畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）MQAM系統(tǒng)仿真及實(shí)現(xiàn)

1、畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）MQAM系統(tǒng)仿真及實(shí)現(xiàn) 南京理工大學(xué)紫金學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 論文 作 者: 貓學(xué) 號(hào)： 090404160系：電子工程與光電技術(shù)系專 業(yè): 通信工程題 目: MQAM系統(tǒng)仿真及實(shí)現(xiàn) 指導(dǎo)者： 姓 名 專業(yè)技術(shù)職務(wù) 評(píng)閱者： 姓 名 專業(yè)技術(shù)職務(wù) 7>2013 年 5 月南 京 理 工 大 學(xué) 紫 金 學(xué) 院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）評(píng)語(yǔ)學(xué)生姓名： 貓 班級(jí)、學(xué)號(hào)： 通信S班 090404160 題 目： MQAM系統(tǒng)仿真及實(shí)現(xiàn) 綜合成績(jī)： 指導(dǎo)者評(píng)語(yǔ)： 指導(dǎo)者 簽字 ： 年 月 日畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）評(píng)語(yǔ)評(píng)閱者評(píng)語(yǔ)： 評(píng)閱者 簽字 ： 年 月 日答辯委員會(huì)（小組）評(píng)語(yǔ)： 答辯委員會(huì)（小

2、組）負(fù)責(zé)人 簽字 ： 年 月 日畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書（論文）中文摘要多進(jìn)制正交幅度調(diào)制MQAM是一種高抗干擾能力的調(diào)制技術(shù)，適用于對(duì)抗干擾性能要求比較高的大容量數(shù)據(jù)通信和有線電視數(shù)據(jù)網(wǎng)。用戶圖形界面GUI是一種集成軟件界面，用戶可以在這個(gè)界面中添加各種控件，提供各種功能，把工程可視化和理論有效的結(jié)合在一起。本論文是基于MATLAB中的M函數(shù)來(lái)設(shè)計(jì)的MQAM系統(tǒng)在各種模擬信道中的調(diào)制與解調(diào)。通過(guò)MATLAB中的用戶圖形界面工具GUI分析來(lái)設(shè)計(jì)MQAM調(diào)制解調(diào)仿真系統(tǒng)。在輸入不同的設(shè)定參數(shù)后，可以得到該系統(tǒng)不同的誤碼率，信噪比等仿真結(jié)果，并通過(guò)圖形窗口顯示出輸入信號(hào)與輸出信號(hào)的濾波器響應(yīng)波形，眼圖等仿真

3、結(jié)果，很好的展現(xiàn)了MQAM通調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)的性能。關(guān)鍵詞 多進(jìn)制正交幅度調(diào)制 抗干擾 調(diào)制與解調(diào) MATLAB 用戶圖形界面畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書（論文）外文摘要Title The simulation and implementation of MQAM system AbstractMulti-band orthogonal amplitude modulation MQAM modulation technique is a kind of high anti-interference ability, apply to the large volume of jamming performanc

4、e requirements is high data communication and data network cable TV. Graphical user interface GUI is an integrated software interface, the user can add the various controls in this interface, offers a variety of functions, the theory of engineering visualization and effectively together. M of this t

5、hesis is based on the MATLAB function to design MQAM system of modulation and demodulation in all kinds of analog channel. Integrated software MATLAB GUI interface tools to analyze the design MQAM modulation demodulation system. After input different setting parameters, can get the system bit error

6、rate, signal to noise ratio, etc. The simulation results, and through the graphical window shows the input signal and output signal of the filter response waveform, eye diagram, etc. The simulation results, a good show for MQAM modulation demodulation system performance.Keywords Multi-band orthogona

7、l amplitude modulation anti-jamming Modulation and demodulation MATLAB Graphical user interface目 次1 引言111 數(shù)字調(diào)制技術(shù)發(fā)展的背景112 國(guó)內(nèi)外數(shù)字調(diào)制技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀213 本文的內(nèi)容安排32 多進(jìn)制正交幅度調(diào)制與解調(diào)的原理521 MQAM調(diào)制原理822 MQAM系統(tǒng)的差錯(cuò)性能923 MQAM解調(diào)原理1124 MQAM系統(tǒng)星座圖的設(shè)計(jì)1225 MQAM系統(tǒng)與MPSK系統(tǒng)的比較1326 本章小結(jié)143 基于MATLAB系統(tǒng)MQAM系統(tǒng)的仿真及GUI的實(shí)現(xiàn)1531 MATLAB的概述1532 MQ

8、AM系統(tǒng)仿真原理1933 MQAM的GUI用戶圖形界面2134 MQAM系統(tǒng)在MATLAB軟件中仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果2135 本章小結(jié)26結(jié) 論28致 謝29參 考 文 獻(xiàn)301 引言MQAM Multiple Quadrature Amplitude Modulation 多進(jìn)制正交幅度調(diào)制是在中，大容量數(shù)字微波通信系統(tǒng)中大量使用的一種載波控制方式。11 數(shù)字調(diào)制技術(shù)發(fā)展的背景為了滿足不斷增長(zhǎng)的信道頻帶利用率的要求，到了20世紀(jì)五十年代末，人們?cè)O(shè)計(jì)出了二進(jìn)制相移鍵控調(diào)制（2PSK），1符號(hào)期間輸出的信號(hào)頻率為，鍵控移頻法產(chǎn)生的2FSK信號(hào)波形在相鄰的碼元之間相位通常是不連續(xù)的。模擬調(diào)相法利用法利用二

9、進(jìn)制不歸零矩形脈沖信號(hào)與載波相乘，產(chǎn)生兩種相位相反的載波碼元即2PSK信號(hào)。他們之間的區(qū)別在于2DPSK信號(hào)需要先將絕對(duì)碼轉(zhuǎn)變?yōu)椴罘执a。鍵控選相法將二進(jìn)制不歸零脈沖信號(hào)作為開(kāi)關(guān)控制信號(hào)，根據(jù)基帶信號(hào)的狀態(tài)不同選擇不同相位的載波輸出，產(chǎn)生2PSK信號(hào)。多進(jìn)制正交幅度調(diào)制MQAM具有高效率的頻譜利用率和其能根據(jù)傳輸信道性能而改變調(diào)制解調(diào)階數(shù)這種自適應(yīng)能力。在當(dāng)今追求可靠的高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄐ蓬I(lǐng)域，尤其是第四代移動(dòng)通信中備受重視。在MPSK調(diào)制系統(tǒng)中，當(dāng)M值增大時(shí)，其星座圖相鄰坐標(biāo)點(diǎn)的距離會(huì)減小，則噪聲容限也會(huì)變小，就難以保證了系統(tǒng)的誤碼率要求。為了使噪聲容限不隨M值的變大而惡化，則必須要提高信號(hào)的發(fā)

10、送功率，使功率利用率降低。人們通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)MQAM的噪聲容限并不隨M值的增大而改變，所以提出了QAM體制。基于方形MQAM星座圖上改進(jìn)型的。多進(jìn)制正交調(diào)制MQAM有高的頻譜利用率，信號(hào)矢量分布比較合理，于實(shí)現(xiàn)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析，發(fā)現(xiàn)調(diào)制2FSK 和調(diào)制2PSK/2DPSK 都不足，頻譜利用率低、功率慢、抗多徑能力弱、。1928年奈奎斯特定理提出到1937年瑞維斯發(fā)明脈沖編碼調(diào)制PCM 通信，通信技術(shù)頻分復(fù)用FDM 發(fā)展到時(shí)分復(fù)用TDM ，由模擬通信發(fā)展到數(shù)字通信。為了，人們調(diào)制技術(shù)正交振幅調(diào)制，它是有線電視等系統(tǒng)中廣泛使用調(diào)制技術(shù)，最大點(diǎn)是頻譜利用率高。為了，人們調(diào)制技術(shù)正交振幅調(diào)制，它是有線電視

11、等系統(tǒng)中廣泛使用調(diào)制技術(shù)，最大點(diǎn)是頻譜利用率高。利用數(shù)字通信，進(jìn)一步提高了抗干擾能力，但由于當(dāng)時(shí)器件的限制，未能實(shí)現(xiàn)，極大地促進(jìn)了通信技術(shù)的新發(fā)展。隨著數(shù)字通信的發(fā)展，傳碼率的提高使已調(diào)信號(hào)頻帶更寬。在通信系統(tǒng)中，高性能調(diào)制解調(diào)技術(shù)是保證高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)年P(guān)鍵。隨著移動(dòng)通信領(lǐng)域中微蜂窩和微微蜂窩的出現(xiàn)，小區(qū)的半徑越來(lái)越小，以致通信交換距離很短，收發(fā)機(jī)間的障礙較少?，F(xiàn)在MQAM調(diào)制技術(shù)仍存在頻繁的相位跳變問(wèn)題，而相位跳變會(huì)產(chǎn)生較大的諧波分量，因此如果能夠在保證QAM調(diào)制所需的相位區(qū)分度的前提下，盡量可能地減少或消除這種相位跳變就可以大大抑制諧波分量，從而進(jìn)一步提高頻譜利用率，高速Q(mào)AM調(diào)制技術(shù)符合了

12、這種條件，但是高速Q(mào)AM調(diào)制解調(diào)的實(shí)現(xiàn)不僅需要穩(wěn)定的高性能算法，而且還需要VLSI實(shí)現(xiàn)2，11。同其它調(diào)制方式類似，QAM通過(guò)載波某些參數(shù)的變化傳輸信息。在QAM中，數(shù)據(jù)信號(hào)由相互正交的兩個(gè)載波的幅度變化表示。星座圖上每一個(gè)星座點(diǎn)對(duì)應(yīng)發(fā)射信號(hào)集中的一個(gè)信號(hào)。類似于其他數(shù)字調(diào)制方式，。水平和垂直方向等間距的正方網(wǎng)格配置，。，這種情況下星座點(diǎn)的個(gè)數(shù)一般是2的冪。如果在星座圖的能量的情況下增加星座點(diǎn)，星座點(diǎn)之間距變小，。高階星座圖可靠性比低階要差。主要研究信號(hào)，提高。圖，分析MQAM系統(tǒng)差錯(cuò)性能，將MQAM系統(tǒng)與MPSK調(diào)制系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比。第3章將介紹MATLAB軟件使用方法及，詳細(xì)地介紹了M文件的編

13、寫方法和GUI用戶圖形界面設(shè)計(jì)步驟。對(duì)MQAM系統(tǒng)進(jìn)行MATLAB實(shí)驗(yàn)仿真，得到了信號(hào)的眼圖、星座圖、誤碼率與比特率之間的關(guān)系曲線圖和濾波器響應(yīng)曲線圖等實(shí)驗(yàn)結(jié)果，分析了MQAM調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)的抗噪聲性能。 2 多進(jìn)制正交幅度調(diào)制與解調(diào)的原理調(diào)制從本質(zhì)上說(shuō)就是把基帶信號(hào)的頻譜從低頻搬遷到適合傳輸?shù)念l帶。調(diào)制借助的手段是正弦載波，它的表達(dá)式如下式所示。 2.1 調(diào)制就是把基帶模擬信號(hào)加載在正弦載波的某些參數(shù)上，如振幅A，頻率和相位。分別對(duì)應(yīng)的是調(diào)幅、調(diào)頻和調(diào)相。調(diào)制還可以分為線性調(diào)制（幅度調(diào)制有AM調(diào)制，DSB調(diào)制,SSB調(diào)制和VSB調(diào)制等）在通信中，需要解決的，。以不會(huì)相互干擾，就是因?yàn)楦鱾€(gè)電臺(tái)或

14、電視臺(tái)的信號(hào)被調(diào)制到不同的頻帶上，頻譜不會(huì)交疊干擾。模擬調(diào)制法適合于調(diào)制速率不高的場(chǎng)合，而鍵控調(diào)制法一般用數(shù)字電路來(lái)實(shí)現(xiàn)，具有調(diào)制速度快，性能可靠，調(diào)制測(cè)試方便等優(yōu)點(diǎn)，適合與高速數(shù)據(jù)傳輸，也適合于高速數(shù)據(jù)調(diào)制，因而在通信系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。數(shù)字帶通信號(hào)的解調(diào)方式通常分為：非相干解調(diào)，如圖2.1所示，相干解調(diào)，如圖2.2所示，相關(guān)解調(diào)。非相干解調(diào)具有最佳的抗噪聲性能，是一種最佳解調(diào)方式，對(duì)應(yīng)的接收機(jī)稱為最佳接收機(jī)。根據(jù)實(shí)現(xiàn)的方法不同，相關(guān)解調(diào)又分為同步相關(guān)解調(diào)和匹配濾波器相關(guān)解調(diào)。 圖2.1 相干解調(diào)圖2.2 非相干解調(diào)數(shù)字調(diào)制的基礎(chǔ)是二進(jìn)制幅度調(diào)制ASK ，二進(jìn)制頻調(diào)制FSK 和調(diào)制PSK ，

15、種基本調(diào)制方式都不足。人們不出新的調(diào)制解調(diào)技術(shù)，。主要研究信號(hào)，提高。容量和距離通信技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了新的問(wèn)題，主要是信道多進(jìn)制正交幅調(diào)制MQAM 就是有限數(shù)字技術(shù)。制 DSB 、單邊帶幅度調(diào)制 SSB 、殘余邊帶幅度調(diào)制 VSB 和角度調(diào)制 FM 。模擬調(diào)制技術(shù)的抗干擾能力比較差，并且頻道的復(fù)用能力比較低，所以很少在通信系統(tǒng)中被采用，數(shù)字調(diào)制方式可以分為多進(jìn)制幅移鍵控 MASK 、多進(jìn)制頻移鍵控 MFSK 和多進(jìn)制相移鍵控 MPSK 。多進(jìn)制正交幅度調(diào)制 MQAM 、高斯頻移鍵控 GMSK 正交頻分復(fù)用 OFDM 調(diào)制方式在恒參信道中頻譜利用率較高。正交幅度調(diào)制被廣泛應(yīng)用于有線電視網(wǎng)絡(luò)高速數(shù)

16、據(jù)傳輸和大容量數(shù)據(jù)通信等領(lǐng)域中，正交頻分復(fù)用 OFDM 被廣泛應(yīng)用在清晰度較高的數(shù)字電視廣播系統(tǒng)和無(wú)線寬帶接入系統(tǒng)等領(lǐng)域中。在數(shù)字化時(shí)代巨大信息量傳輸?shù)钠惹行枨笙拢鞣N現(xiàn)代調(diào)制解調(diào)技術(shù)都在追求可靠的高速數(shù)據(jù)傳輸。數(shù)字通信技術(shù)的發(fā)展使得電信網(wǎng)、廣播電視網(wǎng)和計(jì)算機(jī)互聯(lián)網(wǎng)出相互融合的趨勢(shì)。正交頻分復(fù)用是一種特殊的多載波傳輸方式在OFDM中，子載波之間相互正交，調(diào)制信號(hào)頻譜相互混疊，接收端根據(jù)子載波之間的正交性，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的解調(diào)。理論上講OFDM頻分復(fù)用技術(shù)和多進(jìn)制幅度調(diào)制與解調(diào)系統(tǒng)是第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)的核心技術(shù)的一個(gè)主要備選方案4。此外，隨著自適應(yīng)識(shí)別調(diào)制技術(shù)與解調(diào)技術(shù)的發(fā)展，自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)與解調(diào)技術(shù)

17、也將成為第四代移動(dòng)通信調(diào)制技術(shù)的研究重點(diǎn)領(lǐng)域。自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)與解調(diào)技術(shù)的主要調(diào)制與解調(diào)方式是通過(guò)其檢測(cè)出無(wú)線信道傳播條件是否發(fā)生變化后再根據(jù)其特性來(lái)相應(yīng)地調(diào)整數(shù)據(jù)的傳輸速率和相應(yīng)地調(diào)制與解調(diào)方式，可以足夠的發(fā)揮出頻譜的全部效率4,12。高斯最小移頻鍵控 GMSK 具有抗多徑衰落性能，帶外功率輻射小等特點(diǎn)，分別在二代和第三代移動(dòng)通信中得到了較為廣泛的使用。如果要把所有的通信方面的應(yīng)用，全部運(yùn)用在一致的通信系統(tǒng)中，則必須合理分配頻帶的資源，提高信號(hào)的頻譜利用率，因此如今的研究熱點(diǎn)已轉(zhuǎn)移到了數(shù)據(jù)寬帶通信上面。因此人們不斷地設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)出調(diào)制與解調(diào)技術(shù)來(lái)滿足通信系統(tǒng)的需求4。MQAM調(diào)制方式是一種高效的頻

18、譜調(diào)制方式，同時(shí)進(jìn)行了幅度和相位的調(diào)制。由于任何一種數(shù)字幅相調(diào)制信號(hào)都可以用星座圖唯一表示，因此利用這種關(guān)系，基于星座圖唯一表示，因此利用這種關(guān)系，基于星座圖聚類的方法成為了數(shù)字幅相調(diào)制信號(hào)識(shí)別的重要方法之一。MQAM信號(hào)由于其較高的頻譜效率，在衛(wèi)星和微波通信中得到了廣泛應(yīng)用。MQAM調(diào)制技術(shù)是一種頻帶利用率較高的調(diào)制技術(shù)，在移動(dòng)通信系統(tǒng)中使 用，在一定程度上將會(huì)減緩移動(dòng)通信頻帶資源緊張的情況。但是，MQAM調(diào)制抗干擾性能較差等缺點(diǎn)，又限制了它的應(yīng)用。因此，研究一種可行的MQAM調(diào)制方案，以應(yīng)用于無(wú)線移動(dòng)通信系統(tǒng)是很有必要。21 MQAM調(diào)制原理MQAM信號(hào)由2個(gè)獨(dú)立的基帶波形對(duì)2個(gè)相互正交的

19、同頻載波進(jìn)行調(diào)制而構(gòu)成，利用其在同一帶寬內(nèi)頻譜正交的性質(zhì)來(lái)實(shí)現(xiàn)兩路并行的數(shù)字信息傳輸。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為： 2.2 式中，、是一組幅度電平，是將比特序列映射到信號(hào)的幅度得到的，m 1,2,M,M是信號(hào)電平數(shù)；是脈沖成型濾波器。同時(shí)調(diào)制后的信號(hào)經(jīng)信道傳輸，由于信道的非理想特性，MQAM信號(hào)會(huì)發(fā)生頻率選擇性衰減/碼間干擾、相位旋轉(zhuǎn)以及受各種噪聲的影響，這部分影響都包含在信道模型中。數(shù)字通信中數(shù)據(jù)采用二進(jìn)制數(shù)表示，星座點(diǎn)的個(gè)數(shù)是2的冪。常見(jiàn)的QAM形式有16-QAM、64-QAM、256-QAM等。星座點(diǎn)數(shù)越多，符號(hào)能傳輸?shù)木驮酱?。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(huì)使星座點(diǎn)之間的

20、距離變小，進(jìn)而導(dǎo)致誤碼率上升。因此高階星座圖的可靠性比低階要差。I、Q兩路信號(hào)混頻及合成，最終形成調(diào)制信號(hào)輸出6。MQAM的調(diào)制方式有兩種：正交調(diào)幅法和復(fù)合相移法。調(diào)制的步驟如下： 1 將輸入的二進(jìn)制信息符號(hào)每k比特分為一組。 2 將相鄰的兩組經(jīng)過(guò)串/并轉(zhuǎn)換組成一個(gè)信息點(diǎn)（，），為同相分量，為正交分量。 3 根據(jù)信號(hào)星座圖，如圖2.3所示，將信息點(diǎn)（，）的同相分量和正交分量分別映射成L電平的雙極性非歸零波形。 圖2.3 16QAM的星座圖 4 由正交調(diào)制器產(chǎn)生兩個(gè)正交的調(diào)幅信號(hào)，相加后得到MQAM信號(hào)。下面仍以16QAM為例做詳細(xì)的介紹。假定二進(jìn)制信息序列為 1000,0101,0001,10

21、01,0110 。，k 2，所以有如下調(diào)制步驟：首先將接收到的信號(hào)按每?jī)杀忍胤譃橐唤M，將會(huì)得到如下的信號(hào)序列： 10,00,01,01,00,01,10,01,01,10 。其次將以上的信號(hào)點(diǎn)進(jìn)行串/并轉(zhuǎn)換。然后根據(jù)信號(hào)的信息點(diǎn)映射成四電平雙極性信號(hào)。最后由正交調(diào)制產(chǎn)生16QAM信號(hào)。MQAM調(diào)制器的框圖如圖2.4所示：圖2.4 MQAM調(diào)制器的框圖22 MQAM系統(tǒng)的差錯(cuò)性能MQAM信號(hào)經(jīng)高斯白噪聲信道后，接收信號(hào)為： 2.3 經(jīng)過(guò)相關(guān)接收后，同相支路和正交支路的相關(guān)解調(diào)輸出分別為： （2.4） （2.5）對(duì)于下的矩形信號(hào)星座圖，QAM系統(tǒng)星座圖與正交載波上兩個(gè)信號(hào)是，這兩個(gè)的每一個(gè)上都個(gè)信

22、點(diǎn)。正交分量上的信號(hào)被相干判決好的分，。MQAM系統(tǒng)判決的概率是： 2.6 式中是制PAM系統(tǒng)的誤碼率，PAM具有QAM系統(tǒng)的一個(gè)正交信號(hào)一半功率。通過(guò)適當(dāng)PAM系統(tǒng)的誤碼率，可得： 2.7 上式是每個(gè)號(hào)的平均信噪比。M QAM的誤碼率為： 2.8 因此可以，當(dāng)k為偶數(shù)，M，當(dāng)k為奇數(shù)，就找不到等價(jià)的進(jìn)制PAM系統(tǒng)。如果使用最佳距離進(jìn)行判決，可以任意k1誤碼率的上限。，則相關(guān)解調(diào)的MASK信號(hào)的差錯(cuò)率是這樣計(jì)算的： 2.9 因?yàn)樾盘?hào)可以等效為兩路獨(dú)立的MASK信號(hào)之和，所以，MQAM信號(hào)的正確接收概率為： （2.10）因此得到MQAM信號(hào)的符號(hào)差錯(cuò)概率為： 2.11 式中，E是MQAM信號(hào)的最

23、小能量。假發(fā)送的數(shù)字基帶信號(hào)過(guò)信道和接收濾波器，無(wú)碼間串?dāng)_，“1” 碼抽樣時(shí)刻有最大值，用A表示；“0”碼抽樣時(shí)刻有負(fù)最大值，用-A表示，或者為0值，接收端的噪聲高斯白噪聲，單邊功率譜密度為 w/Hz ,抽樣判決的最佳門限為A/2，或者0，通過(guò)數(shù)學(xué)算可得等概時(shí)兩種誤碼率的表示式為： 2.12 （2.13）式中，為噪聲功率，是余弦誤差函數(shù)，它存在遞減性，假如通過(guò)功率噪聲比來(lái)表示上式可得下式： 2.14 2.15 其中單極性碼的信噪比為，對(duì)雙極性碼的信噪比為。23 MQAM解調(diào)原理在信道為高斯白噪聲時(shí)，MQAM信號(hào)的最佳解調(diào)法如圖2.5所示。圖2.5 MQAM信號(hào)的信號(hào)框圖把接收到的信號(hào)通過(guò)正交相

24、干解調(diào)法解調(diào)，將接收的信號(hào)分成兩路，一路與cos相乘，另一路與sin 相乘。然后再經(jīng)過(guò)低通濾波器來(lái)濾除掉乘法器產(chǎn)生出的高頻分量，獲得原先的信號(hào)。低通濾波器輸出可以通過(guò)抽樣判決恢復(fù)出原電平信號(hào)。然后再經(jīng)過(guò)并/串變換得到原數(shù)據(jù)。矩形MQAM信號(hào)最佳接收的誤碼率與MASK的性能一樣。把MQAM與MPSK和MASK進(jìn)行對(duì)比，可以得到如下的結(jié)論：三者的頻帶利用率都一樣，如果設(shè)定條件為相同的信噪比，MPSK和MQAM的誤碼率都比MASK?。徊⑶以贛 8的條件下，MQAM的誤碼率小于MPSK的誤碼率。24 MQAM系統(tǒng)星座圖的設(shè)計(jì)以16QAM為例，16QAM的方形星座圖如圖2.6所示，16QAM的星形星座圖

25、如圖2.7所示 圖2.6 16QAM方形星座圖 圖2.7 16QAM星形星座圖方形星座圖的抗高斯白噪聲的能力是最強(qiáng)的，最適和在高斯白噪聲信道中傳輸應(yīng)用。但是，方形星座圖卻在抗相位抖動(dòng)這種能力上不如星形星座圖，并且它在抗非線性失真能力上也不如星形星座圖，方形星座圖則不如星形星座圖，這是因?yàn)樗钚〉南辔黄苖in是最小的，且峰值- 均值比都比星形星座圖大。矩形MQAM信號(hào)最佳接收的誤碼率與MASK的性能一樣。所以，星形星座圖更適合在瑞利衰落的無(wú)線信道中應(yīng)用。另外，還可以得到，星形星座圖僅是重新安排方形星座圖內(nèi)星座點(diǎn)，就可獲得約為217dB 20log M 的性能增益，而且它的抗非線性失真能力也會(huì)提

26、高當(dāng)條件為 113 117 。可以把模擬信號(hào)頻率調(diào)制和數(shù)字信號(hào)FSK認(rèn)為是QAM的特例它們本質(zhì)相位調(diào)制。主要討數(shù)字信號(hào)QAM的應(yīng)用，比如NTSC和PAL制式的電視系統(tǒng)正交的載波傳輸。QAM信號(hào)的電平數(shù)，即它的星座點(diǎn)數(shù)，來(lái)保證它獲得預(yù)計(jì)的傳輸?shù)男阅堋榱顺浞掷梅叫涡亲鶊D的抗高斯白噪聲的優(yōu)勢(shì)，且解決方形星座圖的峰值- 均值比高的問(wèn)題，各種新的的方形星座圖逐步得到人們的重點(diǎn)關(guān)注，比如梯形星座圖和矩形星座圖等星座圖8。MQAM的高頻帶利用率是通過(guò)犧牲其抗干擾性能來(lái)獲得的，且電平數(shù)越大，信號(hào)星座點(diǎn)越多, MQAM抗干擾性能也越差。25 MQAM系統(tǒng)與MPSK系統(tǒng)的比較為了充分了解MQAM系統(tǒng)和MPSK

27、系統(tǒng)的各自特點(diǎn)，現(xiàn)對(duì)兩種系統(tǒng)作如下比較:MPSK為恒定包絡(luò)調(diào)相信號(hào)而MQAM為調(diào)幅調(diào)相信號(hào)（QAM是特例除外）。因此，MPSK系統(tǒng)抗衰落的性能優(yōu)于MQAM系統(tǒng)。當(dāng)M 4時(shí)，MQAM星座的最小歐式距離大于MPSK星座的最小歐式距離。例如，對(duì)于16PSK來(lái)說(shuō)，最小歐式距離為 2.16 2.17 如果以平均功率的相等的條件下，比較MQAM和MPSK的星座最小距離，則MQAM信號(hào)的最大功率和平均功率比為 （2.18）對(duì)于16QAM來(lái)說(shuō)，L 4， 1.8。而MPSK為恒定的幅度信號(hào)，平均功率等于最大功率，所以， 1。這樣在平均功率相等的條件下，16QAM星座的最小歐式距離超過(guò)16PSK約4.19dB。因

28、此，在平均發(fā)送功率相等的條件下，MQAM系統(tǒng)抗干擾能力大于MPSK系統(tǒng)。一般MPSK系統(tǒng)中，M 16，而MQAM系統(tǒng)中M值通常很大，在實(shí)際應(yīng)用中，已有1024QAM，基帶調(diào)制信號(hào)的電平數(shù)達(dá)L 32，即有32個(gè)電平。需要指出：在MQAM系統(tǒng)中，當(dāng)n為偶數(shù)，MQAM星座為方陣；當(dāng)n為奇數(shù)時(shí)，通常采用十字圖形。按照下列步驟構(gòu)造十字圖形。 1 先給出每個(gè)符號(hào)對(duì)應(yīng)與n-1比特的QAM正方形星座圖。 2 通過(guò)在各邊增加個(gè)符號(hào)，拓展QAM正方形星座圖。 3 拓展時(shí)，忽略正方形的四個(gè)角9。26 本章小結(jié)本章首先介紹了MQAM系統(tǒng)的調(diào)制原理，然后研究了其誤碼率的性能。其次，本章對(duì)MQAM的解調(diào)原理進(jìn)行了分析，并

29、分析了MQAM系統(tǒng)星座圖的設(shè)計(jì)過(guò)程，并將星形和方形星座圖性能進(jìn)行了對(duì)比。最后，將MQAM系統(tǒng)性能與MPSK系統(tǒng)性能進(jìn)行了對(duì)比。3 基于MATLAB系統(tǒng)MQAM系統(tǒng)的仿真及GUI的實(shí)現(xiàn)31 MATLAB的概述MATLAB是matrix laboratory 矩形實(shí)驗(yàn)室 的簡(jiǎn)稱，是以線性代數(shù)軟件包LINPACK和特征值計(jì)算軟件EISPACK中的子程序?yàn)榛A(chǔ)發(fā)展起來(lái)，運(yùn)用于科學(xué)計(jì)算和數(shù)據(jù)可試化的開(kāi)放型高級(jí)編程語(yǔ)言，其主要優(yōu)點(diǎn)在很多方面：（1）擁有交互式的程序開(kāi)發(fā)環(huán)境，用戶可以直接在窗口中修改程序，使程序的編寫和執(zhí)行同步進(jìn)行。（2）運(yùn)用符合人們思維習(xí)慣和數(shù)學(xué)表達(dá)方式的程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言。（3）提供了豐富的函

30、數(shù)工具箱，用戶僅調(diào)用簡(jiǎn)單的函數(shù)指令，就可以執(zhí)行操作。（4）提供了豐富的圖形及動(dòng)畫來(lái)對(duì)計(jì)算機(jī)結(jié)果進(jìn)行可視化顯示，給用戶直觀的認(rèn)識(shí)。（5）所有數(shù)值對(duì)象都默認(rèn)以雙精度類型數(shù)組存儲(chǔ)，無(wú)需用戶進(jìn)行數(shù)據(jù)類型的聲明和轉(zhuǎn)換。 MATLAB的歷史進(jìn)程在二十世紀(jì)七十年代，Cleve Moler 博士和同事開(kāi)發(fā)了一個(gè)FORTRAN子程序，調(diào)用EISPACK和LINPACK。其中，EISPACK是特征值求解的程序庫(kù)，LINPACK是線性方程的數(shù)據(jù)庫(kù)。在70年代后期，Cleve Moler 編寫了EISPACK和LINPACK的接口程序，并給這個(gè)接口程序取名為MATLAB10。在1983年，人們察覺(jué)到MATLAB在工程

31、領(lǐng)域的前景，人們用C語(yǔ)言開(kāi)發(fā)了第二代MATLAB，并成立了Math Works公司。這個(gè)版本的MATLAB語(yǔ)言具備了數(shù)值計(jì)算和數(shù)據(jù)圖示化的功能。同時(shí)，該公司在同年推出了第一個(gè)商業(yè)版本的MATLAB。在二十世紀(jì)九十年代初，Math Works 公司推出了MATLAB的4.x版本，1992年推出了MATLAB的4.0版本，并于1993年推出微機(jī)版，可以在Windows系統(tǒng)中正常使用，使得軟件的范圍逐漸擴(kuò)大。在二十世紀(jì)九十年代后期，Math Works 公司繼續(xù)推出了MATLAB的5.x版本。MATLAB5.0版可以處理更多的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，如數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)體，多維矩陣，對(duì)象之類等，使其成為更為方便編程語(yǔ)言。1

32、999年初推出的MATLAB5.3版本則進(jìn)一步改進(jìn)了MATLAB語(yǔ)言的功能。在2000年10月底，Math Works 公司推出了MATLAB的6.0版本，在數(shù)值算法，界面設(shè)計(jì)和外部接口等諸多方面有了極大的改進(jìn)。同時(shí)，該公司在2003年推出了MATLAB6.5版本。這個(gè)版本較之前的版本有了長(zhǎng)足的長(zhǎng)進(jìn)，MATLAB6.5采用最新的JIT加速技術(shù)，提供更快的執(zhí)行速度。同時(shí)，該版本附帶的Simulink R 5創(chuàng)造出完整的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)環(huán)境。同時(shí)，開(kāi)發(fā)者可以在單一的環(huán)境下完成工程，并且可以自動(dòng)選擇算法及應(yīng)用程序轉(zhuǎn)換成C+程序代碼。該版本在通信工程領(lǐng)域中應(yīng)用仍然十分廣泛13。在2004年，Math W

33、orks 公司推出了MATLAB的7.0版本，在界面和功能上都有質(zhì)的飛躍。軟件的用戶可同時(shí)地打開(kāi)多個(gè)圖形的窗口，用戶還可以自由地設(shè)定出自己喜歡的桌面環(huán)境，用戶還能自由制定常用的快捷鍵；同時(shí)，它支持函數(shù)的嵌套，有條件的中斷，單行函數(shù)可以通過(guò)匿名函數(shù)來(lái)定義，它還提供了新的繪圖界面，用戶可以不輸入M代碼而直接在界面窗口中創(chuàng)建編輯及圖形，同時(shí)可以直接從圖形窗口中創(chuàng)建對(duì)應(yīng)的M代碼文件。MAT。圖3.1 MATLAB7.10用戶界面 MATLAB的語(yǔ)言特點(diǎn)通常把MATLAB語(yǔ)言稱作為第四代計(jì)算機(jī)的語(yǔ)言，其擁有大量而全的函數(shù)的資源，編程人員因?yàn)樗某霈F(xiàn)也因此輕松了不少。MATLAB最突出的優(yōu)點(diǎn)即是簡(jiǎn)單直觀，

34、它給用戶的感覺(jué)就是直觀和簡(jiǎn)單干凈的程序的開(kāi)發(fā)環(huán)境14。它的語(yǔ)言緊湊，使用方便靈活，庫(kù)函數(shù)極其豐富。MATLAB程序書寫形式自由，由于庫(kù)函數(shù)都有本領(lǐng)域的專家編寫，用戶不必?fù)?dān)心函數(shù)的可靠性。MATLAB的M文件創(chuàng)建窗口如圖3.2所示。圖3.2 M文件創(chuàng)建窗口命令窗口是MATLAB中最重要的窗口，也是用戶進(jìn)行MATLAB操作使用最為頻繁的窗口，在命令窗口中，用戶可以輸入各種指令，函數(shù)和表達(dá)式等，并顯示除圖形外一切運(yùn)行結(jié)果。當(dāng)MATLAB啟動(dòng)時(shí)，命令窗口都會(huì)提示用戶可以參考幫助系統(tǒng)和演示文檔，如圖3.3所示。圖3.3 命令窗口顯示幫助系統(tǒng) 用戶圖形界面GUI的設(shè)計(jì)用戶界面簡(jiǎn)稱GUI，表示集成軟件界面。

35、用戶可以在這個(gè)界面中添加各種控件，提供各種功能。創(chuàng)建GUI的基本步驟：（1）審視GUI的設(shè)計(jì)任務(wù)，GUI的設(shè)計(jì)目的是提供給用戶使用，此步驟就是要明確GUI的功能，確定用戶在GUI中需要什么樣的操作。此步是需要設(shè)計(jì)者周密考慮的一步，如果在設(shè)計(jì)過(guò)程中，又有額外的靈感或需要添加更多的功能，則設(shè)計(jì)者需要重新審視GUI的設(shè)計(jì)目的。（2）繪出GUI布局草圖，幫助設(shè)計(jì)者對(duì)于GUI的大致布局有一個(gè)基本了解和規(guī)范。對(duì)于層次比較高的設(shè)計(jì)者，此不可以省略。（3）使用UI對(duì)象開(kāi)始設(shè)計(jì)，根據(jù)第二步構(gòu)思出的草圖，設(shè)計(jì)者可以運(yùn)用合適的用戶圖形界面對(duì)象在MATLAB中編寫文件，或者在MATLAB的圖形界面開(kāi)發(fā)環(huán)境中進(jìn)行具體設(shè)

36、計(jì)。（4）創(chuàng)建回調(diào)代碼（callback code）圖3.4 創(chuàng)建GUI32 MQAM系統(tǒng)仿真原理MQAM系統(tǒng)信號(hào)在MATLAB系統(tǒng)中仿真原理可以大致闡述為以下幾個(gè)階段，首先，以16QAM為例，調(diào)制階段，它的信號(hào)可以通過(guò)載波的四種不同的電平表示出來(lái)。開(kāi)始將輸入的二進(jìn)制信號(hào)按每?jī)杀忍胤譃橐唤M，將相鄰的兩組進(jìn)行串并轉(zhuǎn)換，組成一個(gè)個(gè)二維的信息點(diǎn)，將每個(gè)信息點(diǎn)映射成4電平的雙極性非歸零波形，將上下兩支路相加后即可得到16QAM信號(hào)。如圖3.5所示。圖3.5 16QAM調(diào)制框圖將產(chǎn)生的16QAM信號(hào)通過(guò)事先模擬出來(lái)的高斯白噪聲信道或瑞麗衰落信道，再通過(guò)圖形后即在解調(diào)器的接收端記錄下接收信號(hào)的眼圖，余弦滾

37、將衰落圖。MQAM信號(hào)經(jīng)高斯白噪聲信道后，接收信號(hào)為： 3.1 經(jīng)過(guò)相關(guān)接收后，同相支路和正交支路的相關(guān)解調(diào)輸出分別為： （3.2） （3.3）對(duì)于下的矩形信號(hào)星座圖，QAM系統(tǒng)星座圖與正交載波上兩個(gè)信號(hào)是，這兩個(gè)的每一個(gè)上都個(gè)信點(diǎn)。正交分量上的信號(hào)被相干判決好的分，。MQAM系統(tǒng)判決的概率是： 3.4 式中是制PAM系統(tǒng)的誤碼率，PAM具有QAM系統(tǒng)的一個(gè)正交信號(hào)一半功率。通過(guò)適當(dāng)PAM系統(tǒng)的誤碼率，可得： 3.5 上式是每個(gè)號(hào)的平均信噪比。MQAM的誤碼率為： 3.6 因此可以，當(dāng)k為偶數(shù)，M，當(dāng)k為奇數(shù)，就找不到等價(jià)的進(jìn)制PAM系統(tǒng)。如果使用最佳距離進(jìn)行判決，可以任意k1誤碼率的上限。

38、圖3.6 16QAM解調(diào)框圖33 MQAM的GUI用戶圖形界面通過(guò)M文件的編寫，GUI用戶圖形的設(shè)計(jì)，最終設(shè)計(jì)出了如圖3.7的用戶圖形界面。圖3.7 MQAM用戶圖形界面信號(hào)的比特率可以選擇1.2Kbps，9.6Kbps，19.2Kbps。調(diào)制類型可以自由選擇以下這幾個(gè)參數(shù)，16QAM，64QAM，256QAM。輸入信號(hào)的余弦滾將系數(shù)可設(shè)定為0,0.25,0.5,0.75,1。輸入信號(hào)的信噪比可以設(shè)定為以下幾個(gè)參數(shù)0,5,10,15,20,25。信道可以自由選擇高斯白噪聲信道或瑞麗衰落信道。當(dāng)所有數(shù)據(jù)都輸進(jìn)去之后，按提交鍵，右側(cè)總比特?cái)?shù)，錯(cuò)誤比特?cái)?shù)，誤碼率就會(huì)出相應(yīng)的結(jié)果，再點(diǎn)擊濾波器響應(yīng)，星

39、座圖和眼圖鍵，就會(huì)得到相應(yīng)的波形，若覺(jué)得所測(cè)得的數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確，可以點(diǎn)重新開(kāi)始按鈕，重新運(yùn)行一次系統(tǒng)，當(dāng)實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)，點(diǎn)關(guān)閉按鈕。34 MQAM系統(tǒng)在MATLAB軟件中仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果在用戶圖形界面選擇設(shè)定的實(shí)驗(yàn)參數(shù)點(diǎn)擊提交后會(huì)得到不一樣的結(jié)果，下面幾小節(jié)討論設(shè)定不同的參數(shù)出現(xiàn)的波形圖的變化。 高斯白噪聲信道輸入比特率為1.2Kbps，調(diào)制方式為16QAM，滾將系數(shù)為0.25，信噪比為10，選定信道為高斯白噪聲信道，可以得到用戶圖形界面如圖3.8所示?？梢钥吹酱藭r(shí)的總比特?cái)?shù)為24。錯(cuò)誤比特?cái)?shù)為4，誤碼率為0.166667。 圖3.8 設(shè)定參數(shù)后用戶界面圖點(diǎn)擊濾波器響應(yīng)鍵控，可以得到以下結(jié)果。 圖3.9

40、調(diào)制器的脈沖濾波器響應(yīng)調(diào)制器的脈沖濾波器響應(yīng)如圖3.9所示，橫坐標(biāo)為取樣的樣本數(shù)，縱坐標(biāo)為取樣脈沖的振幅。解調(diào)器的脈沖濾波器響應(yīng)如圖3.10所示。 圖3.10 解調(diào)器的脈沖濾波器響應(yīng)點(diǎn)擊星座圖控鍵，可得發(fā)送信號(hào)的星座圖如圖3.11所示，接收信號(hào)的星座圖如圖3.12所示。 圖3.11 發(fā)送信號(hào)的星座圖 圖3.12 接收信號(hào)的星座圖可以發(fā)現(xiàn)發(fā)送信號(hào)和接收信號(hào)的星座圖有較為明顯的區(qū)別。點(diǎn)擊眼圖控鍵，可得，同相，正交調(diào)制器輸入信號(hào)的眼圖如圖3.13所示?？梢缘玫秸徽{(diào)制器輸出信號(hào)的眼圖，同相調(diào)制器輸出信號(hào)的眼圖如圖3.14所示。可以觀察到不管是同相調(diào)制還是正交調(diào)制，輸出信號(hào)的眼圖可以較為清晰地看到一只

41、睜大的眼睛，線條也比較細(xì)，而輸入信號(hào)的眼圖線條雜亂無(wú)章，顯示出了，高斯白噪聲信道對(duì)信號(hào)的影響，經(jīng)過(guò)MQAM調(diào)制，眼圖變得清晰說(shuō)明輸出信號(hào)的信噪比要大于輸入信號(hào)的信噪比，也就是說(shuō)，信號(hào)通過(guò)MQAM調(diào)制后，誤碼率降低。信噪比有了增益。 圖3.13 同相，正交調(diào)制器輸入信號(hào)的眼圖 圖3.14 同相，正交解調(diào)器的輸出信號(hào) 瑞麗衰落信道輸入比特率為19.2Kbps，調(diào)制方式為256QAM，滾將系數(shù)為0.75，信噪比為25，選定信道為瑞麗衰落信道?？梢缘玫酱藭r(shí)的總比特?cái)?shù)為384，錯(cuò)誤比特?cái)?shù)為148，誤碼率為0.385417。點(diǎn)擊濾波器響應(yīng)控鍵，可以得到調(diào)制器的脈沖濾波器響應(yīng)如圖3.15所示，解調(diào)器的脈沖濾

42、波器響應(yīng)如圖3.16所示。 圖3.15 調(diào)制器的脈沖濾波器響應(yīng)圖3.16 解調(diào)器的脈沖濾波響應(yīng)點(diǎn)擊星座圖控鍵，可以得到發(fā)送信號(hào)的星座圖如圖3.17所示。圖3.17 發(fā)送信號(hào)的星座圖接收信號(hào)的星座圖如圖3.18所示。圖3.18 接收信號(hào)的星座圖點(diǎn)擊誤碼率隨比控鍵，結(jié)果如圖3.19。圖3.19 誤碼率隨比特率的變化曲線35 本章小結(jié)本章首先介紹了MATLAB軟件的功能及發(fā)展過(guò)程MATLAB語(yǔ)言特點(diǎn)，簡(jiǎn)要概括了編寫M文件的語(yǔ)言特點(diǎn)，闡述了MATLAB軟件中用戶圖形界面GUI的設(shè)計(jì)步驟。其次在設(shè)計(jì)的仿真上輸入數(shù)據(jù)，得到了包括眼圖，濾波器脈沖響應(yīng)，星座圖等曲線。最后總結(jié)出了如下的結(jié)論：與其他調(diào)制技術(shù)相比

43、，MQAM調(diào)制具有抗噪聲性能強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，M值越大，傳輸效率越高，誤碼率隨信噪比的增大而降低，且M值越大，誤碼率就越大15。結(jié) 論本課題以MQAM調(diào)制解調(diào)原理為基礎(chǔ)，主要任務(wù)是研究基于MATLAB系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)中MQAM系統(tǒng)在各類信道中的抗噪聲性能。首先，研究了MQAM調(diào)制與解調(diào)原理及框圖，分析了它的誤碼率性能，并于MPSK調(diào)制進(jìn)行比較。其次，學(xué)習(xí)了M文件的編寫過(guò)程及GUI界面的設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)出MQAM系統(tǒng)仿真的用戶圖形界面。最后，通過(guò)輸入不同的參數(shù)，完成了16QAM，64QAM，256QAM在高斯白噪聲信道和瑞麗衰落信道中的仿真，得到了關(guān)于MQAM在抗噪聲性能方面的一些結(jié)論。MQAM的抗噪聲性能方

44、面比較出色，適用在受噪聲干擾比較嚴(yán)重的無(wú)線信道中，所以MQAM被廣泛應(yīng)用于大容量數(shù)字通信，衛(wèi)星通信和有線電視數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)中。致 謝本論文是在指導(dǎo)老師王靖老師的悉心指導(dǎo)下完成的，王老師嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度，豐富的專業(yè)知識(shí)，認(rèn)真的工作作風(fēng)，誨人不倦的高尚師德，樸實(shí)無(wú)華，平易近人的人格魅力對(duì)我影響深遠(yuǎn)。使我在今后的學(xué)習(xí)生活中更加嚴(yán)于律己，端正了我的學(xué)習(xí)態(tài)度，也是我學(xué)到了不小基本的研究方法。在此，謹(jǐn)向王老師致以崇高的敬意和衷心的感謝。此外本論文的順利完成，也離不開(kāi)本校的老師和同學(xué)的指導(dǎo)和幫助，在此，我要感謝劉曦和錢東寧老師，雖然他們沒(méi)有直接參與到我的論文指導(dǎo)中去，但在論文格式方面給我提供了一些幫助。在此，我向他們表達(dá)深深的謝意。參 考 文 獻(xiàn)1 張立軍, 錢學(xué)榮, 張宗橙. 通信原理M. 北京: 高等教育出版社, 2008. 171-175.2 張睿, 李建東. 變速率QAM調(diào)制J. 通信學(xué)報(bào), 1999, 19 4 : 1-3.3 何明建. 基于光碼分多址的光無(wú)線系統(tǒng)研究D. 廣州: 華南師范大學(xué), 2010. 4 賈墨林. MQAM調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)D. 北京: 北京化工大學(xué), 2009.