传输系统的设计与实现毕业设计

1、传输系统的设计与实现毕业设 计川理工学院成人教育学院毕业设计（论文）题目QAM传输系统的设计与实现教学点重庆科创职业学院专业通信技术年级2on级姓名祝守颜指导教师陈佳佳走稿日期：2013年4月25日I四川理工学院成人教育学院 毕业设计（论文）任务书学生 姓名专业 班级通信工程ZB421101设计（论 文）题目QAM传输系统的设计与实现接受任务2013年12月日期口完成任 务日期2014年4月25日指导教师（签名）陈佳 佳指导教 师单位重庆科创职业学院（4）把基带信号的频谱搬移到一定的频带范围进行频率分配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

2、据传输之间的矛盾。例如可以釆用多进制数字调制（包括幅度、频率、和相位多进制调制）、联合 调制、网格调制等减少噪声和干扰的影响 实现多路复用和克服设备的限制(1)王福昌通信原理北京清华大学出版社，2006参考资料(3)樊昌信，曹丽娜通信原理北京国防工业出版社，2006(2)刘连青.数字通信技术.北京机械工业出 版社，2006(4)李立.高速16QAM传输技术研究西安电子科技大学,2010QAM传输系统的设计与实现摘要正交振幅调制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

3、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。关键词：数字传输；正交振幅调制；差分脉码调制；建模仿真DESIGN AND SIMULATION OF QAM SYSTEMABSTRACTQuadrature amplitude modulation QAM is a digital modulation technique forphase an

4、d amplitude control. It is a very wide range of applications, not only Inthe field of mobile communication and cable TV transmission, digital video broadcasting, satellite communications and other fields has been widely applied.In this paper, the basic principle, structure and performance study of Q

5、AM modulation and demodulation system parameterssimulation performanceanalysis of Simulink modulation and demodulation system of QAM; and the realization method of analog signal digital basic theory in detail, realize thedifference of Simulink simulation and performancecomparisonof sub pulsecodemodu

6、lation; construction simulation source QAM transmission system based on the theory, and validation of simulation and performance modeling using Matlab/Simulink.Keywords: QAM; Quadrature amplitude modulation differential pulse code modulation;Modeling and simulation第一章绪论景11.2数字调制解调技术现状与发展11.3 QAM调制解调

7、技术在数字通信领域的应用优势214仿真软件介绍3第二章QAM调制解调技术研究及Simulink仿真42.1 QAM 调制42.1.1 QAM调制原理42.1.2 QAM 星座图52.2 QAM调制解调系统的Simulink仿真72.3 MQAM调制解调系统性能仿真分析92.3.1频带利用率分析1023.2误码率分析162.3.3功率利用率分析12第三章QAM传输系统的构建与仿真133.1 QAM传输系统的模型133.2 QAM传输系统的仿真13参考文献17致谢18附录119第一章绪论11选题背景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 带宽的需求更髙。随着卫星有效载

8、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 ( Quadrature Amplitude Modulation)调制方式综合 ASK (Amplitude Shift Keying)与 PSK(Phase Shift Keying)的优点，并通过采用多 进制调制方式来提

9、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髙的1-3o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。1.2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

10、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)也一宜在促进 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

11、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 降低己调信号所占用的频带宽度1-3 o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。1.3 QAM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

12、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

13、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一一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，町MAX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45。1 4仿真软件介绍MATLAB是MATrix LABoratory的缩写，是一款由美国MathWorks公司出品

14、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，

15、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、 离散釆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。第二章QAM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

16、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. 1 QAM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

17、的研究尚未 发展成熟。2d.l QAM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：几=q”g（%）cos（% + &”）（2-1）II式（27）中，筑是基带信号的幅度，曲一讥）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：S昭肘二7Jcos9” cos叩-工厲g（m7；）sin% sinco（t-wL -（2-2）令（2-3）则式(2-2)变成必如=X(Qcos0/-sin

18、(2_4)QAM中的振幅和人可以表示为：X” =c”A(2-5)式(2-5)中，固定振幅为人、5、心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5、山决定。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。X

19、MQAM 调制信号图2-1 QAM信号调制原理图2.1.2 QAM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。C3. 3)(3.3)(13)1. -3)(3, -3)(b)方型星座图图2-2 16QAM星座图QAM调制有几个重要的参数：峰值-均值比丫，星座图间最小欧几里得距离mm 和最小相位偏移盅叫不同的数字传输系统，对这些参数的要求各不相同10-11 O(1) QAM信号的峰值-均值Y? = *(2-13)rave其中，弓呗表示信

20、号的峰值功率，P咙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 mm与抗高斯白噪声的性能呈正比关系。(3) 最小相位偏移久加最小相位偏移&mm,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4-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

21、) 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星座参数值表数 类型&minminY方形星座 图180.663/f1.8星型星座 图450.5347瓦1.514由表21可见，当信号平均功率佻一定时，方型星座图的最小欧几里得距离 mm比星型星座图要

22、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久山比星型星座图小且峰值 了大于星型星座图。2. 2 QAM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

23、 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。Simulink 模块库中提供调制器 Rectangular QAM Modulator Baseband 模块、 解调器Rectangular QAM Demodulator Baseband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。RandomIntegerRandom IntegerCeneratoiBasebandDUpInyDiscrete-Time Soattcr Plot S&opeldiscrete TimgPlotDi

24、screte-TimeEye DiagramScopeldiscrete TirngEye Diagram Scops2-4 16QAM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Rectangular QAM Modulator Baseband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（Rectangular QAM Demodulator Baseband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

25、声方差为0. 02时，发送和接收信号的星座图仿真结果如图2-5所示。CJpnuE qwl6/Piiccret-Ti* Scatter Plot ScopelTiwc Scatter Plot $cpeSeller R01Scatter PlotAmpltucbh-phse Amplikde（a）发送端（b）接收端图2-5 16QAM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

26、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。345678910Tm (rriel3ia5&Timeepnu_dsdpcB2/Discrete-riMe Scatt.File歩 rviow Klpouatici i 152pn=-dEpr二一-duuy an二 Eperlc(b)眼图图3-3 QAM调制信号的星座图和眼图仿真结果通过示波器观察发送端原始的输入信号和接收端恢复出的信号。示波 器输出波形如图3-4所示。10-1原信号00.511 522.533.544.5510-13ime offset: 0x 1 T图3-4信源为正弦波时示