QAM調制技術的研究與仿真技術畢業(yè)論文

1、 111武漢工程大學郵電與信息工程學院畢業(yè)設計（論文）QAM調制技術的研究與仿真Study and Simulation of QAMModulation Technology學生姓名 學 號 專業(yè)班級 指導教師 2015年5月作者聲明本人聲明所呈交的論文是我個人在導師指導下進行的研究工作及取得的研究成果，除了文中特別加以標注的地方外，沒有任何剽竊、抄襲、造假等違反學術道德、學術規(guī)范的行為，也沒有侵犯任何其他人或組織的科研成果及專利。與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻均已在論文中作了明確的說明并表示了謝意。如本畢業(yè)設計（論文）引起的法律結果完全由本人承擔。畢業(yè)設計（論文）成果歸武漢工程大

2、學郵電與信息工程學院所有。特此聲明。 作者專業(yè)： 作者學號： _ 作者簽名： _ _年_月_日摘 要傳統(tǒng)的兩種數(shù)字調制方式：頻率調制和相位調制都存在功率譜衰減慢、帶外輻射嚴重、頻譜利用率低、抗多徑衰落能力差等缺點。正交振幅調制(QAM)是一種振幅和相位聯(lián)合控制的數(shù)字調制技術，它既能得到更高的頻譜效率，又能在限定的頻帶內傳輸更高速率的數(shù)據(jù)。QAM在如今通信領域扮演著重要的角色，因而對QAM進行深入研究具有重要的理論和現(xiàn)實意義。MATLAB是一種便捷、高效、直觀的仿真平臺。它有著強大的繪圖能力，這為對通信系統(tǒng)的研究提供了強有力的仿真手段。本文利用MATLAB對QAM調制和解調進行仿真，得到清晰的仿

3、真圖像。本文主要是對正交幅度調制技術的調制和解調原理進行研究和仿真。首先，介紹了本文的選題背景和QAM的發(fā)展現(xiàn)狀。接著，研究了QAM的調制和解調原理，對其特點進行了分析，并討論了QAM調制技術在通信體統(tǒng)中的應用。最后，通過編碼在MATLAB中進行仿真，對所得的星座圖、眼圖和誤碼率曲線進行分析，之后得到仿真結果和理論值基本一致的結論。關鍵詞：正交幅度調制；星座圖；誤碼率; MATLABAbstractAs the two traditional methods of digital modulation：frequency modulation and phase modulation, hav

4、e some defects, for instance slow power spectrum decaying, serious out-of-band radiation, low spectrum utilization rate, poor resistance to mufti-path fading. Quadrature amplitude modulation is a joint-controlled digital modulation technology of amplitude and phase, which not only has higher spectru

5、m efficiency, but also has higher speed of data transmission in limited frequency band. QAM modulation technology plays an important role in modern communication. So that there is important theoretical and practical significance in deeply researching in QAM.MATLAB is a kind of convenient efficient v

6、isual simulation platform. It has a strong ability of drawing. This provides the study of communication system with strong method of simulation. This paper exploit MATLAB to do the simulation of QAM modulation and demodulation, get a clear picture of the simulation.This paper is mainly to research a

7、nd simulate the modulation and demodulation principle of the Quadrature Amplitude Modulation technology. First, This paper introduced the selected topic background and the development status of QAM. Then, studied the QAM modulation and demodulation principle, its characteristics are analyzed, and di

8、scusses the QAM modulation technology in the application of the communication system. Finally, simulated in MATLAB by coding, the resulting constellation, eye diagram and BER curves were analyzed, after get the simulation results accord with the conclusion.Key Words： QAM（Quadrature amplitude modulat

9、ion）；Constellation；The bit error rate；MATLAB目 錄第1章 緒論11.1 選題背景及意義11.2 國內外的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢21.3 本論文的研究內容及安排4第2章 QAM調制技術52.1 QAM調制原理52.2 QAM解調原理72.3 QAM調制的性能參數(shù)72.3.1 矢量圖72.3.2 星座圖92.3.3 眼圖112.3.4 誤碼率12第3章 基于MATLAB的QAM系統(tǒng)仿真133.1 MATLAB簡介133.2 仿真流程143.2 仿真結果及分析153.2.1 二進制與十六進制信號153.2.2 星座圖173.2.3 眼圖203.2.4 誤碼率曲線2

10、1第4章16QAM與64QAM性能比較及仿真234.1 MQAM調制技術的應用234.2 16QAM與64QAM性能仿真25第5章 總結與展望29致謝31附錄 程序代碼32第1章 緒論正交幅度調制(QAM)是一種高效數(shù)字調制技術，具有很高的頻譜利用率。而傳統(tǒng)數(shù)字調制技術是單獨利用振幅和相位攜帶信息，不能最充分利用信號功率利用率。此外，現(xiàn)代通信系統(tǒng)對傳輸速率和帶寬也提出了新的要求，因此對QAM引起更多關注，己廣泛應用于微波通信、有線電視網(wǎng)絡、衛(wèi)星通信等領域，但它在隨參信道無線寬帶通信領域中的研究尚未發(fā)展成熟。1.1 選題背景及意義通常，我們把實現(xiàn)信息傳輸?shù)南到y(tǒng)稱為通信系統(tǒng)，一般的通信系統(tǒng)包括兩種

11、正好相反的轉換。在信號發(fā)送端，有兩個處理過程，第一個處理是將輸入信號轉換為電信號，轉換后的電信號還要進行一些編碼等方面的處理，此時的信號一般是在零頻附近的低頻信號，因此稱為基帶信號，第一個處理過程也稱為基帶處理;第二個過程將基帶信號進行相關處理，使信號可以在信道中傳輸，并且將其輸入信道，這個過程稱為調制1。在信號接收端，其處理過程及功能正好與發(fā)送端相反，接收端的設備從已調制載波中提取出基帶信號，這稱為解調，然后再將解調后的基帶信號轉換為相應的信息2。在通信系統(tǒng)中，調制起著非常關鍵的作用，一方面，調制能夠實現(xiàn)頻譜的搬移，通過將調制信號的頻譜搬移到所希望的頻段上，實現(xiàn)調制信號到己調信號的轉換，已調

12、信號是可以在信道中傳輸?shù)男盘?；另一方面，系統(tǒng)的傳輸可靠性和傳輸有效性在很大程度上受到調制的影響，一個通信系統(tǒng)的性能往往由調制方式?jīng)Q定2, 3。傳統(tǒng)的數(shù)字調制方式有數(shù)字幅度調制、數(shù)字頻率調制和數(shù)字相位調制，不過，這三種數(shù)字調制方式都存在很多缺點，如頻譜利用率低、功率譜衰減慢、帶外輻射嚴重、抗多徑衰落能力差等等。正交振幅調制(QAM)是一種相位和振幅聯(lián)合控制的數(shù)字調制技術，它不但具有更高的頻譜效率，而且可以在同樣的頻帶內傳輸更高速率的數(shù)據(jù)4。在當今通信領域中，QAM正扮演著重要的角色，所以對QAM進行深入研究具有重要的理論和現(xiàn)實意義。在有線數(shù)字電視系統(tǒng)中，QAM調制器是關鍵的前端設備之一，它的主要

13、作用是對數(shù)據(jù)流進行基帶處理和QAM調制，并且將處理后的數(shù)據(jù)傳送到有線電視網(wǎng)上，供有線數(shù)字電視機頂盒等設備接收。輸入QAM調制器的數(shù)據(jù)是來源于復用器和MPEG-2視頻服務器等設備的傳輸流，用戶收看這些視頻信息的效果以及整個有線數(shù)字電視系統(tǒng)的穩(wěn)定性都受到QAM調制器性能好壞的影響5。隨著數(shù)字電視的普及與發(fā)展，有越來越多的數(shù)字電視信號需要經(jīng)調制輸出，如果用多個傳統(tǒng)的單路QAM調制器實現(xiàn)多路信號的調制輸出，從空間、成本上來講，都很不經(jīng)濟，因此多路QAM調制器是必然的選擇。有研究采用FPGA進行基帶處理，然后用模擬電路芯片實現(xiàn)多路QAM調制以降低產品成本，但使用模擬電路芯片進行混頻，其處理的能力有限，多

14、項信號傳輸指標都很難達標，如信噪比(Signal Noise Ratio)、誤碼率(Bit Error Rate)等6, 7。1.2 國內外的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢最早將QAM調制解調系統(tǒng)提出來的是摩托羅拉公司，在摩托羅拉公司的數(shù)字集群系統(tǒng)IDEN中，在25KHz帶寬的信道中實現(xiàn)了64kbit/s的16QAM的調制解調，但它依托于系統(tǒng)，未形成獨立的產品，而且出于商業(yè)利益考慮的原因，摩托羅拉公司并未公開其技術細節(jié)。 我國的“數(shù)字電視系統(tǒng)標準化專家委員會”于1995年5月成立，從此我國的數(shù)字電視系統(tǒng)標準的體系框架得以確定，并且標準的基本原則和程序得以提出;2000年年底完成了對日本綜合服務數(shù)字廣播、DVB

15、-T和美國數(shù)字電視國家標準多種數(shù)字電視地面廣播傳輸制式的比較測試；并且我國自主研制的數(shù)字電視廣播傳輸方案從2001年3月開始進入了現(xiàn)場測試階段。2005年6月，我國有線電視向數(shù)字化過渡的時間表由廣電總局制定：2005年，數(shù)字電視用戶超過3000萬；2008年，地面數(shù)字電視廣播全面推廣；2010年，數(shù)字廣播電視全面實現(xiàn)；2015年，模擬廣播電視停止7。繼歐洲、美國和日本之后，我國同樣采用了DVB-C標準作為有線數(shù)字電視傳輸標準。基于DVB-C的有線電視網(wǎng)具有信道容量大、傳輸質量好、傳輸率高、頻帶寬的特點，并且能很好地實現(xiàn)各種語言、文字、圖像、音樂、數(shù)據(jù)傳輸于一纜，從而成為多媒體綜合信息網(wǎng)的極好信

16、息傳輸通道。DVB-C的核心技術是多電平正交幅度調制(QAM)，一般采64QAM調制方式，有時也會采用16QAM，32QAM或更高的128QAM，256QAM傳輸信息速率越高的QAM調制方式，其抗干擾能力就越低。DVB-C系統(tǒng)涉及到音視頻數(shù)字化，MPEG-2數(shù)據(jù)壓縮編碼以及解壓縮解碼、多個MPEG-2數(shù)據(jù)流的復用和解復用、信道編解碼、調制解調等技術。DVB標準傳輸系統(tǒng)由兩部分組成:信源編碼(Source Coding)和信道編碼(Channel Coding)。它的主要特點：它不僅可以用于標準數(shù)字電視，也同時適用于高清電視；它可以適配多種節(jié)目源，對于DVB-C傳輸系統(tǒng)而言，無論是來源于本地的電

17、視節(jié)目，還是從衛(wèi)星系統(tǒng)接收下來的節(jié)目，亦或是其它外來的節(jié)目信號，它均可以傳送8。QAM調制器大致經(jīng)歷了以下幾個階段的發(fā)展過程:最早的QAM調制器只是基帶處理部分用數(shù)字實現(xiàn)，產生基帶數(shù)字I與Q信號，在中頻正交調制部分采用的是模擬技術；在后來的QAM調制器中，加入了數(shù)字內插技術，但在中頻正交調制部分仍然采用的是模擬技術；現(xiàn)在的QAM調制器不僅在基帶部分采用了數(shù)字實現(xiàn)，而且在中頻正交調制部分也實現(xiàn)了數(shù)字化，是一個全數(shù)字系統(tǒng)。傳統(tǒng)的QAM調制采用模擬的中頻正交調制，與之相比，現(xiàn)在的正交調制在中頻的部分采用全數(shù)字上變頻技術。I路和Q路的正交性對于QAM調制來說是非常重要，不過模擬混頻器并不能保證很好的正

18、交性，同時系統(tǒng)性能也很容易受到模擬混頻器的非線性影響，所以，中頻部分采用數(shù)字實現(xiàn)是很有必要的。在全數(shù)字中頻實現(xiàn)過程中，采用乘法器來實現(xiàn)混頻器，通過直接數(shù)字頻率合成技術(Direct Digital Synthesizer，縮寫為DDS)實現(xiàn)兩路正交載波，這樣，兩路載波的絕對正交便能夠得到保證。目前，研究QAM調制技術的文獻很多，2001年，西安電子科技大學的張子敬對多速率濾波器組的設計與應用進行了深入的理論研究，為多路QAM的數(shù)字實現(xiàn)提供了理論基礎9。2005年，于風云和張平就數(shù)字微波系統(tǒng)的全數(shù)字QAM調制與解調方式，以ADS為仿真平臺對16QAM的全數(shù)字調制與解調過程進行了仿真，理論上論述了

19、QAM調制的優(yōu)劣10。2008年，唐棣對高碼率64QAM調制器進行了研究，介紹了QAM調制基帶信號的處理技術，并用FPGA對基帶信號進行了處理6。2009年，陳議以軟件編程的方式實現(xiàn)了認知無線電數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ?，從而實現(xiàn)了基于FPGA的多速率調制解調器，所基于的硬件平臺為FPGA+DSP系統(tǒng)11。QAM目前還被廣泛用于ADSL調制技術，在QAM調制中，發(fā)送數(shù)據(jù)在比特/符號編碼器內被分成速率各為原來1/2的兩路信號，分別與一對正交調制分量相乘，求和后輸出。接收端完成相反過程，正交解調出兩個相反碼流，均衡器補償由信道引起的失真，判決器識別復數(shù)信號并映射回二進制信號。1.3 本論文的研究內容及安排本文

20、主要研究了正交幅度調制(QAM)技術的基本調制和解調原理，繪制了QAM調制技術的基本原理圖，能通過MATLAB對QAM的調制、解調和誤碼率進行仿真，最終得到仿真圖像并對其經(jīng)行分析。論文共分為五個章節(jié)，各個章節(jié)的主要內容如下：第1章為緒論，簡單介紹了選題的科學背景和意義，描述了QAM調制的研究現(xiàn)狀與發(fā)展前景，且給出了本論文的主要內容和結構。第2章內容為QAM調制、解調原理，QAM信號的特點和其主要性能參數(shù)。第3章先介紹MATLAB然后為基于MATLAB的QAM系統(tǒng)的仿真，及分析仿真結果。第4章先介紹了QAM調制技術的應用，然后對16QAM和64QAM性能進行了比較。第5章為總結與展望，將本文的研

21、究進行了總結，并對后續(xù)的研究工作提出了一些建議。第2章 QAM調制技術QAM（Quadrature Amplitude Modulation）中文全稱：正交振幅調制。 數(shù)字調制器作為DVB系統(tǒng)的前端設備，接收來自編碼器、復用器、DVB網(wǎng)關、視頻服務器等設備的TS流，進行RS編碼、卷積編碼和QAM數(shù)字調制，輸出的射頻信號可以直接在有線電視網(wǎng)上傳送，同時也可根據(jù)需要選擇中頻輸出。它以其靈活的配置和優(yōu)越的性能指標，廣泛的應用于數(shù)字有線電視傳輸領域和數(shù)字MMDS系統(tǒng)。 2.1 QAM調制原理正交振幅調制(Quadrature Amplitude Modulation,QAM)，又稱正交雙邊帶調制或正交

22、幅度調制，是將兩路獨立的基帶波形分別對兩個相互正交的同頻載波經(jīng)行抑制載波的雙邊帶調制，并將所得到的兩路已調信號疊加起來的過程。在QAM系統(tǒng)中，由于兩路已調信號在相同的帶寬內頻譜正交，可以在同一頻帶內并行傳輸兩路數(shù)據(jù)信息，因此，其頻帶利用率和單邊帶系統(tǒng)相同，QAM方式一般用于高速數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中。在QAM方式中，基帶信號可以是二電平的，又可以是多電平的，若為多電平時，就構成多進制正交振幅調制。QAM信號的調制原理圖如圖2.1所示。 串/并 變 換2/m電平轉換2/m電平轉換x(t)y(t)二進制信號圖2.1 QAM信號的調制原理圖信號的相位和振幅作為兩個獨立的參量同時受到調制。其碼元可設為 （2.

23、1）令 （2.2） （2.3）則原式變?yōu)?（2.4）與可取多個離散變量，因此可以看作是兩個正交的振幅鍵控信號的疊加和。原始數(shù)字數(shù)據(jù)都是串行輸入的二進制信號，為了得到多進制QAM信號，壽星進行串/并變換，然后將2進制信號轉換成m進制信號，接著進行正交調制，最后再相加。由于x(t)的調制載波與y(t)的調制載波相位相差，所以形成兩路正交的頻譜，故稱之為正交調幅。正交調幅系統(tǒng)的功率譜示意圖如圖2.2所示。由如圖2.2可以看出，這種調制方法的x(t)和y(t)都是雙邊帶調制，但兩路信號同處于一個頻段之中，所以可同時傳輸兩路信號，故頻帶利用率是雙邊帶調制的兩倍，即與單邊帶方式或基帶傳輸方式的頻帶利用率相

24、同。圖2.2 正交幅度信號的功率譜示意圖2.2 QAM解調原理正交幅度調制信號的解調必須采用相干解調方法，解調圖原理如圖2.3所示。二進制信號 串/并 變 換2/m電平轉換2/m電平轉換-/2x(t)y(t)低通濾波器低通濾波器抽樣判決抽樣判決圖2.3 QAM的解調原理框圖解調器首先對收到的QAM信號進行正交想干解調。經(jīng)低通濾波器濾除高頻分量，經(jīng)抽樣判決可恢復出m電平信號x(t)和y(t)。經(jīng)m/2電平轉換，可將m電平信號轉換成二進制信號，最后經(jīng)并/串變換把兩路信號合成一路信號。2.3 QAM調制的性能參數(shù)2.3.1 矢量圖為了更進一步說明正交調幅信號的特點，本文還可以從已調信號的相位矢量表示

25、方法來討論。為了討論方便我們將正交調幅信號產生電路框圖重畫于圖2.4中，正交幅度信號產生的矢量表示如圖2.5中。串/并低通低通A路akB路S2(t)e1(t)e2(t)e(t)100擄01圖2.4正交調幅信號產生電路框圖11011000圖2.5 正交幅度信號產生的矢量表示圖2.4中，對正交幅度A路的“1”對應于相位，A路的“0”則對應于相位，而B路載波與A路相差，則B路的“1”對應于相位，B路的“0”則對應于相位。A、B兩路調制輸出經(jīng)過合成電路合成，則輸出信號可有四種不同相位，各代表一組AB的組合，即AB二元碼組。AB二元碼組共有四種組合，即00,01,11,10。這四種組合所對應的相位矢量關

26、系如圖2.6所示。圖2.6 4QAM信號矢量圖圖2.6中所示的對應關系是按格雷碼規(guī)則變換的，這種變換的優(yōu)缺點是相鄰判決相位的碼組只有一個比特的差別，相位判決錯誤時只造成一個比特的誤碼，所以這種變換有利于降低傳輸誤碼率。以上我們是用矢量表示QAM信號。2.3.2 星座圖如果只畫出矢量斷點，則如圖2.7所示，稱為QAM的星座圖表示。如星座圖上有四個星點,則稱為4QAM。圖2.7 4QAM星座圖從圖2.7的星座圖上很容易看出：A路的“1”碼位于星座圖的右側，“0”碼在左側；而B路的“1”碼則在上側，“0”碼在下側。星座圖上各信號點之間的距離越大抗誤碼能力越強。對前述討論的4QAM方式是A、B各路傳送

27、的是二電平碼的情況。如果采用二路四電平碼送到A、B的調制器，就能更進一步提高頻譜利用率。由于采用二路四電平基帶信號，所以每路在星座上有4個點，于是，組成16個點的星座圖，如圖2.8所示。這種正交調幅稱為16QAM。同理，將二路八電平碼送到A、B調制器，可得64點星座圖，稱為64QAM，更進一步還有256QAM等。圖2.8 16QAM星座圖QAM方式的主要特點是有較高的頻譜利用率?，F(xiàn)在來分析如何考慮MQAM的頻譜利用率，這里的M為星點數(shù)。設輸出數(shù)據(jù)序列的比特率，即A和B兩路的總比特率為，信道帶寬為B，則頻譜利用率為 （2.5）由前述討論可知，對MQAM系統(tǒng)，A、B各路基帶信號的電平數(shù)應是，如4Q

28、AM時每路的基帶信號是二電平，對16QAM，則每路的基帶信號是四電平。按多電平傳輸分析，A路和B路每個符號（碼元）含有的比特數(shù)應為。如令，則相當于個二元碼組成一個符號。設符號間隔（即符號周期）為，為符號速率（Bd）。因為總速率為，則A、B各路的比特率為，并有 （2.6）如果基帶形成濾波器采用滾降特性，則有 （2.7）由于正交調幅是采用雙邊帶傳輸，則調制系統(tǒng)帶寬應為 （2.8）將式(2.9)和式(2.11)帶入式(2.8)則有 （2.9）可見M值越大，即星點數(shù)越多，其頻譜利用率就越高，目前可以做到M=64，甚至更高，故正交幅度調制方式一般應用于高速數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中。2.3.3 眼圖眼圖為直視評價接

29、受信號的質量提供了一種有效的實驗方法，它可以定性反映碼間串擾和噪聲的影響程度，還可以用來指示接收濾波器的調整，以減小碼間串擾，改善系統(tǒng)性能。2.3.4 誤碼率誤碼率是指錯誤接收的碼元數(shù)在傳輸總碼元數(shù)中所占的比例，更確切地說，誤碼率是碼元在傳輸系統(tǒng)中被傳錯的概率第3章 基于MATLAB的QAM系統(tǒng)仿真MATLAB 是國際上仿真領域最權威、最實用的計算機工具。它是 MathWork 公司于 1982年推出的一套高性能的數(shù)值計算和可視化數(shù)學軟件。MATLAB 是一種應用于計算技術的高性能語言。它將計算，可視化和編程結合在一個易于使用的環(huán)境中，從而將問題解決方案表示成我們所熟悉的數(shù)學符號。3.1 MA

30、TLAB簡介MATLAB 是一個交互式系統(tǒng)，它的基本數(shù)據(jù)元素是矩陣，且不需要指定大小。通過它可以解決很多技術計算問題，尤其是帶有矩陣和矢量公式推導的問題，有時還能寫入非交互式語言如 C 和 Fortran 等。 MATLAB 系統(tǒng)可分為五個部分：（1）MATLAB 語言。 這是一種高級矩陣語言，其有著控制流程狀態(tài)，功能，數(shù)據(jù)結構，輸入 輸出及面向對象編程的特性。它既有“小型編程”的功能，快速建立小型可棄程序， 又有“大型編程”的功能，開發(fā)一個完整的大型復雜應用程序。（2）MATLAB的工作環(huán)境。這是一套工具和設備方便用戶和編程者使用MATLAB。它包含有在你的工作空間進行管理變量及輸入和采集數(shù)

31、據(jù)的設備。同時也有開發(fā)，管理，調試的系列工具。（3）圖形操作。 這是 MATLAB 的圖形系統(tǒng)。它包含有系列高級命令，其內容包括二維及三維數(shù)據(jù)可視化，圖形處理，動畫制作，表現(xiàn)圖形。同時它也提供低級命令便于用戶完全定制圖形界面并在你的 MATLAB 軟件中建立完整的用戶圖形界面。（4）MATLAB 數(shù)據(jù)功能庫。它擁有龐大的數(shù)學運算法則的集合，包含有基本的加，正弦，余弦功能到復雜的求逆矩陣及求矩陣的特征值，Bessel 功能和快速傅立葉變換。（5）MATLAB 應用程序編程界面。這是一個允許你在MATLAB界面下編寫C 和 Fortran 程序 的庫。它方便從 MATLAB 中調用例程即動態(tài)鏈接，

32、使 MATLAB 成為一個計算器， 用于讀寫 MAT-files。3.2 仿真流程QAM是把ASK和PSK兩種調制結合起來的調制技術，使得帶寬得到雙倍擴展。QAM調制技術用兩路獨立的基帶信號對頻率相同、相位正交的兩個載波進行抑制載波雙邊帶調幅，并將已調信號加在一起進行傳輸。MQAM代表M個狀態(tài)的正交調幅，一般有4QAM、16QAM、64QAM等。本章是以16QAM的仿真為例來研究QAM的調制。仿真過程中需通過產生隨機二進制碼、轉換成對應十六進制信號、調制、加入高斯白噪聲、解調、還原原信號這幾個步驟來完成。仿真流程如圖3.1所示。解 調加入白噪聲恢復0、1信號序列結束開始調 制轉換成16進制信號

33、產生隨機0、1序列圖3.1 仿真流程圖仿真步驟說明：（1）首先生成一個隨機且長度為的二進制比特流，并畫出前50個比特流的信號圖。（2）在MATLAB中16QAM調制要求輸入的信號為0至15這16個值，所以要用函數(shù)reshape和bi2de將二進制的比特流轉換成對應的十六進制信號。（3）利用MATLAB中的modem.qammod函數(shù)生成16QAM調制器，再通過它對信號進行調制并畫出信號的星座圖。（4）通過awgn信道在16QAM信號中加入高斯白噪聲。（5）利用MATLAB中的scatterplot函數(shù)畫出通過信道后接受到的信號的星座圖。（6）利用MATLAB中eyediagram函數(shù)生成經(jīng)過信

34、道后的眼圖。（7）利用MATLAB中demodulate和modem.qammod函數(shù)生成解調器，實現(xiàn)對16QAM信號的解調，并將十六進制信號轉化成二進制比特流信息。（8）用得到比特流信息除以原始發(fā)送的比特流信息來計算誤碼率。3.2 仿真結果及分析3.2.1 二進制與十六進制信號利用函數(shù)randint（n,1）、stem(x(1:50),filled)來生成一個隨機且長度為的二進制比特流，并畫出前50個比特流的信號圖。隨機的二進制比特流如圖3.2所示。M=16; k=log2(M); n=; %比特序列長度 samp=1; %過采樣率 x=randint(n,1); %生成隨機二進制比特流 s

35、tem(x(1:50),filled); %畫出相應的二進制比特流信號 title(二進制隨機比特流); xlabel(比特序列);ylabel(信號幅度);圖3.2 隨機二進制比特流的前50個信號x4=reshape(x,k,length(x)/k); %將原始的二進制比特序列每四個一組分組，并排列成k行l(wèi)ength(x)/k列的矩陣 xsym=bi2de(x4.,left-msb); %將矩陣轉化為相應的16進制信號序列 stem(xsym(1:50); %畫出相應的16進制信號序列 title(64進制隨機信號); xlabel(信號序列);ylabel(信號幅度); 圖3.3 十六進制

36、信號由于本章節(jié)主要是討論16進制的QAM調制技術仿真，所以需要將二進制隨機序列轉換成為十六進制的信號。本文利用函數(shù)reshape(x,k,length(x)/k）將原始的二進制比特序列每四個一組進行分組形成序列矩陣，然后再利用函數(shù)xsym=bi2de(x4.,left-msb)將矩陣轉化為相應的十六進制序列。經(jīng)過處理后的二進制比特流變?yōu)?6進制的信號，如圖3.3所示。3.2.2 星座圖利用函數(shù)modulate(modem.qammod(M),xsym) 來對十六進制信號進行調制，再用scatterplot(y) 函數(shù)生成16QAM信號的星座圖。16QAM未經(jīng)過噪聲的星座圖如圖3.4所示。y=m

37、odulate(modem.qammod(M),xsym); %用16QAM調制器對信號進行 scatterplot(y); %畫出16QAM信號的星座圖 text(real(y),imag(y),dec2bin(xsym); axis(-5 5 -5 5); 圖3.4 16 QAM星座圖利用awgn(y,snr ,measured) 函數(shù)模擬信道，再用函數(shù)scatterplot(yn,samp,0,b.) 生成經(jīng)過信道后接收到的含白噪聲的信號星座圖。經(jīng)過加噪聲處理后的星座圖和之前未處理時的星座圖對比如圖3.5所示。EbNo=-5:1:20; for n=1:length(EbNo); snr

38、(n)=EbNo(n)+10*log10(k)-10*log10(samp); %信噪比 yn=awgn(y,snr(n),measured); %加入高斯白噪聲 end h=scatterplot(yn(1:1*5e3),samp,0,g.); %經(jīng)過信道后接收到的含白噪聲的信號星座圖 hold on; scatterplot(y(1:1*5e3),1,0,k+,h); %加入不含白噪聲的信號星座圖 title(接收信號星座圖); legend(含噪聲接收信號,不含噪聲信號); axis(-8 8 -8 8); hold off圖3.5加白噪聲信號星座圖經(jīng)過圖3.4和圖3.5兩圖的比較，不難

39、看出經(jīng)過加噪聲處理后的信號的星座圖明顯變差，可見QAM信號的容噪性能很弱，只可以在高信噪比的情況下工作，而在較低的信噪比情況下，仍然需使用QPSK，甚至BPSK信號來保障數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性，這也是目前正處于研究熱點的自適應鏈路技術的基本核心思想。3.2.3 眼圖利用eyediagram(yn,2) 函數(shù)生成眼圖。如圖3.6所示。圖3.6 經(jīng)過信道后的相位信號和正交信號的眼圖對于圖3.6所示的眼圖模型分析，正交信號的最佳抽樣時刻是0時刻。3.2.4 誤碼率曲線利用biterr（）函數(shù)計算誤碼率，并生成誤碼率曲線。下面是16QAM技術的誤碼率分析，經(jīng)過仿真器誤碼曲線如圖3.7所示。yd=demodu

40、late(modem.qamdemod(M),yn); %此時解調出來的是16進制信號 z=de2bi(yd,left-msb); %轉化為對應的二進制比特流 z=reshape(z.,numel(z),1); number_of_errors(n),bit_error_rate(n)=biterr(x,z) theoryPe(n)=(1/k)*3/2*erfc(sqrt(k*0.1*(10.(EbNo(n)/10); end semilogy(EbNo,bit_error_rate,b-,EbNo,theoryPe,r*); legend(16QAM實際誤碼率,16QAM理論誤碼率); xl

41、abel(EbNo/dB); ylabel(誤比特率); 圖3.7 誤碼率曲線從圖3.7可以看出信噪比和誤碼率之間的關系，當信噪比的不斷增加時，誤碼率逐漸降低。將理論和實際仿真的曲線對比可以看出實際曲線和理論曲線基本一致。完整程序見附錄。 第4章16QAM與64QAM性能比較及仿真評價一個通信系統(tǒng)優(yōu)劣的主要性能指標是系統(tǒng)的有效性和可靠性。有效性是指在給定信道內所傳輸?shù)男畔热莸亩嗌伲笙到y(tǒng)高效率地傳輸消息，是傳輸?shù)摹八俣取眴栴}；可靠性是指接受信息的準確程度，要求系統(tǒng)可靠地傳輸消息，是傳輸?shù)摹百|量”問題。4.1 MQAM調制技術的應用MQAM的高頻帶利用率是以犧牲其抗干擾性來獲得的，電平數(shù)越大

42、，信號星座圖點數(shù)越多，其抗干擾性能越差。因此，除了可以通過選擇星座圖的類型改善其性能外，還可以根據(jù)不同的傳輸環(huán)境或傳輸信源的不同特點，來自適應地改變MQAM調制信號的電平數(shù)，即星座點數(shù)，以保證獲得預期的傳輸性能。當然在這種情況下，相應的信號傳輸速率也隨之產生變化，這就是所謂的變速率MQAM調制方式。變速率MQAM調制方式由Steele和Webb最早提出12，并引起許多學者的關注。1995年Steele與Webb已利用計算機軟件仿真的方法研究變速率MQAM調制技術在移動通信中的應用13。隨后，張睿和李建東利用DSP芯片研究了在萊斯衰落信道中自適應地調節(jié)信號的調制電平數(shù)，以改善其傳輸特性14。李光

43、球則從傳輸信源不同的角度，研究多分辨頻率MQAM調制技術15?？偟膩碚f，變速MQAM調制就是根據(jù)衰落信道的傳輸特性，或根據(jù)傳輸信源的特性自適應地調節(jié)信號的調制電平數(shù)或信號星座圖。對于傳輸環(huán)境隨機的移動通信系統(tǒng)，其傳輸性能是隨著時間的變化而改變的，因此固定星座點的MQAM調制方式不能夠滿足時變信道的高傳輸質量要求。在這種傳輸條件下，可以采用變速率MQAM調制方案來獲得一種兼顧頻帶利用率和抗干擾性能的調制方案。圖4.1是變速MQAM調制系統(tǒng)收發(fā)信機原理框圖。由圖4.1看出，基帶MQAM調制信號內須包含三種數(shù)據(jù)：信道檢測數(shù)據(jù)、調制電平數(shù)據(jù)和用戶數(shù)據(jù)。信道檢測數(shù)據(jù)用于收發(fā)機判斷對當前傳輸信道衰落的評估

44、，作為確定下一次傳輸調制電平數(shù)的依據(jù)；而在接收端，調制電平數(shù)用于進行MQAM數(shù)據(jù)解調。因此，根據(jù)信道的衰落情況，自適應地選擇MQAM調制電平信道衰落估計基帶QAM調制信號數(shù)據(jù)QAM調制電平數(shù)輸出數(shù)據(jù)調制電平數(shù)基帶QAM變速QAM解調射頻發(fā)射機確定發(fā)射調制電平數(shù)變速率QAM解調信號分離前端接收調制信號圖4.1 變速MQAM調制系統(tǒng)收發(fā)信機原理框圖數(shù)，以便在惡劣的信道環(huán)境中采用較少電平數(shù)的MQAM調制，獲得較好的抗干擾性能；而在較好的信道環(huán)境中則可以采用更多電平數(shù)的MQAM調制，以在保證傳輸質量的前提下，獲得更高的頻帶利用率。4.2 16QAM與64QAM性能仿真一個正交幅度調制的信號采用兩個正交

45、載波，每一個載波被一個獨立的信息比特序列所調制。而其幅度可以看做是一系列電平集合，這些電平通過將比特序列映射為信號振幅獲得，本次仿真中采用了3個電平，并且映射的時候沒有采用函數(shù)庫里自帶的modulate進行調制。首先將產生的一系列01比特流進行進制的劃分，其劃分根據(jù)其中M是調制的數(shù)，如16、64、128等等。這里再將分好組的比特數(shù)據(jù)經(jīng)行坐標映射，畫出星座圖。下面對16和64QAM的調制進行分析。根據(jù)16QAM的仿真步驟同理經(jīng)行64QAM的仿真。16QAM的仿真結果見圖3.4、圖3.5、圖3.6和3.7，相對應的64QAM的仿真結果如圖4.2、4.3、4.4、4.5所示。圖4.2 64QAM星座

46、圖圖4.3 64QAM加噪后的星座圖圖4.4 64QAM眼圖圖4.5 64QAM誤碼率曲線圖由上面仿真結果對比可看出，同一環(huán)境下64QAM調制出來的星座點更多因此其信息的容量更多，在帶寬資源一樣的情況之下其容納的信息量將會更多，其傳輸?shù)男畔⒈忍厮俾蕰?，但是其代價顯而易見，在星座圖的平均能量保持不變的情況下增加星座點，會是星座點之間的距離變小，進而導致誤碼率上升而且設備的復雜度也會相應的更加的高。16QAM的可靠性比64QAM高，有效性比64QAM低。因而16和64QAM在實際的應用中需要根據(jù)具體的情況而定，傳輸中當只有語音業(yè)務的時候我們可以采用最傳統(tǒng)的調制就可以滿足，但是現(xiàn)今社會數(shù)據(jù)量的迅

47、速膨脹，人們對多媒體以及數(shù)據(jù)業(yè)務的需求很高，因此采用更高的QAM調制技術是必要的，而且隨著用戶的數(shù)量日益增加，對于頻譜資源極其有限的今天，更好的利用頻譜，提高頻譜利用率是所用的商家都在考慮的一個難題。第5章 總結與展望本文主要研究了正交幅度調制(QAM)技術的基本調制原理，繪制了QAM調制技術的基本原理圖，能通過MATLAB對QAM的調制和誤碼率進行仿真，得到仿真圖像并對其進行分析。在利用MATLAB仿真階段有兩種方式可供選擇，分別是用代碼仿真和建立系統(tǒng)模型來經(jīng)行仿真，本文選擇的是用代碼仿真。本論文完成的主要工作：（1）查閱文獻，了解當前正交振幅調制的主流技術與現(xiàn)狀，掌握調制與解調的基本方法和

48、思路；（2）討論QAM技術原理，包括調制與解調的基本原理，并探究QAM信號的特點；（3）利用MATLAB軟件編寫代碼對QAM調制和解調技術進行仿真，并記錄數(shù)據(jù)和圖形，結果表明QAM容噪性能很弱只可以再高性噪比的情況下工作；（4）對16QAM和64QAM的性能進行了對比及仿真，結果表明16QAM可靠性比64QAM高，有效性比64QAM低；本文的研究還存在這許多不足的地方。研究局限于理論；仿真過程過于理想化，未考慮實際情況中可能存在的一些因素。 QAM調制器在數(shù)字電視系統(tǒng)中得到了廣泛應用，QAM調制技術是目前數(shù)字調制理論中十分成熟的技術，隨著它在調制解調器及數(shù)字有線電視系統(tǒng)中廣泛使用，以后會在越來

49、越多的地方引起重視。參考文獻1 田耕, 許文波, 張延偉等. 無線通信FPGA設計M. 北京:電子工業(yè)出版社, 2008.2 樊昌信. 通信原理(第五版)M. 北京:國防工業(yè)出版社, 2001.3 李永忠. 現(xiàn)代通信原理與技術M. 北京: 國防工業(yè)出版社, 2010.4 宋祖順, 宋曉勤, 宋平等. 現(xiàn)代通信原理(第三版)M. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2010.5 Digital Video Broadcasting (DVB); Framing structure, channel coding and modulation for cable systems. EN 300 429 V

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