数据。以上代码就是实现这个转换的代码，x为输入信号，ph0为原始相位，通过转换就可以获得数据矩阵C。 cmax=max(abs(c); ph=(0:5:360)*pi/180; %相位序列 plot(1.414*cos(ph),1.414*sin(ph),c); %绘制一个圆形 hold on;for i=1:length(c); ph=ph0-angle(c(i); %相位值 a=abs(c(i)/cmax*1.414; plot(a*cos(ph),a*sin(ph),r*); %将数据点绘制到图中 end;前面的代码部分已经实现数据的转换，接下来就可以使用这个数据作为绘制星座图的数据。经过相位转换后，就可以通过绘图函数，将该相位点绘制到图中，由于是调制信号是I路信号与Q路信号的叠加，而两路信号都是由2bit为码元。所以调制信号为4bit的码元，所以星座图中的绘制点有16个25。随着功率的增加，星座图中的各个点处的点集合会越来越集中，直到集中成为真正的一个点。这时误码率几乎为0。4.4 测误码率模块系统误码率是检测系统的传输性能的重要标准。而测误码率的原理也比较简单，就是将QAM解调端的二进制序列与信号源的二进制序列进行逐个比较，如果不相等就是说明出现误码情况，这样统计出总的误码数与序列长度之比，即是误码率。代码如下。 numoferr=0; %初始化误码数为0 for i=1:N if (y_output(i) = random_binary(i), %通过比较判断是否出现误码26 numoferr = numoferr+1; end; end; Pe(j)=numoferr/N; %统计误码率y_output为QAM解调输出信号，random_binary为信号源的二进制信号，N为二进制序列长度，通过不断比较，统计误码数，最后获取误码率值。4.5 随机序列产生模块由于要在MATLAB软件中测试所编写代码的正确性，需要一个信号源作为16QAM调制的输入信号，而MATLAB里面并未提供这样的函数，所以我们要自己编写这样一个函数。其原理也是比较简单，就是选用MATLAB提供的随机函数，通过一个随机过程产生0或1，作为序列的值。代码如下。 for i=1:N, temp=rand; %获取随机值 if (temp0.5), random_binary(i)=0; % 1/2的概率输出为0else random_binary(i)=1; % 1/2的概率输出为1 end end;rand是MATLAB提供的函数，可以产生一个随机数，temp是获取这个随机数。然后判断这个随机数的值，如小于0.5，则给序列的某一位赋值0，否则赋值1。如此循环N次，即序列长度，就可以给序列的每一位都赋值，而每一位的值都是随机的0或者1，随意产生的是一个随机序列。4.6 信道传输模块信道传输模块是模拟调制信号在传输介质中传输的模块。由于在MATLAB中无法使用实际的信道，所以只能模拟出来这个模块。在这个模块中，主要是作用是在调制信号中混杂一些噪声，来观察接收