基于Simulink16QAM調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)性能分析

1、華東交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 基于Simulink的16QAM調(diào)制解調(diào)及性能分析摘要 隨著無線通信頻帶日趨緊張，研究和設(shè)計(jì)自適應(yīng)信道調(diào)制技術(shù)體制是建立寬帶移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)之一。正交振幅調(diào)制技術(shù)（QAM）是一種功率和帶寬相對(duì)高效的信道調(diào)制技術(shù),因此在大容量數(shù)字微波通信系統(tǒng)、有線電視網(wǎng)絡(luò)高速數(shù)據(jù)傳輸、衛(wèi)星通信系統(tǒng)等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。在移動(dòng)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(yīng)用的正交振幅調(diào)制也引起了人們的重視。本文首先簡(jiǎn)單簡(jiǎn)紹了QAM調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)和MATLAB7.0/Simulink的工作原理。然后利用Simulink對(duì)16QAM調(diào)制系統(tǒng)進(jìn)行

2、仿真,不但得到了信號(hào)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(jiǎn)單做了一個(gè)2DPSK系統(tǒng)仿真之后，將它與16QAM系統(tǒng)進(jìn)行了比較，并得出了16QAM是一種相對(duì)優(yōu)越的調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)這一結(jié)論。關(guān)鍵詞：QAM SIMULINK; 仿真 ;2DPSK; 誤碼率ABSTRACTThe research and design of adaptable channel modulation system is one of the key techniques in building a broadband mobile communication network

3、 with increasing shortage of wireless communication frequency-band. Because quadrature amplitude modulation (QAM) is efficient in power and bandwidth, it has been used widely in field of large-capacity digital microwave communication systems, high-speed data transmission cable television network and

4、 satellite communications.In mobile communications, with the appearance of micro-and pico-cell,channel transmission characteristics have made great changes. The quadrature amplitude modulation which can not be applied to the traditional cellular systems in the past has also attracted much attention.

5、 This article briefly introduce how QAM modulation and demodulation system and MATLAB7.9/Simulink4.0 works. After a simulation of the 16QAM modulation system, we not only get the the signal constellation before and after adding noise, eye pattern, but also the BER with the changing conditions in the

6、 SNR. Finally, after a simple simulation of 2DPSK system,we made a comparition with the 16QAM system and get a conclusion that 16QAM is a relatively superior modulation and demodulation system. Keywords: QAM ; Simulink ; Simulation ; 2DPSK ; BER目錄1緒論11.1簡(jiǎn)介11.2SIMULINK21.3SIMULINK與通信仿真22正交振幅調(diào)制32.1二進(jìn)制

7、解調(diào)32.2多進(jìn)制解調(diào)42.3MQAM的原理52.4QAM的調(diào)制解調(diào)原理83SIMULINK103.1SMULINK簡(jiǎn)介103.2Simulink基本模塊庫介紹103.2.1Simulink的啟動(dòng)103.2.2Simulink的基本模塊庫介紹113.2.3Simulink簡(jiǎn)單模型的建立133.2.4Simulink 的Communications Blockset14416QAM調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與仿真164.116QAM 調(diào)制模塊的模型建立與仿真184.1.1信號(hào)源184.1.2串并轉(zhuǎn)換模塊184.1.32/4電平轉(zhuǎn)換模塊204.1.4正余弦信號(hào)發(fā)生器224.1.5離散時(shí)間信號(hào)發(fā)散圖示波器22

8、4.1.6調(diào)制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)234.216QAM解調(diào)模塊的模型建立與仿真244.2.1相干解調(diào)244.2.24/2電平判決264.2.3并串轉(zhuǎn)換284.2.4其它模塊28516QAM抗噪聲性能研究305.116QAM抗噪聲性能仿真315.216QAM與2DPSK系統(tǒng)抗噪聲性能比較32總結(jié)35謝辭36參考文獻(xiàn)37III1 緒論1.1 簡(jiǎn)介在現(xiàn)代通信中，提高頻譜利用率一直是人們關(guān)注的焦點(diǎn)之一。近年來，隨著通信業(yè)務(wù)需求的迅速增長(zhǎng)，尋找頻譜利用率高的數(shù)字調(diào)制方式已成為數(shù)字通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)、研究的主要目標(biāo)之一。數(shù)字通信系統(tǒng)分為基帶傳輸系統(tǒng)和載波傳輸系統(tǒng)，為了適應(yīng)某種需要（如無限信道傳輸及多路信號(hào)復(fù)用等），大部分

9、通信系統(tǒng)采用載波傳輸。數(shù)字信號(hào)對(duì)載波的振幅調(diào)制稱為振幅鍵控，記為ASK(Amplitude-Shift Keying);對(duì)載波的頻率調(diào)制稱為頻移鍵控，記為FSK（Frequency-Shift Keying）;對(duì)載波的相位調(diào)制稱為相移鍵控，記為PSK（Phase-Shift Keying）。調(diào)制信號(hào)是二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)時(shí)的調(diào)制稱為二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制，二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)中，載波的振幅、頻率、相位只有兩種變化狀態(tài)，這時(shí)的正交振幅調(diào)制、頻率調(diào)制及相位調(diào)制分別為2ASK、2FSK、及2PSK。為了提高通信系統(tǒng)傳輸信息的有效性（信息傳輸速率或系統(tǒng)的頻帶利用率）和可靠性（抗噪聲性能），常采用多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制及改進(jìn)型

10、數(shù)字調(diào)制技術(shù)。通常把狀態(tài)數(shù)大于2的數(shù)字信號(hào)稱為多進(jìn)制信號(hào)。多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制，即用多進(jìn)制信號(hào)去調(diào)制載波，例如用M進(jìn)制的信號(hào)去鍵控載波而得到的M進(jìn)制已調(diào)信號(hào)。一般取M=（k為正整數(shù)），這樣一個(gè)多進(jìn)制碼元所傳輸?shù)男畔⒘繛閎it，是二進(jìn)制碼元的k倍。因此，在相同的傳輸速率條件下，多進(jìn)制傳輸系統(tǒng)與二進(jìn)制系統(tǒng)相比，可以使傳輸頻帶壓縮k倍，從而提高通信系統(tǒng)的有效性。但是，在同樣的信號(hào)幅度下，多進(jìn)制傳輸系統(tǒng)中信號(hào)狀態(tài)之間判決電平的間隔（即信號(hào)間的最小距離）減小了，因此在同樣大小的噪聲干擾下，多進(jìn)制傳輸系統(tǒng)的誤碼率會(huì)增加。在多進(jìn)制調(diào)制中，隨著M的增大系統(tǒng)的可靠性明顯下降。在此基礎(chǔ)上又提出改進(jìn)型數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)，QAM

11、(Quadrature Amplitude Modulation)就是是一種頻譜利用率很高的改進(jìn)型數(shù)字調(diào)制方式，其在中、大容量數(shù)字微波通信系統(tǒng)、有線電視網(wǎng)絡(luò)高速數(shù)據(jù)傳輸、衛(wèi)星通信系統(tǒng)等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。在移動(dòng)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(yīng)用的正交振幅調(diào)制也引起人們的重視。QAM數(shù)字調(diào)制器作為DVB系統(tǒng)的前端設(shè)備，接收來自編碼器、復(fù)用器、DVB網(wǎng)關(guān)、視頻服務(wù)器等設(shè)備的TS流，進(jìn)行RS編碼、卷積編碼和QAM數(shù)字調(diào)制，輸出的射頻信號(hào)可以直接在有線電視網(wǎng)上傳送，同時(shí)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(biāo)，廣泛的應(yīng)用

12、于數(shù)字有線電視傳輸領(lǐng)域和數(shù)字MMDS系統(tǒng)。 作為國(guó)際上移動(dòng)通信技術(shù)專家十分重視的一種信號(hào)調(diào)制方式之一，正交振幅調(diào)制（QAM）在移動(dòng)通信中頻譜利用率一直是人們關(guān)注的焦點(diǎn)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(jī)和發(fā)射機(jī)之間通常具有很強(qiáng)的支達(dá)分量，以往在蜂窩系統(tǒng)中不能應(yīng)用的但頻譜利用率很高的WAM已引起人們的重視，許多學(xué)者已對(duì)16QAM及其它變型的QAM在PCN中的應(yīng)用進(jìn)行了廣泛深入地研究。1.2 SIMULINK Simulink是MATLAB中的一種可視化仿真工具， 是一種基于MATLAB的框圖設(shè)計(jì)環(huán)境，是實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)系

13、統(tǒng)建模、仿真和分析的一個(gè)軟件包，被廣泛應(yīng)用于線性系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)、數(shù)字控制及數(shù)字信號(hào)處理的建模和仿真中。Simulink可 以用連續(xù)采樣時(shí)間、離散采樣時(shí)間或兩種混合的采樣時(shí)間進(jìn)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(dòng)態(tài)系統(tǒng)模型，Simulink提供了一個(gè)建立模型方塊圖的圖形用戶接口(GUI) ，這個(gè)創(chuàng)建過程只需單擊和拖動(dòng)鼠標(biāo)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(jié)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(jié)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

14、參考。仿真是科學(xué)研究和工程建設(shè)中不可缺少的方法。通信仿真可以分為離散事件和連續(xù)仿真。在離散事件仿真中，仿真系統(tǒng)只對(duì)離散事件做出響應(yīng)；而在連續(xù)仿真中，仿真系統(tǒng)對(duì)輸入信號(hào)產(chǎn)生連續(xù)的輸出信號(hào)。離散事件仿真是對(duì)實(shí)際通信系統(tǒng)的一種簡(jiǎn)化，它的仿真建模比較簡(jiǎn)單，整個(gè)仿真過程需要花費(fèi)的時(shí)間也比連續(xù)仿真少。雖然離散事件仿真舍棄了一些仿真細(xì)節(jié)，在有些場(chǎng)合顯得有些不夠具體，但仍然是通信仿真的主要形式。本文所用的即是離散的。實(shí)際的通信系統(tǒng)是一個(gè)功能結(jié)構(gòu)相當(dāng)復(fù)雜的系統(tǒng)，對(duì)于這個(gè)系統(tǒng)作出的任何改變都可能影響到整個(gè)系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定。而Simulink作為Matlab提供的用于對(duì)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行建模、仿真和分析的工具包，提供了仿

15、真所需的信源編碼、糾錯(cuò)編碼、信道、調(diào)制解調(diào)以及其它所用的全部庫函數(shù)和模塊?？梢?，不管對(duì)任何復(fù)雜的通信系統(tǒng)，用Simulink對(duì)其仿真都是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。2 正交振幅調(diào)制數(shù)字調(diào)制具有3種基本方式：數(shù)字振幅調(diào)制、數(shù)字頻率調(diào)制、數(shù)字相位調(diào)制。這3種數(shù)字調(diào)制方式都存在不足之處，如：頻譜利用率低、抗多徑抗衰弱能力差、功率譜衰減慢、帶外輻射嚴(yán)重等。為了改善這些不足，近幾十年來人們不斷提出一些新的數(shù)字調(diào)制解調(diào)技術(shù)，以適應(yīng)各種通信系統(tǒng)的要求。其主要研究?jī)?nèi)容圍繞著減小信號(hào)帶寬以提高信號(hào)頻譜利用率；提高功率利用率以增強(qiáng)抗噪聲性能；適應(yīng)各種隨參信道以增強(qiáng)抗多徑抗衰落能力等。2.1 二進(jìn)制解調(diào)衡量一個(gè)數(shù)字通信系統(tǒng)性能

16、好壞的指標(biāo)有多種，最為主要的是有效性和可靠性。下面針對(duì)二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的誤碼率性能、頻帶利用率、對(duì)信道的適應(yīng)能力等性能作一簡(jiǎn)要的比較。誤碼率是衡量一個(gè)數(shù)字通信系統(tǒng)性能的重要指標(biāo)。由分析可知在信道高斯白噪聲的干擾下，各種二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的誤碼率取決于解調(diào)器輸入信噪比，而誤碼率表達(dá)式的形式則取決于解調(diào)方式：相干解調(diào)時(shí)為互補(bǔ)誤差函數(shù)erfc形式（k只取決于調(diào)制方式），非相干解調(diào)時(shí)為指數(shù)函數(shù)。如表：調(diào)制方式 解調(diào)方式 相干解調(diào) 非相干解調(diào) 2ASK 2FSK 2PSK 2DPSK 表一 二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制誤碼率一覽表由表一可以看出，在相同的信噪比下，相干解調(diào)的2PSK系統(tǒng)的誤碼率最小。當(dāng)信號(hào)碼元寬度為

17、時(shí)，2ASK系統(tǒng)和2PSK（2DPSK)系統(tǒng)的頻帶寬度近似為2/，即：。2FSK系統(tǒng)的頻帶寬度近似為：2.2 多進(jìn)制解調(diào)帶通二進(jìn)制鍵控系統(tǒng)中，每個(gè)碼元只傳輸1b信息，其頻帶利用率不高。而頻率資源是極其寶貴和稀缺的，為了提高頻帶利用率，最有效的辦法就是使一個(gè)碼元傳輸多個(gè)比特的信息。多進(jìn)制鍵控可以看作是二進(jìn)制鍵控體制的推廣。這時(shí)，為了得到相同的誤碼率，和二進(jìn)制系統(tǒng)相比，接收信號(hào)信噪比需要更大，即需要更大的發(fā)送信號(hào)功率。這是為了傳輸更多信息量所要付出的代價(jià)。有分析可知，各種鍵控體制的誤碼率都決定于信噪比：，式表示r是信號(hào)碼元功率（）和噪聲功率之比。和二進(jìn)制類似，基本的多進(jìn)制鍵控也有ASK、FSK、P

18、SK和DPSK等幾種。相應(yīng)的鍵控方式可以記為多進(jìn)制振幅鍵控（MASK）、多進(jìn)制頻移鍵控（MFSK）、多進(jìn)制相移鍵控（MPSK）和多進(jìn)制差分相移鍵控（MDPSK）。誤碼率情況如下表二： 調(diào)制方式 MASK MFSK MPSK MDPSK 誤碼率 帶寬 表二 多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制誤碼率一覽表2.3 MQAM的原理上述介紹的調(diào)制方式不管是二進(jìn)制還是多進(jìn)制都存在一定的局限，頻譜利用率低、抗多徑抗衰弱能力差、功率譜衰減慢、帶外輻射嚴(yán)重等問題還是沒有很好地解決，因此發(fā)展處改進(jìn)型數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)。正交振幅調(diào)制（QAM）就是一種具有代表性的調(diào)制系統(tǒng)。在恒參信道中，正交振幅調(diào)制（QAM）方式具有高的頻譜利用率，因此正交振

19、幅調(diào)制（QAM）在衛(wèi)星通信和有線電視網(wǎng)絡(luò)高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)阮I(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。正交振幅調(diào)制（QAM）是將調(diào)幅和調(diào)相結(jié)合起來的一種調(diào)制方式。這種調(diào)制方式在給定M和誤碼率條件下比PSK的功率利用率要高，但設(shè)備要復(fù)雜，對(duì)信道的非線性特性也更為敏感。采用MPSK方式后雖然系統(tǒng)的有效性提高了，但可靠性能降低了。因?yàn)樵诤惴{(diào)相信號(hào)中，隨著M的增大，信號(hào)空間中各信號(hào)狀態(tài)點(diǎn)之間的最小距離減小了，因而受到干擾后，判決時(shí)更容易出錯(cuò)。正交振幅調(diào)制是用兩個(gè)獨(dú)立的基帶波形對(duì)兩個(gè)互相正交的同頻載波進(jìn)行抑制載波的雙邊帶調(diào)制。在這種調(diào)制中，已調(diào)載波的振幅和相位都隨兩個(gè)獨(dú)立的基帶信號(hào)變化。采用多進(jìn)制正交振幅調(diào)制，可記為MQAM（M&

20、gt;2）。增大M可提高頻率利用率，也即提高傳輸有效性。 MQAM信號(hào)表示式可寫成： (2.1.1) 式中：g(t)是高度為1，寬度為T的矩形脈沖；是載波可能取的N種不同電平值，是載波可能取的M種不同相位。MQAM信號(hào)表示式也可寫成： (2.1.2)由上式可以看出，MQAM信號(hào)的帶寬與MPSK信號(hào)的帶寬相同。因此，QAM方式是一種高效率的信息傳輸方式。QAM信號(hào)的表示方法有以下幾種。（1） 時(shí)域表示法。 其中 （2）矢量表示法。4QAM矢量表示法如圖所示 AB AB 01 11 AB AB 00 10 由上圖可以看出，輸出信號(hào)有4種不同的相位，各代表一對(duì)二元碼（AB），一對(duì)二元碼有4種不同組合

21、，可以看成二元碼00,01,11,10，按照相位旋轉(zhuǎn)次序分別為0，1，2，3表示，這種對(duì)應(yīng)關(guān)系符合格雷碼規(guī)則。 （3）星座表示法。星座圖是指信號(hào)矢量表示法的矢量端點(diǎn)的分布圖。 圖2.3.1是MQAM的星座圖，這是一種矩形的MQAM星座圖。 圖2.3.1 MQAM信號(hào)星座圖一般來說，MQAM信號(hào)的星座圖為矩形或十字形，如圖，M=4、6、64、256時(shí)的星座圖為矩形，而M=32、128時(shí)的星座圖為十字形。前者M(jìn)為2的偶次方，即每個(gè)符號(hào)攜帶偶數(shù)個(gè)比特信息；后者M(jìn)為2的奇次方，即每個(gè)符號(hào)攜帶奇數(shù)個(gè)比特信息。為了說明MQAM比MPSK具有更好的抗干擾能力，圖2.3.2示出了16PSK和16QAM的星座圖

22、，這兩個(gè)星座圖表示的信號(hào)最大功率相等，相鄰信號(hào)點(diǎn)的距離d1，d2分別為： 2DPSK 16QAM 結(jié)果表明，d2>d1，大約超過1.64dB。因此16QAM方式抗噪聲干擾能力優(yōu)于16PSK。實(shí)際上，應(yīng)該以信號(hào)的平均功率相等為條件來比較上述信號(hào)相鄰點(diǎn)間的距離才是合理的?？梢宰C明，MQAM信號(hào)的最大功率與平均功率之比為： 這樣，增加為原來值的倍。對(duì)16QAM來說，L=4，由上式可得到=1.8=2.55dB，故=0.47A*=0.63A。而對(duì)16PSK信號(hào)來說，因其包絡(luò)恒定，故信號(hào)的最大功率與平均功率相同，即=1。因而在平均功率相等的條件下，MQAM的優(yōu)點(diǎn)更為明顯，此時(shí)/=1.62約為4.19

23、dB。 圖2.3.2 16QAM和16PSK的星座圖 QAM特別適合用于頻帶資源有限的場(chǎng)合。例如，由于電話信道的帶寬通常限制在話音頻帶（300Hz-3400Hz）范圍內(nèi)，若希望在此頻帶中提高通過調(diào)制解調(diào)器傳輸數(shù)字信號(hào)的速率，則QAM是非常適用的。2.4 QAM的調(diào)制解調(diào)原理 16QAM信號(hào)的產(chǎn)生方法主要有兩種。第一種是正交調(diào)幅法，即用兩路獨(dú)立的正交4ASK信號(hào)疊加，形成16QAM信號(hào)。第二種方法是復(fù)合相移法，它用兩路獨(dú)立的QPSK信號(hào)疊加，形成16QAM信號(hào)MQAM的調(diào)制解調(diào)框圖如圖2.4.1所示。在發(fā)送端調(diào)制器中串/并變換使得信息速率為Rb的輸入二進(jìn)制信息序列分成上下兩路速率為Rb/2的二進(jìn)

24、制序列，2/L電平轉(zhuǎn)換器將每個(gè)速率為Rb/2的二進(jìn)制信號(hào)變?yōu)樗俾蕿镽b/（2lbL）的電平信號(hào)，然后分別與兩個(gè)正交載波相乘，再相加后即得MQAM信號(hào)。在接收端解調(diào)器中可以采用正交的相干解調(diào)方法。經(jīng)上下兩路相干解調(diào)得到的L進(jìn)制的基帶信號(hào)用有L-1個(gè)門限的判決器判決后，分別得到速率為Rb/2的二進(jìn)制序列，最后經(jīng)并/串變換后得到基帶信號(hào)。串并變換低通LPF2-L電平轉(zhuǎn)換2-L電平轉(zhuǎn)換低通LPF90°相移Rb/2A路Cosw0tSinw0tRb/2B路二進(jìn)制碼輸入 MQAM調(diào)制信道載波恢復(fù)未定時(shí)恢復(fù)并串轉(zhuǎn)換0°90°二進(jìn)碼輸出Rb/2Rb/2低通LPF判決（L-1）門限低

25、通LPF判決（L-1）門限MQAM的解調(diào)圖2.4.1 MQAM調(diào)制解調(diào)框圖 3 SIMULINK3.1 SMULINK簡(jiǎn)介 Simulink是MATLAB軟件的擴(kuò)展，它是實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模和仿真的一個(gè)軟件包，它與MATLAB語言的主要區(qū)別在于，其與用戶交互接口是基于Windows的模型化圖形輸入，其結(jié)果是使得用戶可以把更多的精力投入到系統(tǒng)模型的構(gòu)建，而非語言的編程上。所謂模型化圖形輸入是指Simulink提供了一些按功能分類的基本的系統(tǒng)模塊，用戶只需要知道這些模塊的輸入輸出及模塊的功能，而不必考察模塊內(nèi)部是如何實(shí)現(xiàn)的，通過對(duì)這些基本模塊的調(diào)用，再將它們連接起來就可以構(gòu)成所需要的系統(tǒng)模型（以.md

26、l文件進(jìn)行存?。瑥亩M(jìn)行仿真與分析。 使用Simulink來建模、分析和仿真各種動(dòng)態(tài)系統(tǒng)(包括連續(xù)系統(tǒng)、離散系統(tǒng)和混合系統(tǒng))，將是一件非常輕松的事情。它提供的圖形化的交互環(huán)境，只需用鼠標(biāo)拖動(dòng)的方法便能迅速地建立起系統(tǒng)框圖模型，甚至不需要編寫一行代碼。利用Simulink進(jìn)行系統(tǒng)的建模仿真，其最大的優(yōu)點(diǎn)是易學(xué)、易用，并能依托MATLAB提供的豐富的仿真資源。3.2 Simulink基本模塊庫介紹3.2.1 Simulink的啟動(dòng) 在MATLAB命令窗口（Command Window）中輸入simulink，結(jié)果是在桌面上出現(xiàn)一個(gè)稱為Simulink Library Browser的窗口，在這個(gè)

27、窗口中列出了按功能分類的各種模塊的名稱。也可以通過MATLAB主窗口的快捷按鈕來打開Simulink Library Browser窗口。 Simulink Library Browser窗口 在MATLAB命令窗口中輸入simulink3，結(jié)果是在桌面上出現(xiàn)一個(gè)用圖標(biāo)形式顯示的Library :simulink3的Simulink模塊庫窗口。 Simulink模塊庫窗口 兩種模塊庫窗口界面只是不同的顯示形式，用戶可以根據(jù)各人喜好進(jìn)行選用，第二種窗口直觀、形象，易于初學(xué)者，但使用時(shí)會(huì)打開太多的子窗口。3.2.2 Simulink的基本模塊庫介紹 Simulink 模塊庫按功能進(jìn)行分為以下8類子

28、庫： 1.連續(xù)模塊（Continuous） continuous.mdl (1)Integrator：輸入信號(hào)積分 (2)Derivative：輸入信號(hào)微分 (3)Transport Delay：輸入信號(hào)延時(shí)一個(gè)固定時(shí)間再輸出 (4)Variable Transport Delay：輸入信號(hào)延時(shí)一個(gè)可變時(shí)間再輸出 2.離散模塊（Discrete） discrete.mdl (1)Discrete-time Integrator：離散時(shí)間積分器 (2)First-Order Hold：一階采樣和保持器 (3)Zero-Order Hold：零階采樣和保持器 (4)Unit Delay：一個(gè)采樣周

29、期的延時(shí) 3.函數(shù)和平臺(tái)模塊(Function&Tables) function.mdl4.數(shù)學(xué)模塊（ Math ）math.mdl (1)Sum：加減運(yùn)算 (2)Product：乘運(yùn)算 (3)Gain：比例運(yùn)算 (4)Math Function：包括指數(shù)函數(shù)、對(duì)數(shù)函數(shù)、求平方等常用數(shù)學(xué)函數(shù) (5)Trigonometric Function：三角函數(shù)，包括正弦、余弦、正切等 (6)Abs：取絕對(duì)值 (7)Logical Operator：邏輯運(yùn)算 (8)Relational Operator：關(guān)系運(yùn)算 5.信號(hào)和系統(tǒng)模塊（ Signal&Systems ） sigsys.md

30、l (1)In1：輸入端 (2)Out1：輸出端 (3)SubSystem：建立新的封裝（Mask）功能模塊 6.非線性模塊（ Nonlinear ） nonlinear.mdl 7.接收器模塊（ Sinks ） sinks.mdl (1)Scope：示波器 (2)To Workspace：將輸出寫入MATLAB的工作空間 (3)To File(.mat)：將輸出寫入數(shù)據(jù)文件 8.輸入源模塊（ Sources ） sources.mdl (1)Constant：常數(shù)信號(hào) (2)Pulse Generator：脈沖發(fā)生器 (3)Signal Generator：信號(hào)發(fā)生器，可以產(chǎn)生正弦、方波、及

31、任意波 (4)Sine Wave：正弦波信號(hào)3.2.3 Simulink簡(jiǎn)單模型的建立 1.簡(jiǎn)單模型的建立： (1)建立模型窗口 (2)將功能模塊由模塊庫窗口復(fù)制到模型窗口 (3)對(duì)模塊進(jìn)行連接，從而構(gòu)成需要的系統(tǒng)模型 2.模型的特點(diǎn)： (1)在Simulink里提供了許多如Scope的接收器模塊，這使得用Simulink進(jìn)行仿真具有像做實(shí)驗(yàn)一般的圖形化顯示效果 (2)Simulink的模型具有層次性，通過底層子系統(tǒng)可以構(gòu)建上層母系統(tǒng) (3)Simulink提供了對(duì)子系統(tǒng)進(jìn)行封裝的功能，用戶可以自定義子系統(tǒng)的圖標(biāo)和設(shè)置參數(shù)對(duì)話框 3.Simulink功能模塊的處理 功能模塊的基本操作，包括模塊

32、的移動(dòng)、復(fù)制、刪除、轉(zhuǎn)向、改變大小、模塊命名、參數(shù)設(shè)定、模塊輸入輸出信號(hào)等。模塊庫中的模塊可以直接用鼠標(biāo)進(jìn)行拖曳（選中模塊，按住鼠標(biāo)左鍵不放）而放到模型窗口中進(jìn)行處理。在模型窗口中，選中模塊，則其4個(gè)角會(huì)出現(xiàn)黑色標(biāo)記，此時(shí)可以對(duì)模塊進(jìn)行以下的基本操作：移動(dòng)、復(fù)制、刪除、轉(zhuǎn)向、改變大小、模塊命名、參數(shù)設(shè)定、模塊的輸入輸出信號(hào)。 4.Simulink線的處理 Simulink模型的構(gòu)建是通過用線將各種功能模塊進(jìn)行連接而構(gòu)成的。用鼠標(biāo)可以在功能模塊的輸入與輸出端之間直接連線。所畫的線可以改變粗細(xì)、設(shè)定標(biāo)簽，也可以把線折彎、分支。 5.Simulink自定義功能模塊 一種方法是采用Signal&

33、;Systems 模塊庫中的Subsystem功能模塊，利用其編輯區(qū)設(shè)計(jì)組合新的功能模塊： (1)將Signal&Systems 模塊庫中的Subsystem功能模塊復(fù)制到打開的模型窗口中 (2)雙擊Subsystem功能模塊，進(jìn)入自定義功能模塊窗口，從而可以利用已有的基本功能模塊設(shè)計(jì)出新的功能模塊 另一種方法是將現(xiàn)有的多個(gè)功能模塊組合起來，形成新的功能模塊。對(duì)于很大的Simulink模型，通過自定義功能模塊可以簡(jiǎn)化圖形，減少功能模塊的個(gè)數(shù)，有利于模型的分層構(gòu)建： (1)在模型窗口中建立所定義功能模塊的子模塊 (2)用鼠標(biāo)將這些需要組合的功能模塊框住，然后選擇Edit菜單下的Creat

34、e Subsystem即可。3.2.4 Simulink 的Communications Blockset Simulink提供了豐富的通信系統(tǒng)仿真模塊，幾乎包括了通信系統(tǒng)仿真中所用到的所有信源、信宿、操作和算法。如圖3.3所示，用戶可以利用這些模塊方便地完成自己通信系統(tǒng)的仿真和分析。 通信系統(tǒng)仿真模塊 1.Comm Sources 子模塊集 Comm Sources 子模塊集有如下三大類：Noise Generator模塊組、Random Data Sources 模塊組、Sequence Generator 模塊。 2.Source Coding 子模塊集 Source Coding 子模

35、塊集主要包含各種信號(hào)編碼、解碼工具。 3.Channels 子模塊集 Channels 子模塊集主要包括各種信道仿真模塊，包括引入白噪聲的信道、引入二進(jìn)制錯(cuò)誤的信道、引入多徑瑞利衰落的信道。 4.Comm Sinks 子模塊集 Comm Sinks 子模塊集包含不同的信宿模塊，包括誤碼率、眼圖、星座圖等，用來可視化輸出接收端的信號(hào)。 5.Modulation 子模塊集 Modulation 子模塊集包括兩大類：Analog Passband Modulation 模塊組和Digital Baseband Modulation模塊組。4 16QAM調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與仿真 前面兩章簡(jiǎn)單介紹了16Q

36、AM的調(diào)制解調(diào)和SIMULINK的工作原理，下面本文將用MATLAB數(shù)學(xué)軟件中的SIMULINK模塊實(shí)現(xiàn)16QAM調(diào)制、解調(diào)通信系統(tǒng)，并進(jìn)行仿真。由第二章MQAM的調(diào)制解調(diào)原理可以得出，16QAM的調(diào)制解調(diào)框圖如下所示：圖4.1 16QAM的調(diào)制解調(diào)框由圖4.1可以知道，16QAM的調(diào)制解調(diào)原理比較簡(jiǎn)單，接下來，我們將通過調(diào)制與解調(diào)兩大模塊來介紹SIMULINK下16QAM的仿真結(jié)果，從而獲得較好的系統(tǒng)模型。下圖為本次仿真的系統(tǒng)總體框圖： 4.1 16QAM 調(diào)制模塊的模型建立與仿真通過對(duì)圖4-1中16QAM調(diào)制原理框圖的分析，16QAM一個(gè)碼元所攜帶的信息為即4bit，是一般基帶數(shù)字調(diào)制（Q

37、PSK）碼元攜帶信息量的2倍。而且16QAM調(diào)制是由兩路相互獨(dú)立的信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，一個(gè)16QAM碼元寬度是基礎(chǔ)信號(hào)的2倍。以下將對(duì)系統(tǒng)仿真框圖中的各模塊進(jìn)行簡(jiǎn)單的介紹：4.1.1 信號(hào)源 本次仿真在信號(hào)源部分采用了偽隨機(jī)(PN)序列發(fā)生器，我們?cè)O(shè)置基帶信號(hào)碼元速率19.2kbps，序列發(fā)生器的基本參數(shù)設(shè)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:double4.1.2 串并轉(zhuǎn)換模塊 由于系統(tǒng)仿

38、真總框圖涉及模塊較多，為不失美觀同時(shí)又能顯的淺顯易懂特將串并轉(zhuǎn)化作成一個(gè)單獨(dú)子系統(tǒng)而嵌入總系統(tǒng)中。當(dāng)我們需要觀察某一模塊的內(nèi)部框圖時(shí)雙擊該模塊即可。串并轉(zhuǎn)換模塊系統(tǒng)內(nèi)部框圖如圖所示： 圖 串并轉(zhuǎn)換模塊 取樣模塊由于要實(shí)現(xiàn)2取樣，因此Downsample模塊的Downsample factor K參數(shù)設(shè)為2，其他參數(shù)取默認(rèn)值。下支路要實(shí)現(xiàn)先延遲后取樣的功能，所以除了Downsample模塊的Downsample factor K參數(shù)設(shè)為2外Tapped Delay的Number of Delays參數(shù)要設(shè)為-1.模塊參數(shù)設(shè)置好并用線連好如上圖所示。 如圖所示，本子系統(tǒng)

39、有一個(gè)輸入端口和兩個(gè)輸出端口。先將PN序列發(fā)生器產(chǎn)生的偽隨機(jī)序列分成兩路并將其中的上支路直接按整數(shù)因子2抽取，然后進(jìn)行一個(gè)單位的延時(shí)，這樣便得到了原隨機(jī)序列的奇數(shù)碼元；對(duì)于下支路則先進(jìn)行延遲然后下采樣便可得到原序列的偶數(shù)碼元，至此串并轉(zhuǎn)換也是結(jié)束了。假設(shè)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 仿真運(yùn)行后各路信號(hào)圖形如圖所示，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。圖4.

40、1.2.2 串并轉(zhuǎn)換各路信號(hào)圖 由圖可以知，當(dāng)輸入信號(hào)是上面假設(shè)分析里的In1序列時(shí)，輸出1和輸出2輸出的序列和上面分析的Out1、Out2一致，說明設(shè)計(jì)的串并模塊能夠很好地實(shí)現(xiàn)串轉(zhuǎn)并的功能。序列經(jīng)串并轉(zhuǎn)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即9.6Kbps，這也正是實(shí)際運(yùn)應(yīng)中所要求的。和假設(shè)不同的是每一路輸出信號(hào)前邊都多了一個(gè)0碼元單位，這是由于延遲模塊所造成的。當(dāng)然它們?cè)谶@里同時(shí)被延遲了一個(gè)單元，但對(duì)后面各種性能的研究不會(huì)造成影響。4.1.3 2/4電平轉(zhuǎn)換模塊對(duì)于2/4電平的轉(zhuǎn)換，其實(shí)是將輸入信號(hào)的4種狀態(tài)（00,01,10,11）經(jīng)過編碼以后變?yōu)橄鄳?yīng)的4電平信號(hào)，四個(gè)電平

41、選擇-3V、-1V、1V、3V。映射關(guān)系如下表所示： 映射前數(shù)據(jù) 電平/V 00 -3 01 -1 10 1 11 3表 2/4電平映射關(guān)系表 根據(jù)以上映射關(guān)系，我們可以找出映射前數(shù)據(jù)和電平之間的一個(gè)數(shù)學(xué)關(guān)系。這里輸入信號(hào)為兩路二進(jìn)制信號(hào)，設(shè)它們?yōu)閍b，則在a=1時(shí)讓它輸出一個(gè)幅度為2的信號(hào)，當(dāng)a=0時(shí)輸出幅度為-2的信號(hào)。當(dāng)b=1是讓它輸出一個(gè)幅度為1的信號(hào)，當(dāng)b=0時(shí)輸出幅度為-1的信號(hào)。 當(dāng)ab=00時(shí) 輸出： y=-2 + -1=-3； ab=01時(shí) y=-2 + 1=-1； ab=10時(shí) y=2 + -1 =1； ab=11時(shí) y=2 + 1 =3； 由上分析我們可以得

42、出：在設(shè)計(jì)2/4電平轉(zhuǎn)換模塊的時(shí)候，我們需要將輸入信號(hào)再次進(jìn)行串并轉(zhuǎn)換分為兩路信號(hào)，上路信號(hào)先2取樣后單位延遲得到a，得到a的值后輸入Rate Transition模塊，然后配合兩個(gè)恒值模塊作為Switch模塊的輸入，Switch模塊的功能是當(dāng)Rate Transition模塊輸出是高電平即1時(shí)Switch選擇輸出恒值2，當(dāng)Rate Transition模塊輸出是低電平即0時(shí)Switch選擇輸出恒值-2。下路信號(hào)先延遲后2取樣得到b，后面所實(shí)現(xiàn)的功能和上路信號(hào)相同，Rate Transition1模塊輸出是高電平即1時(shí)Switch1選擇輸出恒值1，Rate Transition1模塊輸出是低電

43、平即1時(shí)Switch1選擇輸出恒值-1。把Switch和Switch1的輸出相加便能得到a、b共同決定的電平輸出。由此設(shè)計(jì)的模塊便能實(shí)現(xiàn)上面表對(duì)應(yīng)的映射關(guān)系。具體模塊如圖所示： 圖 2/4 電平轉(zhuǎn)換模塊各模塊參數(shù)設(shè)置如下： Constant：Constant value 2 Constant1：Constant value -2Constant3：Constant value 1 Constant2：Constant value -1Switch、Switch1:Criteria for passing first input u2>Threshold Thr

44、eshold 0 Sample time -1以上模塊中各點(diǎn)的信號(hào)圖如圖所示：圖 2/4電平轉(zhuǎn)換模塊各點(diǎn)波形 上圖中第一行為輸入信號(hào)，第二三行分別為經(jīng)串并轉(zhuǎn)換后的兩行信號(hào)，最后為輸出4電平信號(hào)分別為-3、-1、1和3。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)以把輸入的二進(jìn)制序列轉(zhuǎn)換為四個(gè)檔次的輸出信號(hào)，這樣模塊就能很好的實(shí)現(xiàn)了2/4電平的轉(zhuǎn)換。

45、需要注意的是這里4電平信號(hào)的碼元傳輸速率已降為Rb/4即4.8Kbps。4.1.4 正余弦信號(hào)發(fā)生器 調(diào)制階段還需要包括正余弦信號(hào)發(fā)生器，設(shè)載波頻率為76.8KHZ，因?yàn)橄到y(tǒng)需要兩個(gè)相位相差pi/2的正余弦信號(hào)，所以兩載波信號(hào)發(fā)生器的參數(shù)設(shè)置如下所示：Amlitude: 1 ：Amlitude:1 Bias: 0 Bias: 0 Frequency（rad/sec）:76800 Frequency(rad/sec)：76800 Phase(rad): pi/2 Phase(rad): 0 Sample time：1/768000 Sample time：1/768000在上面的參數(shù)設(shè)置中，我們

46、對(duì)Sample time這一參數(shù)設(shè)為1/768000，可以看出它是頻率倒數(shù)的1/10，因此我們用信號(hào)發(fā)生器所產(chǎn)生的是離散的正余弦信號(hào)，并不是模擬信號(hào)。4.1.5 離散時(shí)間信號(hào)發(fā)散圖示波器我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)子系統(tǒng)如圖所示： 圖 離散時(shí)間信號(hào)發(fā)散圖示波器 在基帶信號(hào)調(diào)制之前可以用上面設(shè)計(jì)的離散時(shí)間信號(hào)發(fā)散圖示波器觀察調(diào)制信號(hào)的特性和信道對(duì)調(diào)制信號(hào)的干擾特性。星座圖觀測(cè)模塊只有一個(gè)輸入端口，輸入信號(hào)必須為復(fù)信號(hào)。上面設(shè)計(jì)中先將兩路正交的信號(hào)和成一個(gè)復(fù)信號(hào)后，經(jīng)離散采樣輸入到了信號(hào)發(fā)散圖示波器，這樣就可以得到原始信號(hào)的星座圖了。4.1.6 調(diào)制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn) 將以上各模塊、子系統(tǒng)按

47、原理圖進(jìn)行連接，并對(duì)各模塊參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)定，便可實(shí)現(xiàn)其調(diào)制功能。進(jìn)行仿真得到的調(diào)制輸出波形和星座圖分別如圖和圖所示。 圖 16QAM調(diào)制波形 上圖中一三行為并行輸出的兩路四電平信號(hào)，二四行為一三行分別與正交載波相乘后所得的兩路信號(hào)。第五行為它們的和信號(hào)，也即為最終調(diào)制信號(hào)。 圖 16QAM的星座圖 由上面的星座圖可以觀測(cè)到在調(diào)制端，信號(hào)的星座圖完全符合理論上的星座圖，規(guī)則地分布在16個(gè)位置。4.2 16QAM解調(diào)模塊的模型建立與仿真16QAM解調(diào)原理框圖本章開始介紹所示，對(duì)16QAM信號(hào)的解調(diào)即是調(diào)制的逆方向。解調(diào)器實(shí)現(xiàn)的核心在于4/2

48、電平判決模塊及并串轉(zhuǎn)換模塊。在本文設(shè)計(jì)中未對(duì)調(diào)制信號(hào)進(jìn)行載波回復(fù)，解調(diào)需要的同頻同相波是直接由調(diào)制模塊中的載波提供的。4.2.1 相干解調(diào)系統(tǒng)先前所得的16QAM調(diào)制信號(hào)通過高斯白噪聲信道以后便可以解調(diào)了。本文所采用的解調(diào)器原理為相干解調(diào)法，即已調(diào)信號(hào)與載波相乘，送入到低通濾波器，其對(duì)應(yīng)原理圖中信號(hào)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。解調(diào)部分中Sine Wave1產(chǎn)生的波是余弦波，下支路波形發(fā)生器產(chǎn)生正弦波。它們的參數(shù)設(shè)置如下：:Amlitude: 1 ：Amlitude:1 Bias: 0 Bias: 0 Frequency（rad/sec）:76800 Frequen

49、cy(rad/sec)：76800 Phase(rad): pi/2 Phase(rad): 0 Sample time：1/768000 Sample time：1/768000濾除高頻信號(hào)時(shí)，低通濾波器的設(shè)計(jì)很重要，在Simulink中提供了一些濾波器，可以加以利用，但它的參數(shù)設(shè)定對(duì)后續(xù)判決產(chǎn)生誤差有很大關(guān)系，所以要對(duì)該濾波器的參數(shù)設(shè)定要慎重,可以通過觀察調(diào)節(jié)濾波器的參數(shù)后輸出信號(hào)的波形來判斷參數(shù)設(shè)置是否合適。在解調(diào)部分中涉及的濾波器均選擇貝塞爾低通濾波器。這里對(duì)貝塞爾低通濾波器的參數(shù)設(shè)定如下，而輸出波形如圖所示。 Desige method : Bessel Filter

50、type : Lowpass Filter order: 8 Pass edge frequency (rad/s) : 153600Filter order參數(shù)代表濾波器設(shè)置階數(shù)即濾波器實(shí)現(xiàn)階數(shù)，濾波器截止頻率是載波的2倍即153.6KHz。圖 解調(diào)信號(hào)通過濾波器前后波形上圖中，一行為調(diào)制波與載波相乘的結(jié)果，二行是經(jīng)過低通濾波器后所得的波形。三行是調(diào)制波與相移的載波相乘的結(jié)果，四行是經(jīng)過低通濾波器后得到的波形。當(dāng)調(diào)制信號(hào)通過高斯信道后可以看出有較大的噪聲，在通過貝塞爾低通濾波器濾除高頻噪聲后波形明顯變得更為光滑穩(wěn)定。4.2.2 4/2電平判決 由于前面采用的是模擬低通濾波器，所

51、以在4/2電平判決之前得到的是一個(gè)模擬的4電平信號(hào)。之后要想得到2電平的數(shù)字信號(hào)，需經(jīng)一系列的抽樣、量化和編碼。在這里設(shè)計(jì)一個(gè)4/2電平判決器，如下圖所示：圖 4/2電平轉(zhuǎn)換模塊 上圖中，因?yàn)檎{(diào)制信號(hào)和載波相乘解調(diào)濾除高頻信號(hào)后得到的信號(hào)在幅度上是原來信號(hào)的1/2，因此對(duì)模擬信號(hào)做了常數(shù)為2的增益。讓其通過了一個(gè)量化編碼器，再通過離散采樣以后便得到了標(biāo)準(zhǔn)的4電平數(shù)字信號(hào)。然后信號(hào)被分為兩路，分別進(jìn)行量化編碼后得到了兩路二進(jìn)制信號(hào)，最后經(jīng)串并轉(zhuǎn)換得到了最終結(jié)果。 假設(shè)上述模塊輸入為x，輸出分別為為y、z1、z2，則它完成的功能是： 所以量化編碼器2、3、4的參數(shù)設(shè)置如下所示： 2 Quantization partition: -2.0 0 2.0 Qua