BPSK QPSK 8PSK 16QAM等調(diào)制方式的性能仿真及頻率利用率的對比及分析

1、TOC o 1-2 h u HYPERLINK l _Toc27358 引言 PAGEREF _Toc27358 2 HYPERLINK l _Toc20241 1 BPSK QPSK 8PSK 16QAM 調(diào)制方式的性能仿真和頻率利用率的對比分析 PAGEREF _Toc20241 2 HYPERLINK l _Toc15597 1.1 BPSK QPSK 8PSK 的性能仿真 PAGEREF _Toc15597 2 HYPERLINK l _Toc9643 1.2 16QAM 的性能仿真 PAGEREF _Toc9643 6 HYPERLINK l _Toc3948 2 四種調(diào)制方式各自的

2、使用場景 PAGEREF _Toc3948 9 HYPERLINK l _Toc30059 3 能量利用率 PAGEREF _Toc30059 10 HYPERLINK l _Toc27671 3.2 QPSK的能量效率 PAGEREF _Toc27671 10 HYPERLINK l _Toc5828 3.3 8PSK的能量效率 PAGEREF _Toc5828 10 HYPERLINK l _Toc4253 3.4 16QAM的能量效率 PAGEREF _Toc4253 11 HYPERLINK l _Toc937 結(jié)論 PAGEREF _Toc937 11 HYPERLINK l _To

3、c24111 參考文獻 PAGEREF _Toc24111 11引言 隨著信息事業(yè)的迅猛發(fā)展，對數(shù)字信號調(diào)制性能上的要求越來越高本文對BPSK QPSK 8PSK 16QAM等調(diào)制方式的性能進行仿真及頻率利用率的對比及分析，主要對QPSK和16QAM的相關(guān)性能進行了闡述。并對上述四種調(diào)制方式各自的使用場景進行總結(jié)。同時分析以上四種方式的能量效率，即每比特能量消耗的對比分析。 1 BPSK QPSK 8PSK 16QAM 調(diào)制方式的性能仿真和頻率利用率的對比分析1.1 BPSK QPSK 8PSK 的性能仿真 BPS K調(diào)制方式：所謂 BPSK就是根據(jù)數(shù)字基帶信號的兩個電平，使載波相位在兩個不同

4、的數(shù)值之間切換的一種相位調(diào)制方法。在恒參信道條件下，相移鍵控(BPSK) 與幅移鍵控( AS K) 和頻移鍵控( F S K) 相比，具有較高的抗噪聲干擾性能，且能有效地利用所給定的信道頻帶，即使在有多徑衰落的信道中也有較好的結(jié)果，所以BPSK是一種較好的調(diào)制方式。 四相相移鍵控( Q P S K ) 是一種性能優(yōu)良，應(yīng)用十分廣泛的數(shù)字調(diào)制方式，它的頻帶利用率高，是二相相移鍵控( B P S K) 的2倍。且Q P S K調(diào)制技術(shù)的抗干擾性能強，采用相干檢測時其誤碼率性能與B P S K相同。 8PSK，即8 Phase Shift Keying，也就是八相相移鍵控的意思。QPSK調(diào)制方式中，

5、每個相位包含了2位二進制信息，而8PSK調(diào)制方式中，每個相位包含了3位二進制信息，因而編碼效率提高了50%，但同時，8PSK的抗擾性比QPSK要低很多。8PSK調(diào)制星座圖： 經(jīng)過上面的介紹可以發(fā)現(xiàn)，這三種信號的調(diào)制本質(zhì)是一樣的。因此這里只據(jù)一列進行說明：我們對M=4PSK通信系統(tǒng)進行蒙特卡洛仿真,其系統(tǒng)框圖如圖 1 所示。 如上圖所示，由仿真式 定義給出隨機變矢量r，是信號相關(guān)器的輸出和判決器的輸入。產(chǎn)生個正交( 2比特)符號序列，將其映射到相應(yīng)的四相信號點上。使用隨機數(shù)發(fā)生器將（0,1）劃分成四個均勻的區(qū)間，分別對應(yīng)信息比特00,01,11,10。通過改變信號的能量參數(shù)來控制接收信號的噪聲比

6、。判決器有決定。將判決器的輸出與發(fā)送符號相比較，計算出誤符號數(shù)和誤比特數(shù)。在不同的信噪比下發(fā)送10000個符號的蒙特卡洛仿真。 圖 1 用MATLAB進行仿真 程序清單如下：functionpb,ps=pskmoto(snr_in_dB)N=10000;E=1;snr=10(snr_in_dB/10);%計算信噪比的數(shù)值sgma=sqrt(E/snr)/2;n=0 0;s00=1 0;s01=0 1;s11=-1 0;s10=0 -1;for i=1:N; temp=rand;%區(qū)間為（0,1）的一個隨機變量 if(temp0.25) dsource1(i)=0; dsource2(i)=0;

7、 elseif(temp0.5) dsource1(i)=0; dsource2(i)=1; elseif(temp0.75) dsource1(i)=1; dsource2(i)=0; else dsource(i)=1; dsource(i)=1; end;end;%判決、誤碼率的計算numofsymbolerror=0; numofbiterror=0;for i=1:N; n=gngauss(sgma); if(dsource1(i)=0)&(dsource2(i)=0) r=s00+n; elseif(dsource1(i)=0)&(dsource2(i)=1) r=s01+n; e

8、lseif(desource1(i)=1)&(dsouce2(i)=0) r=s10+n; else r=s11+n; end; c00=dot(r,s00);c01=dot(r,s01); c10=dot(r,s10);c11=dot(r,s11); c_max=max(c00 c01 c10 c11);%i個符號的判決如下進行 if(c00=c_max) decis1=0;decis2=0; elseif(c01=c_max) decis1=0;decis2=1; elseif(c10=c_max) decis1=1;desis2=0; else decis1=1;desis2=1; en

9、d; ps=numofsymbolerror/N;pb=numofbiterror/(2*N);(2)腳本文件 echo onSNRindB1=0:2:10;%定義信噪比的序列，共6個值SINindB2=0:0.1:10;%掃描用的信噪比序列for i=1:length(SNRindB1); pb,ps=pskmoto(SNRindB1(i);%計算誤比特率 smld_bit_err_prb(i)=pb; smld_symbol_err_prb(i)=ps;end;for i=1:length(SNRindB2) SNR=exp(SNRindB2(i)*log(10)/10); the_err

10、_prb(i)=Qfunct(sqrt(2*SNR);end;semilogy(SNRindB1,smld_bit_err_prb,*);%以對數(shù)形式作Y坐標繪圖Hold%將上一曲線保留semilogy(SNRindB1,smld_symbol_err_prb,0);%作出實際的信噪比-誤比特率點semilogy(SNRindB2,theo_err_prb);%作出理論的信噪比誤比特率點在Simulink上的仿真圖如圖2所示： 圖 2仿真出的誤碼率如下圖3所示： 圖 3 注：橫坐標表示信噪比，縱坐標表示誤碼率，一條線是根據(jù)公式計算出的理想性能曲線，另一條是仿真測出的誤碼率。由圖可見仿真結(jié)果和理

11、論曲線符合的比較好。1.2 16QAM 的性能仿真單獨使用幅度或相位攜帶信息時，不能最充分地利用信號平面，這可以由矢量圖中信號矢量端點的分布直觀地觀察到。隨著M增大，這些矢量端點之間的最小距離也隨之減小。但如果充分地利用整個平面，將矢量端點重新合理分布，則有可能在不減少最小距離的情況下增加信號矢量的端點數(shù)目?；谏鲜龈拍羁梢砸龇扰c相位相結(jié)合的調(diào)制方式APK。APK信號可看作兩個正交調(diào)制信號之和，APK有時也稱為星座調(diào)制，因為在其矢量圖平面上信號的分布如星座。當(dāng)前研究較多并被建議用于是數(shù)字通信中的一種APK信號，是16QAM信號。它是利用兩個獨立的基帶波形對兩個相互正交的同頻載波進行抑制載波

12、的雙邊帶調(diào)制，利用著這種已調(diào)信號載同一帶寬內(nèi)頻譜正交的性質(zhì)來實現(xiàn)兩路并行的數(shù)字信息傳輸?，F(xiàn)用矩形信號星座圖16QAM通信系統(tǒng)進行蒙特卡洛仿真。用均勻隨機數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生一個對應(yīng)4位b1b2b3b4共有16種可能的信息符號序列。將符號映射位相應(yīng)的信號點，信號的坐標為,用兩個高斯噪聲發(fā)生器產(chǎn)生噪聲分量。假設(shè)信道相移為0,。接收到的信號加噪聲分量為。判決器的距離量度由下式?jīng)Q定： m=1,2,3M m=1,2,3M并且選擇最接近接收向量r的信號點。計錯器記錄判決到的序列錯誤符號數(shù)。用MATLAB進行仿真程序清單如下：echo onSNRindB1=0:2:15; SNRindB2=0:0.1:15;M=1

13、6; k=log2(M);for i=1:length(SNRindB1), smld_err_prb(i)=qammoto(SNRindB1(i);end;for i=1:length(SNRindB2), SNR=exp(SNRindB2(i)*log(10)/10; theo_err_prb(i)=4*Qfunt(sqrt(3*k*SNR/(M-1);end;semilogy(SNRindB1,smld_err_prb,*);%用對數(shù)坐標作出實際信噪比誤比特率曲線Hold %保持住上一曲線semilogy(SNRindB2,theo_err_prb);%畫出對數(shù)坐標理論信噪比誤比特率曲線

14、函數(shù)文件qammoto.m用于實現(xiàn)仿真運算：functionp=qammoto(snr_in_dB)N=10000;d=1;Eav=10*d2;snr=10(snr_in_dB/10);sgma=sqrt(Eav/8*snr);M=16;for i=1:N temp=rand; dsource(i)=1+floor(M*temp);end;mapping=-3*d 3*d; -d 3*d; d 3*d; 3*d 3*d; -3*d d; -d d; d d; 3*d d; -3*d -d; -d -d; d -d; 3*d -d -3*d -3*d; -d -3*d; d -3*d; 3*d

15、-3*d;for i=1:N,end;for i=1:N, n=gngauss(sgma);%產(chǎn)生高斯隨機噪聲 r(i,:)=qan_sig(i,:)+n;%在信號上疊加噪聲end;numoferr=0;%誤比特數(shù)初始值置0for i=1:N, for j=1:M, metrices(j)=(r(i,1)-mapping(j,1)2+(r(i,2)-mapping(j,2)2; end; min_metric decis=min(metrice); if(decis=dsource(i),%若出現(xiàn)錯誤情況，誤比特數(shù)加1 numoferr=numoferr+1; end;end;p=numofe

16、rr/(N);在Simulink上的仿真圖如圖4所示： 圖 4仿真出的誤碼率如圖5所示： 圖 5 注：橫坐標表示信噪比，縱坐標表示誤碼率，一條線是根據(jù)公式計算出的理想性能曲線，另一條是仿真測出的誤碼率，在信噪比大概為15dB時誤碼率下降到百萬分之一。由圖可見仿真結(jié)果和理論曲線符合的比較好。 頻帶利用率：經(jīng)上面分析可以看出，在相同的信息速率下，四相信號的碼長比二相的增加一倍，故它的頻帶可減小至二相時的一半。也就是說，四相相位鍵控系統(tǒng)在單位頻帶內(nèi)的信息速率可比二相時的提高一倍；如果四相系統(tǒng)與二相系統(tǒng)的碼元速率相同，則四相系統(tǒng)的信息速率是二相系統(tǒng)的兩倍。依次類推，八相信號的頻帶可以減少到四相的一半，

17、二相的四分之一。十六進制的正交振幅調(diào)制信號的頻帶可以減少至八相得二分之一，四相的四分之一，二相的八分之一。總而言之，在系統(tǒng)帶寬一定的條件下，多進制調(diào)制的信息傳輸速率比二進制高，也就是說，多進制調(diào)制系統(tǒng)的頻帶利用率高。但是并不能說多進制調(diào)制就優(yōu)于低進制的，因為多進制調(diào)制系統(tǒng)的頻帶利用率的提高是通過犧牲功率利用率來換取的。2 四種調(diào)制方式各自的使用場景 可用于數(shù)字微波中繼通信系統(tǒng)的調(diào)制方式很多，它們都是在幅移鍵控ASK、頻移鍵控FSK和相移鍵控PSK這3種基本調(diào)制方式上發(fā)展而來的。在選擇數(shù)字微波中繼通信系統(tǒng)的調(diào)制方式時，考慮的主要因素有頻譜利用率、抗干擾能力、對傳輸失真的適應(yīng)能力、抗衰落能力、勤務(wù)

18、信號的傳輸方式、設(shè)備的復(fù)雜程度。 選擇調(diào)制方式時，應(yīng)根據(jù)數(shù)字微波中繼通信系統(tǒng)的容量等級，并綜合考慮各種因素來選擇。對于小容量系統(tǒng)，以選擇4PSK4DPSK為主，也可選擇2PSK2DPSK或2FSK。對于中容量系統(tǒng)，以選擇4PSK4DPSK為主、也可選擇8PSK或2PSK2DPSK。對于大容量系統(tǒng)，以選擇16QAM為主，也可選擇8PSK。今后將逐步采用頻譜利用率更高的調(diào)制方式。如64QAM、256QAM等。 2PSK/2DPSK設(shè)備簡單、抗干擾能力強，對衰落信道和非線性信道的適應(yīng)能力強，但頻譜利用率不高。2FSK設(shè)備簡單，對衰落信道和非線性信道的適應(yīng)能力強，但其頻譜利用率和抗干擾能力都比2PSK

19、2DPSK弱。4PSK4DPSK的頻譜利用率是2PSK2DPSK的兩倍，抗干擾能力與后者一樣，設(shè)備復(fù)雜程度只有少許增加，對衰落信道的適應(yīng)能力適中，對信道的線性指標要求也不太高。8PSK與4PSK/4DPSK相比、具有更高的頻譜利用率，但設(shè)備復(fù)雜程度有所增加，對信道的衰落和失真特性也比后者敏感、需要采取一定措施來改善性能。16QAM的頻譜利用率很高，設(shè)備也不太復(fù)雜，但對信道的幅相畸變、線性性能以及電波傳播的頻率選擇性衰落都比較敏感，需要采取信道線性化措施和均衡措施，這將增加設(shè)備的復(fù)雜性和設(shè)備的成本。其他多信號狀態(tài)調(diào)制方式(如64QAM、256QAM等)都在具有很高頻譜利用率的同時存在類似16QA

20、M需要解決的問題，但這些問題隨著技術(shù)進步，已經(jīng)得到不同程度的解決。3 能量利用率 3.1 BPSK的能量效率M進制相移鍵控（MPSK）調(diào)制信號是使用MPAM數(shù)字基帶信號對載波的相位進行調(diào)制得到的，每個M進制的符號對應(yīng)一個載波相位，MPSK信號可以表示為： i=1,2,3,M 0t每個MPSK的能量為一個BPSK信號只能表示一個比特，因此可得BPSK的能量效率為1/2.3.2 QPSK的能量效率對于QPSK，其一個信號能表示2個比特，又由上面分析可得QPSK的能量效率（每比特所用的能量）為1/2*1/2=1/4.3.3 8PSK的能量效率 對于8PSK，其一個信號能表示3個比特，又由上面分析可得

21、8PSK的能量效率（每比特所用的能量）為1/3*1/2=1/6.3.4 16QAM的能量效率16QAM信號是由被相互獨立的多電平幅度序列調(diào)制的兩個正交載波疊加而成的，信號表示為 i=1,2,3,16; 0t則在內(nèi)信號的平均能量為=由上面分析比較可得，隨著進制的增加，信號的能量效率變高，即每比特所消耗的能量便少。結(jié)論 經(jīng)過分析可以發(fā)現(xiàn)在頻帶利用率上QAM最好，隨著M值的增加，誤碼率性能變好。通過MATLAB的仿真出的誤碼率曲線可以很明顯的看出誤碼率性能。通過對相關(guān)資料的查詢與平常所接觸的事物可以總結(jié)出四種調(diào)制方式的使用場景。最后對能量利用率上進行了分析，可是由于對調(diào)制能量效率的理解有限，所以這里

22、只能對能量效率進行粗略的闡述。 參考文獻【1】李白萍 吳冬梅；通信原理與技術(shù)；人民郵電出版社；2003【2】劉敏 魏玲 ；MATLAB通信仿真與應(yīng)用；國防工業(yè)出版社；2000【3】吳資玉 ；數(shù)字通信原理；中國物質(zhì)出版社，1999 PET/CT示蹤劑 HYPERLINK :/tijian.51daifu /2009/0414/786A36F3C1021T323105.shtml 18F-FDG(氟代脫氧葡萄糖)氟代脫氧葡萄糖氟代脫氧葡萄糖是2-脫氧葡萄糖的氟代衍生物。其完整的化學(xué)名稱為2-氟-2-脫氧-D-葡萄糖，通常簡稱為18F-FDG或FDG。FDG最常用于正電子發(fā)射斷層掃描（PET）類的醫(yī)

23、學(xué)成像設(shè)備：FDG分子之中的氟選用的是屬于正電子發(fā)射型放射性同位素的氟-18（fluorine-18，F(xiàn)-18，18F，18氟），從而成為18F-FDG（氟-18F脫氧葡糖）。在向病人（患者，病患）體內(nèi)注射FDG之后，PET掃描儀可以構(gòu)建出反映FDG體內(nèi)分布情況的圖像。接著，核醫(yī)學(xué)醫(yī)師或放射醫(yī)師對這些圖像加以評估，從而作出關(guān)于各種醫(yī)學(xué)健康狀況的診斷。歷史二十世紀70年代，美國布魯克海文國家實驗室（Brookhaven National Laboratory）的Tatsuo Ido首先完成了18F-FDG的合成。1976年8月，賓夕法尼亞大學(xué)的Abass Alavi首次將這種化合物施用于兩名正常

24、的人類志愿者。其采用普通核素掃描儀（非PET掃描儀）所獲得的腦部圖像，表明了FDG在腦部的濃聚（參見下文所示的歷史參考文獻）。作用機理與代謝命運作為一種葡萄糖類似物，F(xiàn)DG將為葡萄糖高利用率細胞（high-glucose-using cells）所攝取，如腦、腎臟以及癌細胞。在此類細胞內(nèi)，磷酸化過程將會阻止葡萄糖以原有的完整形式從細胞之中釋放出來。葡萄糖之中的2位氧乃是后續(xù)糖酵解所必需的；因而，F(xiàn)DG與2-脫氧-D-葡萄糖相同，在細胞內(nèi)無法繼續(xù)代謝；這樣，在放射性衰變之前，所形成的FDG-6-磷酸將不會發(fā)生糖酵解。結(jié)果，18F-FDG 的分布情況就會很好地反映體內(nèi)細胞對葡萄糖的攝取和磷酸化的分

25、布情況。在FDG發(fā)生衰變之前，F(xiàn)DG的代謝分解或利用會因為其分子之中2位上的氟而受到抑制。不過，F(xiàn)DG發(fā)生放射性衰變之后，其中的氟將轉(zhuǎn)變?yōu)?8O；而且，在從環(huán)境當(dāng)中獲取一個H+之后，F(xiàn)DG的衰變產(chǎn)物就變成了葡萄糖-6-磷酸，而其2位上的標記則變?yōu)闊o害的非放射性“重氧”（heavy oxygen，oxygen-18）；這樣，該衰變產(chǎn)物通常就可以按照普通葡萄糖的方式進行代謝。 臨床應(yīng)用在PET成像方面，18F-FDG可用于評估心臟、肺臟以及腦部的葡萄糖代謝狀況。同時，18F-FDG還在腫瘤學(xué)方面用于腫瘤成像。在被細胞攝取之后，18F-FDG將由己糖激酶（在快速生長型惡性腫瘤之中，線粒體型己糖激酶顯

26、著升高）),加以磷酸化，并為代謝活躍的組織所滯留，如大多數(shù)類型的惡性腫瘤。因此，F(xiàn)DG-PET可用于癌癥的診斷、分期（staging）和治療監(jiān)測（treatment monitoring），尤其是對于霍奇金氏?。℉odgkins disease，淋巴肉芽腫病，何杰金?。⒎腔羝娼鹗狭馨土觯╪on-Hodgkins lymphoma，非何杰金氏淋巴瘤）、結(jié)直腸癌（colorectal cancer）、乳腺癌、黑色素瘤以及肺癌。另外，F(xiàn)DG-PET還已經(jīng)用于阿耳茨海默氏?。ˋlzheimers disease，早老性癡呆）的診斷。在旨在查找腫瘤或轉(zhuǎn)移性疾病（metastatic disease）的

27、體部掃描應(yīng)用當(dāng)中，通常是將一劑FDG溶液（通常為5至10毫居里，或者說200至400兆貝克勒爾）迅速注射到正在向病人靜脈之中滴注生理鹽水的管路當(dāng)中。此前，病人已經(jīng)持續(xù)禁食至少6小時，且血糖水平適當(dāng)較低（對于某些糖尿病病人來說，這是個問題；當(dāng)血糖水平高于180 mg/dL = 10 mmol/L時，PET掃描中心通常不會為病人施用該放射性藥物；對于此類病人，必須重新安排PET檢查）。在給予FDG之后，病人必須等候大約1個小時，以便FDG在體內(nèi)充分分布，為那些利用葡萄糖的器官和組織所攝??；在此期間，病人必須盡可能減少身體活動，以便盡量減少肌肉對于這種放射性葡萄糖的攝取（當(dāng)我們所感興趣的器官位于身體內(nèi)部之時，這種攝取會造成不必要