BPSK_QPSK_8PSK_16QAM等調(diào)制方式的性能仿真及頻率利用率的對(duì)比及分析

1、引言21 BPSK QPSK 8PSK 16QAM 調(diào)制方式的性能仿真和頻率利用率的比照分析21.1 BPSK QPSK 8PSK 的性能仿真21.2 16QAM 的性能仿真62 四種調(diào)制方式各自的使用場(chǎng)景93 能量利用率103.2 QPSK的能量效率103.3 8PSK的能量效率103.4 16QAM的能量效率11結(jié)論11參考文獻(xiàn)11引言 隨著信息事業(yè)的迅猛開展，對(duì)數(shù)字信號(hào)調(diào)制性能上的要求越來越高本文對(duì)BPSK QPSK 8PSK 16QAM等調(diào)制方式的性能進(jìn)行仿真及頻率利用率的比照及分析，主要對(duì)QPSK和16QAM的相關(guān)性能進(jìn)行了闡述。并對(duì)上述四種調(diào)制方式各自的使用場(chǎng)景進(jìn)行總結(jié)。同時(shí)分析以

2、上四種方式的能量效率，即每比特能量消耗的比照分析。 1 BPSK QPSK 8PSK 16QAM 調(diào)制方式的性能仿真和頻率利用率的比照分析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(hào)的兩個(gè)電平，使載波相位在兩個(gè)不同的數(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

3、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(qiáng)，采用相干檢測(cè)時(shí)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，每個(gè)相位包含了2位二進(jìn)制信息，而8PSK調(diào)制方式中，每個(gè)相位包含了3位二進(jìn)制信息，因而編碼效率提高了50%，但同時(shí)，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(hào)的調(diào)制本質(zhì)是一樣的。因此這里只據(jù)一列進(jìn)行說明：我們對(duì)M=4PSK通信系統(tǒng)進(jìn)行蒙特卡洛仿真,其系統(tǒng)框圖如圖 1 所示。

4、如上圖所示，由仿真式 定義給出隨機(jī)變矢量r，是信號(hào)相關(guān)器的輸出和判決器的輸入。產(chǎn)生個(gè)正交( 2比特)符號(hào)序列，將其映射到相應(yīng)的四相信號(hào)點(diǎn)上。使用隨機(jī)數(shù)發(fā)生器將0,1劃分成四個(gè)均勻的區(qū)間，分別對(duì)應(yīng)信息比特00,01,11,10。通過改變信號(hào)的能量參數(shù)來控制接收信號(hào)的噪聲比。判決器有決定。將判決器的輸出與發(fā)送符號(hào)相比較，計(jì)算出誤符號(hào)數(shù)和誤比特?cái)?shù)。在不同的信噪比下發(fā)送10000個(gè)符號(hào)的蒙特卡洛仿真。 圖 1 用MATLAB進(jìn)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(jì)算信噪比的數(shù)值sgma

5、=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(gè)隨機(jī)變量 if(temp0.25) dsource1(i)=0; dsource2(i)=0; 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(jì)算numofsymbolerror=0; nu

6、mofbiterror=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; elseif(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(gè)符號(hào)的判決如下進(jìn)行

7、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; end; 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(gè)值SINindB2=0:0.1:10;%掃描用的信噪比序列for i=1:length(SNRindB1); pb,ps=pskmoto(SNRind

8、B1(i);%計(jì)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_prb(i)=Qfunct(sqrt(2*SNR);end;semilogy(SNRindB1,smld_bit_err_prb,*);%以對(duì)數(shù)形式作Y坐標(biāo)繪圖Hold%將上一曲線保存semilogy(SNRindB1,smld_symbol_err_prb,0);%作出實(shí)際的信噪比-誤比特率點(diǎn)semilogy(SNRindB2,

9、theo_err_prb);%作出理論的信噪比誤比特率點(diǎn)在Simulink上的仿真圖如圖2所示： 圖 2仿真出的誤碼率如以下圖3所示： 圖 3 注：橫坐標(biāo)表示信噪比，縱坐標(biāo)表示誤碼率，一條線是根據(jù)公式計(jì)算出的理想性能曲線，另一條是仿真測(cè)出的誤碼率。由圖可見仿真結(jié)果和理論曲線符合的比較好。1.2 16QAM 的性能仿真單獨(dú)使用幅度或相位攜帶信息時(shí)，不能最充分地利用信號(hào)平面，這可以由矢量圖中信號(hào)矢量端點(diǎn)的分布直觀地觀察到。隨著M增大，這些矢量端點(diǎn)之間的最小距離也隨之減小。但如果充分地利用整個(gè)平面，將矢量端點(diǎn)重新合理分布，那么有可能在不減少最小距離的情況下增加信號(hào)矢量的端點(diǎn)數(shù)目?；谏鲜龈拍羁梢砸?/p>

10、幅度與相位相結(jié)合的調(diào)制方式APK。APK信號(hào)可看作兩個(gè)正交調(diào)制信號(hào)之和，APK有時(shí)也稱為星座調(diào)制，因?yàn)樵谄涫噶繄D平面上信號(hào)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(hào)，是16QAM信號(hào)。它是利用兩個(gè)獨(dú)立的基帶波形對(duì)兩個(gè)相互正交的同頻載波進(jìn)行抑制載波的雙邊帶調(diào)制，利用著這種已調(diào)信號(hào)載同一帶寬內(nèi)頻譜正交的性質(zhì)來實(shí)現(xiàn)兩路并行的數(shù)字信息傳輸?，F(xiàn)用矩形信號(hào)星座圖16QAM通信系統(tǒng)進(jìn)行蒙特卡洛仿真。用均勻隨機(jī)數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生一個(gè)對(duì)應(yīng)4位b1b2b3b4共有16種可能的信息符號(hào)序列。將符號(hào)映射位相應(yīng)的信號(hào)點(diǎn)，信號(hào)的坐標(biāo)為,用兩個(gè)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(hào)加

11、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(hào)點(diǎn)。計(jì)錯(cuò)器記錄判決到的序列錯(cuò)誤符號(hào)數(shù)。用MATLAB進(jìn)行仿真程序清單如下：echo onSNRindB1=0:2:15; SNRindB2=0:0.1:15;M=16; 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

12、(3*k*SNR/(M-1);end;semilogy(SNRindB1,smld_err_prb,*);%用對(duì)數(shù)坐標(biāo)作出實(shí)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(duì)數(shù)坐標(biāo)理論信噪比誤比特率曲線函數(shù)文件qammoto.m用于實(shí)現(xiàn)仿真運(yùn)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

13、);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 -3*d;for i=1:N,end;for i=1:N, n=gngauss(sgma);%產(chǎn)生高斯隨機(jī)噪聲 r(i,:)=qan_sig(i,:)+n;%在信號(hào)上疊加噪聲end;numoferr=0;%誤比特?cái)?shù)初始值置0for i=1:N, for j=1:M, metrices(j)=(r(i,1)-mapping(j,1

14、)2+(r(i,2)-mapping(j,2)2; end; min_metric decis=min(metrice); if(decis=dsource(i),%假設(shè)出現(xiàn)錯(cuò)誤情況，誤比特?cái)?shù)加1 numoferr=numoferr+1; end;end;p=numoferr/(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(biāo)表示信噪比，縱坐標(biāo)表示誤碼率，一條線是根據(jù)公式計(jì)算出的理想性能曲線，另一條是仿真測(cè)出的誤碼率，在信噪比大概為15dB時(shí)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

15、同的信息速率下，四相信號(hào)的碼長比二相的增加一倍，故它的頻帶可減小至二相時(shí)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(shí)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，那么四相系統(tǒng)的信息速率是二相系統(tǒng)的兩倍。依次類推，八相信號(hào)的頻帶可以減少到四相的一半，二相的四分之一。十六進(jìn)制的正交振幅調(diào)制信號(hào)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(jìn)制調(diào)制的信息傳輸速率比二進(jìn)制高，也就是說，多進(jìn)制調(diào)制系統(tǒng)的頻帶利用率高。但是并不能說多進(jìn)制調(diào)制就優(yōu)于低進(jìn)制的，因?yàn)槎噙M(jìn)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

16、種調(diào)制方式各自的使用場(chǎng)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種根本調(diào)制方式上開展而來的。在選擇數(shù)字微波中繼通信系統(tǒng)的調(diào)制方式時(shí)，考慮的主要因素有頻譜利用率、抗干擾能力、對(duì)傳輸失真的適應(yīng)能力、抗衰落能力、勤務(wù)信號(hào)的傳輸方式、設(shè)備的復(fù)雜程度。 選擇調(diào)制方式時(shí)，應(yīng)根據(jù)數(shù)字微波中繼通信系統(tǒng)的容量等級(jí)，并綜合考慮各種因素來選擇。對(duì)于小容量系統(tǒng)，以選擇4PSK4DPSK為主，也可選擇2PSK2DPSK或2FSK。對(duì)于中容量系統(tǒng)，以選擇4PSK4DPSK為主、也可選擇8PSK或2PSK2DPSK。對(duì)于大容量系統(tǒng)，以選擇16QAM為主，也可選

17、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(qiáng)，對(duì)衰落信道和非線性信道的適應(yīng)能力強(qiáng)，但頻譜利用率不高。2FSK設(shè)備簡單，對(duì)衰落信道和非線性信道的適應(yīng)能力強(qiáng)，但其頻譜利用率和抗干擾能力都比2PSK2DPSK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(duì)衰落信道的適應(yīng)能力適中，對(duì)信道的線性指標(biāo)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(duì)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。16

18、QAM的頻譜利用率很高，設(shè)備也不太復(fù)雜，但對(duì)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)備的本錢。其他多信號(hào)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(shí)存在類似16QAM需要解決的問題，但這些問題隨著技術(shù)進(jìn)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(jìn)制相移鍵控MPSK調(diào)制信號(hào)是使用MPAM數(shù)字基帶信號(hào)對(duì)載波的相位進(jìn)行調(diào)制得到的，每個(gè)M進(jìn)制的符號(hào)對(duì)應(yīng)一個(gè)載波相位，MPSK信號(hào)可以表示為： i=1,2,3,M 0t每個(gè)MPSK的能量為一個(gè)BPSK信號(hào)只能表示一個(gè)比特，因此可得BPSK的能量效率為1/2.3.2 QPSK的能量效率對(duì)于QPSK，其一個(gè)信號(hào)能表示2個(gè)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(duì)于8PSK，其一個(gè)信號(hào)能表示3個(gè)比特，又由上面分析可得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(hào)是由被相互獨(dú)立的多電平幅度序列調(diào)制的兩個(gè)正交載波疊加而成的，信號(hào)表示為 i=1,2,3,16; 0t那么在內(nèi)信號(hào)的平均能量為=由上