基于MATLAB下的16QAM仿真.doc

沈陽(yáng)理工大學(xué)通信原理課程設(shè)計(jì)報(bào)告1.課程設(shè)計(jì)目的隨著現(xiàn)代通信技術(shù)的發(fā)展，特別是移動(dòng)通信技術(shù)高速發(fā)展，頻帶利用率問(wèn)題越來(lái)越被人們關(guān)注。在頻譜資源非常有限的今天，傳統(tǒng)通信系統(tǒng)的容量已經(jīng)不能滿足當(dāng)前用戶的要求。正交幅度調(diào)制QAM(Quadrature Amplitude Modulation)以其高頻譜利用率、高功率譜密度等優(yōu)勢(shì)，成為寬帶無(wú)線接入和無(wú)線視頻通信的重要技術(shù)方案。首先介紹了QAM調(diào)制解調(diào)原理，提出了一種基于MATLAB的16QAM系統(tǒng)調(diào)制解調(diào)方案，包括串并轉(zhuǎn)換，2-4電平轉(zhuǎn)換，抽樣判決，4-2電平轉(zhuǎn)換和并串轉(zhuǎn)換子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，對(duì)16QAM的星座圖和調(diào)制解調(diào)進(jìn)行了仿真，并對(duì)系統(tǒng)性能進(jìn)行了分析，進(jìn)而證明16QAM調(diào)制技術(shù)的優(yōu)越性。2.課程設(shè)計(jì)要求 （1）設(shè)計(jì)一個(gè)16QAM調(diào)制與解調(diào)系統(tǒng)。 （2）設(shè)計(jì)程序時(shí)必須使得程序盡可能的簡(jiǎn)單。 （3）利用MATLAB進(jìn)行程序編寫并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析。3.相關(guān)知識(shí)隨著現(xiàn)代通信技術(shù)的發(fā)展，特別是移動(dòng)通信技術(shù)高速發(fā)展，新的需求層出不窮，促使新的業(yè)務(wù)不斷產(chǎn)生，因而導(dǎo)致頻率資源越來(lái)越緊張。在有限的帶寬里要傳輸大量的多媒體數(shù)據(jù)，頻譜利用率成為當(dāng)前至關(guān)重要的課題，由于具有高頻譜利用率、高功率譜密度等優(yōu)勢(shì)，16QAM技術(shù)被廣泛應(yīng)用于高速數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng).在很多寬帶應(yīng)用領(lǐng)域，比如數(shù)字電視廣播，Internet寬帶接入，QAM系統(tǒng)都得到了廣泛的應(yīng)用。QAM也可用于數(shù)字調(diào)制。數(shù)字QAM有4QAM、8QAM、16QAM、32QAM等調(diào)制方式。其中，16QAM和32QAM廣泛用于數(shù)字有線電視系統(tǒng)。當(dāng)今國(guó)際市場(chǎng)上出現(xiàn)了采用16QAM調(diào)制技術(shù)的衛(wèi)通調(diào)制解調(diào)器，如美國(guó)COMTECH EF DATA公司新推出的CDM-600。該衛(wèi)通調(diào)制解調(diào)器支持速率高達(dá)20Mbps1。無(wú)線通信技術(shù)的迅猛發(fā)展對(duì)數(shù)據(jù)傳輸速率、傳輸效率和頻帶利用率提出了更高的要求。選擇高效可行調(diào)制解調(diào)手段，對(duì)提高信號(hào)的有效性和可靠性起著至關(guān)重要的作用。由于QAM已經(jīng)成為寬帶無(wú)線接入和無(wú)線視頻通信的重要技術(shù)方案。關(guān)于調(diào)制解調(diào)技術(shù)的仿真研究對(duì)于QAM理論研究和相關(guān)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)具有重要意義。在簡(jiǎn)單分析QAM原理的基礎(chǔ)上，以16QAM為例，提出了基MATLAB的16QAM編解碼系統(tǒng)仿真方案，設(shè)計(jì)了實(shí)際仿真模型。仿真結(jié)果和分析表明，提出的方案可行，為QAM通信系統(tǒng)性能的研究提供了一種行之有效的分析方法。本文旨在在熟悉QAM調(diào)制解調(diào)原理的基礎(chǔ)上，完成通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)16QAM調(diào)試過(guò)程的MATLAB仿真。設(shè)計(jì)其中的各種實(shí)現(xiàn)模塊的參數(shù)，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行仿真，并繪出各個(gè)模塊的輸出信號(hào)的波形，設(shè)計(jì)出16QAM調(diào)試過(guò)程中的串并轉(zhuǎn)換子系統(tǒng)，2-4電平轉(zhuǎn)換子系統(tǒng)，抽樣判決子系統(tǒng)，4-2電平轉(zhuǎn)換子系統(tǒng)及并串轉(zhuǎn)換子系統(tǒng)。在此基礎(chǔ)上， 對(duì)QAM調(diào)制的性能進(jìn)行分析。4.課程設(shè)計(jì)分析4.1調(diào)制簡(jiǎn)介調(diào)制在通信系統(tǒng)中的作用至關(guān)重要。所謂調(diào)制，就是把信號(hào)轉(zhuǎn)換成適合在信道中傳輸?shù)男问降囊环N過(guò)程。廣義的調(diào)制分為基帶調(diào)制和帶通調(diào)制（也稱載波調(diào)制）。載波調(diào)制，就是用調(diào)制信號(hào)去控制載波的參數(shù)的過(guò)程，即使載波的某一個(gè)或某幾個(gè)參數(shù)暗中啊調(diào)制信號(hào)的規(guī)律而變化。調(diào)制信號(hào)是指來(lái)自信源的消息信號(hào)（基帶信號(hào)），這些信號(hào)可以是模擬的，也可以是數(shù)字的。未受調(diào)制的周期性震蕩信號(hào)稱為載波，它可以是正弦波，也可以使非正弦波（如周期性脈沖序列）。載波調(diào)制后稱為已調(diào)信號(hào)，它含有調(diào)制信號(hào)的全部特征。基帶信號(hào)對(duì)載波的調(diào)制是為了實(shí)現(xiàn)下列一個(gè)或多個(gè)目標(biāo)：第一，在無(wú)線傳輸中，信號(hào)是以電磁波的形式通過(guò)天線輻射到空間的。為了獲得較高的輻射效率，天線的尺寸必須與發(fā)射信號(hào)波長(zhǎng)相比擬，而基帶信號(hào)包含的較低頻率分量的波長(zhǎng)較長(zhǎng)，只是天線過(guò)長(zhǎng)而難以實(shí)現(xiàn)。但若通過(guò)調(diào)制，把基帶信號(hào)的頻譜搬至較高的載波頻率上，是已調(diào)信號(hào)的頻譜與信道的帶通特性相匹配，這樣就可以提高傳輸性能，以較小的發(fā)送功率與較短的天線來(lái)輻射電磁波。第二，把多個(gè)基帶信號(hào)分別搬移到不同的載頻處，以實(shí)現(xiàn)信道的多路復(fù)用，提高信道利用率。第三，擴(kuò)展信號(hào)帶寬，提高系統(tǒng)抗干擾、抗衰落能力，還可實(shí)現(xiàn)傳輸帶寬與信噪比之間的互換。因此，調(diào)制對(duì)通信系統(tǒng)的有效性和可靠性有著很大的影響和作用。解調(diào)（也稱檢波）則是調(diào)制的逆過(guò)程，其作用是將已調(diào)信號(hào)中的調(diào)制信號(hào)恢復(fù)出來(lái)。解調(diào)的方法可分為兩類：相干解調(diào)和非相干解調(diào)（包絡(luò)檢波）。相干解調(diào)時(shí)，為了無(wú)失真地恢復(fù)原基帶信號(hào)，接收端必須提供一個(gè)與接收的已調(diào)載波嚴(yán)格同步（同頻同相）的本地載波。本課題采用的是相干解調(diào) 4.2正交振幅調(diào)制系統(tǒng)它是把2ASK和2PSK兩種調(diào)制結(jié)合起來(lái)的調(diào)制技術(shù)，使得帶寬得到雙倍擴(kuò)展。QAM調(diào)制技術(shù)用兩路獨(dú)立的基帶信號(hào)對(duì)頻率相同、相位正交的兩個(gè)載波進(jìn)行抑制載波雙邊帶調(diào)幅，并將已調(diào)信號(hào)加在一起進(jìn)行傳輸。nQAM代表n個(gè)狀態(tài)的正交調(diào)幅，一般有二進(jìn)制（4QAM）、四進(jìn)制（16QAM）、八進(jìn)制（64QAM）。我們需要得到多進(jìn)制的QAM信號(hào)，需將二進(jìn)制信號(hào)轉(zhuǎn)換為m電平的多進(jìn)制信號(hào)，然后進(jìn)行正交調(diào)制，最后相加輸出。 圖4-1 QAM信號(hào)產(chǎn)生原理圖QAM信號(hào)用正交相干解調(diào)方法進(jìn)行解調(diào)，通過(guò)解調(diào)器將QAM信號(hào)進(jìn)行正交相干解調(diào)后，用低通濾波器LPF濾除乘法器產(chǎn)生的高頻分量，輸出抽樣判決后可恢復(fù)出的兩路獨(dú)立電平信號(hào)，最后將多電平碼元與二進(jìn)制碼元間的關(guān)系進(jìn)行轉(zhuǎn)換，將電平信號(hào)轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制信號(hào)，經(jīng)并/串變換后恢復(fù)出原二進(jìn)制基帶信號(hào)。16QAM調(diào)制框圖：圖4-2 6QAM信號(hào)調(diào)制框圖16QAM最佳接收框圖： 圖4-3 16QAM最佳接收框圖（1）首先生成一個(gè)隨機(jī)且長(zhǎng)度為10000的二進(jìn)制比特流，并畫(huà)出了前50個(gè)比特的信號(hào)圖（如圖17所示）。（2）在MATLAB中16QAM調(diào)制器要求輸入的信號(hào)為0-15這16個(gè)值，所以需要用函數(shù)reshape和bi2de將二進(jìn)制的比特流轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的十六進(jìn)制信號(hào)。（3）利用MATLAB中的modem.qammod函數(shù)生成16QAM調(diào)制器，再通過(guò)其對(duì)信號(hào)進(jìn)行調(diào)制并畫(huà)出信號(hào)的星座圖。（4）通過(guò)awgn 信道在16QAM信號(hào)中加入高斯白噪聲（假設(shè)Eb/No=15db）。（5）利用MATLAB中的scatterplot函數(shù)畫(huà)出通過(guò)信道后接受到的信號(hào)的星座圖。（6）利用MATLAB中的eyediagram函數(shù)生成經(jīng)過(guò)信道后的眼圖。（7）利用MATLAB中的demodulate和modem.qamdemod函數(shù)生成解調(diào)器對(duì)16QAM信號(hào)的解調(diào)，并將十六進(jìn)制信號(hào)轉(zhuǎn)化成二進(jìn)制比特流信息。（8）用得到比特流信息除以原始發(fā)送的比特流信息來(lái)計(jì)算誤碼率。5.仿真程序如下：M=16;k=log2(M);n=100000; %比特序列長(zhǎng)度samp=1; %過(guò)采樣率x=randint(n,1); %生成隨機(jī)二進(jìn)制比特流stem(x(1:50),filled); %畫(huà)出相應(yīng)的二進(jìn)制比特流信號(hào)title(二進(jìn)制隨機(jī)比特流);xlabel(比特序列);ylabel(信號(hào)幅度);x4=reshape(x,k,length(x)/k); %將原始的二進(jìn)制比特序列每四個(gè)一組分組，并排列成k行l(wèi)ength(x)/k列的矩陣xsym=bi2de(x4.,left-msb); %將矩陣轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的16進(jìn)制信號(hào)序列figure;stem(xsym(1:50); %畫(huà)出相應(yīng)的16進(jìn)制信號(hào)序列title(16進(jìn)制隨機(jī)信號(hào));xlabel(信號(hào)序列);ylabel(信號(hào)幅度);y=modulate(modem.qammod(M),xsym); %用16QAM調(diào)制器對(duì)信號(hào)進(jìn)行調(diào)制scatterplot(y); %畫(huà)出16QAM信號(hào)的星座圖text(real(y)+0.1,imag(y),dec2bin(xsym);axis(-5 5 -5 5);EbNo=15;snr=EbNo+10*log10(k)-10*log10(samp); %信噪比yn=awgn(y,snr,measured); %加入高斯白噪聲h=scatterplot(yn,samp,0,b.); %經(jīng)過(guò)信道后接收到的含白噪聲的信號(hào)星座圖hold on;scatterplot(y,1,0,k+,h); %加入不含白噪聲的信號(hào)星座圖title(接收信號(hào)星座圖);legend(含噪聲接收信號(hào),不含噪聲信號(hào));axis(-5 5 -5 5);hold on;eyediagram(yn,2); %眼圖yd=demodulate(modem.qamdemod(M),yn); %此時(shí)解調(diào)出來(lái)的是16進(jìn)制信號(hào)z=de2bi(yd,left-msb); %轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制比特流z=reshape(z.,numel(z),1);number_of_errors,bit_error_rate=biterr(x,z)運(yùn)行結(jié)果：number_of_errors =0bit_error_rate =06.仿真結(jié)果：圖6-1 二進(jìn)制隨機(jī)比特流 圖6-2 16QAM信號(hào)序列圖6-3 16QAM信號(hào)的星座圖圖6-4 含白噪聲的信號(hào)星座圖圖6-5 不含白噪聲的信號(hào)星座圖 圖6-6 眼圖6.主要儀器與設(shè)備裝有MATLAB的PC機(jī)一臺(tái)。7. 設(shè)計(jì)體會(huì) 課程設(shè)計(jì)做完了，總結(jié)一下，我想我還是收獲了不少。從一開(kāi)始選題時(shí)的不自信（怕自己做不出）到最后我比較圓滿的完成這次課程設(shè)計(jì)，正好應(yīng)征了一句老話：“功夫不負(fù)有心人”。選完題后，我并不知道該如何動(dòng)手，所以我只有看書(shū)。通過(guò)看書(shū)，我掌握了16QAM調(diào)制與解調(diào)的原理并決定從星座圖開(kāi)始入手。從而最終將系統(tǒng)程序編寫出來(lái)。除了掌握了課本上的知識(shí)外，通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)我更加熟練了MATLA