基于MATLAB的QAM調(diào)制解調(diào)實(shí)現(xiàn)

1、word基于MATLAB的QAM調(diào)制解調(diào)實(shí)現(xiàn) 學(xué)生姓名：張平凡 指導(dǎo)老師：吳志敏摘 要 : 此次課程設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容為利用MATLAB集成環(huán)境下的M文件，編寫程序來實(shí)現(xiàn)QAM的調(diào)制解調(diào)，并繪制出解調(diào)前后的時(shí)域和頻域波形及疊加噪聲時(shí)解調(diào)前后的時(shí)頻波形，根據(jù)運(yùn)行結(jié)果和波形來分析該解調(diào)過程的正確性及信道對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊?。通過此次課設(shè)，我加深了關(guān)于正交調(diào)幅方面的理論知識(shí)，加強(qiáng)了MATLAB軟件的操作能力，對(duì)以后的實(shí)驗(yàn)操作打下了根底。此次課程設(shè)計(jì)，旨在提高自己的MATLAB軟件編程能力，自學(xué)能力，對(duì)資料的收集.理解以及總結(jié)的能力。在此次課程設(shè)計(jì)中，我依托MATLAB為平臺(tái)，編程實(shí)現(xiàn)QAM調(diào)制解調(diào)的實(shí)現(xiàn)，并

2、將相關(guān)圖形繪制出來，進(jìn)一步穩(wěn)固了對(duì)課本知識(shí)的理解。 關(guān)鍵詞 : MATLAB; 正交振幅調(diào)制; 頻譜利用率; 調(diào)制與解調(diào);1. 引 言 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。為了提高其性能，人們對(duì)這些數(shù)字調(diào)制體制不斷加以改良提出了多種新的調(diào)制解調(diào)機(jī)體。這些新的調(diào)制解調(diào)體制，各有所長(zhǎng)分別在不同的方面有其優(yōu)勢(shì)。正交振幅調(diào)制QAM(Quadrature Amplitude Modulation)就是一種頻譜利用率很高的調(diào)制方式，正交振幅調(diào)制是二進(jìn)制的PSK

3、、四進(jìn)制的QPSK調(diào)制的進(jìn)一步推廣，通過相位和振幅的聯(lián)合控制，可以得到更高頻譜效率的調(diào)制方式，從而可在限定的頻帶內(nèi)傳輸更高速率的數(shù)據(jù)【1】。 通信原理通信工程的一門重要的專業(yè)課，調(diào)制與解調(diào)又是通信的精髓，調(diào)制就是用基帶信號(hào)去控制載波信號(hào)的某個(gè)或幾個(gè)參量的變化，將信息荷載在其上形成已調(diào)信號(hào)傳輸，而解調(diào)是調(diào)制的反過程，通過具體的方法從已調(diào)信號(hào)的參量變化中將恢復(fù)原始的基帶信號(hào)，QAM(正交振幅調(diào)制)是一種振幅和相位聯(lián)合鍵控，在MPSK體制中，隨著M的增大，相位相鄰相位的距離逐漸縮小，使噪聲容限隨之減小，使誤碼率難于保證，為了改善在M大的噪聲容限，開展出了QAM體制【2】。 正交振幅調(diào)制在大容量數(shù)字微

4、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【3】。1.1課程設(shè)計(jì)目的此次課程設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容為利用MATLAB集成環(huán)境下的M文件，編寫程序來實(shí)現(xiàn)QAM的調(diào)制解調(diào)，并繪制出解調(diào)前后的時(shí)域和頻域波形及疊加噪聲時(shí)解調(diào)前后的時(shí)頻波形，根據(jù)運(yùn)行結(jié)果和波形來分析該解調(diào)過程的正確性及信道對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊憽Ｍㄟ^此次課設(shè)，我加深了關(guān)于正交調(diào)幅方面的理論知識(shí)，加強(qiáng)了MATLAB軟件的操作能力，對(duì)以后的實(shí)驗(yàn)操作打下了根底。1.2課程設(shè)計(jì)要求（1） 熟悉MATLAB軟件的使用并編寫程序。（2） 繪制并觀察出QAM信號(hào)解

5、調(diào)前后在時(shí)域和頻域中的波形及其變化，理解調(diào)制解調(diào)原理。（3） 疊加噪聲繪制圖形，分析噪聲對(duì)信號(hào)傳輸造成的影響。1.3課程設(shè)計(jì)步驟（1） 運(yùn)用randint()函數(shù)產(chǎn)生一個(gè)四進(jìn)制基帶信號(hào)。（2） 運(yùn)用qammod()函數(shù)，進(jìn)行4qam調(diào)制。（3） 調(diào)用scatterplot()函數(shù)，繪制散點(diǎn)圖。（4） 疊加噪聲后，再解調(diào)輸出。（5） 繪制時(shí)域和頻域內(nèi)的波形，分析結(jié)果。2 .QAM調(diào)制解調(diào)原理2.1 QAM調(diào)制原理 QAMQuadrature Amplitude Modulation：正交振幅調(diào)制。其映射過程為：將輸入的比特信號(hào)按所需的QAM 信號(hào)來進(jìn)行M 階映射，分別映射為IQ 兩路，成為復(fù)數(shù)符

6、號(hào)信息4。QAM 調(diào)制技術(shù)采用振幅和相位進(jìn)行聯(lián)合調(diào)制，因此單獨(dú)的使用其中的一種調(diào)制，就會(huì)演變成其他的調(diào)制方式。對(duì)于振幅調(diào)制而言5，其主要作用是控制載波的振幅大小，因此信號(hào)的矢量端點(diǎn)在一條軸線上分布；對(duì)于相位調(diào)制而言，其主要作用是控制載波相位的變化，因此其信號(hào)的矢量端點(diǎn)在圓上分布。QAM 信號(hào)階數(shù)不斷提高，信號(hào)矢量點(diǎn)之間的距離就會(huì)變小，因此噪聲容限也會(huì)變小，在判決的時(shí)候就很容易發(fā)生錯(cuò)誤。 圖2.1正交振幅調(diào)制原理框圖2.2QAM解調(diào)原理及方法 利用正交相干解調(diào)器，解調(diào)器輸入端的已調(diào)信號(hào)與本地恢復(fù)的兩個(gè)正交載波相乘，經(jīng)過低通濾波器輸出兩路多電平基帶信號(hào)X(t)和Y(t),用門限電平為(L-1)的判

7、決器判決后，分別恢復(fù)出兩路速率為Rb/2的二進(jìn)制序列，最后經(jīng)過并/串變換器將兩路二進(jìn)制序列組合為一個(gè)速率為Rb的二進(jìn)制序列【6】。 下列圖為正交振幅調(diào)制解調(diào)原理框圖:圖2.2正交振幅調(diào)制解調(diào)原理框圖3. 仿真實(shí)現(xiàn)過程以數(shù)字信號(hào)為例3.1設(shè)計(jì)產(chǎn)生四進(jìn)制基帶信號(hào)x=randint(1,N,M);產(chǎn)生一個(gè)四進(jìn)制基帶信號(hào)，運(yùn)用stairs函數(shù)畫出該序列的時(shí)域波形。 圖3.1四進(jìn)制基帶信號(hào)圖如圖，繪制出橫軸(020),縱軸(-15)的四進(jìn)制基帶信號(hào)。由圖易知,四進(jìn)制基帶信號(hào)取值為0,1,2,3。3.2 編程實(shí)現(xiàn)4QAM調(diào)制調(diào)用函數(shù):y=qammod(x,M);qammod函數(shù)實(shí)現(xiàn)QAM調(diào)制,M等于4,其

8、中qammod為matlab的自帶函數(shù),對(duì)輸入的數(shù)字基帶信號(hào)進(jìn)行M階的QAM調(diào)制，其輸出是一個(gè)復(fù)數(shù)，其實(shí)部表示調(diào)制后的同相分量I信號(hào)，虛部表示調(diào)制后的正交分量Q分量。 圖3.2 4QAM信號(hào)的實(shí)部和虛部圖像由所畫的圖形可知,調(diào)制后的信號(hào)實(shí)部有兩個(gè)取值( -1 1 ),虛部?jī)蓚€(gè)取值(-1 1),此次設(shè)計(jì)是進(jìn)行4QAM調(diào)制,所以總共有4種狀態(tài)。3.3 繪制散點(diǎn)圖調(diào)用函數(shù)scatterplot(y)，繪制信號(hào)的散點(diǎn)圖，也可稱星座圖。圖3.3 無噪聲下的4QAM散點(diǎn)圖4QAM調(diào)制輸出的是一個(gè)復(fù)數(shù)，該函數(shù)實(shí)現(xiàn)的調(diào)制輸出的星座圖是一個(gè)矩形，輸出有4種狀態(tài)。3.4編程實(shí)現(xiàn)4QAM解調(diào)調(diào)用函數(shù):z=qamde

9、mod(y,M);與qammod用法格式相似，但功能是實(shí)現(xiàn)QAM解調(diào)。其中y是QAM信號(hào)，M是與調(diào)制階數(shù)相同的解調(diào)階數(shù)，z為解調(diào)輸出的四進(jìn)制基帶信號(hào)。 圖3.4 4QAM解調(diào)后四進(jìn)制基帶信號(hào)圖3.5疊加噪聲后，信號(hào)的解調(diào) 實(shí)際生活中的傳輸信道不可能完全是理想信道，存在加性干擾，噪聲將疊加在調(diào)制信號(hào)上，通過對(duì)不同信噪比解調(diào)輸出信號(hào)的分析，可比擬不同調(diào)制方式的性能。2編程實(shí)現(xiàn)>>y1=awgn(y,20);%在已調(diào)信號(hào)中參加信噪比為20的高斯白噪聲>>y2=awgn(y,-20);%在已調(diào)信號(hào)中參加信噪比為-20的高斯白噪聲Awgn：y = awgn(x,SNR) 在信號(hào)x

10、中參加高斯白噪聲。信噪比SNR以dB為單位。x的強(qiáng)度假定為0dBW。 圖3.5不同信噪比解調(diào)恢復(fù)后的四進(jìn)制基帶圖像通過大信噪比解調(diào)后恢復(fù)的四進(jìn)制基帶信號(hào)和小信噪比解調(diào)后恢復(fù)的四進(jìn)制基帶信號(hào)與原四進(jìn)制基帶信號(hào)相比擬，可以得出:大信噪比情況下能無過失的恢復(fù)原信號(hào)，說明4QAM對(duì)該種信噪比下的信道具有較強(qiáng)的適應(yīng)能力，小信噪比情況下已不能恢復(fù)原信號(hào)。從圖中可看出，出現(xiàn)了許多的誤判情況。 圖3.6 大信噪比下的散點(diǎn)圖圖3.7小信噪比下的散點(diǎn)圖由圖3.6和圖3.7比照不難看出，當(dāng)信噪比越小時(shí)，散點(diǎn)圖越混亂，混亂而模糊的圖形是由噪聲干擾而形成的。理想信道調(diào)制后信號(hào)的星座圖是一個(gè)矩形，大信噪比下調(diào)制后輸出信號(hào)

11、出現(xiàn)偏差，但由大信噪比調(diào)制輸出的星座圖可以看出其偏差還在噪聲容限范圍內(nèi)，所以大信噪比下能夠無過失得到恢復(fù)原信號(hào)；小信噪比的調(diào)制輸出信號(hào)的散點(diǎn)圖已經(jīng)不在噪聲容限范圍內(nèi)，故不能恢復(fù)原信號(hào)。3.6繪制頻譜圖，進(jìn)行分析調(diào)用函數(shù):xw=fft(x,100000);用fft()函數(shù)來求序列的傅里葉變換。fs=1000HZ,為采樣頻率數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)N=100000。 通過plot函數(shù)繪制四進(jìn)制基帶信號(hào)頻域波形。 圖3.8 基帶信號(hào)和無噪聲解調(diào)后的基帶信號(hào)頻譜圖 圖3.9 不同信噪比解調(diào)后恢復(fù)四進(jìn)制的基帶信號(hào)頻譜圖由圖3.8可知，在無噪聲下，解調(diào)后信號(hào)與調(diào)制信號(hào)頻域波形一致，輸入的為四進(jìn)制基帶信號(hào)，由理論知識(shí)可知頻

12、率集中在0(低頻)處。由圖3.9可知，大信噪比下的解調(diào)信號(hào)頻譜與原基帶信號(hào)頻譜根本一致，而小信噪比下的解調(diào)信號(hào)頻譜與原基帶信號(hào)頻譜波形上有較大的區(qū)別。這也印證了之前的結(jié)論：大信噪比情況下能無過失的恢復(fù)原信號(hào)，說明4QAM對(duì)該種信噪比下的信道具有較強(qiáng)的適應(yīng)能力，小信噪比的情況下已不能恢復(fù)原信號(hào)。故小信噪比下的頻譜圖已與原頻譜圖和大信噪比下的頻譜圖，波形有了很大差異。3.7誤碼率分析調(diào)用函數(shù)： br, Pe(i)=symerr(x,z3);得到信噪比與誤碼率之間的關(guān)系。 semilogy(SNR,Pe);調(diào)用semilogy函數(shù)繪制信噪比與誤碼率的關(guān)系曲線。下列圖為信噪比與誤碼率的關(guān)系曲線圖： 圖

13、3.10 信噪比與誤碼率的關(guān)系曲線圖由信噪比與誤碼率的關(guān)系曲線可知，信噪比與誤碼率呈反比例的關(guān)系，隨著信噪比的增大，誤碼率減小。并且從該關(guān)系圖中我們可以得到隨著信噪比的增大，誤碼率減小的速率將加快。4. 遇到的問題及解決方法剛開始時(shí)，我翻閱教材，查閱關(guān)于QAM的有關(guān)內(nèi)容，但書本較簡(jiǎn)略，我難以形成深刻的理解，這是我的第一個(gè)問題。所以，我選擇上網(wǎng)查閱相關(guān)資料和源程序，加深理解。而后就是具體的函數(shù)理解和編程了，通過學(xué)習(xí)任務(wù)指導(dǎo)書中的函數(shù)介紹，我了解了各種函數(shù)的用法和格式，比方qammod,qamdemod,awgn等函數(shù)，并將其運(yùn)用。在此過程中，我從同學(xué)那里學(xué)來，可以直接輸入“help qammod

14、,MATLAB自動(dòng)生成qammod函數(shù)的簡(jiǎn)介，我可以直接得知其用法，這給我的編程提供了很大的便利。在數(shù)字信號(hào)的調(diào)制解調(diào)中，我先嘗試編程產(chǎn)生一個(gè)二進(jìn)制序列，然而我在reshape函數(shù)的使用上，出現(xiàn)了編程錯(cuò)誤，錯(cuò)誤如下列圖: 圖4.1編程錯(cuò)誤圖所以，在老師的指導(dǎo)下，我選擇直接產(chǎn)生一個(gè)四進(jìn)制基帶信號(hào)，這樣不僅避開了錯(cuò)誤，更使程序設(shè)計(jì)更為簡(jiǎn)單。在論文的編寫中，我的行文思路也有很大的問題，條理不清晰。在老師和同學(xué)的幫助指導(dǎo)下，我改變了論文結(jié)構(gòu)，適當(dāng)增加了截圖文件，改良了自己的文字表述，使論述更加清晰。在論文排版和字體上，我也有不少問題，大多是沒按要求來。而后，我嚴(yán)格按照任務(wù)指導(dǎo)書的要求，標(biāo)準(zhǔn)字體大小，行

15、距，使論文看起來美觀。5. 結(jié)束語對(duì)該課設(shè)作一總結(jié)，并寫出在整個(gè)過程中所做的具體工作以及完成之后的心得！通過此次課設(shè)，我加深了關(guān)于正交調(diào)幅方面的理論知識(shí)，加強(qiáng)了MATLAB軟件的操作能力，對(duì)以后的實(shí)驗(yàn)操作打下了根底。首先，我查閱書本資料，粗略了解QAM調(diào)制解調(diào)的原理和方法。而后，我查詢網(wǎng)絡(luò)資料，詳細(xì)地了解QAM的應(yīng)用背景和相關(guān)技術(shù)。隨后，我著手設(shè)計(jì)程序，通過網(wǎng)絡(luò)上的程序，我自己編寫了一套程序，期間，我不斷向老師同學(xué)請(qǐng)教，不斷完善自己的程序。期間出現(xiàn)很多問題，我也進(jìn)行了更正和反思。但是，我無法做到十全十美，如果有紕漏，也在所難免。在整個(gè)課程設(shè)計(jì)任務(wù)中，我嚴(yán)格按照任務(wù)指導(dǎo)書要求，學(xué)習(xí)并操練相關(guān)知識(shí)

16、和技能。在此過程中，我遇到了不少問題，程序也是反復(fù)修改。所以，我一直向老師和同學(xué)請(qǐng)教，不斷查詢書籍和網(wǎng)絡(luò)資料，收獲頗多。第一次做課程設(shè)計(jì)，難免會(huì)有很多紕漏，但我會(huì)不斷學(xué)習(xí)完善，不斷加強(qiáng)自身技能，才能迎接更多挑戰(zhàn)。只有努力學(xué)好專業(yè)知識(shí)與技能才能在通信領(lǐng)域施展才華，嶄露頭角，開創(chuàng)屬于自己的天地！現(xiàn)在我們學(xué)習(xí)了專業(yè)根底課，了解了通信工程研究的內(nèi)容和開展方向，我們需要結(jié)合自己的實(shí)際選定一個(gè)方向然后不懈努力才能在畢業(yè)后有所專長(zhǎng)，有所創(chuàng)造，才能進(jìn)入自己理想的企事業(yè)單位實(shí)習(xí)工作高升，才能開展自己的事業(yè)！短短兩周的實(shí)習(xí)，堅(jiān)決了我們學(xué)好本專業(yè)的信心，強(qiáng)化了我們手腦并用的能力，開闊了我們的理論思維。也感謝同學(xué)老師

17、在學(xué)習(xí)過程中對(duì)我的指導(dǎo)和批評(píng)，只有相互學(xué)習(xí)，我們才能攀登更頂峰！參考文獻(xiàn)1 黃文梅, 熊桂林, 楊勇.信號(hào)分析與處理MATLAB語言及應(yīng)用. 長(zhǎng)沙: 國(guó)防科技大學(xué)出版社, 2000.2唐向宏, 岳恒立, 鄭雪峰. MATLAB及在電子信息類課程中的應(yīng)用.北京: 電子工業(yè)出版社, 2006, 8.3 鄧華. MATLAB通信仿真及應(yīng)用實(shí)例詳解. 人民郵電出版社, 2003.4 張輝，曹麗娜.通信原理學(xué)習(xí)指導(dǎo)M.西安電子科技大學(xué)，2002:111-1215 徐明遠(yuǎn)，邵玉斌等.MATLAB 仿真在通信與電子工程中的應(yīng)用M.西安電子科技大學(xué)出版社，2005:24-25.6 張磊，郭蓮英.MATLAB實(shí)

18、用教程M.人民郵電出版社，2022:53-58.7 宋烈武. 通信原理課程設(shè)計(jì)J.電子工業(yè)出版社，2009.5.4-55.8 郭仕劍.數(shù)字信號(hào)處理M，人民郵電出版社，2006:105-107.9 調(diào)制解調(diào)的MATLAB實(shí)現(xiàn)M.電子工業(yè)出版社，2007:72-75.10 存用MATLAB產(chǎn)生正態(tài)分布隨機(jī)噪聲來測(cè)量直擴(kuò)系統(tǒng)抗噪性J,2022:10-12.附錄：QAM調(diào)制解調(diào)程序清單%程序名稱：QAM.m %程序功能：調(diào)用函數(shù)qammod,qamdemod實(shí)現(xiàn)QAM調(diào)制與解調(diào)%程序 張平凡%最后修改時(shí)間：2022-12-30%=程序代碼 N=100000;%定義根本參數(shù)M=4;fs=1000;x=r

19、andint(1,N,M);y=qammod(x,M)z=qamdemod(y,M);y1=awgn(y,20);z1=qamdemod(y1,M);%yl=awgn(y,SNR-10*log10(0.5)-10*log10(N),'measured','dB');y2=awgn(y,-20);z2=qamdemod(y2,M);%畫實(shí)域頻域頻譜xw=fft(x,100000);mag_xw=abs(xw);zw=fft(z,100000);mag_zw=abs(zw);z1w=fft(z1,100000);mag_z1w=abs(z1w);z2w=fft(z2

20、,100000);mag_z2w=abs(z2w);fs=1000;N=100000;n=0:N-1;f=n*fs/N;%疊加噪聲和誤碼分析SNR=-10:10for i=1:length(SNR); y3=awgn(y,SNR(i);%參加高斯小噪聲，信噪比從-10dB到10dBz3=qamdemod(y3,M);%調(diào)用數(shù)字帶通解調(diào)函數(shù)ddemod對(duì)加噪聲信號(hào)進(jìn)行解調(diào)br, Pe(i)=symerr(x,z3)%對(duì)解調(diào)后加大噪聲信號(hào)誤碼分析，br為符號(hào)誤差數(shù)，Pe(i)為符號(hào)誤差率endfigure(1)stairs(x);title('四進(jìn)制基帶信號(hào)');xlabel(&#

21、39;時(shí)間 t');ylabel('序列值');axis(1 20 -1 5);grid onfigure(2)subplot(211);stairs(real(y);title('QAM信號(hào)實(shí)部');axis(1 20 -3 3);grid onsubplot(212);stairs(imag(y);title('QAM信號(hào)虛部');axis(1 20 -3 3);grid onfigure(3);stairs(z);title('QAM解調(diào)后四進(jìn)制基帶信號(hào)');xlabel('時(shí)間 t');ylabel

22、('序列值');axis(1 20 -1 5);grid onfigure(4);subplot(3,1,1);stairs(x);title('四進(jìn)制基帶信號(hào)');xlabel('時(shí)間 t');ylabel('序列值');axis(1 20 -1 4);grid onsubplot(3,1,2);stairs(z1);title('大信噪比解調(diào)恢復(fù)四進(jìn)制基帶信號(hào)');xlabel('時(shí)間 t');ylabel('序列值');axis(1 20 -1 4);grid onsubplot(3,1,3);stairs(z2);title('小信噪比解調(diào)恢復(fù)四進(jìn)制基帶信號(hào)');xlabel('時(shí)間 t');ylabel('序列值');axis(1 20 -1 4);grid onfigure(5);subplot(211);plot(f,m