基于MATLAB下的16QAM仿真.doc

沈陽理工大學通信原理課程設(shè)計報告1.課程設(shè)計目的隨著現(xiàn)代通信技術(shù)的發(fā)展，特別是移動通信技術(shù)高速發(fā)展，頻帶利用率問題越來越被人們關(guān)注。在頻譜資源非常有限的今天，傳統(tǒng)通信系統(tǒng)的容量已經(jīng)不能滿足當前用戶的要求。正交幅度調(diào)制QAM(Quadrature Amplitude Modulation)以其高頻譜利用率、高功率譜密度等優(yōu)勢，成為寬帶無線接入和無線視頻通信的重要技術(shù)方案。首先介紹了QAM調(diào)制解調(diào)原理，提出了一種基于MATLAB的16QAM系統(tǒng)調(diào)制解調(diào)方案，包括串并轉(zhuǎn)換，2-4電平轉(zhuǎn)換，抽樣判決，4-2電平轉(zhuǎn)換和并串轉(zhuǎn)換子系統(tǒng)的設(shè)計，對16QAM的星座圖和調(diào)制解調(diào)進行了仿真，并對系統(tǒng)性能進行了分析，進而證明16QAM調(diào)制技術(shù)的優(yōu)越性。2.課程設(shè)計要求 （1）設(shè)計一個16QAM調(diào)制與解調(diào)系統(tǒng)。 （2）設(shè)計程序時必須使得程序盡可能的簡單。 （3）利用MATLAB進行程序編寫并對系統(tǒng)進行仿真分析。3.相關(guān)知識隨著現(xiàn)代通信技術(shù)的發(fā)展，特別是移動通信技術(shù)高速發(fā)展，新的需求層出不窮，促使新的業(yè)務(wù)不斷產(chǎn)生，因而導致頻率資源越來越緊張。在有限的帶寬里要傳輸大量的多媒體數(shù)據(jù)，頻譜利用率成為當前至關(guān)重要的課題，由于具有高頻譜利用率、高功率譜密度等優(yōu)勢，16QAM技術(shù)被廣泛應(yīng)用于高速數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng).在很多寬帶應(yīng)用領(lǐng)域，比如數(shù)字電視廣播，Internet寬帶接入，QAM系統(tǒng)都得到了廣泛的應(yīng)用。QAM也可用于數(shù)字調(diào)制。數(shù)字QAM有4QAM、8QAM、16QAM、32QAM等調(diào)制方式。其中，16QAM和32QAM廣泛用于數(shù)字有線電視系統(tǒng)。當今國際市場上出現(xiàn)了采用16QAM調(diào)制技術(shù)的衛(wèi)通調(diào)制解調(diào)器，如美國COMTECH EF DATA公司新推出的CDM-600。該衛(wèi)通調(diào)制解調(diào)器支持速率高達20Mbps1。無線通信技術(shù)的迅猛發(fā)展對數(shù)據(jù)傳輸速率、傳輸效率和頻帶利用率提出了更高的要求。選擇高效可行調(diào)制解調(diào)手段，對提高信號的有效性和可靠性起著至關(guān)重要的作用。由于QAM已經(jīng)成為寬帶無線接入和無線視頻通信的重要技術(shù)方案。關(guān)于調(diào)制解調(diào)技術(shù)的仿真研究對于QAM理論研究和相關(guān)產(chǎn)品開發(fā)具有重要意義。在簡單分析QAM原理的基礎(chǔ)上，以16QAM為例，提出了基MATLAB的16QAM編解碼系統(tǒng)仿真方案，設(shè)計了實際仿真模型。仿真結(jié)果和分析表明，提出的方案可行，為QAM通信系統(tǒng)性能的研究提供了一種行之有效的分析方法。本文旨在在熟悉QAM調(diào)制解調(diào)原理的基礎(chǔ)上，完成通信系統(tǒng)的設(shè)計并實現(xiàn)16QAM調(diào)試過程的MATLAB仿真。設(shè)計其中的各種實現(xiàn)模塊的參數(shù)，對整個系統(tǒng)進行仿真，并繪出各個模塊的輸出信號的波形，設(shè)計出16QAM調(diào)試過程中的串并轉(zhuǎn)換子系統(tǒng)，2-4電平轉(zhuǎn)換子系統(tǒng)，抽樣判決子系統(tǒng)，4-2電平轉(zhuǎn)換子系統(tǒng)及并串轉(zhuǎn)換子系統(tǒng)。在此基礎(chǔ)上， 對QAM調(diào)制的性能進行分析。4.課程設(shè)計分析4.1調(diào)制簡介調(diào)制在通信系統(tǒng)中的作用至關(guān)重要。所謂調(diào)制，就是把信號轉(zhuǎn)換成適合在信道中傳輸?shù)男问降囊环N過程。廣義的調(diào)制分為基帶調(diào)制和帶通調(diào)制（也稱載波調(diào)制）。載波調(diào)制，就是用調(diào)制信號去控制載波的參數(shù)的過程，即使載波的某一個或某幾個參數(shù)暗中啊調(diào)制信號的規(guī)律而變化。調(diào)制信號是指來自信源的消息信號（基帶信號），這些信號可以是模擬的，也可以是數(shù)字的。未受調(diào)制的周期性震蕩信號稱為載波，它可以是正弦波，也可以使非正弦波（如周期性脈沖序列）。載波調(diào)制后稱為已調(diào)信號，它含有調(diào)制信號的全部特征?；鶐盘枌d波的調(diào)制是為了實現(xiàn)下列一個或多個目標：第一，在無線傳輸中，信號是以電磁波的形式通過天線輻射到空間的。為了獲得較高的輻射效率，天線的尺寸必須與發(fā)射信號波長相比擬，而基帶信號包含的較低頻率分量的波長較長，只是天線過長而難以實現(xiàn)。但若通過調(diào)制，把基帶信號的頻譜搬至較高的載波頻率上，是已調(diào)信號的頻譜與信道的帶通特性相匹配，這樣就可以提高傳輸性能，以較小的發(fā)送功率與較短的天線來輻射電磁波。第二，把多個基帶信號分別搬移到不同的載頻處，以實現(xiàn)信道的多路復(fù)用，提高信道利用率。第三，擴展信號帶寬，提高系統(tǒng)抗干擾、抗衰落能力，還可實現(xiàn)傳輸帶寬與信噪比之間的互換。因此，調(diào)制對通信系統(tǒng)的有效性和可靠性有著很大的影響和作用。解調(diào)（也稱檢波）則是調(diào)制的逆過程，其作用是將已調(diào)信號中的調(diào)制信號恢復(fù)出來。解調(diào)的方法可分為兩類：相干解調(diào)和非相干解調(diào)（包絡(luò)檢波）。相干解調(diào)時，為了無失真地恢復(fù)原基帶信號，接收端必須提供一個與接收的已調(diào)載波嚴格同步（同頻同相）的本地載波。本課題采用的是相干解調(diào) 4.2正交振幅調(diào)制系統(tǒng)它是把2ASK和2PSK兩種調(diào)制結(jié)合起來的調(diào)制技術(shù)，使得帶寬得到雙倍擴展。QAM調(diào)制技術(shù)用兩路獨立的基帶信號對頻率相同、相位正交的兩個載波進行抑制載波雙邊帶調(diào)幅，并將已調(diào)信號加在一起進行傳輸。nQAM代表n個狀態(tài)的正交調(diào)幅，一般有二進制（4QAM）、四進制（16QAM）、八進制（64QAM）。我們需要得到多進制的QAM信號，需將二進制信號轉(zhuǎn)換為m電平的多進制信號，然后進行正交調(diào)制，最后相加輸出。 圖4-1 QAM信號產(chǎn)生原理圖QAM信號用正交相干解調(diào)方法進行解調(diào)，通過解調(diào)器將QAM信號進行正交相干解調(diào)后，用低通濾波器LPF濾除乘法器產(chǎn)生的高頻分量，輸出抽樣判決后可恢復(fù)出的兩路獨立電平信號，最后將多電平碼元與二進制碼元間的關(guān)系進行轉(zhuǎn)換，將電平信號轉(zhuǎn)換為二進制信號，經(jīng)并/串變換后恢復(fù)出原二進制基帶信號。16QAM調(diào)制框圖：圖4-2 6QAM信號調(diào)制框圖16QAM最佳接收框圖： 圖4-3 16QAM最佳接收框圖（1）首先生成一個隨機且長度為10000的二進制比特流，并畫出了前50個比特的信號圖（如圖17所示）。（2）在MATLAB中16QAM調(diào)制器要求輸入的信號為0-15這16個值，所以需要用函數(shù)reshape和bi2de將二進制的比特流轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的十六進制信號。（3）利用MATLAB中的modem.qammod函數(shù)生成16QAM調(diào)制器，再通過其對信號進行調(diào)制并畫出信號的星座圖。（4）通過awgn 信道在16QAM信號中加入高斯白噪聲（假設(shè)Eb/No=15db）。（5）利用MATLAB中的scatterplot函數(shù)畫出通過信道后接受到的信號的星座圖。（6）利用MATLAB中的eyediagram函數(shù)生成經(jīng)過信道后的眼圖。（7）利用MATLAB中的demodulate和modem.qamdemod函數(shù)生成解調(diào)器對16QAM信號的解調(diào)，并將十六進制信號轉(zhuǎn)化成二進制比特流信息。（8）用得到比特流信息除以原始發(fā)送的比特流信息來計算誤碼率。5.仿真程序如下：M=16;k=log2(M);n=100000; %比特序列長度samp=1; %過采樣率x=randint(n,1); %生成隨機二進制比特流stem(x(1:50),filled); %畫出相應(yīng)的二進制比特流信號title(二進制隨機比特流);xlabel(比特序列);ylabel(信號幅度);x4=reshape(x,k,length(x)/k); %將原始的二進制比特序列每四個一組分組，并排列成k行l(wèi)ength(x)/k列的矩陣xsym=bi2de(x4.,left-msb); %將矩陣轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的16進制信號序列figure;stem(xsym(1:50); %畫出相應(yīng)的16進制信號序列title(16進制隨機信號);xlabel(信號序列);ylabel(信號幅度);y=modulate(modem.qammod(M),xsym); %用16QAM調(diào)制器對信號進行調(diào)制scatterplot(y); %畫出16QAM信號的星座圖text(real(y)+0.1,imag(y),dec2bin(xsym);axis(-5 5 -5 5);EbNo=15;snr=EbNo+10*log10(k)-10*log10(samp); %信噪比yn=awgn(y,snr,measured); %加入高斯白噪聲h=scatterplot(yn,samp,0,b.); %經(jīng)過信道后接收到的含白噪聲的信號星座圖hold on;scatterplot(y,1,0,k+,h); %加入不含白噪聲的信號星座圖title(接收信號星座圖);legend(含噪聲接收信號,不含噪聲信號);axis(-5 5 -5 5);hold on;eyediagram(yn,2); %眼圖yd=demodulate(modem.qamdemod(M),yn); %此時解調(diào)出來的是16進制信號z=de2bi(yd,left-msb); %轉(zhuǎn)化為對應(yīng)的二進制比特流z=reshape(z.,numel(z),1);number_of_errors,bit_error_rate=biterr(x,z)運行結(jié)果：number_of_errors =0bit_error_rate =06.仿真結(jié)果：圖6-1 二進制隨機比特流 圖6-2 16QAM信號序列圖6-3 16QAM信號的星座圖圖6-4 含白噪聲的信號星座圖圖6-5 不含白噪聲的信號星座圖 圖6-6 眼圖6.主要儀器與設(shè)備裝有MATLAB的PC機一臺。7. 設(shè)計體會 課程設(shè)計做完了，總結(jié)一下，我想我還是收獲了不少。從一開始選題時的不自信（怕自己做不出）到最后我比較圓滿的完成這次課程設(shè)計，正好應(yīng)征了一句老話：“功夫不負有心人”。選完題后，我并不知道該如何動手，所以我只有看書。通過看書，我掌握了16QAM調(diào)制與解調(diào)的原理并決定從星座圖開始入手。從而最終將系統(tǒng)程序編寫出來。除了掌握了課本上的知識外，通過這次課程設(shè)計我更加熟練了MATLA