QAM传输系统的设计与实现毕业设计.doc 34页

'QAM传输系统的设计与实现QAM传输系统的设计与实现毕业设计目录1引言11.1课题研究背景及意义11.1.1调制在通信系统中的作用11.1.2数字调制解调技术现状与发展21.2QAM调制解调技术在数字通信领域的应用优势21.3仿真软件介绍31.4论文主要内容及结构安排32QAM调制解调技术研究及Simulink仿真42.1QAM调制42.1.1QAM调制原理52.1.2QAM调制性能62.1.3QAM星座图72.2QAM解调82.3QAM调制解调系统的Simulink仿真92.3.116QAM调制解调系统的Simulink仿真92.3.264QAM调制解调系统的Simulink仿真112.4MQAM调制解调系统性能仿真分析122.4.1频带利用率分析122.4.2误码率分析132.4.3功率利用率分析152.5本章小结153模拟信号数字化研究及Simulink仿真153.1脉冲编码调制163.2差分脉冲编码调制163.2.1DPCM编解码基本原理163.2.2最佳预测器173.2.3DPCM的系统性能分析193.3DPCM的Simulink仿真203.4信道误码对语音质量影响的仿真分析213.4.1最佳预测器抽头系数的确定213.4.2构建测试模型及仿真223.4.3与PCM话音解码对比分析233.5本章小结244QAM传输系统的构建与仿真244.1构建QAM传输系统244.1.1模拟信源数字通信系统模型244.1.2QAM传输系统的模型26-32- QAM传输系统的设计与实现4.2QAM传输系统的仿真264.3应用实例的仿真294.4本章小结30结论及尚存在的问题30参考文献31致谢32-32- QAM传输系统的设计与实现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。-32- QAM传输系统的设计与实现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-32- QAM传输系统的设计与实现以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-32- QAM传输系统的设计与实现本文在对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-32- QAM传输系统的设计与实现正交幅度调制(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。-32- QAM传输系统的设计与实现图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：-32- QAM传输系统的设计与实现(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-32- QAM传输系统的设计与实现最小相位偏移，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。-32- QAM传输系统的设计与实现图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-32- QAM传输系统的设计与实现设传输符号率为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。-32- QAM传输系统的设计与实现图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。通过观察发现，在采样时刻最大眼图开启，同样由于传输信道上噪声的干扰，接收端眼图中“眼睛”张开的大小比发送端的要小的多，其大小反映着基带成形性能的优劣、码间干扰的强弱和传输信道噪声影响的大小。当信道噪声方差为0.05时，发送10s数据，经误码率统计模块Errorratecalculation计算及数据显示模块Display显示，可以观察到错误符号数为27个，相应的错误错误率为0.0027。2.3.264QAM调制解调系统的Simulink仿真Simulink模块库中提供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64QAM调制解调系统[7]，测试模型如图2-7所示。2-764QAM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64QAM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64QAM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2-8所示。-32- QAM传输系统的设计与实现图2-864QAM调制解调系统星座图图2-8给出了系统发送端和接收端的星座图。同样，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。当信道噪声方差为0.05时，发送10s数据，经误码率统计模块Errorratecalculation计算及数据显示模块Display显示，可以观察到64QAM调制解调系统错误符号数为29个，相应的错误符号率率为0.0029。而16QAM调制解调系统错误符号数为27个，相应的错误符号率为0.0027。进一步仿真，可以得到在信道噪声方差为0.05时发送10s数据的条件下，M-QAM调制解调系统误码率如表2-2所示。由表2-3可以看出M越大，系统错误符号率越高。表2-2M-QAM系统错误符号率M-QAM16QAM64QAM256QAM1024QAM2056QAM错误符号率0.00270.00290.00310.00350.00372.4MQAM调制解调系统性能仿真分析通信系统的任务是快速、准确地传输信息，因此传输信息的有效性和可靠性是衡量数字通信系统的性能指标。有效性可用传输速率和频带利用率来衡量，而可靠性用误码率来衡量。下面就从这几方面对MQAM调制解调系统的性能进行仿真分析。2.4.1频带利用率分析-32- QAM传输系统的设计与实现带通二进制键控系统中，每个码元只传输1b信息，其频带利用率不高。在频率资源极其宝贵和紧缺的条件下，提高频带利用率最有效的办法是使一个码元传输多个比特的信息，即采用多进制数字键控体系。在码元速率RB一定条件下，采用多进制数字键控，可以提高信息传输速率Rb。信息速率Rb和码元速率RB有以下确定的关系，即(2-11)在比较不同通信系统的有效性时，不能单看它们的传输速率，还应考虑所占用的频带宽度。所以真正衡量数据通信系统的有效性指标是频带利用率，即(2-12)表2-3M-QAM调制解调系统的频带利用率MQAM4QAM16QAM64QAM256QAM1024QAM4096QAM23455综上分析，可得到M-QAM调制解调系统的频带利用率如表2-3所示。由表2-3可得出结论：对于多进制M-QAM数字调制技术，随着M的增大，M-QAM调制解调系统的频带利用率增大。2.4.2误码率分析在一维信号空间中可导出两个等概率出现的信号，其距离为A。当判决门限为A/2，方差为，信号能量为E时，正确判决的概率为(2-13)差错概率为(2-14)二维信号空间以64QAM为例（见图2-10），我们将多元的MQAM信号点之间的距离都设为A，用一维信号空间类似的方法，得出，，三个信号点正确判断的概率分别为：-32- QAM传输系统的设计与实现(2-15)A/2A/2图2-964QAM第一象限星座图总的正确判决的概率为(2-16)差错概率为(2-17)用同样的方法可推出16QAM、256QAM、1024QAM、4096QAM的差错概率：(2-18)-32- QAM传输系统的设计与实现由式（2-18）可以看出，M越大误码率越高。这结论与前面由表2-3所得出的结论一致。因此，我们可得出结论：对于多进制M-QAM数字调制技术，制式数M大，系统误码率越大，即系统的抗噪声性能越差。2.4.3功率利用率分析根据每个信号点到中点的距离（即信号幅值），得出信号的平均功率为(2-19)在相同最大峰值功率的条件下的平均功率分别为(2-20)由式2-20可以看出，M增大，M-QAM调制解调系统平均功率逐步下降。因为各调制解调最大峰值功率相同，所以功率利用减小。因此，我们可得出结论：对于多进制M-QAM数字调制技术，制式数M增大，系统的功率利用率减小。综上述分析，可得出如下结论：（1）为了提高通信系统的有效性，即提高系统的频带利用率，多进制数字调制式一个重要途径；（2）提高频带利用率是以降低功率利用率为代价。（3）在相同的发射功率下，M越大，系统的抗干扰能力越差，即系统误码率越大。（4）为了降低误码率，只有提高发射功率。对于移动设备等场合提高功率又是难以实现的。在工程实践中因权衡二者的关系。2.5本章小结本章对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；通过对信号点星座图的分析研究，给出了QAM调制技术的性能指标；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，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，为后面系统规划与设计奠定基础。3模拟信号数字化研究及Simulink仿真-32- QAM传输系统的设计与实现随着通信技术的发展，数字通信成为主流技术。那模拟信源提供的模拟信号如何在数字通信系统中传输呢？模拟信号要想在数字通信系统进行传输，首先需要在发送端把模拟信号数字化，即进行模数转换，然后在数字通信系统进行传输；在接收端需把数字信号还原成模拟信号，即进行数模变换。一般模数转换常采用脉冲编码调制（PCM）、差分脉冲编码调制等。本章对差分脉冲编码调制相关理论进行了分析研究，给出了编解码器的结构框图，基于MATLABLE/Simulink构建了DPCM串行传输的仿真模型及仿真验证，并基于Simulink实现了PCM及DPCM语音信号的传输，并进行传输误码与解码话音质量的性能比对和分析。3.1脉冲编码调制脉冲编码调制(pulsecodemodulation——PCM)是典型的编码方式，通常把从模拟信号抽样、量化、直到变为二进制符号的基本过程称为PCM。其原理框图如图3-1所示。话音输入低通滤波瞬时压缩抽样量化编码低通滤波瞬时扩张解调解码信道再生话音输出图3-1脉冲编码调制（PCM）系统原理框图3.2差分脉冲编码调制PCM体制需要用64kb的速率传输1路数字信号，而传输一路模拟电话仅占用4kHZ带宽。相比之下，采用PCM，则数码率太高，传输PCM信号占用更大带宽。例如，对于频带为1MHz的可视电话信号进行编码，根据采样定理，采样速率，若每样值采用8位编码，则数码率为16Mbit/s。对于电视信号，图像信号宽带为6MHz，若也采用8位编码，则数码率将达100Mbit/s。为了降低数字电话信号的比特率，改进方法之一是采用预测编码方法。预测编码方法有多种，差分脉冲编码调制，简称差分脉码调制DPCM，是其中广泛应用的一种基本预测方法。3.2.1DPCM编解码基本原理DPCM是一种利用信号样值之间的关联特性进行高效率波形编码的方法。当信号样值序列中邻近样值之间存在明显的关联时，那么样值的差值方差就会比较样值本身的方差要小。PCM中直接传输样值本身，而在DPCM中，传输数据为样值的差值，在量化误差不变的条件下，就可以用较少的比特数来表示码字，也就提高了波形编码的效率。DPCM的组成方框如图3-2所示[2-3]：-32- QAM传输系统的设计与实现图3-2DPCM编码器和解码器原理方框图图3-2中，预测器根据过去时刻的信号样值来预测当前时刻的信号样值，并与当前输入样值xn相减得出预测误差en,即：(3-1)然后对预测误差进行量化编码后传送。设预测误差的量化结果为，其中为量化误差。量化结果与预测器输出结果相加后作为预测器新的输入，即(3-2)(3-3)(3-4)(3-5)因此，预测器的输入也就是输入样值被量化的结果，也称为编码器的本地解码样值输出。在DPCM解码器中，以同样的反馈相加方式得出解码样值输出。3.2.2最佳预测器常用的预测器是线性FIR滤波器，利用过去若干个（例如p个）本地解码样值的线性组合来预测当前样值，即:(3-6)其中，是FIR滤波器的抽头系数；为FIR滤波器的阶数。预测误差序列的均方误差（MSE）为:(3-7)(3-8)-32- QAM传输系统的设计与实现(3-9)最佳预测器将使均方误差（MSE）最小。为此，可使对抽头系数求导，并令其为零，得到方程组以求解出最佳抽头系数，j=1，2，…，，即(3-10)也就是：(3-11)或写为：(3-12)当量化间距足够小，量化误差，有，上式近似为：(3-13)利用序列的归一化自相关函数定义上式写为：（3-14）或以矩阵式表达为:(3-10)也就是：(3-11)或写为：(3-12)当量化间距足够小，量化误差，有，上式近似为：-32- QAM传输系统的设计与实现(3-13)利用序列的归一化自相关函数定义上式写为：（3-14）或以矩阵式表达为:(3-15)简写为：(3-16)其中，r(j)简写为下角标形式rj,r(0)=1;矩阵C是由归一化自相关函数序列构成的Toeplitz矩阵。求解得出预测器的最佳抽头系数矩阵为(3-17)3.2.3DPCM的系统性能分析设信号的平均功率为：(3-18)由于误差范围被量化为M个电平，所以。其中为量化级之间的间隔。则由式，可得到信号的平均功率为：(3-19)下面求DPCM系统的量化噪声功率。此时误差信号的量化误差的范围为-32- QAM传输系统的设计与实现，根据式,可以得到此时的量化噪声功率为：(3-20)假设量化后的误差信号具有均匀的功率谱密度，而DPCM系统输出数字信号的码元速率为，所以可以认为噪声频谱均匀地分布于频带宽度为的范围内，所以可求得此时的单边功率谱密度为:(3-21)经截止频率为的低通滤波器后，得到噪声功率为:(3-22)可算出DPCM系统的输出信噪比为:(3-23)其中N为编码位数，M=2N；fs为抽样频率。因此，由式3-23可知信号量噪比随编码位数N和抽样频率fs的增大而增大。3.3DPCM的Simulink仿真Simulink模块库中提供了DPCM编码模块“DPCMEncoder”、解码模块“DPCMDecoder”等，利用这些模块构建DPCM串行传输仿真模型[7]，如图3-3所示。图3-3DPCM串行传输系统仿真模型信号源输出200Hz正弦波，经放大、DPCM编码输出，再经过并串转换得到二进制码流送入二进制对称信道。解码端信道输出经串并转换送入DPCM解码，之后输出解码结果并显示波形。改变信道错误比特率，以观察信道误码对DPCM传输的影响。当信道错误比特率为0.02时仿真结果和波形如图3-4所示。-32- QAM传输系统的设计与实现图3-4系统的输出波形图由图3-4可知，对应于信道产生误码的位置，解码输出波形中出现的干扰脉冲，干扰脉冲的大小取决于信道中错误比特位于一个DPCM编码字串中的位置，位于高位时将导致解码值极性错误，这时引起的干扰最大，而位于低位的误码引起的干扰最轻微。3.4信道误码对语音质量影响的仿真分析以一语音文件GDGvoice8000.WAV为信号源，基于前面最佳预测器的理论来进行仿真分析。3.4.1最佳预测器抽头系数的确定先计算一段采样率为8000Hz的语音信号（文件名CDGvoice8000.wav）的最佳预测器抽头系数。给定预测器的阶数P=5。首先估计出语音信号的归一化自相关函数值rj,j=1，…，5，常用的估计方法是：(3-25)代入归一化自相关函数然后列出方程并求解即可。编写的计算程序如下：关键代码：%ch6example11prg1.mclear;p=5;%预测器阶数[x,Fs,bits]=wavread("GDGvoice8000.wav");r=xcorr(x);%自相关函数r=r/max(r);%归一化-32- QAM传输系统的设计与实现r=r(length(x):length(x)+p);%自相关系数序列[r0,r1,...rp]R=r(2:p+1);C=toeplitz(r(1:p));W=inv(C)*R;%计算最佳抽头系数W=[0;W]"%计入FIR滤波器第一个抽头系数W0predictor=dpcmopt(x,p)%利用通信工具箱中函数直接计算程序执行结果是：>>W=01.1029-0.44170.4369-0.52980.1706Predictor=01.1029-0.44170.4369-0.52990.1706>>3.4.2构建测试模型及仿真基于上面的原理构建一个DPCM编解码仿真系统。其中预测器为5阶FIR滤波器，抽头系数设置为实例1的计算结果，被编码信号为语音文件“GDGvoice8000.wav”，量化器采用均匀量化方式，将[-1,1]上的归一化信号样值量化为N=4比特编码序列。在[-1,1]上的信号样值均匀地量化为N=4比特编码序列，量化分割电平集合为:量化输出电平集合为（也称为量化码书）:Simulink通信库中提供了DPCM编码解码模块“DPCMEncoder”和“DPCMDecoder”。DPCM解码模块的设置参数要和编码模块相对应。其输出为解码恢复信号以及量化预测误差。-32- QAM传输系统的设计与实现DPCM编码模块的输入为被编码的样值序列，输出为量化电平序号以及相应的量化信号值，设置参数如下：预测器滤波分子分母系数响亮，一般采用FIR滤波器，分母系数设置为1，分子系数可由实例所示的有话方法进行确定；量化分割电平集合；量化输出电平集合；当给定被量化的样本信号时，可以通过函数dpcmopt来计算最优化的预测器抽头系数，最佳量化分割电平以及最佳量化输出电平。DPCM解码模块的设置参数要和编码模块相对应。其输出为解码恢复信号以及量化预测误差。DPCM编解码模块的构成细节可以通过选中模块以鼠标右键打开内部子系统来观察，其DPCM传输误码与解码话音质量仿真模型，如图3-5所示。图3-5DPCM传输误码与解码话音质量仿真模型设置BSC信道的误码率分别为0.1、0.01、0.001、0.0001等，执行仿真，从听到的输出音质中，发现将误码率设置在0.1，话音基本可懂，但解码输出信号中“咯咯”的噪声很严重；误码率在0.01数量级上解码噪声仍比较明显，但音质已经大为改善；误码率在0.001数量级上，解码噪声就不明显了。在DPCM电话系统中，对话音解码通常要求误码率在10-3或10-4以下，本仿真验证了该指标的合理性。但对于数据通信，对误码率要求更加严格，如果信道误码率不能满足要求，可采用纠错编码来进一步降低传输误码率。3.4.3与PCM话音解码对比分析使用Simulink中的DSP模块库的音频输入输出模块可以对真实的音频信号（文件名“GDGvoice8000.wav”）进行处理，并基于PCM编解码模块构建PCM传输误码与解码话音质量仿真模型如图3-6所示。同样，设置BSC信道的误码率分别为0.1、0.01、0.001、0.0001等，执行仿真，从听到的输出音质中，发现将误码率设置在0.1，输出为纯噪声，相当于通信中断。若将误码率设置在0.01，解码输出信号中“咯咯”的噪声虽很严重但话音基本可懂，误码率在0.001数量级上解码噪声仍比较明显，但音质已经大为改善；误码率在0.0001数量级上，解码噪声就不明显了。-32- QAM传输系统的设计与实现图3-6PCM传输误码与解码话音质量仿真模型通过与前面DPCM话音进行对比，说明DPCM的抗噪声能力比PCM强。所以，尽管在无误码传输中DPCM的解码音质不如PCM强，但DPCM的抗噪声能力比PCM强，因此得到广泛应用。3.5本章小结本章对差分脉冲编码调制相关理论进行了分析研究，给出了编解码器的结构框图；构建了DPCM串行传输的Simulink的仿真模型，进行仿真验证；并基于Simulink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规划与设计奠定基础。4QAM传输系统的构建与仿真本章基于前面所分析研究的基本理论及仿真结果，构建了模拟信源QAM传输系统，并利用MATLAB/Simulink进行建模仿真及性能验证。4.1构建QAM传输系统通过前面的分析，我们熟悉了各种数字调制与解调技术的基本原理，如何模拟信号数字化及如何数模转换等，利用这些理论来构建模拟信源QAM传输系统。4.1.1模拟信源数字通信系统模型数字通信系统是利用数字信号来传递信息的通信系统，数字通信涉及的技术问题很多，其中主要有信源编码与译码、数字调制与解调等，系统框图如下图4-1所示[3]。-32- QAM传输系统的设计与实现信息源信源编码数字调制数字解调信源译码受信者信道噪声源图4-1数字通信系统模型系统框图中各功能模块的作用如下：(1)信息源信息源（简称信源）的作用是把各种消息转换成原始电信号。根据消息的种类不同，信源可以分为模拟信源和数字信源。模拟信源输出连续的模拟信号，数字信源则输出离散的数字信号。并且模拟信源发出的信号经数字化处理后也可以送出数字信号。（2）信源编码与译码信源编码有两个基本功能：一是提高信息传输的有效性，即通过某种数据压缩技术设法减少码元数目和降低码元速率。码元速率决定传输所占的带宽，而传输带宽反映了通信的有效性。二是完成模/数(A/D)转换,即当信息源给出的是模拟信号时，信源编码器将其转换成数字信号，以实现模拟信号的数字化传输。信源译码则是信源编码的逆过程。（3）数字调制与解调数字调制就是把数字基带信号的频谱搬移到高频处，形成适合在信道中传输的带通信号。基本的数字调制方式有振幅键控、频移键控‘相移键控等。在接收端可以采用相干解调或非相干解调还原成数字基带信号。对高斯噪声下的信号检测，一般用相关器或匹配滤波器来实现。（4）信道信道是一种物理媒质，用来将来自发送设备的信号传送到接收端。在无线通道中，信道可以是自由空间；在有线信道中，可以是明线、电缆和光纤。有线信道和无线信道均有多种物理煤质。信道既给信号以通路，也会对信号产生各种干扰和噪声。信道的固有特性及引入的干扰与噪声直接关系到通信的质量。上图中的噪声源是信道中的噪声及分散在通信系统其他各处的噪声的集中表示，噪声通常是随机的，形式多样的，它会干扰正常信号的传输。（5）受信者-32- QAM传输系统的设计与实现受信者（简称信宿）是传送消息的目的地，其功能与信源相反，即把原始电信号还原成相应的消息。4.1.2QAM传输系统的模型基于前面的数字通信系统模型，所构建的QAM传输系统的模型如图4-2所示：错误！未指定书签。信号源DPCM编码QAM调制QAM解调DPCM解码受信者信道噪声源图4-2QAM传输系统模型此QAM传输系统设计要求：（1）模拟信号源输出模拟信号，此模拟信号可以是声音信号或图像信号；（2）在发送端，模拟信号经过DPCM编码，实现数据压缩及模拟信号数字化，再经过QAM调制后发射出去；（3）通过信道传输，信道一方面提供通路，另一方面不可避免地得来噪声，主要考虑加性噪声，如高斯白噪声；（4）在接收端，先经过QAM解调，再对其进行DPCM解码，允许一定失真情况下最终恢复出原始信号。4.2QAM传输系统的仿真Simulink模块库中提供了16QAM调制模块、16QAM解调模块、DPCM编码模“DPCMEncoder”及DPCM解码模块“DPCMDecoder”等模块，利用这些模块构建模拟信源的QAM数字传输测试模型，如图4-3所示。在发送端，信源利用信号发生器产生一200Hz正弦信号，对其先进行DPCM编码完成模数转换，再进行16QAM数字调制，然后发送经信道传输。要求仿真时间长度为20s，步进为1/32000s。Gain模块用于调整输入信号的幅度。在接收端，对接收到的已调信号先进行16QAM解调，再进行DPCM解码完成数模转换。设置AWGN信道噪声方差为0.01启动仿真。此系统QAM调制信号的星座图和眼图如图4-4所示。-32- QAM传输系统的设计与实现图4-3模拟信源QAM传输系统在接收端，对接收到的已调信号先进行16QAM解调，再进行DPCM解码完成数模转换。设置AWGN信道噪声方差为0.01启动仿真。此系统QAM调制信号的星座图和眼图如图4-4所示。图4-4QAM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4-5所示。-32- QAM传输系统的设计与实现图4-5信源为正弦波时示波器输出波形若在发送端信源利用信号发生器产生一800Hz三角波信号，经过此系统传输，在接收端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4-6所示。图4-6信源为三角波时示波器输出波形由图4-5、4-6所示的仿真结果表明此QAM传输系统可以实现模拟信号的数字化传输。-32- QAM传输系统的设计与实现4.3应用实例的仿真在现代的数字通信中，和人们生活联系最为紧密的就是声音信号和图像信号的传输。这里我们以语音信号（文件名GDGvoice8000.WAV）为例来验证此传输系统的性能。使用Simulink中的DSP模块库的音频输入输出模块可以对真实的音频信号进行处理，并基于DPCM编解码模块、QAM调制解调模块构建语音信号的QAM数字传输测试模型，如图4-7所示。图4-7信原为声音信号时QAM传输模型在发送端，对一段音频信号先进行PCM编码完成模数转换，再进行QAM数字调制，然后发送经信道传输。要求仿真时间长度为20s，步进为1/32000s。Gain模块用于调整输入声音信号的幅度。在接收端，对接收到的已调信号先进行解调，再进行DPCM解码完成数模转换。图4-8示波器输出波形-32- QAM传输系统的设计与实现重新设置AWGN信道噪声方差分别为0.01、0.001数量级或其以下时，启动仿真，均可听到在特定的误码率下传输的DPCM解码语音信号。尽管有明显的“咯咯”解码噪声，但话音基本能听懂。同时，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，如图4-8所示。通过上面的验证可看出，在此仿真中，不管使用扬声器来聆听话音信号，还是通过示波器观察接收端恢复的语音信号，两种方法的结果都说明在一定的信道误码情况下，所构建的QAM传输系统可以实现语音信号的正确传输。4.4本章小结本章基于前面所分析研究的基本理论及仿真结果，构建了模拟信源QAM传输系统，并利用MATLABLE/Simulink进行建模仿真及性能验证。仿真结果表明：在允许一定失真的情况下，无论输入信号是信号发生器所产生的模拟信号（200Hz正弦波或800Hz三角波）还是语音信号，均可在此系统中进行良好的传输。结论及尚存在的问题QAM调制技术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，所以被广泛地应用。尤其在带宽资源不是很丰富的移动通信和卫星通信中更显现出该调制技术的优越性。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性能验证。仿真结果表明：在允许一定失真的情况下，模拟信号可在此系统中进行良好的传输。现对本文的主要工作总结如下：(1)深入研究了QAM调制解调的基本原理、系统结构及性能参数，利用Matlab/Simulink仿真平台实现了QAM调制解调系统的建模仿真，并进行性能分析；(2)详细分析了模拟信号数字化的基本理论及实现方法，利用Matlab/Simulink实现了差分脉冲调制（DPCM）的建模仿真，并进行实验验证及性能比对；(3)基于上述理论构建了模拟信源QAM传输系统，利用Matlab/Simulink进行将模仿真，并进行性能验证。由于时间有限及本人经验能力欠缺，本课题的研究尚有不足之处：在研究模拟信号数字化——DPCM时，没能够将自适应技术引入量化和预测过程，未实现模拟信号的自适应差分脉码调制ADPCM。-32- QAM传输系统的设计与实现参考文献[1]王福昌.通信原理[M].北京：清华大学出版社,2006[2]刘连青.数字通信技术[M].北京：机械工业出版社，2006[3]樊昌信曹丽娜.通信原理[M].北京：国防工业出版社，2006[4]李立.高速16QAM传输技术研究[D].西安电子科技大学.2010[5]魏涛.QAM调制及其应用分析.通信与广播电视[J].2002（1）[6]韩利竹王华.MATLAB电子仿真与应用[M].北京：国防工业出版社，2003[7]邵玉斌.Matlab/Simulink通信系统建模与仿真实例[M].北京：清华大学出版社，2008[8]邓华．MATLAB通信仿真及应用实例详解[M].北京：人民邮电出版社，2003[9]李贺冰.Simulink通信仿真教程[M].北京：国防工业出版社，2006[10]于风云张平．QAM调制与解调的全数字实现[J]现代电子技术，2005（3）[11]朱泳霖.QAM调制解调技术研究及其PFGA实现[D].中南大学.2010[12]杨明华.基于FPGA的16QAM调制解调系统的研究[D].大连海事大学.2010[13]王丽萍陶成.QAM解调系统的研究[J].电视技术.2007（5）-32- QAM传输系统的设计与实现致谢本论文是在郭常盈老师的指导下完成的。她严肃的科学态度，严谨的治学精神，深深地感染和激励着我。从课题的选择到论文的最终完成，郭老师都始终给予我细心的指导和不懈的支持，不仅增强了我对专业知识的理解，更培养了运用专业知识的能力。在郭老师的指点和帮助下，我对专业课知识产生了浓厚的兴趣，为以后进一步的深度学习找到了方向。而且通过课题使我对使用MATALB软件的系统仿真有了更加深刻的认识，学会了如何运用Simulink仿真平台进行通信系统的设计和仿真验证。这一切，都是在郭老师的热心指导下完成的，特在此对尊敬的郭老师表示真挚的谢意。回顾四年的学习生活，我要向所有关心和培养我的各级领导、授予我知识的各位尊敬的任课老师们、关心我们生活的辅导员以及陪伴我大学生涯的同学和朋友们表示真挚的谢意！-32-'