基于LabVIEW的正交振幅调制解调通信实验系统设计

贾 勇， 倪铭徽， 吴慕云， 秦富鸿， 刘明哲

（成都理工大学信息科学与技术学院（网络安全学院，牛津布鲁克斯学院），成都 610059）

0 引 言

正交振幅调制技术（Quadrature Amplitude Modulation，QAM）是一种振幅和相位联合键控技术，即信号的振幅和相位作为两个独立参量同时受到调制。其应用范围非常之广，囊括了移动通信、有线电视传输、数字视频广播卫星通信（Bigital Video Broadcasting-Satellite，DVB-S）、软件无线电［1-2］应用等领域。QAM技术具有带宽占用小、信噪比要求低的优势，赋予了该技术在带宽资源并不宽裕的移动通信和卫星通信领域更大的发挥空间［1］。作为通信工程实践中极为重要的课题，以FPGA平台为基础的QAM技术的实现有助于通信硬件体系的完善和深入研究［3］。近年来，随着5G技术的发展，QAM技术也在第5代移动通信技术（5G）领域中得到越来越多的运用，如5G波形设计中的滤波器组多载波信号（FBMC）和多输入多输出系统（MIMO）［4-5］。

作为现代调制、解调技术之一的正交振幅调制技术，过程复杂、原理烦琐，就教学中理论掌握的效果而言，只有开展有关实验才能使其巩固和优化［6］。目前的通信仿真模型实验教学中，Matlab／Simulink等程序设计语言得到普遍的应用［7-8，10］，同时也有诸如利用LabVIEW、SystemView平台进行设计的实验模型［8-14］。但是相比较LabVIEW而言，Matlab等程序语言在程序设计时门槛相对较高、代码缺乏直观性，由此带来模型建立上的不便。LabVIEW在搭建实验模型时，图形化编程方式和过程透明化展示都极大地提升了系统开发调试的效率和理论教学的效果，更有利于对QAM技术的深入了解［15-16］。设计［14］在利用LabVIEW进行的实验仿真时缺乏更为完整的通信过程，本设计对通信系统的全过程均进行了模拟和设置，有利于在教学时加深QAM通信的流程与框架概念。

1 系统结构

系统结构总框图如图1所示。

图1 系统结构总程序图

正交振幅调制、解调通信是指基带的码元信号按照一定的规则进行同相（In-phase，I路）与正交（Quadrate，Q路）两路的分组映射，分别调制由同频载波产生、有90°相位差的2个余弦载波，经过叠加后从发射端送入信道；在接收端利用同相同频载波对信号解调、正交逆映射，最终得到原始码元信号的通信过程。本设计依照正交振幅调制、解调的全部通信过程，由基带信号生成、调制、信道加噪、解调和基带信号恢复等模块构成，并可实现16 QAM和64 QAM的切换，以及用户自定义基带信号的输入。

2 系统设计

2.1 基带信号生成

“序列发生”子vi如图2所示。基带信号可以由用户输入，也可以选择遍历星座图上的所有点，用于将输入的码元数组扩展为基带信号波形数组以参与调制。其中，参数“采样率”与“码速率”的商为“单个二进制码的长度（点数）”。“输入序列”为离散的二进制数组，为形成波形必须进行数组的扩充。

图2 “序列发生”子vi程序图

“基带信号生成”部分如图3所示，由2个开关控制，其中“星座图测试开关”用于切换针对当前调制方式（16QAM或64QAM）星座图全部状态的遍历和用户自定义二进制码的输入，“16／64QAM”用于切换QAM的调制方式。最终生成的基带信号波形由“示波器”vi输出和展示。

2.2 调制

基带信号波形由此处开始参与调制。调制由“正交映射”“正交载波发生”和“调制波形生成”3个部分组成。

（1）正交映射。“正交映射”部分如图4所示。

图3 “基带信号生成”部分程序图

图4 “正交映射”部分程序图

虽同为QAM调制，但16QAM和64QAM在进制数方面略有不同，需分别设计映射方式。其中16QAM和64QAM映射方式的子vi分别如图5、6所示。

以16QAM正交映射为例，基带信号数组以4个二进制bit为1组的形式进行拆分，其中前2 bit对应正交Q路，星座图上对应纵坐标；后2 bit对应同相I路，星座图上对应横坐标。最终得到IQ2路映射后的基带信号数组。同理，64QAM以6个二进制bit为1组进行对半拆分。在具体实践过程中，利用LabVIEW的公式节点法进行功能的实现。

在完成正交映射后，新生成的基带信号数组依照前述“采样率”和“码速率”参数拓展为基带信号波形数组。

（2）正交载波发生。“正交载波发生”部分及其附属子vi展开如图7所示。为实现正交振幅调制，其IQ两路载波在相位上存在90°的差。其中，参数“采样点数”为了调试测试方便，设置为单个周期点数的整数倍。单个周期内的点数为参数“载波采样率”与“载波频率”之商。振幅设置为1 V。调用LabVIEW自带的正弦波子vi，输入前述参数，生成两路正交载波波形数组。

图5 “16QAM正交映射”子vi展开程序图

图6 “64QAM正交映射”子vi展开程序图

图7 “正交载波发生”部分展开程序图

（3）调制波形生成。“调制波形生成”部分如图8所示。此处是QAM调制部分的最后一步，将载波和基带信号按照QAM调制的规则进行运算，即I路映射后基带信号与对应I路载波之积同Q路映射后基带信号与对应Q路载波之积相减；同时输出调制完成后的波形。

图8 “调制波形生成”部分程序图

2.3 加噪

“信道加噪”部分如图9所示。为实现信道状况的简单模拟，在QAM调制完成后的波形中加入高斯白噪声，其中噪声的功率由“高斯噪声标准差”参数决定。

图9 “信道加噪”部分程序图

2.4 解调

正交振幅调制的解调方法是相干载波解调法。本设计使用与信源同源的两路正交载波作为相干解调所需的载波参与运算，其相乘结果经滤波、抽样判决、正交逆映射后得到复原的原始信号。

（1）相干解调。“相干解调与滤波”部分如图10所示。

图10 “相干解调与滤波”部分程序图

同源载波与调制信号相乘后会产生高频分量与直流分量，此时的直流分量为所需信号波形。将相乘后的信号通过巴特沃斯滤波器以滤除高频分量。其中，巴特沃斯滤波器为LabVIEW自带子vi，由参数“滤波器阶数”和“截止频率”决定。由于直流分量的幅值经相乘后为原先的一半，且Q路在QAM调制过程中产生了反相，故将两路信号振幅均扩大为原来2倍，并对Q路信号取反运算。

（2）抽样判决。“抽样判决”部分及其附属子vi展开如图11所示。

由相干解调和滤波而来的2路正交信号，一方面输出为星座图以供QAM参数的调试，另一方面经过抽样判决，获得2路正交基带信号。由于使用了数组作为载体，通过取正交码元宽度的数组中位值并四舍五入取整后，得到正交基带信号数组。在抽样判决子vi中，参数“数组输入”为前级数组；参数“码元宽度”与“基带信号生成”中的“码元宽度（点数）”同源；“码元扩展倍数”为由QAM方式决定：16QAM时为“码元扩展倍数”为“4”，64QAM时为“6”。

（3）正交逆映射。16QAM和64QAM的“正交逆映射”子vi展开分别如图12、13所示。前级双路正交码元数组送入“正交逆映射”部分后，同样利用公式节点的方法处理，并且合并形成二维数组，送入下一级“信号复原与输出”处理。

2.5 信号复原与输出

由前级所得二维数组进入如图14所示的“信号复原与输出”部分。前级经过正交逆映射得到的数组展开为一维数组，得到与信源相同的基带信号码。

图11 “抽样判决”部分及其附属子vi展开程序图

图12 16QAM逆映射子vi程序图

图13 64QAM逆映射子vi程序图

2.6 系统前面板

系统前面板主要是对QAM系统流程中各个环节的信号波形进行展示，使得系统通信过程清晰明了，便于参数的调试。主要设计的展示模块有：“基带信号”“星座图”“QAM调制波形”“QAM调制波形功率谱”“接收端输出序列”以及调制系统过程中的其他信号波形。

3 分析测试

为对本系统的16QAM、64QAM两种调制方式进行验证，需要对系统参数设置进行一定调整，合适的系统参数能完备地展示QAM调制的全过程。不同测试目的，需使用不同的系统参数。

图14 “信号复原”部分程序图

3.1 以用户自定义输入进行测试

将“星座图测试”开关置于关闭状态。为便于16QAM和64QAM的即时切换对比，本文选择输入码为24 bit“100100111001101011010011”。基带信号部分，“码速率”设置为300 bit／s，“采样率”为37 150 point／s，此时码元宽度为124 point／bit；“载频”为250 Hz，“载波采样率”为10 000 point／s，此时每个周期采样点数为40 point。设置“采样点数”为周期采样点数的75倍。切换开关“16／64QAM”以测试不同进制下的QAM调制效果。

以16QAM为例，基带信号波形如图16所示，调制后的QAM波形如图17所示，功率谱如图18所示。

为实现正确解调，需要设置合适的滤波器参数。在上述信源条件下，设置巴特沃斯低通滤波器参数“阶数”为2阶，“截止频率”为200 Hz，此时解调输出序列与基带信号序列一致，如图19所示。16QAM通信系统正常运行。

图15 系统前面板界面图

图16 基带信号波形图

图17 QAM调制后波形图

图18 QAM功率谱图

图19 QAM通信系统解调结果

调节参数“高斯噪声标准差”为2，设置加入信道的高斯白噪声的功率，模拟信道失真效果。此时16QAM调制波形如图20所示，功率谱如图21所示，可见，功率谱中叠加了遍布频谱范围的高斯白噪声。经5 000次循环实验后，通过对比观察“基带信号”和“输出序列”的差距，可以发现误码率为21%。

图20 16QAM调制信道加噪后波形图

图21 16QAM调制信道加噪后功率谱图

3.2 星座图遍历测试

切换开关“星座图测试”。此时的信号基带输入依据调制进制的不同而分别遍历对应进制所有信号矢量点。以64QAM为例，设置载波参数“载频”为250 Hz，“载波采样率”为10 000 points／s，“采样点数”为周期点数的50 000倍，“高斯噪声标准差”为0.4 V，“滤波器阶数”为1阶，“截止频率”为100 Hz。得到如图22所示星座图。

图22 64QAM星座图

4 结 语

作为现代通信调制技术，正交振幅调制技术在通信领域中起着至关重要的作用，其概念的抽象需要不断的实验来加深直观感受。本通信实验模型为正交振幅调制通信系统的教学实现提供了一个范例，将实验重心放在理论公式的应用和实现上，集中体现包含了QAM技术思想特征“IQ正交”的理论步骤（如“正交映射”），有助于加深学生对该技术的理解；同时，又在一定范围内给予实验的自主性和可验证性，除了设置多个可调节参数，基带信号的输入也是学生可以自定义的。综上，本实验通信系统的设计具有教学实验和研究拓展的应用价值。