基于system view 的MSK和QAM的调制与解调.docx

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基于systemview的MSK和QAM的调制与解调

绪论

数字通信系统,按调制方式可以分为基带传输和带通传输。

所谓调制，是用基带信号对载波波形的某参量进行控制，使该参量随基带信号的规律变化从而携带消息。

对数字信号进行调制可以便于信号的传输；实现信道复用；改变信号占据的带宽；改善系统的性能。

随着数字通信的迅速发展，各种数字调制方式也在不断地改进和发展，现代通信系统中出现了很多性能良好的数字调制技术。

目前实际通信系统中常使用的几种现代数字调制技术首先有几种恒包络调制，主要包括偏移四相相移键控（OQPSK）、π/4四相相移键控（π/4-QPSK）、最小频移键控（MSK）和高斯型最小频移键控（GMSK）；然后是正交幅度调制（QAM），它是一种不恒定包络调制。

最后是多载波调制，其中最重要的是正交频分复用（OFDM）。

本文主要介绍MSK和QAM的原理，SystemView的使用方法，以及通过SystemView仿真软件对QAM、MSK数字调制及解调电路各功能模块的工作原理进行分析，提出QAM、MSK数字调制及解调电路的设计方案，选用合适的模块对所设计系统进行仿真并对仿真结果进行分析。

第一章、Systemview软件简介

1.1Systemview软件简介

SystemView是美国ELANIX公司推出的，基于Windows环境的用于系统仿真分析的可视化软件工具。

它界面友好，使用方便

SystemView是一个信号级的系统仿真软件，主要用于电路与通信系统的设计、仿真，是一个强有力的动态系统分析工具，能满足从数字信号处理、滤波器设计、直到复杂的通信系统等不同层次的设计、仿真要求。

它可以构造各种复杂的模拟、数字、数模混合及多速率系统，可用于各种线性、非线性控制系统的设计和仿真

SystemView以模块化和交互式的界面，在大家熟悉的Windows窗口环境下，为用户提供了一个嵌入式的分析引擎。

使用SystemView你只需要关心项目的设计思想和过程，而不必花费大量的时间去编程建立系统仿真模型。

用户只需使用鼠标器点击图标即可完成复杂系统的建模、设计和测试，而不必学习复杂的计算机程序编制，也不必担心程序中是否存在编程错误。

1.2Systemview软件的特点

1能仿真大量的应用系统 

能在DSP、通讯和控制系统应用中构造复杂的模拟、数字、混合和多速率系统。

具有大量可选择的库，允许用户有选择地增加通讯、逻辑、DSP和射频／模拟功能模块。

2快速方便的动态系统设计与仿真 

使用用户熟悉的Windows界面和功能键（单击、双击鼠标的左右键），SystemView可以快速建立和修改系统，并在对话框内快速访问和调整参数，实时修改实时显示。

只需简单用鼠标点击图符即可创建连续线性系统、DSP滤波器，并输入／输出基于真实系统模型的仿真数据。

不用写一行代码即可建立用户习惯的子系统库（MetaSystem）。

3提供基于组织结构图方式的设计 

通过利用SystemView中的图符和MetaSystem（子系统）对象的无限制分层结构功能，SystemView能很容易地建立复杂的系统。

4多速率系统和并行系统 

SystemView允许合并多种数据采样率输入的系统，以简化FIR滤波器的执行。

这种特性尤其适合于同时具有低频和高频部分的通信系统的设计与仿真，有利于提高整个系统的仿真速度，而在局部又不会降低仿真的精度。

同时还可降低对计算机硬件配置的要求。

5完备的滤波器和线性系统设计 

SystemView包含一个功能强大的、很容易使用的图形模板设计模拟和数字以及离散和连续时间系统的环境，还包含大量的FIR/IIR滤波类型和FFT类型，并提供易于用DSP实现滤波器或线性系统的参数。

6先进的信号分析和数据块处理

SystemView提供的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能对仿真生成数据进行先进的块处理操作的接收计算器。

7完善的自我诊断功能 

SystemView能自动执行系统连接检查，通知用户连接出错并通过显示指出出错的图符。

这个特点对用户系统的诊断是十分有效的。

。

1.3SystemView的图标库

图标是SystemView仿真运算,处理的基本单元,共分为三大类;第一类包括信号源库,它只有输出端没有输入端;第二个类包括观察窗库,它只有输入端没有输出端;第三类包括其他所有图表库,这类图标都有一定个数的输入端和输出端.在设计窗口的左边有一个图标库区，一组是基本库（MainLibraries），共8个。

另一组是可选择的专业库（OptionalLibraries）,如通信库、数字信号处理库、逻辑库、射频/模拟库等，支持用户自己用C/C++语言编写源代码定义图标以完成所需自定义功能的用户自定义库（Custom），及可调用、访问Matlab的函数的M-Link库，以及CDMA、DVB、自适应滤波器库等。

图1-1基本库图标

在上述八个图符中，除双击加法器和乘法器图符按钮可直接使用外，双击其他按钮会出现相应的对话框，应进一步设置图符块的操作参数。

单击图符库选择区最上面的主库开关按钮“Main”，将出现选择开关按钮“Option”下的库（user）、通信库（comm）、DSP库、逻辑库（LOGIC）、射频/模拟库（RF/ANALOG）和数学库（MATALAB）选择按钮，可分别双击他们选择调用。

在设计窗口中间的大片区域就是工作区域，用户可以在这里放置、定义和连接各种图符，建立新的系统。

1.4SystemView的系统设计窗口

1.主菜单栏

系统视窗第一行为《主菜单栏》它含有几个下拉式菜单，通过这些菜单可以访问重要的SystemView功能，包括：

文件（File）、编辑（Edit）、参数优选（Preferences）、视窗观察（View）、便笺（NotePads）、连接（Connetions）、编译器（Compiler）、系统（System）、图符块（Tokens）、工具（Tools）和帮助（Help）。

用鼠标选择各菜单都会下拉显示若干选项。

新建或打开设计文件的操作步骤与其它软件相同。

图1-2系统设计窗口

2.快捷功能按钮

设计窗口中菜单行的第二行为《工具栏》，它是由16个常用快捷功能按钮组成的动作条。

它包含了在系统设计、仿真中可能用到的各种操作按钮。

各按钮的功能如下：

图1-3快捷功能按钮

第二章最小频移键控（MSK）系统的设计

2.1MSK的基本原理

MSK（MinimumFrequencyShiftKeying）又称快速移频键控（FFSK），是2FSK的改进形式。

所谓“最小”是指这种调制方式能以最小的调制指数（0.5）获得正交信号，“快速”是指在给定同样的频带内，MSK能比2PSK的数据传输速率更高，且在带外的频谱分量要比2PSK衰减的快。

MSK是恒定包络连续相位频率调制，其信号的表示式为

ωc为载波角频率，Ts为码元宽度，ak为第k个输入码元，取值为±1；φk为第k个码元的相位常数，在时间kTs≤t≤（k+1）Ts中保持不变，其作用是保证在t=kTs时刻信号相位连续。

令则信号的表示式为

MSK信号的时间波形如图所示

图2-1MSK信号的时间波形图

2.2MSK的调制原理

由MSK信号的一般表示式可得

因为

所以

令

则

根据上式，可采用正交调幅方式产生MSK信号，其调制的方框图如下所示。

图2-2MSK调制的方框图

由上图可知，MSK信号产生的过程为：

1）对输入数据序列进行差分编码；

2）把差分编码器的输出数据用串/并变换器分成两路，并相互交错一个比特宽度Ts；

3）用加权函数cos（πt/2Ts）和sin（πt/2Ts）分别对两路数据进行加权；

4）用两路加权后的数据分别对正交载波cosωct和sinωct进行调制；

5）把两路输出信号进行叠加。

根据以上的MSK调制原理框图，在Systrmview上设计的仿真调试图如下图-11所示：

图2-3systemviewMSK调制仿真图

采样器（63）：

按设定的采样速率采样，输出的结果是输入信号在采样宽度内的线性组合。

原理图中的采样速率为10HZ。

保持器（1.2.65）：

用于采样或抽样后返回系统采样率。

增益（64）：

对输入信号进行放大。

延时（5.6.17）：

延时规定各单位的时间。

异或们（60）：

两个或两个以上的逻辑信号异或操作。

脉冲信号（0,3）：

用于产生相应的脉冲信号

首先由信号源产生一个伪随机序列（0），此伪随机序列的幅度为1V，频率为10HZ，电平为2。

伪随机序列的信号波形如下图2-4所示：

图2-4

将其信号通过采样器后输入到异或们中，并将通过异或们输出的一路信号通过增益后输回到异或们，和原信号进行异或，然后在通过保持器，并输入到波形观察分析器65中，从而形成输入差分码，波形如下图2-5所示：

图2-5

将拆分编码先进行并串/变换，分为两路信号Q和I（如图---14）。

I延迟T时间后与一载波频率只有基带信号频率0.25倍的载波进行相乘，然后再通过相乘器与一个载波频率等于200HZ，相位移相90度的载波进行相乘。

而Q路信号，先和频率只有基带信号频率0.25倍的载波相乘，然后再和一个没有经过移相的载波频率等于200HZ的载波相乘。

Q路信号和I路信号通过相加器相加，从而得到我们需要的MSK信号。

MSK波形信号如图2-6所示

图2-6

图2-7

2.3MSK的解调原理

MSK信号属于数字频率调制信号，因此可以采用相干解调的方法进行解调，采用一般鉴频器方式进行解调误码率性能不太好，因此在对误码率有较高要求时大多采用相干解调方式。

MSK解调的原理图如下图2-8所示：

图2-8MSK解调的原理框图

基于这MSK解调的原理框图，在Systemview上对其进行系统的设计的结构如图2-9所示：

图2-9

正弦信号源（18.19）：

产生正弦载波信号。

巴特沃斯滤波器（20.21）：

低通滤波器用于滤除乘载波时产生的高频分量

模拟比较器（45,46）用于将并行信号转换成串行信号。

将调制出的MSK信号首先与一幅度为1V，频率为2.5HZ和频率为200HZ的载波进行相乘，再经过巴特沃斯滤波器后进行滤波，将采样后的波形与模拟比较器相比较，将信号进行并串转换，即可得到Q路信号和I路信号输出。

其波形如图2-10所示。

图2-10

将得到的Q/I路信号与脉冲信号源提供的频率为5HZ，幅度为1V的脉冲波通过延时器相乘后，将得到解调后的差分码（如图2-11）.

图2-11

将此差分码分为两路。

一路延迟后送往异或门（35），一路直接送往异或门（35）从而得到我们调制所得到的原基带信号波形（如图2-12）.

图2-12

第三章正交振幅（QAM）系统的设计

3.1MSK的基本原理

正交振幅调制QAM（QuadratureAmplitudeModulation）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。

在移动通信中，随着微蜂窝和微微蜂窝的出现，使得信道传输特性发生了很大变化。

所谓正交振幅调制是用两个独立的基带波形对两个互相正交的同频载波进行抑制载波的双边带调制。

在这种调制中，已调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，可记为MQAM（M>2）。

增大M可提高频率利用率，也即提高传输有效性。

下面介绍MQAM的基本原理。

MQAM信号表示式可写成

（3.1.1）

其中，Ai和Bi是振幅，表示为

（3.1.2）

其中，i,j=1,2,…，L，当L=1时，是4QAM信号；当L=2时，是16QAM信号；当L=4时，是64QAM信号。

选择正交的基本信号为

（3.1.3）

在信号空间中MQAM信号点

（i,j=1,2,…,L）（3.1.4）

图3.1是MQAM的星座图，这是一种矩形的MQAM星座图。

图3-1MQAM信号星座图

为了说明MQAM比MPSK具有更好的抗干扰能力，图2.1.2示出了16PSK和16QAM的星座图，这两个星座图表示的信号最大功率相等，相邻信号点的距离d1，d2分别为：

2DPSK

16QAM

结果表明，d2>d1，大约超过1.64dB。

合理地比较两星座图的最小空间距离应该是以平均功率相等为条件。

可以证明，在平均功率相等条件下，16QAM的相邻信号距离超过16PSK约4.19dB。

星座图中，两个信号点距离越大，在噪声干扰使信号图模糊的情况下，要求分开两个可能信号点越容易办到。

因此16QAM

方式抗噪声干扰能力优于16PSK。

图3-216QAM和16PSK的星座图

MQAM的星座图除正方形外，还有圆形、三角形、矩形、六角形等。

星座图的形式不同，信号点在空间距离也不同，误码性能也不同。

MQAM和MPSK在相同信号点数时，功率谱相同，带宽均为基带信号带宽的2倍。

3.2QAM的调制解调原理

MQAM的调制解调框图如图2.2.1所示。

在发送端调制器中串/并变换使得信息速率为Rb的输入二进制信号分成两个速率为Rb/2的二进制信号，2/L电平转换将每个速率为Rb/2的二进制信号变为速率为Rb/（2lbL）的电平信号，然后分别与两个正交载波相乘，再相加后即得MQAM信号。

在接收端解调器中可以采用正交的相干解调方法。

接受到的信号分两路进入两个正交的载波的相干解调器，再分别进入判决器形成L进制信号并输出二进制信号，最后经并/串变换后得到基带信号。

MQAM调制

图3-3MQAM调制框图

调制这个过程在Systemview的仿真设计框图如下图所示

图3-4

信号源（50）：

用于产生脉冲信号。

随机信号发生器（51）:

用于产生一个随机信号列。

串并转换系统（64.96.128）:

用于将信号进行串并转换。

串并转换系统如下图所示:

图3-5

调制的过程是信号源产生脉冲波形幅度为2V，频率为1000HZ的二进制脉冲波形，经过随机数列后产生输入的波形如下图所示：

图3-6

产生的随机信号经过串并转换电路后，产生两路四进制信号与正弦信号相乘得正交信号如下图所示：

图3-7

两路信号相叠加即得调制的信号如下图所示：

图3-8

3.316QAM解调模块的模型建立与仿真

16QAM解调原理框图如图4.1所示，解调器实现的核心在于4//2电平判决模块及并串转换模块。

在本次仿真中，载波恢复输出的同频同相波是直接由调制模块中的载波提供的，也就是说在仿真实验中并没有做载波恢复。

3.3.1相干解调

系统先前所得的16QAM调制信号通过高斯白噪声信道以后便可以解调了。

本系统所采用的解调器原理为相干解调法，即已调信号与载波相乘，送入到低通滤波器，其对应原理图中信号输入并与载波相乘后通过LPF的部分，输出送入到判决器判决，在这里，低通滤波器的设计很重要，在Systemview中提供了一些滤波器，我们可以加以利用，但它的参数设定对后续判决产生误差有很大关系，所以要对该滤波器的参数设定要慎重。

在本实验中涉及的仿真滤波器均选择贝塞尔低通滤波器。

这里对LPF的参数设定如下，而输出波形如图4.10所示。

下面为解调部分总电路和低通滤波器的参数值设置：

图3-9

3.3.2锁相环解调

电路说明：

1、这部分电路分为直接用与调制端相同的载波进行解调和用设计的锁相环进行锁相之后进行解调两个部分。

将两个结果进行对比。

2、锁相环t164内部具体电路如下，FM参数见图中所示。

Fm为调频器。

将其内部参数的频率值设定为5KHz与调制载波频率相同。

两路输入均为经过调制后的信号。

将其与Fm输出的同相和正交分量进行相乘，然后会得到高频分量，经过低通滤波器后将高频分量滤除，就会得到相应的相位信息，再将两路相位信息相乘经过环路滤波器，该相位信息反映了输入信号与Fm产生的载波的相位差，从而可以调整Fm的输出信号的相位。

具体数学模型见下：

图3-10

在这里，我们假设t172输入的信息表达式为，经过与Fm输出的载波相乘后得到,经化简可得，再经过低通滤波器后将的频率滤除，得到和。

这两个信号经过t171相乘器后得到。

再经过带通滤波器后得到相位信息。

该相位信息由在Fm调频器中反映出Fm的输出信号相位情况。

其输入经过积分就可以改变Fm输出载波的相位，从而达到调节相位的作用。

说明：

FM为调频器，所以其频率初始应与接收信号调制时的设置不同以表现其调频作用，这里设为5002Hz，调制增益为7.2Hz/V。

同时两个低通滤波器的参数设置进行了变化。

定位900Hz，能够达到滤波的作用。

T169截止频率设定为300Hz，将得到的压控信号进行再次滤波，是环路滤波器的作用。

图3-11锁相环内部结构电路及参数设置

。

下图为systemview电路连接。

各个器件的参数设置如下，可以从中看出两个时钟的脉宽与前面分析的一致。

图3-10systemview并串转换子系统

所以，当输入脉冲序列为0时，选择器输出第一路信号；当输入脉冲序列为1时，选择器输出第二路信号。

这样本次仿真经并串转换以后便最终实现了16QAM信号的解调，其并变串波形如下，t246为并变串的输出，应该与前面进行2-4电平转换时输入的t56相对应。

可见并变串是正确的。

这只是4-2电平变换后的并串转换波形。

对于另一路4-2电平变换的并串转换也可用同样的子系统。

图3-11

将最后得到的两路信号在进行并串转换即可。

图3-12

该电路图部分中t440和t721实现的就是上面的经过四二电平转换和波形整形后进行的并串转换子系统。

在t1002中再次调用并串转换子系统，即可将最后的两路并行信号转换成串行信号。

但是要注意此时的两个时钟信号脉宽设定。

由于t440和t721的输出信号码元周期已经发生变化，所以按照之前设定的比例，就要重新设定两个脉宽。

具体设定如下：

图3-13

经最后的转换输出波形应与最初的信源波形一样，也就是t808要与信源t55相同。

我们看下面的波形即可：

图3-14

分析：

上图中，两个信号分别为信源输出波形和解调输出波形，从波形上来看，第二路输出结果是正确的，但是存在时间上的延时，但整体来讲解调得到的信号是完全正确的。

16QAM的星座图如下图所示：

图3-15

小结

本次课设的主要任务就是用SystemView软件仿真MSK和QAM的调制与解调系统，经过一段时间的努力，终于把这个系统仿真完了。

1.对16QAM和MSK调制解调系统基本原理进行了较为深入地理解与分析，并且根据其原理构建了Systemview的仿真模型。

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16QAM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。

参考文献

[1]樊昌信，曹丽娜.《通信原理》，国防工业出版社

[2]青松,等．《通信系统仿真与分析》.北京航空航天大学出版社，2001

[3]李东生.《SystemView系统设计及仿真入门与应用》,电子工业出版社

[4]杨翠蛾.《高频电子线路与课设SystemView部分》,哈尔滨工程大学出版社

[5]陈萍.《现代通信实验系统的计算机仿真》,国防工业出版社

[6]罗伟雄,韩力,原东昌编著.《通信原理与电路》,北京理工大学出版社

[7]李哲英主编.SystemView动态分析与设计软件学习中文手册,内部资料,1997

致谢

本次课设的时间有两个礼拜，时间比较长。

在这两个礼拜的过程中，学到了蛮多的。

虽说以前上邹丹老师的课的时候用过Systemview这款软件，但是以前用的都是一些非常浅显的。

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，这些不论是对我读研阶段的学习甚至是以后参加工作都是有很大帮助。

通过这次毕业设计，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。

在做设计的过程中，我深刻地体会到，对理论知识的掌握并不以意味着自己就能将理论知识转化为实际的系统。

但是，理论知识的认识深刻与否，对实践活动有着重要的作用，只有对理论基础知识有深入地了解，才能通过理论来指导实践，如果没有掌握理论知识，是不可能获得实践上的成功。

同时，通过此次课程设计，充分调动了自身对知识的运用和对以前学过的知识的灵活调用。

因为上课没怎么听讲，从而对于这个课设的实现不是很懂，幸好在同学和高老师的指导下，让我知道这个过程的具体实现方法，使得我对这个实现过程有了更深的认识，十分感谢高老师和我的同学。