仿真awgn信道下的64qam传输系统毕业论文.doc

课 程 设 计
课程名称： 通信原理
题目编号： 11
题目名称： 仿真AWGN信道下的64QAM传输系统
专业名称： 电子信息工程
班 级： 电子1204班
学 号： 20124470427
学生姓名： 贾旭东
任课教师： 李 圣

2015年12月28日

南华大学电气工程学院

《通信原理课程设计》任务书

设计题目： 仿真AWGN信道下的64QAM传输系统

专 业： 电子信息工程
学生姓名: 贾旭东 学 号: 20124470427
起迄日期: 2016年1月1日—2016年1月15日
指导教师: 李 圣
系主任： 陈忠泽

《通信原理课程设计》任务书
1．课程设计的内容和要求（包括原始数据、技术要求、工作要求等）：
（1）技术要求
1）分析64QAM调制解调过程及其频谱，仿真建模64QAM调制解调系统；
2）仿真其通过AWGN信道的性能。

（2）工作要求：
①查阅参考文献，利用通信原理基本理论，分析系统工作原理，设计系统方框图；
②掌握计算机辅助设计方法，利用Matlab/Simulink、Systemview、Multisim、MaxPlusIII、QuartusII等软件进行仿真设计，具备独立设计能力；
③熟悉通信系统的调试和测量方法；
④掌握电子电路安装调试技术，选择合适的元器件搭接实际电路，掌握电路的测试和故障排除方法，提高分析问题和解决问题的能力。
⑤不能直接从网上或其他资料下载拷贝，一旦发现雷同35%以上，则相关雷同设计的成绩都为不及格。
⑥按时完成设计报告；提交的电子稿必须在附录中含有全套仿真源文件、或设计原图（电子稿是以“学生学号姓名”为命名的压缩文件）；并提交纸质设计报告书。
⑦随机抽查，并进行最后答辩。

2．对课程设计成果的要求〔包括图表（或实物）等硬件要求〕：
写出设计说明书，语言流畅简洁，文字3500~5000字。用软件编程语言实现时，写出详细的注释，并画出各种信号的时域频域波形，分析实验结果；硬件设计电路，需要详细分析安装调试过程，分析实验结果。仿真设计类要求有仿真流程图、调试时的电脑屏幕截图；实物设计类要求图纸布局合理，符合工程要求，使用Protel软件绘出原理图（SCH）和印制电路板(PCB),器件的选择要有计算依据。
3．主要参考文献：
[1]樊昌信.通信原理（第6版）[M].北京：电子工业出版社,2012,12.
[2]樊昌信,曹丽娜.通信原理教程(第3版)[M].北京：国防工业出版社,2006,9.
[3]刘学勇.详解MATLAB/Simulink通信系统建模与仿真[M].北京：电子工业出版社,2011,11.
[4]张水英,徐伟强.通信原理及MATLAB/Simulink仿真[M].北京：人民邮电出版社,2012,9.
[5]赵鸿图,茅艳.通信原理MATLAB仿真教程[M].北京：人民邮电出版社,2010,11.
[6]赵静,张瑾.基于MATLAB的通信系统仿真[M].北京：北京航空航天大学出版社,2010,1.
[7]黄智伟.基于NI Multisim的电子电路计算机仿真设计与分析(修订版)[M].北京：电子工业出版社,2011,6.
4．课程设计工作进度计划：
序号
起迄日期
工作内容

2015.12.8～2015.12.12
查阅资料，系统方案设计

2015.12.12～2015.12.16
用编程语言或者仿真软件进行设计

2015.12.16～2015.12.17
程序、软件、实物的调试，排除故障，分析实验结果

2015.12.17～2015.12.19
分析总结，整理设计报告
主指导教师
李圣
日期：
2015年12月28日

摘 要

随着现代通信技术的发展，特别是移动通信技术高速发展，频带利用率问题越来越被人们关注。正交振幅调制QAM（Quadrature Amplitude Modulation）调制是一种具有高频谱利用率且能够灵活地根据传输环境与传输信源的不同自适应地调整其调制速率的调制技术。本文通过串并转换，2-8电平转换，抽样判决等子系统的设计，然后利用Systemview仿真平台对64QAM调制与解调系统进行建模仿真并且在加入高斯白噪声信道的情况下得到了调制端与解调端的波形图，星座图与误码率曲线。

关键字：64QAM; Systemview; 星座图; 误码率

目 录

1绪 论 1
1.1 QAM简介 1
1.2 Sstemview仿真软件简介 1
1.2.1 Systemview的基本模块库介绍 1
12.2 SystemView系统窗 2
2正交振幅调制 3
2.1 MQAM信号的星座图表示 3
2.2 64QAM调制原理 4
2.3 64QAM解调原理 4
3 基于Systemview的64QAM调制解调系统仿真 6
3.1 64QAM调制模块的模型建立与仿真 6
3.1.1 仿真过程中所遇的问题分析 12
3.2  64QAM系统性能分析 12
3.2.1 64QAM系统的BER曲线分析 12
3.2.2  64QAM系统的星座图分析  13
4 总结与感悟 14
5.1 总结 14
5.2 感悟 14
参考文献 15

1绪 论
1.1 QAM简介
提高频带利用率是现代技术研究的热点，而正交振幅调制QAM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，它更是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（多频道微博分配系统）。
正交振幅键控QAM(Quadrature Amplitude Modulation)是一种振幅和相位联合键控。QAM是用两路独立的基带信号对两个相互正交的同频载波进行抑制载波双边带调幅，利用这种已调信号的频谱在同一带宽内的正交性，实现两路并行的数字信息的传输。
1.2 Sstemview仿真软件简介
System View是由美国ELANIX公司推出的基于PC的系统设计和仿真分析的软件工具，它为用户提供了一个完整的开发设计数字信号处理（DSP）系统，通信系统，控制系统以及构造通用数字系统模型的可视化软件环境。它基于Windows环境下运行的用于系统仿真分析的可视化软件具，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。
1.2.1 Systemview的基本模块库介绍
SYSTEMVIEW分析窗口是一个能够提供系统波形详细检查的交互式可视环境。分析窗口还提供一个完成系统仿真生成数据的先进的块处理操作的接收端计算器。接收端计算器块处理功能：应用DSP窗口，余切，自动关联，平均值，复杂的FFT，常量窗口，卷积，余弦，交叉关联，习惯显示，十进制，微分，除窗口，眼模式，FUNCTION SCALE，柱状图，积分，对数基底，数量相，MAX，MIN，乘波形，乘窗口，非，覆盖图，覆盖统计，解相，谱，分布图，正弦，平滑，谱密度，平方，平方根，减窗口，和波形，和窗口，正切，层叠，窗口常数。
1.2.2 SystemView系统窗
SystemView提供一种可视化、动态的系统模式。利用功能元件库中的Token来代表某一种处理过程，在SystemView系统窗口中完成系统或子系统的设计。设计的过程便是在系统窗口中从不同的元件库中选择Token，并在设计区域中连接、搭建基本系统，设置每一个Token的参数，控制系统的起始时间、中止时间、采样频率，最后从分析窗中分析结果，从而达到系统设计和分析的目的。
(1)第一行 <菜单栏>

每一级菜单都包含下拉菜单,具体功能在状态栏中均有提示。
（2） 第二行 <工具栏> 包括：

清屏

删除元件

删除连线

连接

复制元件

加注释

中止执行

运行

系统定时

分析窗口

开子系统

新建子系统

根轨迹

波特图

重画

图标反转

用工具条可对一组元件进行操作，其步骤如下：首先单击欲使用的工具条，再按住Ctrl键，用鼠标拖出包含一组元件的设计区，便可对一组元件进行块操作。
（3） 左侧竖栏为元件库
一进入SystemView后，显示库有SourceToken, MetaSystemToken，AdderToken，MetaSystem I/O Token，Operator Token， MultiplierToken，Sink Token。单击元件库上方的键 (Library Button) 可切换到剩余的元件库中。其分别有UserCode，Logic Token， ComunicationToken，RF/Analog Token，DSP Token。利用不同的元件，我们便可组合搭接各种模拟、数字系统，并对其进行分析。
（4） 状态栏
在系统窗口的底端是状态栏，用于显示系统模拟的状态信息或元件参数。当鼠标置于某元件上时，该元件的参数便自动显示于状态栏中。也可用鼠标右键单击元件，会弹出一消息框显示该元件的参数信息。

2正交振幅调制
正交振幅调制（QAM,Quadrature Amplitude Modulation）是一种相位和振幅联合调制，所谓正交振幅调制是用两个独立的基带波形对两个相互正交的同频率载波进行抑制载波的双边带调制。在这种调制中，已调制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，可记得为MQAM(M>2)。增大M可提高频率利用率，也可提高传输有效性。
2.1 MQAM信号的星座图表示
这种信号的一个码元可以表示成

式中：k=整数；和分别可以取多个离散值。
将上式展开为

令

则变为
也是可以取多个离散值得变量。从上式可以看出
可以看作是两个正交的振幅键控信号之和。
若值仅可以取，，则此QAM信号就成为QPSK信号。有代表性的QAM信号是16进制的，记为16QAM，类似的有64QAM和256QAM等QAM信号，它们总称MQAM调制，如图所示。

图2.1 MQAM信号图

2.2 64QAM调制原理

64QAM信号的产生方法主要有两种。第一种是正交调幅法，即用两路独立的正交QASK信号叠加，形成64QAM信号，第二种方法是复合相移位法，它用两路独立的QPSK信号叠加，形成64QAM信号。本课题采用了正交调幅法，调制原理方案图如2.2所示。

图2.2 64QAM调制原理方案图

速率为的基带信号x（采用格雷码）经串/并变换变成两路速率均为/2的二进制信号In和Qn，再分别经2—8电平映射，变成电平数为8，速率为，即的数字信号，分别经两正交载波（coswt和sinwt）完成抑制载波的双边带调幅（DSB-SC-AM）,而后相加得到已调信号y，最后经带通滤波和功放送至信道即完成调制过程。

2.3 64QAM解调原理
64QAM信号的解调其实就是调制的逆过程。解调的电路方案不止一种，如积分采样的方法来获得L个电平，并由此还原出二进制数码，或采用相位估计实现QAM信号解调，本仿真实验采用门限判决的正交的相干解调方法，下图2.3为64QAM门限判决解调原理框图。首先载波相位校正后输出两正交分量和，它们分别与解调接收端接收到带有噪声的已调64QAM信号相乘，完成同步检波，还原出两路正交的多电平基带信号，然后经低通滤波器后进行电平判决器和8-2电平转换器输出二进制信号，最后经并/串变换后得到原始信号。

图2.3 64QAM解调原理框图

3 基于Systemview的64QAM调制解调系统仿真
前面两章简单介绍了64QAM的调制解调和Systemview仿真软件的工作原理，下面
将用Systemview模块实现64QAM调制、解调通信系统，包括串并变换、2-8电平变换、抽样判决、8-2电平变换和并串变换模块的设计并进行仿真。由第二章MQAM的调制解调原理可以得出，64QAM的调制解调原理图如图3.1所示：
3.164QAM调制模块的模型建立与仿真

图3.1 64QAM调制解调系统原理图
参数选择：
如图3.1所示，首先介绍图中的关键图符及其参数的设置，系统采样率是768kHz，采样点数是5000个，图符0：信号源库中的伪随机序列，数字基带信号码元速率19.2kbps，电平数为2。图符11：信号源库中的正弦波，载波速率为76.8kHz。图符21和图符22：算子库中的低通滤波器，截止频率为30kHz。图符27和图符28：通信库中的比特符号转换器，输入比特数为3，图符25、图符27和图符31构成I路信号2-8电平转换器，图符26、图符28和图符36构成Q路信号2-8电平转换器。图符112和图符113：通信库中的符号比特转换器，输出比特数为3，图符110、图符112和图符116 构成I路信号8-2电平转换器，图符111、图符113和图符117构成Q路8-2电平转换器。图符139：信号源库中的高斯噪声，图符140：算子库中的放大器，图符139和图符140 构成系统的信道噪声发生器。图符132和图符131：算子库中的采样器，采样率为19.2kHz。图符136：通信库中的BER测试器件，图符131、图符132和图符136构成BER 测试器对恢复信号和原信号进行采样比较。

图3.2 串/并变换子系统
图符2和图符4：算子库中的采样器。采样率为9.6Khz，图符3：算子库中的延迟，延迟时间为一个码元宽度（1/19200s）。图符5和图符6：算子库中的保持器，图符2.4.5.6构成串并转换器器完成对信号的串并转换。其中I路信号为信号源的奇数位的码元，Q路信号为信号源的偶数位信号。

图3.3 并串变换子系统
如图3.3所示，图符123：信号源库中的脉冲串，频率为19.2kHz，脉冲宽度为0.5倍码元宽度，图符124：算子库中的延迟，延迟时间为一个码元宽度。两路恢复出来的信号乘以脉冲串然后相加即可恢复为一路信号，由于串并变换时候Q路是延迟一个码元采样的，所以再次给I路信号延迟同样时间，以求准确恢复。

图3.4 8电平抽样判决子系统
如图3.4所示，图符44、45、46、47、48、49：算子库中的选择器，门限分别是6.2v、5.2v、4.2v、3.2v、2.2v、1.2v。将8 电平信号分层处理，然后经过采样器采样，再经过图符75、76、77、78、79、80和81这7个缓冲器分别进行判决。分别输出8个等级的分量，然后经过图符83加法器合成一路信号。
仿真结果如下所示：

图3.5 基带信号波形

图3.6 I路信号波形

图3.7 Q路信号波形

图3.8 I路2-8电平转换后的波形

图3.9 Q路2-8电平转换后的波形

图3.10 I路已调信号

图3.11 Q路已调信号

图3.12 64QAM信号

图3.13 I路解调信号

图3.14 I路抽样判决后信号

图3.15 Q路解调信号

图3.16 Q路抽样判决后信号

图3.17 I路8-2电平转换后信号

图3.18 Q路8-2电平转换后信号

图3.19 串并变换后的波形

图3.20 加延迟后重新采样去掉毛刺
由图3.20和图3.5比较可得，恢复信号与信号源的基带信号波形完全一致，两者时间相差为系统群时延。
3.1.1仿真过程中所遇的问题分析
（1）延迟问题64-QAM系统中四次加入延迟，分别予以解释：第一个延迟处于8电平抽样判决之前，由于抽样判决后的信号出现毛刺，为了恢复电平的准确性必须采样的时候避免采到毛刺，所以加80个sample的延迟，正好是半个I/Q路信号码元宽度，这样重新采样就会去掉毛刺，保证恢复电平的准确。第二个延迟处于8-2电平转换之前，由于前面对抽样判决的8电平信号加了80个sample的延迟去除毛刺，此时恢复2电平时候需要再加80个sample延迟，此时正好是一个I/Q路码元宽度。使得恢复电平采样时候和前面相差是整数倍的码元宽度。第三个延迟处于并串变换之后，此时加80sample的延迟进行重新采样去掉毛刺。第四个延迟处于信号源之后，此时加600个sample延迟是为了补齐系统的群时延，使信号源和恢复信号完全同步，然后进行抽样比较求出BER。
（2）系统参数问题。系统采样率为768kHz刚好是信号源频率19.2kHz和载波76.8kHz的整数倍，这样在系统中添加延迟时候可以加入整数个sample，更容易计算而且准确性更好。在测试BER曲线时候系统采样点为5000是为了进行更多次比较，提高BER的精度，在观看波形时候采样点数为1000可以使波形更容易观察。

3.2 64QAM系统性能分析
3.2.1 64QAM系统的BER曲线分析
图3.2.1 64-QAM系统BER曲线
由图可得，随着信噪比的增加，误码率下降，且看以看出系统的误码率控制的要较好。

3.2.2 64QAM系统的星座图分析

图3.22 64-QAM信号星座图

图3.23 64QAM抽样判决后信号星座图
由图3.22可见星座点数增多时，每个符号能传输的信息量就增大大。但是，如果在星座图的平均能量保持不变的情况下增加星座点，会使星座点之间的距离变小，进而导致误码率上升。因此高阶星座图的可靠性比低阶要差。

4 总结与感悟
4.1总结
本文研究的重点是对基于SYSTEMVIEW的64QAM 调制解调系统进行设计与仿真，得到以下的结论 
    （1）对64QAM调制解调系统基本原理进行了较为深入地理解与分析，并且根据其原理编制了仿真程序。 
（2）较为熟悉地掌握了SYSTEMVIEW软件在通信系统设计与仿真的基本步骤与方法。     
（3） 利用SYSTEMVIEW实现了64QAM调制与解调系统的设计，实现与仿真，并得到相应的调制解调波形，发现解调信号波形与输入信号波形存在一定时延，所以该系统的实时性有不足，但并不影响对误码率的检测，以及系统能够的抗噪声性能。 
（4）对64QAM调制解调系统的抗噪声性能进行分析，通过仿真得到了64QAM系统的误码率曲线，曲线趋势与理论曲线基本一致。 
4.2感悟
通过本次课程设计，我得到了大量的锻炼并受益匪浅，不但提高了自身对理论基础知识的掌握，同时还锻炼了自己的动手实践能力。我想，这些不论是对我现学习阶段甚至是以后参加工作都是有很大帮助。通过这次课程设计，我更牢固地掌握了有关MQAM调制与解调的理论知识，并简单了解了系统仿真建模的基本步骤，同时还加深了我对SYSTEMVIEW软件的理解与应用。 
在做课程设计过程中，从拿到题目的无从下手到茫然的找资料，再到一步一步学着用SYSTEMVIEW软件的使用，最后终于仿真成功，这一路上是发现问题解决问题的过程，靠着自己耐心，真的能学到知识。这一次做课程设计的过程是一次对自己的一次磨练，最大的不足就是理论联系实际的能力欠缺及时间太长，效率过低，今后要多注重实践的练习和提高效率，唯有在不断努力提高自我才能有所进步。

参考文献
[1]樊昌信,曹丽娜.通信原理教程(第3版)[M].北京：国防工业出版社,2006,9.
[2]周润景 张斐编.数字信号处理的SystemView设计与分析[M].北京：北京航空航天大学出版社,2014，8
[3]孙屹 ,戴妍峰 . SystemView通信仿真开发手册[M].北京：国防工业出版社,2004,11.
[4]青松,程岱松,武建华 .数字通信系统的SystemView仿真与分析[M].北京：北京航空航天大学出版社,2001,6.
[5]李运兰,肖要强.信息与通信工程原理实验[M].湖南大学计算机与通信学院,2011,4.
[6]张立军,张宗橙,郑宝玉.数字通信[M].电子工业出版社,2010,11

13