QAM调制解调技术

摘 要文章开篇对现有的一些调制、解调技术原理进行了系统地概括与归纳，例如说AM、FM、2ASK、2PSK等一些模拟或数字信号的产生与解调。在此基础上创造性的提出了基于CPLD的16QAM调制解调器的方案，同时简要阐述了各个模块的组成及其原理。至此，利用MATLAB对16QAM的性能进行了仿真，绘制了星座图、信号轨迹图、眼图以及误码率曲线，并对它们进行了简要的分析，16QAM可以合理的安排各个矢量端点，使它们间的最小距离最大，从而使系统达到最佳的误码率。所以说，QAM调制解调技术能够实现在提高信息传输速率的同时降低误译码率，从而改善通信质量。关键词：调制解调；载波恢复；QAMiABSTRACTAt first,article introduces the existing modulation demodulation principle, such as AM、FM、2ASK、2PSK signal generation and demodulation principle. we proposed the 16 qam modem based on CPLD, and expounds the composition and principle of each module. At this basis, Using MATLAB simulation to the performance of 16 QAM map of the constellation diagram, signal path, eye diagram and bit error rate curve, and carried on the brief analysis.16 qam can reasonable arrangement each endpoint vector, the minimum distance between them is the largest, which make the system achieve the best bit error rate.QAM modulation demodulation technology can be achieved in improving information transmission rate and reduce the decoding error rate.Keywords: modulator/demodulator;carrier recovery;QAMii科技大学本科生毕业设计（论文）目 录第一章 绪论11.1 引言11.2 论文研究的主要内容1第二章 调制解调技术原理32.1 模拟调制技术32.2 数字调制技术42.3 正交幅度调制(QAM)72.3.1 QAM调制原理72.3.2 QAM解调原理8第三章 16QAM调制器系统组成与原理113.1 调制方案设计113.1.1 基于CPLD的16QAM调制器前端实现113.1.2 16QAM调制器的后端实现143.2 本章小结16第四章 16QAM解调器系统组成与原理174.1 解调方案设计174.1.1 16QAM解调器的前端实现174.1.2 基于CPLD的16QAM解调器后端实现194.2 本章小结20第五章 基于MATLAB的QAM系统仿真实现215.1 模型的建立215.2 仿真结果及分析22第六章 结论27参考文献29致 谢31iii第一章 绪论1.1 引言现代通信领域，随着对传输信息量的需求不断增大，频谱资源有限、频谱利用率不高的问题显得更加突出。我们想要在信息传输量上进一步改善，使其提高，同时也想要达到可靠的通信，实现可靠的信息传输。MQAM技术综合了ASK、PSK的优点，可以在提高信息传输速率的同时降低译误码率，且具有高效的频谱利用率。1.2 论文研究的主要内容本篇论文主要围绕16QAM调制解调技术而展开，通过对现有调制解调技术的整理与分析，展开对16QAM调制解调器的具体设计。提出了一种基于CPLD的16QAM调制解调方式，对其进行了简要分析，并系统地研究了16QAM调制解调器各个模块的组成及其原理。文章的结构与框架如表1.1。表1.1 论文主要内容章 节主要内容第l章 论文的意义与文章的主要知识内容第2章 调制解调技术的基础理论知识的慨括，如AM、2ASK等，以及在此基础上的16QAM调制解调技术第3章 介绍了16QAM调制器的具体设计方案，分析了该系统各个模块的组成及其原理第4章 阐述了16QAM解调器的具体设计方案，同时对该系统的各个模块的组成和原理第5章 进行了基于MATLAB的16QAM性能仿真第6章 给出了本文的结论- 32 -第二章 调制解调技术原理2.1 模拟调制技术调制简单说来，是对频率的变换，经过调制之后低频信号的频率变为高频，使得信号可以在通信信道中顺利传输。多数的通信信道为频带信道，经过调制可以使基带信号适合于在频带信道上传输，同时它也携带有用信息，这就是已调信号的两个特点。通过利用正弦信号作为调制载波信号，考虑信号的各个参数来携带原始信号的有用信息，可以将模拟调制技术划分为幅度调制与角度调制。(l)幅度调制幅度调制(AM)指的是利用正弦波的振幅信息，将调制信号所携有的信息蕴含在正弦波的幅度上，不同的信息会对应不同的幅值。经过AM调制之后，输出的信号使多个正弦信号的叠加，其中信号的频率全部与原始信号相同，而信号的频谱进行了搬移，所以它是线性调制技术1。幅度调制包括：常规双边带调制(AM)、抑制载波双边带调制(DSB)、单边带幅度调制(SSB)、残留边带幅度调制(VSB)。图2.1所描述的就是幅度调制的一般模型图。图2.1 幅度调制器的一般模型图上图中，m(t)表示的是调制信号，滤波器的冲激响应是h(t)，而Sm(t)指代的是已调信号，已调信号Sm(t)在时域的一般表达式分别为式(2.1)，在频域的表达式为(2.2) (2.1) (2.2)以上两式之中，表示为调制信号的频谱，和是一对傅里叶变换对，表示的是载波角频率。DSB、SSB调制信号的产生模型图分别是图2.2的左右(a)、(b)两图。图2.2 DSB、SSB调制器模型图在各种幅度调制中，AM的实现比较容易，所需要的实现设备相对而言比较简单，然后，AM在抗干扰性能和频谱利用方面则是略显不足。相比AM，DSB的实现设备就比较复杂，因为DSB的解调采用相干解调法，需要与载波同频的本地载波，由于实现比较困难，所以实际运用比较少。SSB只是DSB的上边带或者下边带，它的带宽只有DSB的一半，所以其频谱利用率与功率利用率都比较高，同时它抗干扰、抗衰落能力强，但实现设备比较复杂。VSB与SSB性能很多方面相同，它具有与SSB相当的功率利用率和抗干扰性能。幅度调制的解调一般采用包络检波法解调，AM波形与调制信号波形完全相同，容易在包络检波解调之后输出原始信号的波形。其他所有抑制载波幅度调制一般是采用相干解调方式解调出原有信号，不是采用包络检波解调方式，因为信号的包络不能够完全反映调制信号的变化。在图2.3中，我们可以看到包络检波器的模型图。图2.3 包络检波器的一般模型(2)角度调制对于每一个不同的正弦载波信号，它们都具有不同的参数，如振幅不同、频率不同或者相位不同。角度调制就是使载波信号的频率或者相位来携带有调制信号的有用信息，调制信号携带的信息不同，载波的频率或相位也会不同。调频、调相的联系十分密切，它们两者通过一些电路可相互变换。角度调制它与幅度调制不一样，它属于非线性调制，因为在角度调制过程中不仅包含有频谱的移动，而且有些信号的频率会不同于原有信号，产生许多新的频谱部分。同时，角度调制的抗噪声性能好。2.2 数字调制技术数字调制是使用数字信号来作为调制信号，对载波信号进行调制，数字信号所携带的有用信息包含在载波的某个参数（幅度、频率、相位）之上。受数字调制后它的参数不能连续取值，是能是离散数值。数字调制具有与模拟调制几乎完全相同的原理，只是模拟信号是取连续值，而数字信号则是取离散数值。现有的数字调制方式有如下几种。(l)二进制振幅键控(2ASK/OOK)ASK信号形式为: (2.3)是第n个符号的电平取值，可以为0或者1。实现框图如图2.4所示:图2.4 2ASK调制已调信号功率谱密度为: (2.4)与AM信号的解调方法相同，2ASK信号也有两种常见的解调方式，一种是包络检波法（非相关解调），另外一种是同步检测法（相干解调）。两者不同的是，解调系统中需要加入抽样判决器，这对于改善接收信号的性能是十分重要的。2ASK解调方框图如图2.5。图2.5 2ASK解调(2)二进制移频键控(2FSK)2FSK信号的产生可分为两种：一种是采用模拟调频电路来进行2FSK调制，一种是采用键控法。两种方法产生的2FSK信号的区别在是否具有连续变化的相位，前者产生的信号具有连续的相位，而后者产生的2FSK信号的相位不连续。将两个频率不相同的2ASK调制信号相互叠加再混合输出，可是视为一个2FSK调制信号，因而2FSK调制信号的解调方法和2ASK信号相同，也是相干解调与包络检波。2FSK信号的解调方法还有许多种，除此之外，还具有过零检测法、鉴频法及差分检测法几种重要的解调方法。包络检测法所使用的原理是使信号通过两个不同的窄带滤波器电路之后，电路过滤出不同的两个信号，两个信号的频率各不相同，再对两个分信号进行抽样判决，利用我们所制定的判决规则解调出原始信号2。差分检测法是对不同的频率进行鉴定，具体说来就是通过对比调制信号及其延迟信号，发现它们间不一样的频率，筛选出不同地频率信息2。而鉴频法则是把振幅信息一模一样的频率调制波变换成为振幅信息各不相同的调幅调频波，它经过低通滤波器等振幅检波器之后，提取出不同的频率变化的信息2。(3)二进制移相键控(2PSK)调制载波具有两种不同相位信息，2PSK将这两种不同的相位信息设定成为0、1两个不同的逻辑值，称作为绝对相移方式3。信号的表达式可以表示为： (2.5)其中表示的是第n个波形符号的电平取值，可取值为+1或者-1。2PSK的实现框图如图2.6所示:图2.6 2PSK调制由式(2.3)和式(2.5)可以看出2PSK和2ASK表达形式一样，区别在于an的取值不同，因而可以用式(2.4)来表示2PSK信号的功率谱。2PSK调制信号与2ASK数字调制信号具有十分相似的频谱特性，已调信号的频带宽度值同样也等于原有调制信号的两倍。2PSK调制信号一般使用相干解调法对调制信号进行解调，图2.7描述的是2PSK相干解调器的原理方框图。图2.7 2PSK相干解调当原始信号取值为逻辑1时，2PSK信号经过乘法器之后，输出信号表达式为:. (2.6)它的取值范围为0,l。当原始信号值为逻辑0时，2PSK信号经由乘法器，与本地同频同相载波进行乘法运算，输出表达式为： (2.7)它的取值范围则为。在经过低通滤波器之后，低频分量可以顺利通过，高频分量被滤去，剩下的只是基带码元信息，在抽样判决之后输出基带信号。如图2.8是对4ASK、8PSK调制信号的空间矢量图所进行的准确描述。由图观察可知：4ASK与8PSK的信号空间都没有被合理有效利用，可知仅仅使用幅度或者相位来携带原始信号的一些有用信息，都将无法使信号端点合理分配各个空间，不能够充分利用信号空间。图2.8 4ASK和8PSK空间矢量图上面所学习与分析的是几种和MQAM调制有关的调制方式。在这个基础上我们将重点分析16QAM调制解调原理、它的具体电路设计方案以及对系统性能所做的MATLAB仿真。2.3 正交幅度调制(QAM)2.3.1 QAM调制原理受到图2.8的启发，QAM调制信号充分利用信号空间，将调制波的相位和振幅作为两个单独的参量同时受到调制，让相位、辐度都携带有有用信息4。一般而言，人们常常将正交幅度调制信号写成为： (2.8)式中是同相信号或I信号；是正交信号或Q信号；分别是载波的离散振幅；m是的电平数，取值1，2，.，M。代表着信号的幅度取值，也携带有其位置信息，它与星座图当中的空间矢量坐标点一一对应。产生16QAM信号有两种方法：一种比较常用的方法称为正交调幅法，而另外一种常用方式称为复合相移法。前者是将具有不同参数的独立的正交4ASK调制信号矢量混合叠加产生，获得16QAM信号，同样后者则是将具有不同参数的独立的两个QPSK信号矢量混频叠加，形成16QAM信号。分别如图2.9的(a)与(b)。图2.9 16QAM信号的调制方式图2.10描述的是正交幅度调制的原理方框图。图2.10 正交调幅法原理图在信号输入端，信号首先进行串并转换器，将信号分为和两个部分。、都分别进行2-4值电平转换，经过4值调幅器后再分别和相位相差的相干载波相乘，形成I（同相）、Q（正交）调制信号，随之将I、Q两路信号输入混合频率加法电路，经过相加运算之后，从混频电路中调制出16QAM调制信号。正交调幅法优点明显，它结构简单，易于实现而且只是需要少量调制器。图2.11所描述的是由复合相移法产生的调制的16QAM信号的矢量图。图2.11 复合相移法调制的16QAM信号的矢量图复合相移法也称作四相叠加法，4个信号得到相位受到同一个载波信号源的驱动，其中大、小QPSK幅度为2:1。在图2.11中，所携带的信息它们依次映射同相、正交两路信号的4个不同振幅逻辑电平。经过自然码-格雷码的逻辑变换电路之后，多进制正交调制信号就拥有了格雷码的电平逻辑值。图2.12所描述的是经格雷编码电路采用复合相移法产生16QAM的原理图。图2.12 复合相移法原理方框图2.3.2 QAM解调原理如同其他很多调制信号的解调，QAM信号也大都是使用相干解调法对信号进行相干解调从而恢复出原有信号。其原理图如图2.13所示。图2.13 QAM相干解调法在信号的接收端，信号经过乘法器分别与正交、同相两相差的正交载波经行乘法运算。同相分量的表达式为： (2.9)正交分量信号的表达式为： (2.10)经过相干解调之后，可以解调输出两路模拟数字信号，随后让该信号经由低通滤波器滤除高频信号滤出直流分量与，最后在经过电平抽样判决、4-2值电平转换、模数转换器、解码映射以及并/串转换之后，可以输出解调的数字基带信号6。当L=4时，为16QAM相干解调。第三章 16QAM调制器系统组成与原理3.1 调制方案设计本章的16QAM调制采用的调制方式是正交调幅法，该调制器的前端实现是基于CPLD这一核心器件的。图3.1所示为其系统结构示意图。图3.1 16QAM调制系统由图3.1可知16QAM调制器主要由两部分构成，如图3.2所示,(a)为由CPLD实现调制器的前端变换和编码，它由时钟模块、m序列模块、串/并转换模块与码映射逻辑(CPLD与D/A转换器接口)模块等部分组成；(b)部分是调制器的后端实现，它由D/A转换器与I、Q正交调制器构成。图3.2 16QAM调制器组成3.1.1 基于CPLD的16QAM调制器前端实现本部分使用Altera公司MAX7000S系列的EPM7128SLC84-15来实现，其顶层设计模块如图3.2 (a)所示。各模块功能如表3.1。表3.1 16QAM调制器前端实现部分各模块的功能模 块作 用时钟模块 发挥分频作用，为其它模块分配各模块的时钟信号m序列模块 产生任意码长m序列，作为系统的基带输入信号串/并转换模块 完成由1路串行基带数字信号到4路并行基带数字信号的串/并转换码映射逻辑模块 完成和数模转换器模块的接口分配与连接(l) 时钟模块时钟出现在电路中的各个环节各个模块，是电路中不可或缺的一部分。该部分的时钟信号是经过20MHz有源晶振获得的，经过时钟模块后对信号的频率进行划分。时钟模块按照m序列模块、串/并转换模块与码映射模块各模块对于输入时钟的需要进行对其频率进行划分与分配，并为各个部分提供时钟信号。(2) m序列模块二元m序列属于伪随机序列，它拥有良好的自相关函数，取得或是拷贝一段二进制m序列都不是难事，因而使用m序列作为整个调制解调器的初始输入。此部分的m序列的特征多项式是： (3.1)时钟信号在时钟模块进行分频之后产生16分频时钟信号，这个16分频时钟信号便可作为该部分的时钟。通过产生码速率为，码长为的m序列，让它作为输入信号输入到系统当中。如果想要获得码长为的m序列，仅需知道n阶线性反馈易存器的特征多项式再更改m序列模块即可。其生成框图如图3.3所示：图3.3 m序列生成框图(3) 串/并转换模块在本部分，由m序列生成模块产生的1路数字基带信号被转换成为4路并行的数字信号输出系统，按这样分配之后，每路信号的速率都是原有信号速率的，即。如图3.4所示，我们所规定的4路并行信号具有不同的空间位置，合理的分配在整个矢量信号空间，它们分别与矩形16QAM星座图的信号点依次对应。图3.4 16QAM星座图(4) 码映射逻辑模块在该模块，我们所定义的并行信号被分为另外两路并行信号：与。、两路不同的数字信号再分别同I、Q两路8位D/A转换器相互配对彼此相连。通过两路信号或同两个数模转换器的输出电压之间的相互映射关系，完成信号同D/A转换器输入端接口间准确连接，同时可以推导出或同的联系。是D/A转换器的数字输入量。表3.2所展示我们的是码映射模块的对应关系。表3.2 （a1,a3）或（a2,a4）与E0的对应关系a3a1d1d2d3d4d5d6d7d8E00 0 1 0 0 0 0 0 0 0 +0.0200 1 1 0 0 1 0 0 0 0 +0.6401 0 1 0 1 0 0 0 0 0 +1.2701 1 1 0 1 1 0 1 0 0 +2.050118由表3.2的映射关系可以知道CPLD输出接口和I、Q两路D/A转换器数字输入端数字的映射关系分别为式(3.2)以及式(3.3)： (3.2) (3.3)到这里，基于CPLD的16QAM调制器的前端实现部分就实现了将输入的调制信号输出为I、Q两路8位信号，8位信号的在输出端口的数值依次与8位D/A转换器输出端点的取值呈现映射关系。如果在实际操作之中需要与其他位数的D/A转换器接口匹配，通过改变在这个模块的VerilogHDL编程程序，修改信号与D/A转换器值的相应关系就能简单的实现。EPM7128有多个可编程的输入输出引脚，可轻易地完成对数模、模数转换电路接口匹配逻辑控制7。EPM7128引脚功能如表3.3表3.3 EPM7128引脚功能说明端 口名 称功 能当reset为O时，CPLD内部清零初始化；INPUT/GLCRn 全局reset信号 当Reset取逻辑值1时，CPLD正常运行，进行仿真。INPUT/GCLKl 时钟输入引脚 它是时钟模块的输入信号的输入端口，时钟模块根据不一样的需要将其分频。TDO、TDI 芯片与电脑通信的 将完成过电路的仿真试验的Verilog或其它硬TMS、TCK JTAG端口 件描述语言设计的程序使其在电脑下载至CPLD芯片中。 共16支端口和数模转换器匹配，设定其中一I/O 输入/输出端口 个I/O端口与D/A的进行匹配,以支配数模转换器的电压阈值。 3.1.2 16QAM调制器的后端实现(1) D/A转换模块该部分选择National Semiconductor公司DIP-16封装的D/A转换器DAC0800。DAC0800可与任一逻辑电平兼容。当它同不同的逻辑电平相兼容时，D/A的的连接方法我们容易得之，图3.5描述的就是。图3.5 管脚接法示意图DAC0800外围电路并不难以知道，图3.6描述的就是其电路图。图3.6 DAC0800外围电路示意图使用单极性+5V电源电压时，两路信号经过LM741C这个放大器之后，两路电源信号转化为电压信号，电压逻辑取值为，表达式当中X是转换器输取值。如图3.2 （b)所示。I、Q两路信号经过D/A转换器后速率为：。经过2-4值变换器件之后，将同相、正交两信号传入到I、Q各自调制器之中，它们调制之后，信号频率位于高、低频之间。(2) I、Q正交调制I、Q正交调制指将两彼此分离的I、Q信号与彼此相位相差为的两个本地载波进行乘法上运算，再经过相加运算之后得到调制信号4。本文中使用MIRCODEVICES公司的RF2713集成芯片。RF2713集成芯片的结构原理图我们不难得知，图3.7描述的是其原理图。图3.7 RF2713结构原理图RF2713为单片集成正交调制/解调芯片4。当它作为调制器放入电路时，可以将0到50MHz的I、Q两基带原始信号进行加法运算进而输出；当它发挥解调器作用之时，将携有有用信息的射频载波这种频率不大也不小的信号当中获得I、Q两路基带信号8。RF2713作为调制器使用时的电路图配置容易理解，如图3.8所示。图3.8 RF2713调制器配置BASEBAAND I与BASEBAND Q依次是I、Q两基带信号的送入端；LO是载波的输入；IF OUT输出经过正交调制的QAM调制信号。3.2 本章小结本章通过设计和分许，实现了16QAM调制器的逻辑功能，包括利用CPLD的前端变换与后端实现的逻辑编码，配合DAC0800，RF2713集成芯片等一些额外器件以及VerilogHDL语言编程，讨论了具体完整的设计过程。该种方案的延伸性与适用性好，同时它也为具有自适应功能的调制解调系统以及可变速率系统的具体设定奠定了基础。第四章 16QAM解调器系统组成与原理4.1 解调方案设计本系统为基于CPLD的16QAM解调器设计。16QAM的解调与产生一样简单，16QAM相干解调器结构图为图4.1。图4.l 16QAM解调器组成解调器的前端实现由I、Q正交解调器与两个模数转换器来构成，如图4.1 (a)，经过解调器的前端实现部分，频率不算太高也不算太低的16QAM信号经过解码与并/串变换之后被设定成为I、Q两路基带信号；解调器的后端信号的转换由CPLD编程来完成，如图4.1 (b)。4.1.1 16QAM解调器的前端实现16QAM中频调制信号经由I、Q正交解调器以及载波恢复过程之后，输出两路模拟信号，经过整形变换、滤波处理与模数转换后输出数字信号，最后经过解码关系、变换等环节还原输出最初的基带信息。(1) I、Q正交解调RF2713作为解调器时候的配置如图4.2。中频调制信号输入至解调器后经还原恢复电路，在一系列变换域处理之后还原出载波，我们将载波恢复电路输出的载波作为本地载波LO的输入，并从I OUT与Q OUT两个引脚输出经过正交解调电路之后的两路模拟基带信号8。图4.2 RF2713解调器配置16QAM相干解调系统中，我们可以看到载波恢复电路关系到解调信号的性能，所以说方案设计的关键是准确地载波还原。该部分使用载波还原的方法来实现正交解调以保证准确的解调过程，四次方环载波恢复的原理可以从很多书籍中得知，图4.3所示即是。图4.3 四次方环载波还原法四次方环载波恢复是以平方环载波恢复为基础，创新性的提出的一个载波恢复的方法8。调制信号的表达式为： (4.1)式(4.1)中，与为彼此独立的两路信号。式(4.2)为16QAM调制信号Y(t)经载波信号还原电路之后的输出表达式。当信号经过一个窄带滤波器时，且滤波器的中心频率为，式(4.2)中第一项高频信号可以完全通过窄带滤波器，第二项低频信号和第三项直流信号被滤除，无法通过滤波器。其输出的信号均值如式(4.3)。 (4.2) (4.3)式(4.3)中，。(2) A/D转换模块CPLD与模数转换器件的匹配十分地简单，它的连接原理图如同图4.4。图4.4 CPLD与AD转换器原理图ADC08100是一个8位数值数模变换器器件，它的抽样信息速率高于20Mbps而又小于100Mbps，属于中频9。该器件包含：+2.7+3.6V电压，1.3mW/MHz功耗以及当50MHz输入时谐波失真为54dB。数字输入、输出引脚兼容TTL/CMOS。A/D的PD/CLK脚分别匹配EPM7128的两个输入输出端口，使其提供时钟并进行逻辑控制。4.1.2 基于CPLD的16QAM解调器后端实现16QAM解调器的后端设计部分一共包含三个分块，一个时钟模块，一个解码模块，还有一个并/串变化模块。各部分的功能如表4.1。表4.1 16QAM解调器后端实现各部分的功能模 块功 能时钟模块 发挥分配频率作用，使得各个分频信号作时钟解码映射逻辑模块 完成和电路另外两8元A/D转换器的匹配并/串转换模块 将并行的调制信号变成串行的整路原有信号(1) 时钟模块CPLD中的时钟模块发挥着划分频率，分配各个不同频率的时钟这样一个作用。时钟模块在按需分频之后的信号成为另外两个模块电路各个环节的时钟信号。不同模块需要的时钟信号也不尽相同，解码映射逻辑模块的时钟信号的频率仅仅只是并/串转换模块时钟信号频率的。在实际操作当中，为了满足各个部分对于时钟信号不同时钟参数的需要，可以在运用Verilog语言编程时，适当的对时钟频率进行合理调整。(2) 解码映射逻辑模块在16QAM解调系统中，第一步是确定或者代表的的4个电平值和A/D转换器输出的数字信息之间的逻辑函数关系。由于我们在16QAM调制系统中已经规定了或者和4个逻辑电平值相应的关系，根据这个关系，找出A/D转换器和CPLD间的接口关系。A/D转换器输出的两路数字信号会传送到解码映射逻辑模块，我们可以通过反向的推导寻找出2-4电平转换编码间的反向关系，从而可以将其转化为并着输出的四路数字信号。在该还原系统中，4-2电平转化作用及其转化作用由数模变化器与解码映射逻辑模块各环节的连接与正常工作一同实现。(3) 并/串转换模块信号在经解码映射逻辑模块之后会输出的4路并行数字信号，而之后它又将输入16QAM解调系统中的并/串转换模块，在这个模块中，信号被转为1路串行数字信号后输出，实现16QAM解调。输出的串行数学信号的速率就等于原始信号的传输速率，它是4路并行信号中每一路信号速率的4倍。4.2 本章小结本章设计完成了16QAM解调系统。通过CPLD，数模转换器，低通滤波器及I、Q正交解调器等一些外围电路以及VerilogHDL语言编程，讨论了具体完整的设计过程。首先在16QAM解调器前端采用RF2713集成重要器件等重要电路器件，其次在利用了CPLD器件电路当中，解调器后端的数字信号的解码、变换则利用VerilogHDL硬件语言编程实现。从而输出解调信号，实现16QAM解调。第五章 基于MATLAB的QAM系统仿真实现本章将利用Matlab这一所学软件的Simulink仿真模块对16QAM调制解调进行系统仿真，以获得16QAM调制信号轨迹图、16QAM调制信号星座图、16QAM调制信号的眼图以及16QAM的误码率曲线图。5.1 模型的建立在下图5.1中，我们可以清晰的看到16QAM系统性能的仿真模型图。图5.1 16QAM性能的仿真模型图将模块搭建起来后，按下列表格设置每个模块的参数。表5.1 随机整数信号产生器的参数设置表参数名称参数值M-ary number(进制数) 16Initial seed(初始种子) 任意整数Sample time(抽样时间) 1/码元速率Frame based out-put(输出帧格式) 设置为原始值Interpret Vector parameters 1-D 设定为原始值(获得一维向量)Sample per frame(每帧的抽样数) 码元速率表5.2 正交幅度调制/解调(General QAM)的参数设置参数名称参数值Signal constellation 根据16QAM星座图，对于每个信号依(信号星座图) 次一个个输入信号相应地矢量坐标Sample per symbol 设置为2(每符号抽样数)表5.3 加性高斯白噪声信道(AWGN)的参数设置参数名称参数值Initial seed(初始种子) 任意整数Mode(模式) 设定其运行在信噪比模式SNR(信号噪声的平均功率比) 设定为一个数值或变量名Input signal power(watt)(输入信号功率) 设置为1表5.4 错误统计器(Error Rate Calculation)的参数设置参数名称参数值Receive delay(接收端时延) 设置为0Computation delay(计算时延) 设置为0Computation Mode(计算模式) 设定为计算帧模式Output data(输出数据) 设为Work对表5.1中的码元速率取10000波特/每秒，对于表5.2中的Signal constellation设置为：-1.5+1.5*i -0.5+1.5*i 0.5+1.5*i 1.5+1.5*i -1.5+05*i -0.5+0.5*i 0.5+0.5*i 1.5+0.5*i -1.5-0.5*i -0.5-0.5*i 0.5-0.5*i 1.5-0.5*i -1.5-1.5*i -0.5-1.5*i 0.5-1.5*i 1.5-1.5*i。按照表5.1到表5.4，对所有的参数进行设定之后，就可以对16QAM调制性能进行仿真，从而轻松地获得16QAM调制信号轨迹图、16QAM调制信号星座图、16QAM调制信号的眼图以及16QAM的误码率曲线图。5.2 仿真结果及分析图5.2描述的是经过MATLAB软件相应模块仿真之后所获得的16QAM调制信号轨迹图。图5.2 16QAM调制信号轨迹图在图5.3中，我们所看到的是16QAM调制信号的星座图。图5.3 16QAM调制信号星座图根据图5.2可以看到同相、正交两路信号的轨迹。由轨迹图5.2和星座图5.3可以观察到，图中有16个离散信号点（即图5-3中米子形点），它们分别对应于16进制的数值取值，而且每个点都是中心对称、排布整齐。每一个米子形点都代表着一个码元的相应位置，而每一个信号点都是同相和正交两个相互正交的矢量叠加而成。在星座图当中，任意两个信号矢量点间的最短距离如果达到越大，那么信号最佳的误码率作用也就越佳。当端点间的最小距离比较大时，信号的平均功率也就较小，此时，只需要用较小的信号平均功率就可以实现比较优良的抗噪声的性能。调制信道经过信道之后，其仿真得到的眼图如图5.4所示。图5.4 16QAM信号眼图由眼图5.4可以看见信号线迹细而且轮廓清晰的大“眼睛”，示波器的扫描迹线几乎完全重叠，可以知道信道不存在码间干扰，表明信道系统性能十分优良，信号通过信道后失真小，效果好。经过图5.1的系统图之后，对比原始信号与解调后信号的特性，可以的到图5.5的QAM误码率曲线图。图5.5 QAM的误码率曲线图根据图5.5，我们可以观察到16QAM理论误码率曲线与16QAM仿真误码率有一些偏差，并没有完全的重合。在信噪比值是10dB时，它们两者之间的误差最小，效果同样也是最佳的。当信号噪声平均功率比高过10dB时，仿真得到的误码率略大于其理论取值。当号噪声平均功率比低过10dB时，仿真获得的误码率略小于理论计算值。第六章 结论调制解调技术作为通信领域的一项重要技术，不仅为通信其他技术奠定了基础，而且与人们的生活息息相关，为人们提供了极大的便利。该篇论文所完成的事项可以总结为如下三点：第一，文章开篇对现有的一些调制解调技术原理进行了简要概括，并通过对它们的分析，系统具体地研究了16QAM调制解调器的各部分组成及其原理。第二，论文给具体实现QAM调制与解调阐述了一个非常创新的说法：基于CPLD的调制解调器的系统设计。同时，对其进行了具体的设计，在外部电路中，利用CPLD、RF2713集成芯片以及一些外围器件，比如A/D，D/A转换器等，对电路进行了具体系统的分析。第三，使用MATLAB软件，对16QAM调制解调系统进行了仿真实验，绘制出了16QAM调制信号的轨迹图、16QAM星座图以及16QAM调制信号的眼图等图