自適應(yīng)編碼調(diào)制

1、大作業(yè)西安電子科技大學(xué)寬帶無(wú)線接入與無(wú)線IP技術(shù)課程作業(yè)題目：自適應(yīng)編碼調(diào)制技術(shù)學(xué)院：通信工程學(xué)院姓名： 2015年4月28日Error! No text of specified style in document.摘 要本文主要介紹了自適應(yīng)編碼調(diào)制技術(shù)的基本原理，討論了所用到的信道編碼和調(diào)制技術(shù)，最后對(duì)自適應(yīng)編碼調(diào)制技術(shù)進(jìn)行了簡(jiǎn)單的仿真。關(guān)鍵字：自適應(yīng)編碼 仿真ABSTRACTThis paper begins with an introduction to the basic principle of Adaptive Modulation and Coding(AMC), follow

2、ed by a presentation of Channel coding and Modulation technology and concludes with a simple simulation for the adaptive modulation and coding technology.Keywords：Adaptive Modulation and Coding simulationError! No text of specified style in document.i目 錄第一章 引言1第二章 基本原理32.1 AMC基本原理32.2信道編碼42.3調(diào)制42.3.

3、1 BPSK和QPSK調(diào)制42.3.2 16QAM調(diào)制5第三章 仿真分析73.1誤碼率分析73.2誤塊率分析73.3 信息傳輸速率分析83.4結(jié)論9參考文獻(xiàn)11附錄12Error! No text of specified style in document.17第一章 引言隨著現(xiàn)代無(wú)線通信技術(shù)的飛速發(fā)展以及人們對(duì)無(wú)線數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)需求的快速增長(zhǎng), 高速無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸迫切需要開(kāi)發(fā)出能夠有效抗信道衰落的高頻譜利用率、高可靠性和智能化的通信技術(shù)。其中如何提高系統(tǒng)在衰落信道中的頻譜利用率, 逐漸成為無(wú)線通信技術(shù)的研究熱點(diǎn)。而自適應(yīng)編碼調(diào)制技術(shù)正是以其智能化的傳輸機(jī)制、高效的頻譜利用率得到了業(yè)界的廣泛關(guān)注與研

4、究, 從而成為目前和未來(lái)無(wú)線通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。對(duì)于現(xiàn)在的無(wú)線通信系統(tǒng), 假如以最優(yōu)信道狀態(tài)來(lái)設(shè)計(jì)系統(tǒng), 傳輸將是不穩(wěn)定的, 因而無(wú)法實(shí)現(xiàn)要求連續(xù)傳輸?shù)臉I(yè)務(wù), 另一方面, 如果以最差信道狀態(tài)為基準(zhǔn), 對(duì)于較為理想的信道則會(huì)造成浪費(fèi)。針對(duì)這種情況, 人們?cè)O(shè)計(jì)了自適應(yīng)編碼調(diào)制技術(shù), 在自適應(yīng)無(wú)線通信系統(tǒng)中, 接收端估計(jì)信道狀態(tài), 并通過(guò)反饋信道傳回發(fā)射端, 針對(duì)當(dāng)前的信道狀態(tài), 設(shè)計(jì)合適的發(fā)射功率、調(diào)制模式、編碼形式等從而使系統(tǒng)的整體傳輸性能達(dá)到最優(yōu), 滿足高效可靠傳輸?shù)哪康摹５诙?基本原理2.1 AMC基本原理AMC的基本原理是通過(guò)信道估計(jì)，獲得信道的瞬時(shí)狀態(tài)信息，根據(jù)無(wú)線信道變化選擇合適

5、的調(diào)制和編碼方式。網(wǎng)絡(luò)側(cè)根據(jù)用戶瞬時(shí)信道質(zhì)量狀況和目前無(wú)線資源，選擇最合適的下行鏈路調(diào)制和編碼方式，從而提高頻帶利用效率，使用戶達(dá)到盡量高的數(shù)據(jù)吞吐率。當(dāng)用戶處于有利的通信地點(diǎn)時(shí)(如靠近基站或存在視距鏈路)，用戶數(shù)據(jù)發(fā)送可以采用高階調(diào)制和高速率的信道編碼方式，例如：16QAM和34編碼速率，從而得到高的峰值速率；而當(dāng)用戶處于不利的通信地點(diǎn)時(shí)(如位于小區(qū)邊緣或者信道深衰落)，網(wǎng)絡(luò)側(cè)則選取低階調(diào)制方式和低速率的信道編碼方案，例如：QPSK和12編碼速率，來(lái)保證通信質(zhì)量。圖2.1 OFDM系統(tǒng)中自適應(yīng)編碼調(diào)制實(shí)現(xiàn)原理框圖如圖2.1，在OFDM系統(tǒng)中發(fā)射端，輸入的信號(hào)經(jīng)過(guò)編碼、調(diào)制、OFDM信號(hào)的產(chǎn)生

6、，然后發(fā)射出去，經(jīng)過(guò)時(shí)變信道后，在接收端，經(jīng)過(guò)OFDM信號(hào)的接收、解調(diào)、譯碼，最后得到所需要的數(shù)據(jù)。其中的編碼采用的是卷積碼，調(diào)制方式采用的是QPSK或16QAM。當(dāng)前的信道狀態(tài)信息可以通過(guò)信道估計(jì)得到，然后通過(guò)一定的自適應(yīng)算法來(lái)控制輸入端的編碼和調(diào)制以及接收端相應(yīng)的解調(diào)和譯碼。其中編碼和譯碼的自適應(yīng)調(diào)節(jié)參數(shù)是信道編碼的碼率，碼率根據(jù)信道狀態(tài)來(lái)自適應(yīng)地調(diào)整。同樣調(diào)制和解調(diào)的方式也是根據(jù)信道狀態(tài)來(lái)確定選擇QPSK和16QAM兩種中的一種。2.2信道編碼由于移動(dòng)通信存在干擾和衰落，在信號(hào)傳輸過(guò)程中將出現(xiàn)差錯(cuò)，故對(duì)數(shù)字信號(hào)必須采用糾、檢錯(cuò)技術(shù)，即糾、檢錯(cuò)編碼技術(shù)，以增強(qiáng)數(shù)據(jù)在信道中傳輸時(shí)抵御各種干擾

7、的能力，提高系統(tǒng)的可靠性。對(duì)要在信道中傳送的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行的糾、檢錯(cuò)編碼就是信道編碼。通常糾錯(cuò)碼分為兩大類，即分組碼和卷積碼。本文采用的編譯碼方式是卷積碼，卷積碼一般表示為（n,k,m），k為信息組的長(zhǎng)度，n表示每組信息對(duì)應(yīng)輸出的碼長(zhǎng)度，m表示與此前輸出的m個(gè)信息關(guān)聯(lián)。下圖為R=1/2的卷積碼（2,1,2）編碼器框圖m1,m2是移位寄存器，加號(hào)是模2加法器，如輸入數(shù)據(jù)（8位）D=11010000此編碼器就會(huì)輸出碼字（16位）C=1101010010110000圖2.2 卷積碼（2,1,2）框圖2.3調(diào)制2.3.1 BPSK和QPSK調(diào)制在二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制中，當(dāng)正弦載波的相位隨二進(jìn)制數(shù)字基帶信號(hào)離散

8、變化時(shí)，則產(chǎn)生BPSK（Binary Phase Shift Keying）信號(hào)。通常用以調(diào)信號(hào)載波的0度和180度分別表示數(shù)字基帶信號(hào)的1和0。一個(gè)BPSK符號(hào)表示一個(gè)比特。QPSK則是用載波的四個(gè)相位分別表示00、01、10和11。一個(gè)QPSK符號(hào)可以表示二個(gè)比特。下圖2.3是QPSK的星座圖，圖2.3 QPSK的星座圖2.3.2 16QAM調(diào)制16QAM一個(gè)符號(hào)可以表示4個(gè)比特，如下是16QAM的星座圖。QAM調(diào)制星座圖中的點(diǎn)不再位于單位圓上，而是分布在復(fù)平面的一定范圍內(nèi)，各點(diǎn)如果模相同，則相位必不相同，如果相位相同則模必不相同。圖2.4 16QAM星座圖第三章 仿真分析3.1誤碼率分析

9、圖3.1 誤碼率分析本文針對(duì)不同編碼速率不同調(diào)制格式在五種情況下做了仿真，結(jié)果如上圖3.1。其中R=1/3 Bpsk調(diào)制的誤碼率最低，R=1/2 16QAM調(diào)制的誤碼率最高。比較可以看出，同樣的信噪比條件下，高的編碼速率和高階調(diào)制抗干擾能力越弱，誤碼率越高。3.2誤塊率分析由于實(shí)際通信中編碼以比特塊進(jìn)行的（比如統(tǒng)一以100個(gè)比特為一塊進(jìn)行編碼傳送），所以誤塊率更具有參考價(jià)值。圖3.2 誤塊率同樣，高階調(diào)制，高的編碼速率誤塊率越高，抗干擾能力差。3.3 信息傳輸速率分析在碼元速率一樣的前提下，R=1/3 Bpsk的最大傳輸速率最低，以其為基準(zhǔn)，R=1/2 Bpsk的最大傳輸速率是R=1/3 Bp

10、sk的1.5倍。未編碼Bpsk和R=1/2 Qpsk的最大傳輸速率是R=1/3 Bpsk的2倍。R=1/2 QAM是的最大傳輸速率是R=1/3 Bpsk的6倍。在不同的誤碼率情況下，仿真計(jì)算每種方式的吞吐量（傳輸速率）。圖3.3 吞吐量（傳輸速率）分析由上圖3.3可以看出，雖然R=1/2 16QAM調(diào)制的最大傳輸速率是R = 1/3 BPSK調(diào)制的6倍，但是在信道條件不好（信噪比較低）的情況下，R = 1/3 BPSK調(diào)制的吞吐量還是比R=1/2 16QAM調(diào)制的高的。3.4結(jié)論為提高信息傳輸速率，可以檢測(cè)信道的條件，利用AMC技術(shù)，當(dāng)用戶處于有利的通信地點(diǎn)時(shí)（小區(qū)中心），可以采用高的編碼速率

11、和高階調(diào)制，從而得到高的峰值速率；而當(dāng)用戶處于不利的通信地點(diǎn)時(shí)(如位于小區(qū)邊緣)采用低的編碼速率和低階調(diào)制方式來(lái)保證通信質(zhì)量。參考文獻(xiàn)1張輝 曹麗娜 主編 現(xiàn)代通信原理與技術(shù) 2劉愛(ài)蓮 主編 糾錯(cuò)編碼原理及MATLAB實(shí)現(xiàn)3劉學(xué)勇 編著ATLAB/Simulink通信系統(tǒng)建模與仿真附錄源程序文件1 wukuai.mfunction out = Wukuai(x,y)% 統(tǒng)計(jì)誤塊率% 統(tǒng)計(jì)出錯(cuò)的的塊的個(gè)數(shù)（塊的大小是100）% x是輸入信息msg ，y是接碼后的信息dsgn=length(x);number = ceil(n/100);wrongblock = zeros(1,number);%

12、標(biāo)記出錯(cuò)的塊，1 代表錯(cuò)誤，0 代表正確for k=1:number if k = number a = x(100*(k-1)+1 : end); b = y(100*(k-1)+1 : end); else a = x(100*(k-1)+1 : 100*k); b = y(100*(k-1)+1 : 100*k); end err = (a = b); c=sum(err); if c>0 wrongblock(k) = 1; endend out = sum(wrongblock)/number;end文件2 clcclear allSNR = 0: 1.5 : 22; % 信噪

13、比msg = randint(1,100000); % 輸入信息BER0 = zeros(1,length(SNR);BER1 = zeros(1,length(SNR);BER2 = zeros(1,length(SNR);BER3 = zeros(1,length(SNR);BER4 = zeros(1,length(SNR);%誤塊率Wrongblock0 = zeros(1,length(SNR);Wrongblock1 = zeros(1,length(SNR);Wrongblock2 = zeros(1,length(SNR);Wrongblock3 = zeros(1,lengt

14、h(SNR);Wrongblock4 = zeros(1,length(SNR);%傳輸速率（吞吐率）cap0 = zeros(1,length(SNR);cap1 = zeros(1,length(SNR);cap2 = zeros(1,length(SNR);cap3 = zeros(1,length(SNR);cap4 = zeros(1,length(SNR);%-%網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)%trelllist1 1/2 編碼速率trellis1 = poly2trellis(3,5,7);%trellist2 1/3 編碼速率trellis2 = poly2trellis(3,1 6 5);%-%未

15、編碼的誤碼率 2pskmodbit0 = pskmod(msg,2);for k = 1 : length(SNR) y0 = awgn(modbit0,SNR(k),'measured'); %在傳輸序列中加入AWGN噪聲 demmsg0 = pskdemod(y0,2); %解調(diào) recode0 = reshape(demmsg0',1,); num0,rat0 = biterr(recode0,msg); BER0(k) = rat0; %誤碼計(jì)算 Wrongblock0(k) = Wukuai(msg,recode0); %計(jì)算吞吐率 以 r=1/3 2psk

16、為基準(zhǔn) %(2psk）是其2倍 cap0(k) = (1 - Wrongblock0(k) * 2;end%-%編碼的誤碼率 1/2 編碼速率 2pskcode1 = convenc(msg,trellis1); %編碼modbit1 = pskmod(code1,2); %調(diào)制for k = 1 : length(SNR) y1 = awgn(modbit1,SNR(k),'measured'); %在傳輸序列中加入AWGN噪聲 demmsg1 = pskdemod(y1,2); %解調(diào) recode1 = reshape(demmsg1',1,); tblen =

17、5; %回潮長(zhǎng)度 decoded1 = vitdec(recode1,trellis1,tblen,'cont','hard'); %譯碼 num1 ,rat1 = biterr(double(decoded1(tblen+1 : end),msg(1: end - tblen); %誤碼計(jì)算 BER1(k) = rat1; Wrongblock1(k) = Wukuai(double(decoded1(tblen+1 : end),msg(1: end - tblen); %計(jì)算吞吐率 以 r=1/3 2psk 為基準(zhǔn) %（r = 1/2 2psk）是其1.5

18、倍 cap1(k) = (1 - Wrongblock1(k) * 1.5; end%編碼的誤碼率 1/3 編碼速率 2pskcode2 = convenc(msg,trellis2); modbit2 = pskmod(code2,2);for k = 1 : length(SNR) y2 = awgn(modbit2,SNR(k),'measured'); %在傳輸序列中加入AWGN噪聲 demmsg2 = pskdemod(y2,2); %解調(diào) recode2 = reshape(demmsg2',1,); tblen = 5; %回潮長(zhǎng)度 decoded2 =

19、vitdec(recode2,trellis2,tblen,'cont','hard'); %譯碼 num2 ,rat2 = biterr(double(decoded2(tblen+1 : end),msg(1: end - tblen); %誤碼計(jì)算 BER2(k) = rat2; Wrongblock2(k) = Wukuai(double(decoded2(tblen+1 : end),msg(1: end - tblen); %計(jì)算吞吐率 以 r=1/3 2psk 為基準(zhǔn) cap2(k) = (1 - Wrongblock2(k) * 1; end%編

20、碼的誤碼率 r = 1/2 qpsk 2code3 = convenc(msg,trellis1); %編碼 deccode1 = zeros(1,length(code3)/2); %二進(jìn)制碼變?yōu)?進(jìn)制消息數(shù)據(jù)demmsg1 = zeros(1,length(code3);for i = 1 : length(code3)/2 str1 = int2str(code3(2*i-1) ; str2 = int2str(code3(2*i) ; deccode1(i) = bin2dec(strcat(str1,str2); endM = 4;graycode=0 1 3 2; %gray編碼規(guī)

21、則graymsg = graycode(deccode1+1); %gray映射 for k = 1 : length(SNR) modbit3 = pskmod(graymsg,M); %基帶qpsk調(diào)制 y3 = awgn(modbit3,SNR(k),'measured'); %在傳輸序列中加入AWGN噪聲 yjie = pskdemod(y3,4); %解調(diào) decmsg = graycode(yjie+1); for i = 1 : length(decmsg) temp = dec2bin(decmsg(i),2); demmsg1(2*i-1) = str2num

22、(temp(1); demmsg1(2*i) = str2num(temp(2); end recode3 = reshape(demmsg1',1,); tblen = 5; %回潮長(zhǎng)度 mdecoded3 = vitdec(recode3,trellis1,tblen,'cont','hard'); %譯碼 num3 ,rat3 = biterr(double(mdecoded3(tblen+1 : end),msg(1: end - tblen); %誤碼計(jì)算 BER3(k) = rat3; Wrongblock3(k) = Wukuai(doub

23、le(mdecoded3(tblen+1 : end),msg(1: end - tblen); %計(jì)算吞吐率 以 r=1/3 2psk 為基準(zhǔn) %（r = 1/2 qpsk）是其2倍 cap3(k) = (1 - Wrongblock3(k) * 2; end%編碼的誤碼率 r = 1/2 16qam 4 code4= convenc(msg,trellis1); %編碼 demmsg4 = zeros(1,length(code4);M=16;x4=reshape(code4,4,length(code4)/4); %將原始的二進(jìn)制比特序列每四個(gè)一組分組，并排列成4行l(wèi)ength(code

24、4)/4列的矩陣 xsym=bi2de(x4.','left-msb');deccode4 = xsym' %二進(jìn)制碼變?yōu)?6進(jìn)制消息數(shù)據(jù)%-graycode=0 1 3 2 6 7 5 4 12 13 15 14 10 11 9 8; %gray編碼規(guī)則ungraycode4=1 2 4 3 8 7 5 6 16 15 13 14 9 10 12 11 %gray反解碼graymsg = graycode(deccode4+1); %gray映射 for k = 1 : length(SNR) modbit4 = qammod(graymsg,M); %基帶1

25、6qam調(diào)制 y4 = awgn(modbit4,SNR(k),'measured'); %在傳輸序列中加入AWGN噪聲 yjie4 = qamdemod(y4,M); %16qam解調(diào) decmsg4 = ungraycode4(yjie4+1)-1; for i = 1 : length(decmsg4) temp = dec2bin(decmsg4(i),4); demmsg4(4*i-3) = str2num(temp(1); demmsg4(4*i-2) = str2num(temp(2); demmsg4(4*i-1) = str2num(temp(3); demm

26、sg4(4*i) = str2num(temp(4); end recode4 = reshape(demmsg4',1,); tblen = 5; %回潮長(zhǎng)度 mdecoded4 = vitdec(recode4,trellis1,tblen,'cont','hard'); %譯碼 num4 ,rat4 = biterr(double(mdecoded4(tblen+1 : end),msg(1: end - tblen); %誤碼計(jì)算 BER4(k) = rat4; Wrongblock4(k) = Wukuai(double(mdecoded4(t

27、blen+1 : end),msg(1: end - tblen); %計(jì)算吞吐率 以 r=1/3 2psk 為基準(zhǔn) %（r = 1/2 16qam）是其6倍 cap4(k) = (1 - Wrongblock4(k) * 6; end%計(jì)算吞吐量 假設(shè)各種調(diào)制方式的碼元傳輸速率是一樣的，%以R=1/3 bpsk 調(diào)制為基準(zhǔn)%-%畫(huà)圖length(SNR)figure(1)%semilogy(SNR,BER0,'k-',SNR,BER1,'k-s',SNR,BER2,'g-diamond',SNR,BER3,'r-s');semi

28、logy(SNR,BER0,'k-',SNR,BER1,'k-s',SNR,BER2,'g-diamond',SNR,BER3,'r-s',SNR,BER4,'b-s');xlabel('SNR/db');ylabel('BER');legend('未編碼 Bpsk','R=1/2 Bpsk','R=1/3 Bpsk','R=1/2 Qpsk','R=1/2 16QAM');%legend('未編碼2psk','卷積編碼2psk（R=1/2）','卷積編碼2psk（R=1/3）','卷積編碼qpsk（R=1/2）');title('