基于matlab程序的16qam基帶信號處理編程

1、摘要:正交振幅調(diào)制技術(shù)(QAM) 由于其高的頻帶利用率和相對低的誤碼率而被定為很多數(shù)字通信系統(tǒng)的數(shù)字傳輸標(biāo)準(zhǔn)。該論文討論了16QAM調(diào)制原理，用軟件MATLAB產(chǎn)生16QAM信號的算法。關(guān)鍵詞:正交振幅調(diào)制;噪聲; 多徑衰落;內(nèi)插濾波一、 引言正交振幅調(diào)制技術(shù)(QAM)是幅度、相位聯(lián)合調(diào)制的技術(shù)，它同時利用了載波的幅度和相位來傳遞信息比特，因此在相鄰星座點(diǎn)最小距離相同的條件下，QAM星座圖中可以容納更多的星座點(diǎn)，即可實(shí)現(xiàn)更高的頻帶利用率。多進(jìn)制正交振幅調(diào)制技術(shù)由于其高的頻帶利用率和相對低的誤碼率而被定為很多數(shù)字通信系統(tǒng)的數(shù)字傳輸標(biāo)準(zhǔn)。軟件無線電是以可編程的DSP或CPU為中心，將模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化

2、的硬件單元以總線方式連接件起來，構(gòu)成通用的基本硬件平臺，并通過軟件加載來實(shí)現(xiàn)各種無線通信功能的開放式的體系結(jié)構(gòu)。本文討論了16QAM調(diào)制原理并給出了基于Matlab的16QAM數(shù)字調(diào)制的軟件算法及其編程實(shí)現(xiàn)。二、 正交振幅調(diào)制（QAM）原理正交振幅調(diào)制的一般表達(dá)式為：上式中，、為離散的振幅值，m=1，2，M，M為和的個數(shù)。對于16QAM，M=4。是發(fā)送信號脈沖波形。PN串并變換映射映射內(nèi)插成形成形HBF內(nèi)插HBF多徑衰落加入噪聲加入噪聲多徑衰落本報(bào)告中16QAM的調(diào)制原理方框圖如下圖所示：輸入數(shù)據(jù)經(jīng)過串并變換分成兩路，再分別經(jīng)過映射變換成和，和決定了已調(diào)QAM信號在信號星座中的星座點(diǎn)的位置。為

3、減少碼間干擾和已調(diào)數(shù)字信號的帶寬，和分別通過脈沖成形低通濾波器，脈沖成形低通濾波器是一個平方根升余弦濾波器。濾波后的輸出分別經(jīng)過半帶濾波器、CIC濾波器實(shí)現(xiàn)內(nèi)插，改變速率，最后經(jīng)過NCO(數(shù)控頻率振蕩器)產(chǎn)生正交上變頻用的正/余弦信號。將兩路信號相加就可以得到已調(diào)QAM輸出信號。三、 Matlab代碼分析1、 偽隨機(jī)序列發(fā)生器利用Matlab中的函數(shù)產(chǎn)生一組長度為N的偽隨機(jī)信號，為了在后面有正確的串并變換，需要在原隨機(jī)序列后面補(bǔ)零。%-產(chǎn)生偽隨機(jī)信號-% N=1000; %二進(jìn)制數(shù)據(jù)長度 x=randint(1,N,2); %產(chǎn)生偽隨機(jī)二進(jìn)制作為輸入數(shù)據(jù) x(1:4)=1 1 1 1; %濾波

4、器取出延時首位設(shè)為最大N=N+N*0.1; %防止系統(tǒng)延時丟數(shù)據(jù) x=x zeros(1,N*0.5);%尾部填零 2、 串并變換 串并變換是把一串二進(jìn)制數(shù)據(jù)流分裂成并行的兩串，每串?dāng)?shù)據(jù)的速率是原數(shù)據(jù)的一半。%-串并變換-%x1=x(1:2); %數(shù)據(jù)按2bit分組x2=x(3:4); for i=1:(N/4-1) x1=x1 (x(i*4+1:i*4+2); x2=x2 (x(i*4+3):(i*4+4); end I=x1(1)*2+x1(2); %二進(jìn)制轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制Q=x2(1)*2+x2(2); n=length(x1); for i=1:n/2-1 I=I (x1(i*2+1)*2

5、+x1(i*2+2); Q=Q (x2(i*2+1)*2+x2(i*2+2); end 3、映射作為調(diào)制信號的輸入二進(jìn)制數(shù)據(jù)流經(jīng)過串并變換后變成四路并行數(shù)據(jù)流。這四路數(shù)據(jù)兩兩結(jié)合，分別進(jìn)入兩個電平轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換成兩路4電平數(shù)據(jù)。例如，00轉(zhuǎn)換成-3，01轉(zhuǎn)換成-1，10轉(zhuǎn)換成1，11轉(zhuǎn)換成3。QAM發(fā)射的信號集可以用星座圖方便地表示，星座圖上每一個星座點(diǎn)對應(yīng)發(fā)射信號集中的那一點(diǎn)。星座點(diǎn)數(shù)越多，每個符號能傳輸?shù)男畔⒘烤驮酱?。但是，如果在星座圖的平均能量保持不變的情況下增加星座點(diǎn)，會使星座點(diǎn)之間的距離變小，進(jìn)而導(dǎo)致誤碼率上升。%-電平變換(0 1 2 3 - -3 -1 1 3)-% for i=1

6、:n/2 switch(I(i) case 0 I(i)=-3; case 1 I(i)=-1; case 2 I(i)=1; case 3 I(i)=3; end switch(Q(i) case 0 Q(i)=-3; case 1 Q(i)=-1; case 2 Q(i)=1; case 3 Q(i)=3; end end figure(1);plot(I,Q,*),title(); axis(-4,4,-4,4); 仿真得到的16QAM 星座圖為：4、 脈沖成形濾波器 在信道中，信號傳輸?shù)念l帶寬度是有限的，根據(jù)信道的傳輸函數(shù)不同，數(shù)字信號通過信道之后，在進(jìn)行抽樣判決的時候可能產(chǎn)生符號間干

7、擾，稱為碼間串?dāng)_。但是當(dāng)信道的傳遞函數(shù)滿足奈奎斯特第一準(zhǔn)則時，數(shù)字信號通過帶限信道之后將不會產(chǎn)生碼間串?dāng)_。理想的基帶傳輸系統(tǒng)總的傳遞函數(shù)為理想低通特性，但是在實(shí)際的通信系統(tǒng)中，常常將帶限信道的總傳輸函數(shù)設(shè)計(jì)為具有余弦頻譜特性的，稱為滾降濾波器。滾降濾波器的頻率響應(yīng)如下：其中稱為滾降因子，。相應(yīng)的時域波形為。利用matlab庫中的函數(shù)產(chǎn)生一個升余弦頻譜信號。符號率為1M symbol/s，所以符號時間間隔為0.000001s，采樣頻率為2MHz。%-脈沖成形濾波器 -% Fs=2000000; % Sampling frequency Fs Hz T=0.000001; % Symbol tim

8、e interval s a=0.35; p = rcosfir(a,-3,3,2,0.0000001,sqrt); %成形濾波函數(shù)figure(2); rcosfir(0);%plot resfir 圖像升余弦信號的時域和頻域波形為：5、 基帶成形濾波對I、Q路信號進(jìn)行成形濾波，可以防止碼間串?dāng)_。%-基帶成形濾波-% %I路成形yi=conv(p,upsample(I,2); % upsample Pulse sequence a1 0 a2 0 a3 0 a4 0 . %Q路成形yq=conv(p,upsample(Q,2); % upsample Pulse sequence a1 0

9、a2 0 a3 0 a4 0 . figure(3);subplot(2,1,1);stem(yi);title(I路信號);subplot(2,1,2)stem(yq);title(Q路信號);仿真得到的I、Q路信號信號為：6、 半帶濾波器半帶濾波器實(shí)現(xiàn)信道內(nèi)插功能，其抽取因子為2M。本實(shí)驗(yàn)中采用15階半帶濾波器進(jìn)行內(nèi)插。%-半帶濾波-% b = firhalfband(14,0.0001,dev); %15階半帶濾波器figure(4);subplot(2,1,1);freqz(b); % 半帶濾波器的頻譜subplot(2,1,2);stem(b); %半帶濾波器的時域響應(yīng)figure(

10、5);%I路濾波YI=conv(b,yi);subplot(2,1,1);freqz(YI); title(I路信號半帶濾波頻域響應(yīng));% I路信號時域與頻域響應(yīng)subplot(2,1,2);stem(YI);title(I路信號半帶濾波時域響應(yīng));%Q路濾波YQ=conv(b,yq);figure(6);subplot(2,1,1);freqz(YQ); title(Q路信號半帶濾波頻域響應(yīng)); % Q路信號時域與頻域響應(yīng)subplot(2,1,2);stem(YQ);title(Q路信號半帶濾波時域響應(yīng));半帶濾波器時域、頻域響應(yīng)：I路信號頻域、時域響應(yīng)Q路信號頻域、時域響應(yīng)7、加入噪聲對

11、其加入AWGN噪音（SNR=16dB）：%-加入噪聲-% snr=8;YIAwgn=awgn(YI,snr);figure(7);subplot(2,1,1);freqz(YIAwgn); title(加噪聲I路信號頻域相應(yīng)); subplot(2,1,2);stem(YIAwgn);title(加噪聲I路信號時域相應(yīng));YQAwgn=awgn(YQ,snr);figure(8);subplot(2,1,1);freqz(YQAwgn); title(加噪聲Q路信號頻域相應(yīng));% Qsubplot(2,1,2);stem(YQAwgn);title(加噪聲Q路信號時域相應(yīng));8、經(jīng)過多徑衰減信

12、道加入1路多徑衰落信號（旁徑衰減因子為-12dB、延遲-5us）ts=1/Fs;chan=rayleighchan(ts,0,0.000005,-12);YIRay=filter(chan,YI);figure(9);subplot(2,1,1);freqz(YIRay); title(rayleighI);% rayleighIsubplot(2,1,2);stem(YIRay);title(rayleighI);YQRay=filter(chan,YQ);figure(10);subplot(2,1,1);freqz(YQRay); title(rayleighQ);% rayleighQ

13、subplot(2,1,2);stem(YQRay);title(rayleighQ); 9、CIC濾波CIC是IIR和FIR濾波器的組合，它能用簡單的結(jié)構(gòu)、較少的資源靈活地實(shí)現(xiàn)輸入、輸出信號的速率變換。CIC與HBF濾波器相結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)大范圍、高倍數(shù)的信道內(nèi)插。%-CIC濾波-% hm = mfilt.cicinterp(4,1,3);%產(chǎn)生CIC濾波器%I路信號YII_fi=filter(hm,YI); %得到內(nèi)插后的采樣點(diǎn)YII = double(YII_fi);figure(7);subplot(2,1,1);freqz(YII);subplot(2,1,2);stem(nnn(1:

14、22)/Fs,YI(1:22),filled); hold on; subplot(2,1,2); stem(nnn(1:88)/(Fs*4),YII(4:91),r); title(I濾波前后比較); %Q路信號YQQ_fi=filter(hm,YQ); %得到內(nèi)插后的采樣點(diǎn) YQQ=double(YQQ_fi);figure(8);subplot(2,1,2);stem(nnn(1:22)/Fs,YQ(1:22),filled); hold on; subplot(2,1,2); stem(nnn(1:88)/(Fs*4),YQQ(4:91),r); title(Q濾波前后對比);CIC濾

15、波器的頻譜特性：路信號經(jīng)過CIC濾波器輸出的時域和頻域特性及輸入輸出對比為：路信號經(jīng)過CIC濾波器輸出的時域和頻域特性及輸入輸出對比為：10、加載波用正余弦信號進(jìn)行上變頻，中頻信號為21MHz。%- 加載波-% nn=1:length(YII);fc=21000000;f0=20000000*64;%I路信號YIC=YII.*cos(2*pi*nn*fc/f0);% 上變頻 figure(9);subplot(2,1,1);stem(YIC);title(I路中頻信號時域響應(yīng));subplot(2,1,2);YICF=fft(YIC);stem(abs(YICF);title(I路中頻信號頻域響應(yīng));%Q路信號YQC=YQQ.*sin(2*pi*nn*fc/f0); figure(10);subplot(2,1,1);stem(YQC);title(Q路中頻信號時域響應(yīng));subplot(2,1,2);YQCF=fft(YQC);stem(abs(YQCF);title(Q路中頻信號頻域響應(yīng));輸出結(jié)果為：11、輸出%-OUTPUT-%output=YI