16QAM的調制與解調

1、通信專業(yè)課程設計二太原科技大學課 程 設 計（論 文）設計(論文)題目：16 QAM的調制解調姓 名 學 號 班 級 學 院 指導教師 2012年 1月 4 日太原科技大學課程設計（論文）任務書學院（直屬系）：電子信息工程學院 時間： 2012年12月19日學 生 姓 名指 導 教 師設計（論文）題目16QAM的調制與解調主要研究內容基于MatlabSimulink的16QAM的調制與解調研究方法MatlabSimulink主要技術指標(或研究目標)利用Simulink對16QAM調制系統(tǒng)進行仿真,得到了信號在加噪前后的星座圖、眼圖，而且在信噪比變化條件下,得到了16QAM系統(tǒng)的誤碼率。教研室

2、意見教研室主任（專業(yè)負責人）簽字： 年 月 日 16QAM的調制與解調16QAM的調制與解調摘 要隨著無線通信頻帶日趨緊張，研究和設計自適應信道調制技術體制是建立寬帶移動通信網絡的關鍵技術之一。正交振幅調制技術（QAM）是一種功率和帶寬相對高效的信道調制技術,因此在大容量數字微波通信系統(tǒng)、有線電視網絡高速數據傳輸、衛(wèi)星通信系統(tǒng)等領域得到了廣泛應用。在移動通信中，隨著微蜂窩和微微蜂窩的出現(xiàn)，使得信道傳輸特性發(fā)生了很大變化。過去在傳統(tǒng)蜂窩系統(tǒng)中不能應用的正交振幅調制也引起了人們的重視。本文首先簡單簡紹了QAM調制解調系統(tǒng)和Simulink的工作原理。然后利用Simulink對16QAM調制系統(tǒng)進行

3、仿真,不但得到了信號在加噪前后的星座圖、眼圖，而且在信噪比變化條件下,得到了16QAM系統(tǒng)的誤碼率。最后，在簡單做了一個2DPSK系統(tǒng)仿真之后，將它與16QAM系統(tǒng)進行了比較，并得出了16QAM是一種相對優(yōu)越的調制解調系統(tǒng)這一結論。關鍵詞：QAM ；SIMULINK ；仿真； 2DPSK ；誤碼率目錄摘 要I第1章 緒論11.1 QAM簡介11.2 SIMULINK11.3 SIMULINK與通信仿真2第2章 正交振幅調制32.1 MQAM信號的星座圖32.2 16QAM的調制解調原理52.3 16QAM的改進方案6第3章 16QAM調制解調系統(tǒng)實現(xiàn)與仿真83.1 16QAM 調制模塊的模型建

4、立與仿真103.1.1 信號源103.1.2 串并轉換模塊103.1.3 2/4電平轉換模塊113.1.4 其余模塊133.1.5 調制系統(tǒng)的實現(xiàn)143.2 16QAM解調模塊的模型建立與仿真153.2.1 相干解調153.2.2 4/2電平判決163.2.3 并串轉換18參考文獻21II第1章 緒論1.1 QAM簡介在現(xiàn)代通信中，提高頻譜利用率一直是人們關注的焦點之一。近年來，隨著通信業(yè)務需求的迅速增長，尋找頻譜利用率高的數字調制方式已成為數字通信系統(tǒng)設計、研究的主要目標之一。正交振幅調制QAM(Quadrature Amplitude Modulation)就是一種頻譜利用率很高的調制方式

5、，其在中、大容量數字微波通信系統(tǒng)、有線電視網絡高速數據傳輸、衛(wèi)星通信系統(tǒng)等領域得到了廣泛應用。在移動通信中，隨著微蜂窩和微微蜂窩的出現(xiàn)，使得信道傳輸特性發(fā)生了很大變化。 過去在傳統(tǒng)蜂窩系統(tǒng)中不能應用的正交振幅調制也引起人們的重視。QAM數字調制器作為DVB系統(tǒng)的前端設備，接收來自編碼器、復用器、DVB網關、視頻服務器等設備的TS流，進行RS編碼、卷積編碼和QAM數字調制，輸出的射頻信號可以直接在有線電視網上傳送，同時也可根據需要選擇中頻輸出。它以其靈活的配置和優(yōu)越的性能指標，廣泛的應用于數字有線電視傳輸領域和數字MMDS系統(tǒng)。作為國際上移動通信技術專家十分重視的一種信號調制方式之一，正交振幅調

6、制（QAM）在移動通信中頻譜利用率一直是人們關注的焦點之一，隨著微蜂窩（Microcell）和微微蜂窩（Picocell）系統(tǒng)的出現(xiàn)，使得信道的傳輸特性發(fā)生了很大變化，接收機和發(fā)射機之間通常具有很強的支達分量，以往在蜂窩系統(tǒng)中不能應用的但頻譜利用率很高的WAM已引起人們的重視，許多學者已對16QAM及其它變型的QAM在PCN中的應用進行了廣泛深入地研究。1.2 SIMULINKSimulink是MATLAB中的一種可視化仿真工具， 是一種基于MATLAB的框圖設計環(huán)境，是實現(xiàn)動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和分析的一個軟件包，被廣泛應用于線性系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)、數字控制及數字信號處理的建模和仿真中。Simul

7、ink可以用連續(xù)采樣時間、離散采樣時間或兩種混合的采樣時間進行建模，它也支持多速率系統(tǒng)，也就是系統(tǒng)中的不同部分具有不同的采樣速率。為了創(chuàng)建動態(tài)系統(tǒng)模型，Simulink提供了一個建立模型方塊圖的圖形用戶接口(GUI) ，這個創(chuàng)建過程只需單擊和拖動鼠標操作就能完成，它提供了一種更快捷、直接明了的方式，而且用戶可以立即看到系統(tǒng)的仿真結果。1.3 SIMULINK與通信仿真仿真是衡量系統(tǒng)性能的工具，它通過仿真模型的仿真結果來推斷原系統(tǒng)的性能，從而為新系統(tǒng)的建立或原系統(tǒng)的改造提供可靠的參考。仿真是科學研究和工程建設中不可缺少的方法。實際的通信系統(tǒng)是一個功能結構相當復雜的系統(tǒng)，對于這個系統(tǒng)作出的任何改變

8、都可能影響到整個系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定。而Simulink作為Matlab提供的用于對動態(tài)系統(tǒng)進行建模、仿真和分析的工具包，提供了仿真所需的信源編碼、糾錯編碼、信道、調制解調以及其它所用的全部庫函數和模塊?？梢姡还軐θ魏螐碗s的通信系統(tǒng)，用Simulink對其仿真都是一個不錯的選擇。第2章 正交振幅調制2.1 MQAM信號的星座圖MQAM信號表示式可寫成 （2.1)其中，Ai和Bi是振幅，表示為 (2.2)其中，i,j=1,2,，L，當L=1時，是4QAM信號；當L=2時，是16QAM信號；當L=4時，是64QAM信號。選擇正交的基本信號為 (2.3) 在信號空間中MQAM信號點 (i,j=1,2,

9、L) (2.4) 圖2.1是MQAM的星座圖，這是一種矩形的MQAM星座圖。 圖2.1 MQAM信號星座圖為了說明MQAM比MPSK具有更好的抗干擾能力，圖2.2示出了16PSK和16QAM的星座圖，這兩個星座圖表示的信號最大功率相等，相鄰信號點的距離d1，d2分別為：2DPSK ， 16QAM 。結果表明，d2d1，大約超過1.64dB。合理地比較兩星座圖的最小空間距離應該是以平均功率相等為條件?？梢宰C明，在平均功率相等條件下，16QAM的相鄰信號距離超過16PSK約4.19dB。星座圖中，兩個信號點距離越大，在噪聲干擾使信號圖模糊的情況下，要求分開兩個可能信號點越容易辦到。因此16QAM方

10、式抗噪聲干擾能力優(yōu)于16PSK。圖2.2 16QAM和16PSK的星座圖MQAM的星座圖除正方形外，還有圓形、三角形、矩形、六角形等。星座圖的形式不同，信號點在空間距離也不同，誤碼性能也不同。MQAM和MPSK在相同信號點數時，功率譜相同，帶寬均為基帶信號帶寬的2倍。2.2 16QAM的調制解調原理MQAM的調制解調框圖如圖2.3所示。在發(fā)送端調制器中串/并變換使得信息速率為Rb的輸入二進制信號分成兩個速率為Rb/2的二進制信號，2/L電平轉換將每個速率為Rb/2的二進制信號變?yōu)樗俾蕿镽b/（2lbL）的電平信號，然后分別與兩個正交載波相乘，再相加后即得MQAM信號。在接收端解調器中可以采用正

11、交的相干解調方法。接受到的信號分兩路進入兩個正交的載波的相干解調器，再分別進入判決器形成L進制信號并輸出二進制信號，最后經并/串變換后得到基帶信號。 MQAM調制 MQAM的解調圖2.3 MQAM調制解調框圖2.3 16QAM的改進方案為了適應不同的需要，QAM有一些改進方案，如正交部分響應幅度調制（MQPR）、非線性正交振幅調制（NLA-QAM）、疊加式正交振幅調制（SQAM）等，還可以把QAM調制與信道編碼技術結合起來設計，取得最優(yōu)的可靠性和有效性，這種技術稱為網格編碼調制（TCM）。1.MQPR調制這是一種在多電平正交調制中，上下兩支路的同相和正交基帶信號都用部分響應信號（通常采用第類和

12、第類部分響應）的調制方式。QPR與QAM相比，在相同信息傳輸速率條件下，嚴格帶寬受限的QPR優(yōu)于QAM。2.NLA-QAM調制QAM信號在進行傳輸之前，還要進行功率放大，而高效的功率放大是非線性的功率放大器，故而需考慮非線性對QAM的特性沒有明顯的影響措施，這就是NLA-QAM調制。NLA-QAM信號的產生方法與QAM不相同，但解調的方法與QAM完全一樣。3.SQAM調制QAM調制信號在碼元轉換時刻有相位跳變的時刻，旁瓣分量比連續(xù)相位的調制信號要高。要改善QAM的頻譜特性，應改善其基帶波形以平滑碼元轉換時的相位變化，SQAM就是從這個角度提出的。SQAM的基本脈沖波形是由兩個寬度為TB的升余弦

13、波形與一個寬度為2TB的升余弦波形疊加而成。采用正交調制方式時，在下支路要延時TB/2，并且上下兩支路放大倍數相差60dB。SQAM信號的功率譜與QAM相比，旁瓣分量得到有效地抑制。 第3章 16QAM調制解調系統(tǒng)實現(xiàn)與仿真前面兩章簡單介紹了16QAM的調制解調和SIMULINK的工作原理，下面本文將用MATLAB數學軟件中的SIMULINK模塊實現(xiàn)16QAM調制、解調通信系統(tǒng)，并進行仿真。由第二章MQAM的調制解調原理可以得出，16QAM的調制解調框圖如下所示： 圖3.1 16QAM的調制解調框圖由圖3.1可以知道，16QAM的調制解調原理比較簡單，接下來，我們將通過調制與解調兩大模塊來介紹

14、SIMULINK下16QAM的仿真結果，并且將對仿真結果作出分析并對系統(tǒng)進行一定的優(yōu)化，從而獲得較好的系統(tǒng)模型。下頁為本次仿真的系統(tǒng)總體框圖：圖3.2 仿真總體框圖3.1 16QAM 調制模塊的模型建立與仿真通過對圖3.1中16QAM調制原理框圖的分析，16QAM一個碼元所攜帶的信息為即4bit，是一般基帶數字調制（QPSK）碼元攜帶信息量的2倍。而且16QAM調制是由兩路相互獨立的信號進行調制，一個16QAM碼元寬度是基礎信號的2倍。以下我將對系統(tǒng)仿真框圖中的各模塊進行簡單的介紹：3.1.1 信號源 本次仿真在信號源部分采用了偽隨機序列發(fā)生器，由于系統(tǒng)要求基帶信號碼元速率19.2kbps，則

15、本序列發(fā)生器的基本參數設置如下： Generator polynomial:1 0 0 0 0 1 1 Initial states:0 0 0 0 0 1 Output mask vector:0 Sample time:1/19200 Output data type:double3.1.2 串并轉換模塊由于系統(tǒng)仿真總框圖涉及模塊較多，為不失美觀同時又能顯的淺顯易懂特將串并轉化作成一個單獨子系統(tǒng)而嵌入總系統(tǒng)中。該子系統(tǒng)內部框圖如下所示：圖3.3 串并轉換模塊 由圖可知，本子系統(tǒng)有一個輸入端口和兩個輸出端口。系統(tǒng)首先將輸入的偽隨機序列分成兩路并將其中的一路直接按整數因子2抽取，然后進行一個單

16、位的延時，這樣便得到了原隨機序列的奇數碼元；對于另外一路則先進行延遲然后下采樣便可得到原序列的偶數碼元，至此串并轉換也是結束了。 假設輸入In1: 0 0 1 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 1 0 0 0 1 0 1 0 0 1 則有 Out1: 0 1 0 0 1 0 0 1 0 1 1 0 Out2: 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 實際運行中各路信號圖形如下所示，圖中從上往下依次是串行輸入、并行輸出1和并行輸出2的波形。由圖可以得出經串并轉換之后，并行輸出的每一路碼元傳輸速率降為了原來的一半，這也正是實際運應中所要求的。和假設不同的是每一路輸出信號前邊都多了

17、一個0碼元單位，這是由于延遲模塊所造成的。當然它們在這里同時被延遲了一個單元，但對后面各種性能的研究是不會造成影響的。各路串并轉換圖如下所示：圖3.4 串并轉換各路信號圖3.1.3 2/4電平轉換模塊對于2/4電平的轉換，其實是將輸入信號的4種狀態(tài)（00,01,10,11）經過編碼以后變?yōu)橄鄳?電平信號。這里我們選擇的映射關系如下表所示：表3-1 2/4電平映射關系表 映射前數據 電平/V 00 -3 01 -1 10 1 11 3根據以上映射關系，我們可以很容易的找出它們之間的一個數學關系。這里輸入信號為兩路二進制信號，假設它們是ab，則在a=1時讓它輸出一個幅度為2的信號，當a=0時輸出

18、幅度為-2的信號。同理當b=1是讓它輸出一個幅度為1的信號，當b=0時輸出幅度為-1的信號。如此一來便可以得到下面的結果： 當ab=00時 輸出： y=-2 + -1=-3； ab=01時 y=-2 + 1=-1； ab=10時 y=2 + -1 =1； ab=11時 y=2 + 1 =3； 由上所示我們可以得出：再設計2/4電平轉換模塊的時候，我們需要先將輸入信號再次進行串并轉換，每路信號做一個簡單的判決，再用一個相加模塊便可實現(xiàn)2/4電平的轉換功能。具體模塊如下所示：圖3.5 2/4 電平轉換模塊以上模塊中各點的信號圖如下所示：圖3.6 2/4電平轉換模塊各點波形上圖中第一行為輸入信號，第

19、二三行分別為經串并轉換后的兩行信號，最后為輸出4電平信號。觀察各行波形可以得出： 輸入：0 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 1 1 0 1 1 1 0 并行1： 0 0 0 1 0 0 1 1 1 并行2： 0 1 0 0 1 1 0 1 0 輸出： -3 -1 -3 1 -1 -1 1 3 1 比較各行波形可以發(fā)現(xiàn)這個模塊已經很好的實現(xiàn)了2/4電平的轉換，這里4電平信號的碼元傳輸速率已降為Rb/4。3.1.4 其余模塊除以上所述的兩個子系統(tǒng)外，調制階段還包括正余弦信號發(fā)生器、加法器、乘法器、頻譜示波器和離散時間信號發(fā)散圖示波器等。由于系統(tǒng)要求載波頻率為76.8KHZ，所以兩載波信號發(fā)

20、生器的參數設置如下所示：Amlitude: 1 ：Amlitude:1 Bias: 0 Bias: 0 Frequency（rad/sec）:76800*2*pi Frequency(rad/sec)：76800*2*pi Phase(rad): pi/2 Phase(rad): 0 Sample time：1/768000 Sample time：1/768000 對于離散時間信號發(fā)散圖示波器，這里我們又做了一個子系統(tǒng)如下圖所示：圖3.7 離散時間信號發(fā)散圖示波器上圖中先將兩路正交的信號和成一個復信號后，經離散采樣加入到了信號發(fā)散圖示波器，這樣就可以得到原始信號的星座圖了。3.1.5 調制系

21、統(tǒng)的實現(xiàn)將以上各模塊、子系統(tǒng)按原理圖進行連接，并對各模塊參數進行相應的設定，便可實現(xiàn)其調制功能。進行仿真得到的調制輸出波形和星座圖分別如圖3.8和圖3.9所示。 圖3.8 16QAM調制波形上圖中一三行為并行輸出的兩路四電平信號，二四行為一三行分別與正交載波相乘后所得的兩路信號。第五行為它們的和信號，也即為最終調制信號，至此16QAM信號的調制也就結束了。圖3.9 16QAM的星座圖3.2 16QAM解調模塊的模型建立與仿真16QAM解調原理框圖如圖3.1所示，解調器實現(xiàn)的核心在于4/2電平判決模塊及并串轉換模塊。在本次仿真中，載波恢復輸出的同頻同相波是直接由調制模塊中的載波提供的，也就是說在

22、仿真實驗中并沒有做載波恢復。3.2.1 相干解調系統(tǒng)先前所得的16QAM調制信號通過高斯白噪聲信道以后便可以解調了。本文所采用的解調器原理為相干解調法，即已調信號與載波相乘，送入到低通濾波器，其對應原理圖中信號輸入并與載波相乘后通過LPF的部分，輸出送入到判決器判決，在這里，低通濾波器的設計很重要，在Simulink中提供了一些濾波器，我們可以加以利用，但它的參數設定對后續(xù)判決產生誤差有很大關系，所以要對該濾波器的參數設定要慎重。在本文涉及的仿真中濾波器均選擇貝塞爾低通濾波器。這里對LPF的參數設定如下，而輸出波形如圖4.10所示。 Desige method : Bessel Filter

23、type : Lowpass Filter order: 8 Pass edge frequency (rad/s) : 15360*2*pi 圖3.10 輸出波形圖上圖中，一三行為調制波與載波相乘的結果，二四行分別為它們經過低通濾波器后所得的波形。3.2.2 4/2電平判決由于前面采用的是模擬低通濾波器，所以在4/2電平判決之前得到的是一個模擬的4電平信號。之后要想得到2電平的數字信號，需經一系列的抽樣、量化和編碼。這里我們再次使用了子系統(tǒng)這一概念，如下圖所示：圖 3.11 4/2電平轉換模塊上圖中，對模擬信號做了常數為2的增益后，讓其通過了一個量化編碼器，再通過離散采樣以后便得到了標準的4

24、電平數字信號。然后信號被分為兩路，分別進行量化編碼后得到了兩路二進制信號，最后經串并轉換得到了最終結果。此處三個量化編碼器的參數設置如下所示： 2 Quantization partition: -2.0 0 2.0 Quantization codebook: -3 -1 1 3 3 Quantization partition: -2.0 0 2.0 Quantization codebook: 0 0 1 1 4 Quantization partition: -2.0 0 2.0 Quantization codebook: 0 1 0 1 假設上述模塊輸入為x，輸出分別為為y、z1、

25、z2，則它完成的功能是： 這樣兩路二進制信號經并串轉換后，便完成了以下映射關系，也最終實現(xiàn)了4/2電平的轉換。表3-2 4/2電平映射關系表 映射前數據 電平/V -3 00 -1 01 1 10 3 11 上邊子系統(tǒng)中各點波形如下所示：圖3.12 4/2電平轉換中各點波形3.2.3 并串轉換本系統(tǒng)中的并串轉換模塊由一個脈沖序列發(fā)生器和一個選擇器構成。其中的脈沖序列發(fā)生器用來產生占空比為0.5的全一序列，而選擇器用來決定在哪一個時候輸出哪一路信號。它的參數設置如下：Switch：Criteria for passing first input: u2=Threshold Threshold:

26、0.5 所以，當輸入脈沖序列為1時，選擇器輸出第一路信號；當輸入脈沖序列為0時，選擇器輸出第二路信號。這樣本次仿真經并串轉換以后波形如圖3.13所示。圖3.13 串并轉換輸出波形圖上圖中，一三兩行為4/2判決器的輸出，第二行為解調出的16QAM最終信號。3.2.4 其它模塊除以上各模塊之外，解調階段還用到了包括眼圖、發(fā)散圖示波器和錯誤率統(tǒng)計等信宿模塊。圖3.14和3.15分別顯示了信道信噪比SNR為10dB時的16QAM信號星座圖和4/2判決之前的眼圖。圖3.14 16QAM信號加噪聲后的星座圖圖3.15 16QAM信號的眼圖第4章 結論本文研究的重點是對基于MATLAB/SIMULINK的16QAM 調制解調系統(tǒng)進行設計與仿真，并與2DPSK系統(tǒng)進行了比較，得到以下的結論1. 對1