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

基于Simulink的QAM調(diào)制解調(diào)實(shí)現(xiàn)PAGE摘要本文設(shè)計(jì)的是基于Simulink的QAM調(diào)制解調(diào)的實(shí)現(xiàn)。首先介紹了QAM調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)的基本原理，然后介紹了仿真軟件Simulink下系統(tǒng)建模與仿真的基本操作，重點(diǎn)是對(duì)16QAM系統(tǒng)各個(gè)模塊進(jìn)行建模與仿真，實(shí)現(xiàn)了16QAM的調(diào)制與解調(diào)。最后做了一個(gè)2DPSK系統(tǒng)仿真，將它與16QAM系統(tǒng)進(jìn)行比較，得出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)鍵字：QAM調(diào)制解調(diào)；Simulink；仿真ABSTRACTThisdesignisbasedonSimulink,QAMmodulationanddemodulationimplementation.QAMmodulationanddemodulationfirstintroducedthebasicprinciplesofthesystem,andthenintroducedtheSimulinksimulationsoftwareformodelingandsimulationofthesystem'sbasicoperations,focusedoneachmodule16QAMsystemmodelingandsimulation,toachievea16QAMmodulationanddemodulation.Finallymade??a2DPSKsystemsimulation,thesystemwillcompareitwith16QAM,16QAMobtainedisarelativelysuperiormodulationanddemodulationsystemthisconclusion.

Keyword:QAMmodulationanddemodulation；Simulink；Simulation目錄TOC\o"1-3"\u1緒論 11.1QMA簡(jiǎn)介及應(yīng)用 11.2Simulink軟件與通信仿真 11.3論文主要內(nèi)容 22現(xiàn)代數(shù)字調(diào)制技術(shù)QAM 32.1QAM調(diào)制原理 PAGEREF_Toc293815462\h32.2QAM解調(diào)原理 42.3MQAM信號(hào)星座圖 52.4QAM的誤碼率性能 63QAM調(diào)制解調(diào)的實(shí)現(xiàn)與仿真 83.1Simulink軟件 83.1.1Simulink模塊 83.1.2Simulink建模與仿真 93.2QAM調(diào)制模塊建模與仿真 93.2.1信號(hào)源模塊 103.2.2串∕并轉(zhuǎn)換模塊 103.2.32/4電平轉(zhuǎn)換模塊 123.2.4其余模塊 143.3QAM解調(diào)模塊建模與仿真 153.3.14/2電平判決模塊 163.3.2并∕串轉(zhuǎn)換模塊 183.3.3其余模塊 78\h193.4QAM抗噪聲性能研究 193.516QAM與2DPSK系統(tǒng)抗噪聲性能比較 214總結(jié) 23參考文獻(xiàn) 24附錄 25致謝 4\h26PAGE271緒論1.1QMA簡(jiǎn)介及應(yīng)用在當(dāng)今飛速發(fā)展的信息時(shí)代，隨著數(shù)字通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展以及通信網(wǎng)絡(luò)與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的相互融合，信息科學(xué)技術(shù)已經(jīng)成為21世紀(jì)國際社會(huì)和世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展的新的強(qiáng)大推動(dòng)力?，F(xiàn)代數(shù)字通信技術(shù)的調(diào)制方式具有三種基本方式：數(shù)字振幅調(diào)制、數(shù)字頻率調(diào)制、數(shù)字相位調(diào)制，但這三種數(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。正交振幅調(diào)制QAM（QuadratureAmplitudeModulation）就是一種頻譜利用率很高的調(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。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)用于數(shù)字有線電視傳輸領(lǐng)域和數(shù)字MMDS系統(tǒng)。例如，在恒參信道中，QAM方式具有高的頻譜利用率，因此正交振幅調(diào)制在衛(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。1.2Simulink軟件與通信仿真Mathworks公司推出的一種數(shù)學(xué)應(yīng)用軟件Matlab，現(xiàn)在已經(jīng)開發(fā)了包括通信系統(tǒng)在內(nèi)的多個(gè)工具箱，從而成為目前科學(xué)研究和工程應(yīng)用的最流行的軟件包之一。Simulink是Matlab中的一種可視化仿真工具，它提供一個(gè)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和綜合分析的集成環(huán)境。在Simulink，不需要大量書寫程序，而只需通過簡(jiǎn)單的鼠標(biāo)操作和拷貝等命令建立起直觀的系統(tǒng)框圖模型，用戶可以很隨意地改變模型中各個(gè)模塊的參數(shù)，并可以馬上看到改變參數(shù)后的結(jié)果，從而達(dá)到方便、快捷地建模和仿真的目的。Simulink包括一個(gè)復(fù)雜的接收器、信號(hào)源、線性和非線性組件以及連接組建的模塊庫，用戶也可以根據(jù)需要定制或者創(chuàng)建自己的模塊?？梢赃\(yùn)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。所以Simulink具有適應(yīng)面廣、結(jié)構(gòu)和流程清晰及仿真精細(xì)、貼近實(shí)際、快捷高效、靈活方便等優(yōu)點(diǎn)，并基于以上優(yōu)點(diǎn)Simulink已被廣泛應(yīng)用于控制理論和數(shù)字信號(hào)處理及通信系統(tǒng)的仿真和設(shè)計(jì)。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)定性。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。可見，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)很好的選擇。1.3論文主要內(nèi)容本文設(shè)計(jì)的是基于Simulink的QAM調(diào)制解調(diào)的實(shí)現(xiàn)。首先簡(jiǎn)紹了QAM調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)的基本原理，然后介紹了實(shí)現(xiàn)通信仿真的應(yīng)用軟件Simulink的庫的基本知識(shí)及系統(tǒng)建模與仿真的基本操作。重點(diǎn)是以16QAM調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)為例，根據(jù)其調(diào)制解調(diào)原理系統(tǒng)框圖，在Simulink環(huán)境下建立各個(gè)模塊的模型圖，如串并轉(zhuǎn)換模塊、2∕4電平轉(zhuǎn)換模塊等，設(shè)置參數(shù)并進(jìn)行仿真。實(shí)現(xiàn)了QAM系統(tǒng)的調(diào)制與解調(diào)，得到了個(gè)模塊的波形圖、調(diào)制解調(diào)波形圖，以及信號(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，在做了一個(gè)2DPSK系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真之后，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。2現(xiàn)代數(shù)字調(diào)制技術(shù)QAMQAM是英文QuadratureAmplitudeModulation的縮略語簡(jiǎn)稱，意為正交幅度調(diào)制，是一種在兩個(gè)正交載波上進(jìn)行幅度調(diào)制的數(shù)字調(diào)制方式，這兩個(gè)載波通常是相位差為90度(π/2)的正弦波，因此被稱作正交載波，這種調(diào)制方式因此而得名。2.1QAM調(diào)制原理所謂正交振幅調(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。利用這種已調(diào)信號(hào)在同一帶寬內(nèi)頻譜正交的性質(zhì)來實(shí)現(xiàn)兩路并行的數(shù)字信號(hào)傳輸。正交振幅調(diào)制信號(hào)的一般表達(dá)式為（2-1）式中是基帶信號(hào)幅度，是寬度為的單個(gè)基帶信號(hào)波形。上式變換成正交表示形式：（2-2） 令 則（2-2）式變?yōu)?=(2-3)式中的振幅和可以表示為式中，A是固定振幅，、有輸入數(shù)據(jù)確定。、決定了已調(diào)QAM信號(hào)在信號(hào)空間中的坐標(biāo)點(diǎn)。QAM調(diào)制解調(diào)框圖如圖2-1所示：串∕串∕并轉(zhuǎn)換2到L電平轉(zhuǎn)換2到L電平轉(zhuǎn)換預(yù)調(diào)制LPF預(yù)調(diào)制LPF××∑圖2-1QAM信號(hào)解調(diào)原理圖圖中，輸入二進(jìn)制序列經(jīng)過串∕并轉(zhuǎn)換輸出速率減半即的兩路并行序列，再分別經(jīng)過2到L電平的轉(zhuǎn)換，形成了L電平的基帶信號(hào)。該L電平的基帶信號(hào)還要經(jīng)過預(yù)調(diào)制低通濾波器，是為了抑制已調(diào)信號(hào)的帶外輻射，經(jīng)過LPF后形成X(t)和Y(t)，再分別對(duì)同向載波和正交載波相乘，最后將兩路信號(hào)加即得到QAM信號(hào)。2.2QAM解調(diào)原理MQAM信號(hào)可以采用正交相干解調(diào)方法，其解調(diào)器原理如圖2-2所示：載波恢復(fù)載波恢復(fù)定時(shí)恢復(fù)并∕串轉(zhuǎn)換LPFLPF多電平判決多電平判決L到2電平轉(zhuǎn)換L到2電平轉(zhuǎn)換××圖2-2MQAM信號(hào)相干解調(diào)原理圖解調(diào)器輸入信號(hào)與本地恢復(fù)的兩個(gè)正交載波相乘后，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）。多電平判決器對(duì)多電平基帶信號(hào)進(jìn)行判決和檢測(cè)，這里需要(L-1)個(gè)判決門限，其中L為電平數(shù)，再經(jīng)L電平到2電平轉(zhuǎn)換和并/串變換器，最終輸出二進(jìn)制數(shù)據(jù)。2.3MQAM信號(hào)星座圖信號(hào)矢量的端點(diǎn)的分布圖稱為星座圖。通常用星座圖來描述QAM信號(hào)的空間分布狀態(tài)。對(duì)于16QAM來說，有多種分布形式的信號(hào)星座圖。如圖2-3所示。在圖2-3（a）中信號(hào)點(diǎn)的分布成方形，故稱之為方形16QAM星座圖，也稱為標(biāo)準(zhǔn)16QAM星座圖。在圖2-3(b)中信號(hào)點(diǎn)的分布成星型，故稱為星型16QAM星座。(0,4.61)(0,2.61)(0,4.61)(0,2.61)(2.61,0)(4.61,0)(0,-2.61)(0,-4.61)(-2.61,0)(-4.61,0)(b)圖2-316QAM的星座圖（a）方形16QAM星座（b）星型16QAM星座M=4,16,32，…，256時(shí)MQAM信號(hào)星座圖如圖2-4所示：圖2-4MQAM信號(hào)星座圖其中M為2的偶次方時(shí)，如M=4,16,64,256時(shí)星座圖為矩形，每個(gè)符號(hào)攜帶偶數(shù)個(gè)比特信息；而M為2的奇次時(shí)，如M=32,128時(shí)星座圖為十字形，每個(gè)符號(hào)攜帶奇數(shù)個(gè)比特信息。為了比較MQAM和MPSK的抗干擾能力，以16進(jìn)制為例，在圖2-5所示的單位圓上分別畫出了16PSK和16QAM的星座圖。星座圖上各端點(diǎn)之間的最小距離滿足下式（2-4）（2-5）式中，L為星座圖上信號(hào)點(diǎn)在水平軸和垂直軸上投影的電平數(shù)，。xxyAAyx16QAM16PSK圖2-516QAM和16PSK的星座圖當(dāng)M=16時(shí)，可以計(jì)算得出0.47，0.39，＞，星座圖中，兩個(gè)信號(hào)點(diǎn)距離越大，在噪聲干擾使信號(hào)圖模糊的情況下，要求分開兩個(gè)可能信號(hào)點(diǎn)越容易辦到。通過比較發(fā)現(xiàn)16QAM系統(tǒng)抗干擾能力優(yōu)于16PSK。2.4QAM的誤碼率性能矩形QAM信號(hào)星座最突出的優(yōu)點(diǎn)就是容易產(chǎn)生PAM信號(hào)可直接加到兩個(gè)正交載波相位上，此外它們還便于解調(diào)。對(duì)于M＝下的矩形信號(hào)星座圖（k為偶數(shù)），QAM信號(hào)星座圖與正交載波上的兩個(gè)PAM信號(hào)是等價(jià)的，這兩個(gè)信號(hào)中的每一個(gè)上都有個(gè)信號(hào)點(diǎn)。因?yàn)橄辔徽环至可系男盘?hào)能被相干判決極好的分離，所以易于通過PAM的誤碼率確定QAM的誤碼率。M進(jìn)制QAM系統(tǒng)正確判決的概率是：(2-6) 式中是進(jìn)制PAM系統(tǒng)的誤碼率，該P(yáng)AM系統(tǒng)具有等價(jià)QAM系統(tǒng)的每一個(gè)正交信號(hào)中的一半平均功率。通過適當(dāng)調(diào)整M進(jìn)制PAM系統(tǒng)的誤碼率，可得（2-7）其中是每個(gè)符號(hào)的平均信噪比。因此M進(jìn)制QAM的誤碼率為（2-8） 當(dāng)k為偶數(shù)時(shí)，MQAM對(duì)于M＝情形時(shí)精確的，而當(dāng)k為奇數(shù)時(shí)，就找不到等價(jià)的進(jìn)制PAM系統(tǒng)。如果使用最佳距離量度進(jìn)行判決的最佳判決器，可以求出任意k1誤碼率的嚴(yán)格上限(2-9)其中是每比特的平均信噪比。3QAM調(diào)制解調(diào)的實(shí)現(xiàn)與仿真3.1Simulink軟件Simulink是一個(gè)與MATLAB軟件融為一體實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行模擬、仿真和分析的應(yīng)用軟件。它是以框圖編程為基礎(chǔ)的系統(tǒng)模擬及仿真軟件，并為此提供了基本的系統(tǒng)建模模塊。用戶只需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.mdl文件進(jìn)行存?。?，就可以進(jìn)行仿真與分析。3.1.1Simulink模塊Simulink的模塊分為兩大類，一類是基本模塊，另一類是與應(yīng)用領(lǐng)域相關(guān)的模塊。其基本模塊集由16個(gè)模塊子集組成，它們分別是：常用模塊，連續(xù)時(shí)間系統(tǒng)用模塊，非連續(xù)時(shí)間系統(tǒng)用模塊，離散時(shí)間系統(tǒng)模塊，邏輯與位操作模塊，查表模塊，數(shù)學(xué)運(yùn)算模塊，模型確認(rèn)模塊，系統(tǒng)模型工具模塊，端口與子系統(tǒng)模塊，信號(hào)屬性模塊，信號(hào)布線模塊，信號(hào)終端模塊，信號(hào)源模塊，用戶自定義模塊，其他數(shù)學(xué)運(yùn)算及離散系統(tǒng)用模塊。Simulink的通信模塊集CommunicationsBlockset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3-1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。圖3-1通信系統(tǒng)仿真模塊3.1.2Simulink建模與仿真建模的步驟如下：（1）首先確定一個(gè)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)框圖，這個(gè)系統(tǒng)框圖是描述系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)、信號(hào)流向、子系統(tǒng)信號(hào)的輸入與輸出、子系統(tǒng)之間的接口以及系統(tǒng)運(yùn)行所需的控制等。這樣的系統(tǒng)框圖有助于Simulink建立系統(tǒng)模型。（2）啟動(dòng)Simulink，在Matlab命令窗口（CommandWindow）中輸入simulink，結(jié)果是在桌面上出現(xiàn)一個(gè)稱為SimulinkLibraryBrowser的窗口，在這個(gè)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SimulinkLibraryBrowser窗口。（3）單擊Simulink模塊庫窗口左上角的File菜單下的新建模型或空白模型按鈕打開一個(gè)名為Untilied的空白模型窗口。從Simulink的模塊庫中選取合適的基本模塊，用鼠標(biāo)指向所需的信源模塊（如正弦波信源sinewave）,按下鼠標(biāo)左鍵，把它拖至Untitled窗口中，就生成一個(gè)正弦波信源復(fù)制品。（4）在選取了建立系統(tǒng)模型所需的模塊后，就是根據(jù)系統(tǒng)框圖將模塊連接起來。連接方法如下：把鼠標(biāo)箭頭放在第一個(gè)模塊的輸出端口上，這是箭頭會(huì)變成一個(gè)十字叉，單擊并持續(xù)按下鼠標(biāo)左鍵，把鼠標(biāo)箭頭拉到第二個(gè)模塊的輸入端口，這是鼠標(biāo)箭頭變成雙十字叉，放開鼠標(biāo)鍵?；蛘呤怯檬髽?biāo)選中源模塊，按下Ctrl鍵的同時(shí)單擊目標(biāo)模塊。構(gòu)建好一個(gè)系統(tǒng)的模型之后，接下來的事情就是運(yùn)行模型，得出仿真結(jié)果。運(yùn)行一個(gè)仿真的完整過程分成三個(gè)步驟：設(shè)置仿真參數(shù)，啟動(dòng)仿真和仿真結(jié)果分析。設(shè)置仿真參數(shù)和選擇解法器，選擇Simulation菜單下的Parameters命令，就會(huì)彈出一個(gè)仿真參數(shù)對(duì)話框，它主要用Solver頁WorkspaceI∕O頁Diagnostics頁三個(gè)頁面來管理仿真的參數(shù)設(shè)置。設(shè)置仿真參數(shù)和選擇解法器之后，就可以啟動(dòng)仿真而運(yùn)行。選擇Simulink菜單下的start選項(xiàng)來啟動(dòng)仿真，如果模型中有些參數(shù)沒有定義，則會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤信息提示框。如果一切設(shè)置無誤，則開始仿真運(yùn)行，結(jié)束時(shí)系統(tǒng)會(huì)發(fā)出一鳴叫聲。3.2QAM調(diào)制模塊建模與仿真前面介紹了QAM的調(diào)制解調(diào)和Simulink的基本知識(shí)，以及實(shí)現(xiàn)通信仿真的基本操作。本文就以16QAM為例，利用Simulink模塊實(shí)現(xiàn)QAM調(diào)制、解調(diào)通信系統(tǒng)建模并進(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)系統(tǒng)框圖如圖3-2所示：LPF×串∕并轉(zhuǎn)換并∕LPF×串∕并轉(zhuǎn)換并∕串轉(zhuǎn)換2∕4電平轉(zhuǎn)換4∕2電平轉(zhuǎn)換4∕2電平轉(zhuǎn)換LPFLPFLPF2∕4電平轉(zhuǎn)換LPF相加×××輸入輸出圖3-216QAM的調(diào)制解調(diào)由圖3-2可以知道16QAM的調(diào)制解調(diào)原理，通過調(diào)制與解調(diào)兩大模塊來對(duì)16QAM系統(tǒng)建模與仿真，并對(duì)仿真結(jié)果作出分析，從而對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行一定的優(yōu)化，獲得較好的系統(tǒng)模型。本次仿真的系統(tǒng)總體框圖見附錄。3.2.1信號(hào)源模塊通過對(duì)圖3-1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（QPSK）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。以下我將對(duì)系統(tǒng)仿真框圖中的各模塊進(jìn)行簡(jiǎn)單的介紹。本次仿真在信號(hào)源部分采用了偽隨機(jī)序列發(fā)生器，由于系統(tǒng)要求基帶信號(hào)碼元速率19.2kbps，則本序列發(fā)生器的基本參數(shù)設(shè)置如下：Generatorpolynomial:[1000011]Initialstates:[000001]Outputmaskvector:0Sampletime:1/19200Outputdatatype:double3.2.2串∕并轉(zhuǎn)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(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。該子系統(tǒng)內(nèi)部框圖如圖3-3所示：圖3-3串并轉(zhuǎn)換模塊由圖3-3可知，本子系統(tǒng)有一個(gè)輸入端口和兩個(gè)輸出端口。系統(tǒng)首先將輸入的偽隨機(jī)序列分成兩路并將其中的一路直接按整數(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)于另外一路則先進(jìn)行延遲然后進(jìn)行采樣便可得到原序列的偶數(shù)碼元。假設(shè)輸入In1:001000001000011000101001則有Out1:010010010110Out2:000000100001實(shí)際運(yùn)行中各路信號(hào)如圖3-4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3-4串并轉(zhuǎn)換各路信號(hào)圖由圖可以看出經(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，這也是符合理論的。但每一路輸出信號(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，對(duì)后面各種性能的研究是不會(huì)造成影響的。3.2.32/4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)過編碼以后為相應(yīng)的4電平信號(hào)。這里選擇映射關(guān)系如表3-1所示：表3—12/4電平映射關(guān)系表映射前數(shù)據(jù)電平/V00-301-1101113根據(jù)以上映射關(guān)系，能容易找出它們之間的一個(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)，假設(shè)它們是ab，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)。同理當(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)。如此一來便可以得到下面的結(jié)果：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；由以上關(guān)系式得出：在設(shè)計(jì)2/4電平轉(zhuǎn)換模塊的時(shí)候，需要先將輸入信號(hào)再次進(jìn)行串并轉(zhuǎn)換，然后每路信號(hào)做一個(gè)簡(jiǎn)單的判決，再用一個(gè)相加模塊便可實(shí)現(xiàn)2/4電平的轉(zhuǎn)換功能。具體模塊如圖3-5所示：圖3-52/4電平轉(zhuǎn)換模塊以上模塊中各點(diǎn)的信號(hào)圖如圖3-6所示：圖3-62/4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)。觀察各行波形可以得出：輸入：000100100101101110并行1：000100111并行2：010011010輸出：-3-1-31-1-1131比較各行波形可以發(fā)現(xiàn)這個(gè)模塊已經(jīng)很好的實(shí)現(xiàn)了2/4電平的轉(zhuǎn)換，這里4電平信號(hào)的碼元傳輸速率已降為Rb/4。3.2.4其余模塊除以上兩個(gè)子系統(tǒng)外，調(diào)制階段還包括正余弦信號(hào)發(fā)生器、加法器、乘法器、頻譜示波器和離散時(shí)間信號(hào)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(hào)發(fā)生器的參數(shù)設(shè)置如下所示：：Amlitude:1：Amlitude:1Bias:0Bias:0Frequency（rad/sec）:76800*2*piFrequency(rad/sec)：76800*2*piPhase(rad):pi/2Phase(rad):0Sampletime：1/768000Sampletime：1/768000對(duì)于離散時(shí)間信號(hào)發(fā)散圖示波器，這里做了一個(gè)子系統(tǒng)如圖3-7所示：圖3-7離散時(shí)間信號(hào)發(fā)散圖示波器上圖中先將兩路正交的信號(hào)和成一個(gè)復(fù)信號(hào)后，經(jīng)離散采樣加入到了信號(hào)發(fā)散圖示波器，就可以得到原始信號(hào)的星座圖。將以上各模塊、子系統(tǒng)按原理圖進(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。仿真得到的調(diào)制輸出波形圖如圖3-8所示，星座圖如圖3-9所示：圖3-816QAM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3-916QAM的星座圖3.3QAM解調(diào)模塊建模與仿真系統(tǒng)先前所得的16QAM調(diào)制信號(hào)通過高斯白噪聲信道后便可以解調(diào)了。16QAM解調(diào)原理框圖如圖3-2所示，解調(diào)器實(shí)現(xiàn)的核心在于4/2電平判決模塊及并串轉(zhuǎn)換模塊。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，輸出送到判決器判決。在本文仿真用到的濾波器均選擇貝塞爾低通濾波器。LPF的參數(shù)設(shè)定如下，輸出波形如3-10所示。Desigemethod:BesselFiltertype:LowpassFilterorder:8Passedgefrequency(rad/s):15360*2*pi圖3-10上圖中，一三行為調(diào)制波與載波相乘的結(jié)果，二四行分別為它們經(jīng)過低通濾波器后所得的波形。3.3.14/2電平判決模塊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(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。4/2電平判決子系統(tǒng)如圖3-11所示：圖3-114/2電平轉(zhuǎn)換模塊上圖中，對(duì)模擬信號(hào)做了常數(shù)為2的增益后，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。此處三個(gè)量化編碼器的參數(shù)設(shè)置如下所示：量化編碼器2Quantizationpartition:[-2.002.0]Quantizationcodebook:[-3-113]量化編碼器3Quantizationpartition:[-2.002.0]Quantizationcodebook:[0011]量化編碼器4Quantizationpartition:[-2.002.0]Quantizationcodebook:[0101]假設(shè)上述模塊輸入為x，輸出分別為為y、、，則它完成的功能是：這樣兩路二進(jìn)制信號(hào)經(jīng)并串轉(zhuǎn)換后，便完成了如表3-2所示的映射關(guān)系，也最終實(shí)現(xiàn)了4/2電平的轉(zhuǎn)換。表3-24/2電平映射關(guān)系表映射前數(shù)據(jù)電平/V-300-101110311以上子系統(tǒng)中各點(diǎn)波形如圖3-12所示：圖3-124/2電平轉(zhuǎn)換中各點(diǎn)波形3.3.2并∕串轉(zhuǎn)換模塊本系統(tǒng)中的并串轉(zhuǎn)換模塊由一個(gè)脈沖序列發(fā)生器和一個(gè)選擇器構(gòu)成。其中的脈沖序列發(fā)生器用來產(chǎn)生占空比為0.5的全一序列，而選擇器用來決定在哪一個(gè)時(shí)候輸出哪一路信號(hào)。它的參數(shù)設(shè)置如下：Switch：Criteriaforpassingfirstinput:u2>=ThresholdThreshold:0.5所以，當(dāng)輸入脈沖序列為1時(shí)，選擇器輸出第一路信號(hào)；當(dāng)輸入脈沖序列為0時(shí)，選擇器輸出第二路信號(hào)。本次仿真經(jīng)并串轉(zhuǎn)換以后便最終實(shí)現(xiàn)了16QAM信號(hào)的解調(diào)，其波形如圖3-13所示：圖3-1316QAM解調(diào)輸出波形上圖中，一三兩行為4/2判決器的輸出，第二行為解調(diào)出的16QAM最終信號(hào)。3.3.3其余模塊除以上各模塊之外，解調(diào)階段還用到了包括眼圖、發(fā)散圖示波器和錯(cuò)誤率統(tǒng)計(jì)等信宿模塊。圖3-14和3-15顯示了信道信噪比SNR為10dB時(shí)的16QAM信號(hào)星座圖和4/2判決之前的眼圖。圖3-1416QAM信號(hào)加噪聲后的星座圖圖3-1516QAM信號(hào)的眼圖3.4QAM抗噪聲性能研究對(duì)于方形QAM，可以看成是由兩個(gè)相互正交且獨(dú)立的多電平ASK信號(hào)疊加而成。因此，利用多電平誤碼率的分析方法，可得到M進(jìn)制QAM的誤碼率為：(3-1)式中，，為每碼元能量，為噪聲單邊功率譜密度。圖3-16給出了方形QAM的誤碼率曲線。圖3-16M進(jìn)制QAM的誤碼率曲線對(duì)16QAM抗噪聲性能仿真，由圖3-16所示的16QAM誤碼率曲線可以看出，當(dāng)大信噪比（16dB）時(shí)誤碼率為級(jí)，對(duì)于個(gè)人計(jì)算機(jī)要計(jì)算到如此精度耗時(shí)過長(zhǎng)，所以，在仿真過程中將只把精度計(jì)算到級(jí)。由于實(shí)際仿真中很多地方都會(huì)有延時(shí)，所以得到的16QAM解調(diào)信號(hào)需經(jīng)一定的延時(shí)后才可以與原隨機(jī)序列進(jìn)行比較。這一延時(shí)是通過錯(cuò)誤率統(tǒng)計(jì)模塊實(shí)現(xiàn)的，系統(tǒng)總體框圖中ErrorRateCalculation的參數(shù)設(shè)置如下所示：Receivedelay:8Computationdelay:0Computationmode:Entireframe當(dāng)信噪比超過50dB時(shí)，系統(tǒng)誤碼率早已為0，可見這一延時(shí)是沒有問題的。通過調(diào)整高斯白噪聲信道的信噪比SNR（Eb/No），可以得到如下所示的誤碼率圖3-17：圖3-1716QAM誤碼率圖通過和圖3-16相比較，可以確定這里得到的結(jié)果基本上是可信的，也就是說本次仿真是成功的。在仿真過程中有許多的因素決定著16QAM調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)的抗噪聲性能，例如濾波器的性能以及它的通頻帶的設(shè)計(jì)、抽樣判決的位置、判決門限的設(shè)定和時(shí)間延遲等都或大或小的影響著它的結(jié)果。3.516QAM與2DPSK系統(tǒng)抗噪聲性能比較本節(jié)設(shè)計(jì)了一個(gè)2DPSK調(diào)制和解調(diào)系統(tǒng)的仿真模型，以觀察其與16QAM信號(hào)的抗噪聲性能，并對(duì)它們的誤碼率進(jìn)行比較。在取相同的碼元速率和載波速率的情況下，設(shè)計(jì)出2DPSK調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)如圖3-18下所示：圖3-182DPSK調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)框圖2DPSK采用的是差分相干解調(diào)的方法，不需要做載波恢復(fù)。解調(diào)部分的濾波器采用了貝塞爾函數(shù)低通濾波器，且判決模塊如圖3-19所示：圖3-192DPSK判決模塊這樣在高斯白噪聲信道處調(diào)整信噪比，得到如圖3-20所示的誤碼率圖：圖3-2016QAM與2DPSK誤碼率曲線圖從仿真過程看，在相同信噪比的條件下，16QAM的加性白噪聲的功率遠(yuǎn)大于2DPSK的加性白噪聲的功率，故16QAM調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)一般工作在大信噪比的環(huán)境下，其誤碼率將很小，也兩個(gè)系統(tǒng)在同等噪聲條件下，16QAM的抗噪聲性能是相當(dāng)優(yōu)越的。4總結(jié)本文重點(diǎn)是研究現(xiàn)代數(shù)字調(diào)制技術(shù)QAM的調(diào)制與解調(diào)，基于Matlab之Simulink通信仿真軟件，以16QAM調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)為例進(jìn)行設(shè)計(jì)與仿真，實(shí)現(xiàn)了QAM系統(tǒng)的調(diào)制與解調(diào)，最后與2DPSK系統(tǒng)進(jìn)行了比較。本論文設(shè)計(jì)完成總結(jié)如下：本文對(duì)MQAM調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)基本原理進(jìn)行了深入理解與分析，并以16QAM調(diào)制解調(diào)原理構(gòu)建了Simulin