基于LabVIEW的正交振幅調制解調通信實驗系統設計

賈 勇， 倪銘徽， 吳慕云， 秦富鴻， 劉明哲

（成都理工大學信息科學與技術學院（網絡安全學院，牛津布魯克斯學院），成都 610059）

0 引 言

正交振幅調制技術（Quadrature Amplitude Modulation，QAM）是一種振幅和相位聯合鍵控技術，即信號的振幅和相位作為兩個獨立參量同時受到調制。其應用范圍非常之廣，囊括了移動通信、有線電視傳輸、數字視頻廣播衛星通信（Bigital Video Broadcasting-Satellite，DVB-S）、軟件無線電［1-2］應用等領域。QAM技術具有帶寬占用小、信噪比要求低的優勢，賦予了該技術在帶寬資源并不寬裕的移動通信和衛星通信領域更大的發揮空間［1］。作為通信工程實踐中極為重要的課題，以FPGA平臺為基礎的QAM技術的實現有助于通信硬件體系的完善和深入研究［3］。近年來，隨著5G技術的發展，QAM技術也在第5代移動通信技術（5G）領域中得到越來越多的運用，如5G波形設計中的濾波器組多載波信號（FBMC）和多輸入多輸出系統（MIMO）［4-5］。

作為現代調制、解調技術之一的正交振幅調制技術，過程復雜、原理煩瑣，就教學中理論掌握的效果而言，只有開展有關實驗才能使其鞏固和優化［6］。目前的通信仿真模型實驗教學中，Matlab／Simulink等程序設計語言得到普遍的應用［7-8，10］，同時也有諸如利用LabVIEW、SystemView平臺進行設計的實驗模型［8-14］。但是相比較LabVIEW而言，Matlab等程序語言在程序設計時門檻相對較高、代碼缺乏直觀性，由此帶來模型建立上的不便。LabVIEW在搭建實驗模型時，圖形化編程方式和過程透明化展示都極大地提升了系統開發調試的效率和理論教學的效果，更有利于對QAM技術的深入了解［15-16］。設計［14］在利用LabVIEW進行的實驗仿真時缺乏更為完整的通信過程，本設計對通信系統的全過程均進行了模擬和設置，有利于在教學時加深QAM通信的流程與框架概念。

1 系統結構

系統結構總框圖如圖1所示。

圖1 系統結構總程序圖

正交振幅調制、解調通信是指基帶的碼元信號按照一定的規則進行同相（In-phase，I路）與正交（Quadrate，Q路）兩路的分組映射，分別調制由同頻載波產生、有90°相位差的2個余弦載波，經過疊加后從發射端送入信道；在接收端利用同相同頻載波對信號解調、正交逆映射，最終得到原始碼元信號的通信過程。本設計依照正交振幅調制、解調的全部通信過程，由基帶信號生成、調制、信道加噪、解調和基帶信號恢復等模塊構成，并可實現16 QAM和64 QAM的切換，以及用戶自定義基帶信號的輸入。

2 系統設計

2.1 基帶信號生成

“序列發生”子vi如圖2所示。基帶信號可以由用戶輸入，也可以選擇遍歷星座圖上的所有點，用于將輸入的碼元數組擴展為基帶信號波形數組以參與調制。其中，參數“采樣率”與“碼速率”的商為“單個二進制碼的長度（點數）”。“輸入序列”為離散的二進制數組，為形成波形必須進行數組的擴充。

圖2 “序列發生”子vi程序圖

“基帶信號生成”部分如圖3所示，由2個開關控制，其中“星座圖測試開關”用于切換針對當前調制方式（16QAM或64QAM）星座圖全部狀態的遍歷和用戶自定義二進制碼的輸入，“16／64QAM”用于切換QAM的調制方式。最終生成的基帶信號波形由“示波器”vi輸出和展示。

2.2 調制

基帶信號波形由此處開始參與調制。調制由“正交映射”“正交載波發生”和“調制波形生成”3個部分組成。

（1）正交映射。“正交映射”部分如圖4所示。

圖3 “基帶信號生成”部分程序圖

圖4 “正交映射”部分程序圖

雖同為QAM調制，但16QAM和64QAM在進制數方面略有不同，需分別設計映射方式。其中16QAM和64QAM映射方式的子vi分別如圖5、6所示。

以16QAM正交映射為例，基帶信號數組以4個二進制bit為1組的形式進行拆分，其中前2 bit對應正交Q路，星座圖上對應縱坐標；后2 bit對應同相I路，星座圖上對應橫坐標。最終得到IQ2路映射后的基帶信號數組。同理，64QAM以6個二進制bit為1組進行對半拆分。在具體實踐過程中，利用LabVIEW的公式節點法進行功能的實現。

在完成正交映射后，新生成的基帶信號數組依照前述“采樣率”和“碼速率”參數拓展為基帶信號波形數組。

（2）正交載波發生。“正交載波發生”部分及其附屬子vi展開如圖7所示。為實現正交振幅調制，其IQ兩路載波在相位上存在90°的差。其中，參數“采樣點數”為了調試測試方便，設置為單個周期點數的整數倍。單個周期內的點數為參數“載波采樣率”與“載波頻率”之商。振幅設置為1 V。調用LabVIEW自帶的正弦波子vi，輸入前述參數，生成兩路正交載波波形數組。

圖5 “16QAM正交映射”子vi展開程序圖

圖6 “64QAM正交映射”子vi展開程序圖

圖7 “正交載波發生”部分展開程序圖

（3）調制波形生成。“調制波形生成”部分如圖8所示。此處是QAM調制部分的最后一步，將載波和基帶信號按照QAM調制的規則進行運算，即I路映射后基帶信號與對應I路載波之積同Q路映射后基帶信號與對應Q路載波之積相減；同時輸出調制完成后的波形。

圖8 “調制波形生成”部分程序圖

2.3 加噪

“信道加噪”部分如圖9所示。為實現信道狀況的簡單模擬，在QAM調制完成后的波形中加入高斯白噪聲，其中噪聲的功率由“高斯噪聲標準差”參數決定。

圖9 “信道加噪”部分程序圖

2.4 解調

正交振幅調制的解調方法是相干載波解調法。本設計使用與信源同源的兩路正交載波作為相干解調所需的載波參與運算，其相乘結果經濾波、抽樣判決、正交逆映射后得到復原的原始信號。

（1）相干解調。“相干解調與濾波”部分如圖10所示。

圖10 “相干解調與濾波”部分程序圖

同源載波與調制信號相乘后會產生高頻分量與直流分量，此時的直流分量為所需信號波形。將相乘后的信號通過巴特沃斯濾波器以濾除高頻分量。其中，巴特沃斯濾波器為LabVIEW自帶子vi，由參數“濾波器階數”和“截止頻率”決定。由于直流分量的幅值經相乘后為原先的一半，且Q路在QAM調制過程中產生了反相，故將兩路信號振幅均擴大為原來2倍，并對Q路信號取反運算。

（2）抽樣判決。“抽樣判決”部分及其附屬子vi展開如圖11所示。

由相干解調和濾波而來的2路正交信號，一方面輸出為星座圖以供QAM參數的調試，另一方面經過抽樣判決，獲得2路正交基帶信號。由于使用了數組作為載體，通過取正交碼元寬度的數組中位值并四舍五入取整后，得到正交基帶信號數組。在抽樣判決子vi中，參數“數組輸入”為前級數組；參數“碼元寬度”與“基帶信號生成”中的“碼元寬度（點數）”同源；“碼元擴展倍數”為由QAM方式決定：16QAM時為“碼元擴展倍數”為“4”，64QAM時為“6”。

（3）正交逆映射。16QAM和64QAM的“正交逆映射”子vi展開分別如圖12、13所示。前級雙路正交碼元數組送入“正交逆映射”部分后，同樣利用公式節點的方法處理，并且合并形成二維數組，送入下一級“信號復原與輸出”處理。

2.5 信號復原與輸出

由前級所得二維數組進入如圖14所示的“信號復原與輸出”部分。前級經過正交逆映射得到的數組展開為一維數組，得到與信源相同的基帶信號碼。

圖11 “抽樣判決”部分及其附屬子vi展開程序圖

圖12 16QAM逆映射子vi程序圖

圖13 64QAM逆映射子vi程序圖

2.6 系統前面板

系統前面板主要是對QAM系統流程中各個環節的信號波形進行展示，使得系統通信過程清晰明了，便于參數的調試。主要設計的展示模塊有：“基帶信號”“星座圖”“QAM調制波形”“QAM調制波形功率譜”“接收端輸出序列”以及調制系統過程中的其他信號波形。

3 分析測試

為對本系統的16QAM、64QAM兩種調制方式進行驗證，需要對系統參數設置進行一定調整，合適的系統參數能完備地展示QAM調制的全過程。不同測試目的，需使用不同的系統參數。

圖14 “信號復原”部分程序圖

3.1 以用戶自定義輸入進行測試

將“星座圖測試”開關置于關閉狀態。為便于16QAM和64QAM的即時切換對比，本文選擇輸入碼為24 bit“100100111001101011010011”。基帶信號部分，“碼速率”設置為300 bit／s，“采樣率”為37 150 point／s，此時碼元寬度為124 point／bit；“載頻”為250 Hz，“載波采樣率”為10 000 point／s，此時每個周期采樣點數為40 point。設置“采樣點數”為周期采樣點數的75倍。切換開關“16／64QAM”以測試不同進制下的QAM調制效果。

以16QAM為例，基帶信號波形如圖16所示，調制后的QAM波形如圖17所示，功率譜如圖18所示。

為實現正確解調，需要設置合適的濾波器參數。在上述信源條件下，設置巴特沃斯低通濾波器參數“階數”為2階，“截止頻率”為200 Hz，此時解調輸出序列與基帶信號序列一致，如圖19所示。16QAM通信系統正常運行。

圖15 系統前面板界面圖

圖16 基帶信號波形圖

圖17 QAM調制后波形圖

圖18 QAM功率譜圖

圖19 QAM通信系統解調結果

調節參數“高斯噪聲標準差”為2，設置加入信道的高斯白噪聲的功率，模擬信道失真效果。此時16QAM調制波形如圖20所示，功率譜如圖21所示，可見，功率譜中疊加了遍布頻譜范圍的高斯白噪聲。經5 000次循環實驗后，通過對比觀察“基帶信號”和“輸出序列”的差距，可以發現誤碼率為21%。

圖20 16QAM調制信道加噪后波形圖

圖21 16QAM調制信道加噪后功率譜圖

3.2 星座圖遍歷測試

切換開關“星座圖測試”。此時的信號基帶輸入依據調制進制的不同而分別遍歷對應進制所有信號矢量點。以64QAM為例，設置載波參數“載頻”為250 Hz，“載波采樣率”為10 000 points／s，“采樣點數”為周期點數的50 000倍，“高斯噪聲標準差”為0.4 V，“濾波器階數”為1階，“截止頻率”為100 Hz。得到如圖22所示星座圖。

圖22 64QAM星座圖

4 結 語

作為現代通信調制技術，正交振幅調制技術在通信領域中起著至關重要的作用，其概念的抽象需要不斷的實驗來加深直觀感受。本通信實驗模型為正交振幅調制通信系統的教學實現提供了一個范例，將實驗重心放在理論公式的應用和實現上，集中體現包含了QAM技術思想特征“IQ正交”的理論步驟（如“正交映射”），有助于加深學生對該技術的理解；同時，又在一定范圍內給予實驗的自主性和可驗證性，除了設置多個可調節參數，基帶信號的輸入也是學生可以自定義的。綜上，本實驗通信系統的設計具有教學實驗和研究拓展的應用價值。