16QAM的调制与解调

目录一、设计思路及设计方案..........................................21）16QAM调制原理............................................22）设计思路..................................................23）设计方案..................................................2二、总体电路组成与分析..........................................31）总体电路图................................................32）总体电路分析..............................................3三、子电路系统分析..............................................41）串并变换子系统............................................43）四电平判决子系统..........................................84）4-2变换子系统...........................................105）串并转换子系统...........................................13四、仿真波形...................................................151）调制部分.................................................152）.解调部分................................................183）.星座图：................................................22五、设计总结...................................................22六、参考文献...................................................23一、设计思路及设计方案1）16QAM调制原理在16QAM中，数据信号由相互正交的两个载波合成。16QAM是一种矢量调制，将输入比特先映射（一般采用格雷码）到一个复平面（星座）上，形成复数调制符号，然后将符号的I、Q分量（对应复平面的实部和虚部，也就是水平和垂直方向）采用幅度调制，分别对应调制在相互正交（时域正交）的两个载波（coswt和sinwt）上，然后两路正交信号相加得到调制信号。2）设计思路16-QAM信号，每个样点表示一种矢量状态，16-QAM有16态，每4位二进制数规定了16态中的一态，16-QAM中规定了16种载波和相位的组合，16-QAM的每个符号和周期传送4比特。16进制的正交振幅调制是一种振幅相位联合键控信号。16QAM的产生有2种方法：（1）正交调幅法，它是有2路正交的四电平振幅键控信号叠加而成；（2）复合相移法：它是用2路独立的四相位移相键控信号叠加而成。这里采用正交调幅法。3）设计方案首先，伪随机码发生器产生速率为Rb的二进制序列，此二进制码流经串一并变换器将分成两个速率为Rb／2的两电平序列，2一4电平变换器将每个速率为Rb／2的两电平序列变成速率为Rb／4，4电平信号，然后分别与两个正交的载波相乘，相加后即产生QAM信号。QAM信号的解调器同样可以采用正交的相干解调方法。同相I路和正交Q路的4电平基带信号用判决器判决后，分别恢复出速率等于Rb／2的二进制序列，最后经并一串变换器将两路二进制序列合成一个速率为Rb的二进制序列。二、总体电路组成与分析1）总体电路图2）总体电路分析a)参数设置：Token17：频率：19.2kHZ振幅：0.5VOffset:0.5V电平：2（即频率为19.2kHZ的由0、1两个电平构成的伪随机码）Token18：频率:76.8kHZ振幅：1VToken105：高斯噪声0.3VToken109：低通频率：70kHZToken110：低通频率：70kHZb)电路分析：该系统主要分为调制和解调两部分，包含有串并变换子系统、2-4变换子系统、4电平判决子系统、4-2变换子系统、并串变换子系统。调制部分用到了串并变换子系统和2-4变换子系统，19.2kHZ的基带信号先通过串并变换子系统变为两路频率为9600HZ的信号，这两路信号分别通入2-4变换子系统后9600HZ的二电平信号就变成了频率为4800HZ的四电平信号（两路信号表示为A,B其中A=-3，-1,1,3;B=-3，-1,1,3），两路四电平信号在分别与两路正交信号相乘即得到Acoswt,Bsinwt两路独立的4ASK信号，两路独立的4ASK信号相加就得到了y=Acoswt+Bsinwt的16QMA调制信号。解调部分用到了4电平判决子系统、4-2变换子系统和并串变换子系统。解调采用的是相干解调法，首先16QMA调制信号与两路与载波同频同相的正交信号相乘得到y1=Acoswt*coswt+Bsinwt*coswt=A(1/2+cos2wt/2)+Bsin2wt/2,y2=Acoswt*sinwt+Bsinwt*sinwt=Asin2wt/2+B(1/2-cos2wt/2),两路信号，两路信号分别经过低通滤波器，滤除高次谐波就得到Y1=A/2,Y2=B/2两路四电平信号包络图形，然后经过4电平判决子系统，就得到A,B两路四电平信号，再经过4-2电平转换子系统A,B两路四电平信号则变为0,1组成的二电平信号，最后经过并串转换就能够还原出最开始的基带信号。三、子电路系统分析1）串并变换子系统a)电路图b)作用把一路串行输入的信号转变为两路并行输出的信号，两路并行信号一路是由串行信号的第奇数个信号组成，一路是由串行信号的第偶数个信号组成，例如输入01000111110100，则输出0001100（此为串行信号的第奇数个信号的顺序组合）和1011110（此为串行信号的第偶数个信号的顺序组合）。并行信号的频率是串行信号频率的1/2。c)参数设置Token57：延时1samplesToken58:采样频率9600HZToken59：Gain1Token66：延时2T=2/19200=0.00010406667sToken60：采样频率9600HZToken61：Gain1d)电路分析首先频率为19.2kHZ的基带信号同时输入两个延时器，一路延时1个周期然后以9600HZ的频率采样并保持得到串行信号的第偶数个信号的顺序组合；另一路延时两个周期然后9600HZ的频率采样并保持得到串行信号的第奇数个信号的顺序组合。这样就得到了两路并行信号（其中串行信号的第奇数个信号的顺序组合为第一路并行信号，串行信号的第偶数个信号的顺序组合为第二路并行信号）。以9600HZ的频率采样是为了保证输出的并行信号频率为串行信号频率的1/2。第一路并行信号采样前延时了2T，又因为采样频率为1/2*T，且采样后保持到下一次采样即保持时间为2T，所以最后的输出信号也是延时了2T,可以理解为若采样前延时时间为t且t在区间[2(n-1)T,2nT],则最终输出延时为2nT。由以上结论可得由于第二路并行信号采样前延时了T，则最终输出信号延时2T。所以两路并行信号最终输出有相同的延时，确保了两路信号同步。e)输入输出波形输入波形：基带信号输出波形：第一路并行信号第二路并行信号2）2-4变换子系统a)电路图b)作用把一路由0,1组成的二电平信号转换成四电平信号，二电平信号中每两个相邻码元对应一个四电平码元，如若二电平编码为00对应-3,01对应-1,10对应1,11对应3，则输入11011001，对应输出为3，-1，1，-3。四电平信号频率为二电平信号的1/2。c)参数设置Token72：延时1samplesToken76:采样频率4800HZToken73：Gain1Token77：延时2T=2/9600=0.00020813334sToken74：采样频率4800HZToken75：Gain1Token79:判决电压0.2Vtrueout3Vfalseout-3VToken80:判决电压0.2Vtrueout1Vfalseout-1Vd)电路分析首先频率为9600HZ的二电平信号通过一个串并转换电路得到两路频率为4800HZ的同步并行信号（其中串行信号的第奇数个信号的顺序组合为第一路并行信号，串行信号的第偶数个信号的顺序组合为第二路并行信号），这两路并行信号分别通入一个电压比较器，再将两个电压比较器的输出值相加。比较器的比较电压均为0.2V，对于第一路并行信号若输入大于0.2即输入为1则输出2，反之若输入小于0.2即输入为0则输出-2；对于第二路并行信号若输入大于0.2即输入为1则输出1，反之若输入小于0.2即输入为0则输出-1；由于两个相邻二电平码元对应一个四电平码元，第一路并行信号代表两个相邻二电平码元中的高位，第二路码元信号代表两个相邻二电平码元中的低位，所以经过电压比较器后高位为1输出2，为0输出-2，同理低位1输出1，为0输出-1，最终高低两位相加后即得到对应编码，11编码3,10编码1,01编码-1,00编码-3。二电平最终被转换为四电平。e)输入输出波形输入：并行信号输出：四电平信号3）四电平判决子系统a)电路图b)作用把低通滤波器输出的不规则四电平信号转变成规则的四电平信号。c)参数设置Token171：放大倍数5Token124：判决电压5Vtrueout2Vfalseout0VToken125：判决电压0Vtrueout2Vfalseout0VToken126：判决电压-5Vtrueout-1Vfalseout-3Vd)电路分析经过低通滤波器后的四电平信号大致形状和2-4变换输出的四电平信号相同，但是电压幅度有一定的衰减且有很多毛刺，要得到平滑的四电平信号，首先将不规则信号放大，然后根据放大波形得出比较电压，最后将比较器的输出结果相加。经过放大器后的电压幅度在-8V到+8V之间，根据图形可看出区分四个电平8V,3V,-3V,-8V的三个电压值分别为5V,0V,-5V，根据上述参数设置，三个比较器相加后的结果为8V对应2+2-1=3V,3V对应2-1=1V,-3V对应-1+0+0=-1V,-8V对应-3+0+0=-3V，即还原出了四电平信号。e)输入输出波形输入不规则四电平信号输出：平滑的四电平信号4）4-2变换子系统a)电路图b)作用将四电平信号转换为由0,1构成的二电平信号，每一个四电平信号对应两个二电平信号，4-2电平编码与2-4电平编码相同，00对应-3,01对应-1,10对应1,11对应3。例如输入-3,3，-1,1，则输出00110110，二电平信号为四电平信号的两倍。c)参数设置Token213：a=btrueout1Vfalseout0VToken214:振幅3VToken215：a=btrueout1Vfalseout0VToken216：振幅-1VToken139：比较电压0Vtrueout1Vfalseout0VToken138：频率4800HZpulsewidthT/2=1/2*4800=104.166e-6s(即频率为4800HZ的方波信号)Token33：delay104.166e-6sToken181：delay104.166e-6sToken34：abtrueout1Vfalseout0VToken198：delay1samplesToken188：采样频率9600HZToken196：Gain1Vd)电路分析频率为4800HZ的四电平信号首先分为三路，根据参数设置，第一路通过电压比较器1，即若输入电压等于3V则输出1否则输出0