论文题目 : 基于 Labview 的多进制 QAM 仿真 摘要 : 所在院 ( 系 ): 电子信息与电气工程学院姓名 : 王思文班级 :F 指导教师 : 蒋铃鸽 本文中, 利用 Labview 软件搭建仿真平台, 分别对模拟通信系统以及数字通信系统进行仿真 在模拟通信系统中, 主要利

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1 项目编号 : T030PRP23044 本科生研究计划 (PRP) 研究论文 ( 第 23 期 ) 论文题目 : 基于 Labview 的多进制 QAM 仿真项目负责人 : 蒋铃鸽学院 ( 系 ): 电子信息与电气工程学院指导教师 : 蒋铃鸽学院 ( 系 ): 电子信息与电气工程学院参与学生 : 王思文项目执行时间 :2013 年 4 月至 2013 年 9 月

2 论文题目 : 基于 Labview 的多进制 QAM 仿真 摘要 : 所在院 ( 系 ): 电子信息与电气工程学院姓名 : 王思文班级 :F 指导教师 : 蒋铃鸽 本文中, 利用 Labview 软件搭建仿真平台, 分别对模拟通信系统以及数字通信系统进行仿真 在模拟通信系统中, 主要利用 FM 进行调制解调仿真 在数字通信系统中, 对 2ASK 2FSK 以及 2PSK 进行调制解调仿真以及误码率分析, 并在已搭建的 Labview 仿真平台上进行多进制 QAM 仿真, 分析仿真结果, 并整理相关程序 数据与文档, 制作成可视化界面 关键词 : Labview 模拟通信系统 数字通信系统 调制解调 FM 2ASK 2FSK 2PSK 多进制 QAM ABSTRACT This editorial use Labview software to build simulation platform for analog communication systems and digital communication systems. The analog communication system mainly focus on the FM modulation and demodulation. The digital communication systems mainly focus on 2ASK, 2FSK, 2PSK and 2DPSK modulation and demodulation simulation and BER analysis. Besides, the modulation and demodulation of MQAM are also built on the simulation platform. We analyse the simulation results, organize the relevant procedures and data and finally make it into a visual interface. KEYWORDS Labview, analog communication system, digital communication system, modulation and demodulation, FM, 2ASK, 2FSK, 2PSK, MQAM

3 1. 绪论 通信就是信息的传输与交换 在传输的过程中, 具有频率很低的频谱分量的信号通常不宜直接传输 这就需要把基带信号变换成其频带适合在信道中传输的信号, 并可在接收端进行反变换 完成这种变换和反变换作用的通常是调制器和解调器 在模拟通信系统中, 信道中传输的信号时模拟信号 相对的, 在数字通信系统中, 信道中传输的信号时数字信号 无论是模拟通信还是数字通信, 在不同的通信业务中都得到了广泛的应用 现今, 随着数字通信技术的发展及对通信质量的要求越来越高, 数字通信获得飞速发展 与模拟通信相比, 数字通信具有抗干扰能力强 无噪声积累 传输差错可控 易于实现集成 保密性好等优点, 而缺点是相对于模拟通信, 传输带宽较宽 在模拟通信系统中, 本文主要论述了角度调制中的频率调制 (FM) 角度调制是频率调制和相位调制的总称 角度调制是使正弦载波信号的角度随着基带调制信号的幅度变化而改变 在调频信号中, 载波信号的频率随着基带调制信号的幅度变化而改变 而在调相信号中 ; 载波信号的相位随着基带调制信号的幅度变化而改变 角度调制具有抗干扰性能比幅度调制强 调制和解调方法不复杂等优点 缺点是宽带利用率低, 也就是说角度调制优点的获得和性能的改善是以增加带宽为代价的 在数字通信系统中, 数字基带信号通过调制强改变正弦载波信号的幅度 频率或相位, 产生振幅键控 (ASK) 频移键控(FSK) 或相移键控 (PSK) 信号, 或同时改变正弦载波的几个参数, 产生复合调制信号 在本文中, 主要对 2ASK 2FSK 2PSK 以及 2DPSK 进行调制解调仿真以及误码率分析和对正交调幅 (QAM) 进行仿真分析 在本次 PRP 项目中, 根据当前工程应用领域中实际通信系统的要求, 对模拟通信系统和数字通信系统进行仿真 对比分析在不同的信道状态下各种调制解调方法的性能, 得到不同调制方式的使用场景, 对以后的通信系统理论研究具有一定的参考意义 2. FM 调制解调系统设计 2.1. 实验原理 FM 调制原理 由于模拟调制原理相比数字调制简单, 实现起来也相对容易, 因此我们考虑自己用 LABVIEW 内部最底层的信号处理模块依照 FM 调制的原理一步一步搭建调制解调模块, 这个部分我们着重考虑 FM 调制与解调, 因此没有考虑在信道中传输的情况, 因此也没有加入高斯白噪声 主要是实现信号发送, 经 FM 调制, 然后将调制后的波形解调, 对比接收和发送端的波形

4 2.1.2 IQ 调制原理 基带信号 : 载波信号 : FM 调制波形 : 其中为频偏常数, 单位 rad/(s. V) 定义相位偏移 : 重新改写调制后的信号 本实验就是利用 IQ 调制, 利用 Labview 中的模块搭建 FM 的调制过程 利用希尔伯特变换解调原理 利用希尔伯特变换, 希尔伯特变换原理如下 : 将调制信号进行微分计算得到 : 经过希尔伯特变换后 : 则易得到 : 因此解调后的信号为 FM 调制流程图 FM [2] 调制所依赖的基本理论是模拟基带信号幅度用载波频率的细微变化来表示 将基带信号 m(t) 调制到载波信号上通过信号积分和 PM 调制来实现 调制过程如下 :

5 Integrator Phase m(t) d S(t) Modulation cos 图 FM 调制流程图图中 S(t) 为调制后的信号 FM 解调通过提取调制后信号的频率, 并将频率的变化体现到幅度变化上, 包络检波以后通过一些简单的数学运算即可获得原来的基带信号 解调过程如下 : S(t) Differentiator Hilbert Transform m(t) 数学运算 图中 S(t) 为调制后信号 图 FM 解调流程图 2.2. FM 实现过程 FM 调制模块在 LabVIEW 中通过仿真信号模块发出音频信号和载波信号, 积分器模块直接从中找出,PM 调制过程需要自己搭建 PM 调制用来把基带信号加载到载波的相位上, 实现时通过把信号用余弦公式展开即可 即 其中, 频率为 fc 的信号由仿真信号模块生成相应的频率为 fc 的信号, 在生成余弦信号时需 要给出相位 90 的偏移 程序框图如下 :

6 图 FM 调制模块程序框图 FM 解调模块 解调时根据 FM 的解调原理, 只需要讲调制后信号微分然后包络检波则可以提取出基带信号 在实际情况下需要实现包络检波只需要通过一个 RC 电路然后通过低通滤波器则可以提取出来 由于 LabVIEW 没有提供我们这些底层的元件, 因此只能考虑其他方法, 通过希尔伯特变换将信号相移 90, 通过欧拉运算的公式可以计算出信号幅值, 得出的信号幅值则为信号的包络 程序框图如下 : 图 FM 解调模块程序框图 利用 Modulation Toolkit 中的 MTModulate/DemodulateFMVI 进行调制解调 图 利用 LabVIEW 中自带模块进行 FM 调制解调程序框图

7 2.3. 实验结果 ( 注 : ) 频率为 200Hz 的基带信号 基带信号的功率谱 图 基带信号 图 基带信号的功率谱 载波频率为 5000Hz, 最大频偏为 3000Hz 的调制效果 调制信号的功率谱 图 调制效果 通过希尔伯特解调后信号 图 调制信号的功率谱 图 希尔伯特方法解调后的信号

8 2.3.6 解调后信号的功率谱 利用波峰检测模块解调出的信号 图 解调后的功率谱 图 波峰检测方法解调后的信号 利用 Modulation Toolkit 中的 MTModulate/DemodulateFMVI 调制解调波形 图 Labview 自带调制解调模块效果 当最大频偏大于载波频率时的失真情况 图 失真情况 2.4. 结果分析 对比上述 和 2.3.5, 发现基带信号和解调出来的信号完全一致 在 调制信号的频谱图中, 我们可以看出中心频率为载波频率 5000Hz, 最大频偏为 3000Hz, 与设定的值完全吻合 而利用波峰检测模块进行解调的时候 2.3.7, 会产生一定的失真, 这是因为波峰检测是利用采样得到的波形, 并不是原来的波形 最大频偏越大, 失真程度越小, 但占用的带宽越宽 3 数字调制 3.1 2ASK 2FSK 以及 2PSK 原理 数字调制 (Digital Modulation) 只用数字信号对载波的一个或多个参数所作的调制, 常见的 数字调制方法有幅移键控调制 (ASK), 频移键控调制 (FSK), 相移键控调制 (PSK), 正交

9 幅度调制 (QAM) 等 我们主要进行二进制数字载波调制仿真, 即 2ASK, 2FSK, 2PSK 以及多 进制 QAM 的仿真 2ASK [1] : 二进制幅移键控调制简称 2ASK, 是一种二进制的数字载波调幅调制方式 2ASK 是一种只对载波信号幅度进行调制的一维调制方式, 此时, 数字载波调制信号的一般表达式可以 简化为 式中 { } 为二进制的码元序列 下图为 2ASK 信号波形 : 图 ASK 信号波形 2ASK 载波调制实现方法 : 模拟振幅调制 通过基带信号 直接与正弦波信号 相乘获得 2ASK 信号 具体方法如下图所示 正弦波信号 发生器 图 模拟振幅调制 1 E 2ASK 的理论误码率为 : P e ercf( ) 2 2N 0 2FSK 信号 : 二进制频移键控调制简称 2FSK, 是一种二进制的数字载波频率调制方式, 也 是利用载波信号的频率来携带信息的一种调制方式 2FSK 信号一般可以表示成 其中第 n 个码元信号 为 2FSK 信号的波形示例如下 : 图 FSK 信号波形示例 从上图波形看出, 码元序列中的 0 和 1 分别对应调制后信号的不同频率, 这就是 FSK

10 和其他调制的区别, 信号的频率随着码元数值的变化不断变化 2FSK 信号的产生和上述的其他两种调制不同,FSK 信号的频率不断变化, 而上述两种调制的频率一直保持不便, 因此实现上述两种调制时只需要一个正弦信号发生器产生频率稳定地正弦波即可 产生 FSK 信号时则需要一个可以不断改变信号频率的信源, 因此可以考虑使用一个由变容二极管实现的模拟调频电路, 二值符号序列对应的两个不同的电平加到调频电路的变容二极管上, 可以产生两个不同频率的正弦信号 1 E 2FSK 的理论误码率为 : P e ercf( ) 2 2N 0 2PSK 信号 : 二进制相移键控调制是一种二进制的数字载波相位调制方式, 也是利用载波信 号的相位来携带信息的一种调制方式 为使代表信息 0 和信息 1 的信号相位最容易区分, 通常选择 0 和 180 分别代表上述的两种不同信息 2PSK 信号一般地仍可以表示为 式中的或二进制的码元序列控制载波相位在 0 和 180 两种取值间变化 的 分布特性可以表示为 下图为 2PSK 信号波形 : 图 PSK 信号波形从上面的波形看出码元序列内进行 0-1 或者 1-0 切换时, 信号的相位进行 180 翻转, 但是信号频率始终保持不变 与产生 2ASK 的方法类似,2PSK 信号可以采用模拟振幅调制, 通过双极性基带信号直接与正弦波信号相乘获得 2PSK 信号 实现图和 2ASK 一致 1 E 2PSK 的理论误码率为 P e ercf( ) 2 N 仿真过程因为 2ASK 2FSK 以及 2PSK 的实现过程类似, 在此以 2ASK 来进行举例说明 ASK 调制解调仿真首先产生一串伪随机序列作为发送序列, 利用内置 FSK 调制模块对其进行调制, 并将频谱搬移到高频段上, 加入白噪声, 再将频谱向下搬移解调, 绘出星座图

11 ASK 接收序列的延迟以及误码率 图 ASK 调制解调程序框图 在仿真的过程中, 解调出来的序列会相对发送序列有一个延迟, 只有将这个延迟计算出来, 才能计算误码率 利用一个循环, 不断的将接收序列错位并与发送序列进行对比, 不断计算得到在某一错位时发送序列与接收序列的相差最小, 记下这个延迟数, 就为整个系统的延迟, 并利用这个延迟计算出误码率 图 ASK 计算延迟与实际误码率模块 3.2 仿真结果 ASK 不断记录不同信噪比下 2ASK 的理论误码率与实际误码率, 绘图对比 信噪比 误码率 理论误码率 E-05

12 E E-10 表 信噪比与实际误码率以及理论误码率数据 图 信噪比与实际误码率以及理论误码率关系图 分别取信噪比为 -10dB 10dB 30dB, 记录下星座图 图 ASK 信噪比为 -10dB 图 ASK 信噪比为 10dB 图 ASK 信噪比为 30dB

13 FSK 不断记录不同信噪比下 2FSK 的理论误码率与实际误码率, 绘图对比 信噪比 误码率 理论误码率 E E E E 表 信噪比与实际误码率以及理论误码率数据 图 信噪比与实际误码率以及理论误码率关系图 分别取信噪比为 -10dB 10dB 30dB, 记录下星座图 图 FSK 信噪比为 -10dB

14 图 FSK 信噪比为 10dB 图 FSK 信噪比为 30dB PSK 不断记录不同信噪比下 2PSK 的理论误码率与实际误码率, 绘图对比 信噪比 误码率 理论误码率 E E E 表 信噪比与实际误码率以及理论误码率数据

15 图 信噪比与实际误码率以及理论误码率关系图分别取信噪比为 -10dB 10dB 30dB, 记录下星座图 图 PSK 信噪比为 -10dB 图 PSK 信噪比为 10dB 图 PSK 信噪比为 30dB

16 4 参考文献 [1] 王素珍, 通信原理, 北京邮电大学出版社,2010 年, 页 [2] 赵蓉, 现代通信原理教程, 北京邮电大学出版社,2009 年,90-97 页 5 谢辞 在本次 prp 课程中, 我从最开始对 LabVIEW 只有个模糊的概念, 到最后可以熟练的应用 LabVIEW, 并熟悉 LabVIEW 中各个模块以及做一些仿真项目 从第一次组会上, 学长推荐了我们几本相关的通信原理书, 我和我的组员一起到图书馆借到这些书目, 并复习了 QAM 调制解调的原理以及误码率的相关算法 随后, 我们就根据 QAM 调制解调的原理流程搭建仿真框图 从产生伪随机序列码, 到多进制 QAM 的参数的产生, 再经过调制 加噪声 解调等过程, 一直到最后绘制星座图并计算误码率 在熟悉 QAM 的原理后, 搭建框图的过程中我们并没有遇到太多困难 但在统计误码率的过程中, 我们一开始并没有考虑系统延迟的问题, 所以计算得出的误码率与理论误码率相差很大, 并且随着信噪比的变化而变化很小 后来我们了解到不同进制的 QAM 会产生不同的延迟, 所以我们必须提前把这个延迟的 bit 位数计算出来, 才能正确的计算出误码率 于是我们又设计了一个计算延迟数的模块, 利用不断错位接收到的序列与发送序列相比, 找到误差最小的地方, 不断统计, 从而得到延迟数 问题也因此解决了 随后, 我们又对模拟调制 FM 进行了仿真 对于 FM, 我们小组初步的想法是利用压控振荡器来进行调制, 但在 LabVIEW 软件中, 并没有找到压控振荡器的模块, 所以我们转变思维, 利用数学方法解决 FM 的调制解调过程 利用三角函数的和差化积公式和 LabVIEW 当中的数学模块, 解决了 FM 的调制过程 在 FM 解调的时候, 我们也遇到了瓶颈, 在课堂上, 我们是利用包络检波器来实现 FM 的解调过程, 但在 LabVIEW 中无法搭建电路来实现包络检波器, 而且利用峰值检波器元件得到的效果也不是很理想, 在波峰的地方很容易出现失真的现象 最后我们选择利用希尔伯特变换, 还是利用数学方法来实现 FM 解调, 得到的波形与调制信号基本一致 在此, 十分感谢老师以及学长对我的帮助, 以及组员的配合, 让我在此次 PRP 中获益良多

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