BPSKQPSK8PSK16QAM等调制方式的性能仿真及频率利用率的对比及分析

引言..................................................................................................................................................21BPSKQPSK8PSK16QAM调制方式的性能仿真和频率利用率的对比分析........................21.1BPSKQPSK8PSK的性能仿真.......................................................................................21.216QAM的性能仿真.........................................................................................................62四种调制方式各自的使用场景...................................................................................................93能量利用率.................................................................................................................................103.2QPSK的能量效率........................................................................................................103.38PSK的能量效率.........................................................................................................103.416QAM的能量效率.....................................................................................................11结论................................................................................................................................................11参考文献.........................................................................................................................................11引言随着信息事业的迅猛发展，对数字信号调制性能上的要求越来越高本文对BPSKQPSK8PSK16QAM等调制方式的性能进行仿真及频率利用率的对比及分析，主要对QPSK和16QAM的相关性能进行了阐述。并对上述四种调制方式各自的使用场景进行总结。同时分析以上四种方式的能量效率，即每比特能量消耗的对比分析。1BPSKQPSK8PSK16QAM调制方式的性能仿真和频率利用率的对比分析1.1BPSKQPSK8PSK的性能仿真BPSK调制方式：所谓BPSK就是根据数字基带信号的两个电平，使载波相位在两个不同的数值之间切换的一种相位调制方法。在恒参信道条件下，相移键控(BPSK)与幅移键控(ASK)和频移键控(FSK)相比，具有较高的抗噪声干扰性能，且能有效地利用所给定的信道频带，即使在有多径衰落的信道中也有较好的结果，所以BPSK是一种较好的调制方式。四相相移键控(QPSK)是一种性能优良，应用十分广泛的数字调制方式，它的频带利用率高，是二相相移键控(BPSK)的2倍。且QPSK调制技术的抗干扰性能强，采用相干检测时其误码率性能与BPSK相同。8PSK，即8PhaseShiftKeying，也就是八相相移键控的意思。QPSK调制方式中，每个相位包含了2位二进制信息，而8PSK调制方式中，每个相位包含了3位二进制信息，因而编码效率提高了50%，但同时，8PSK的抗扰性比QPSK要低很多。8PSK调制星座图：经过上面的介绍可以发现，这三种信号的调制本质是一样的。因此这里只据一列进行说明：我们对M=4PSK通信系统进行蒙特卡洛仿真,其系统框图如图1所示。如上图所示，由仿真式)2sin,2cos(cscsmnMmEnMmEnSr定义给出随机变矢量r，是信号相关器的输出和判决器的输入。产生—个正交(2比特)符号序列，将其映射到相应的四相信号点上。使用随机数发生器将（0,1）划分成四个均匀的区间，分别对应信息比特00,01,11,10。通过改变信号的能量参数来控制接收信号的噪声比。判决器有nsrm决定。将判决器的输出与发送符号相比较，计算出误符号数和误比特数。在不同的信噪比下发送10000个符号的蒙特卡洛仿真。图1用MATLAB进行仿真程序清单如下：（1）函数文件Pskmoto.m进行蒙特卡洛仿真function[pb,ps]=pskmoto(snr_in_dB)N=10000;E=1;snr=10^(snr_in_dB/10);%计算信噪比的数值sgma=sqrt(E/snr)/2;n=[00];s00=[10];s01=[01];s11=[-10];s10=[0-1];fori=1:N;temp=rand;%区间为（0,1）的一个随机变量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;elsedsource(i)=1;dsource(i)=1;end;end;%判决、误码率的计算numofsymbolerror=0;numofbiterror=0;fori=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;elser=s11+n;end;c00=dot(r,s00);c01=dot(r,s01);c10=dot(r,s10);c11=dot(r,s11);c_max=max([c00c01c10c11]);%i个符号的判决如下进行if(c00==c_max)decis1=0;decis2=0;elseif(c01==c_max)decis1=0;decis2=1;elseif(c10==c_max)decis1==1;desis2=0;elsedecis1=1;desis2=1;end;ps=numofsymbolerror/N;pb=numofbiterror/(2*N);(2)脚本文件pskmotocalo.m绘制仿真图形echoonSNRindB1=0:2:10;%定义信噪比的序列，共6个值SINindB2=0:0.1:10;%扫描用的信噪比序列fori=1:length(SNRindB1);[pb,ps]=pskmoto(SNRindB1(i));%计算误比特率smld_bit_err_prb(i)=pb;smld_symbol_err_prb(i)=ps;end;fori=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,'*');%以对数形式作Y坐标绘图Hold%将上一曲线保留semilogy(SNRindB1,smld_symbol_err_prb,'0');%作出实际的信噪比--误比特率点semilogy(SNRindB2,theo_err_prb);%作出理论的信噪比——误比特率点在Simulink上的仿真图如图2所示：图2仿真出的误码率如下图3所示：图3注：横坐标表示信噪比，纵坐标表示误码率，一条线是根据公式2]2211[1rerfcpe计算出的理想性能曲线，另一条是仿真测出的误码率。由图可见仿真结果和理论曲线符合的比较好。1.216QAM的性能仿真单独使用幅度或相位携带信息时，不能最充分地利用信号平面，这可以由矢量图中信号矢量端点的分布直观地观察到。随着M增大，这些矢量端点之间的最小距离也随之减小。但如果充分地利用整个平面，将矢量端点重新合理分布，则有可能在不减少最小距离的情况下增加信号矢量的端点数目。基于上述概念可以引出幅度与相位相结合的调制方式APK。APK信号可看作两个正交调制信号之和，APK有时也称为星座调制，因为在其矢量图平面上信号的分布如星座。当前研究较多并被建议用于是数字通信中的一种APK信号，是16QAM信号。它是利用两个独立的基带波形对两个相互正交的同频载波进行抑制载波的双边带调制，利用着这种已调信号载同一带宽内频谱正交的性质来实现两路并行的数字信息传输。现用矩形信号星座图16QAM通信系统进行蒙特卡洛仿真。用均匀随机数发生器产生一个对应4位b1b2b3b4共有16种可能的信息符号序列。将符号映射位相应的信号点，信号的坐标为[msmcAA,],用两个高斯噪声发生器产生噪声分量[scnn,]。假设信道相移为0,。接收到的信号加噪声分量为[smscmcnAnA,]。判决器的距离量度由下式决定：2),(mmsrsrDm=1,2,3....Mcossin2,sincos1],2,1[scmsscmcnnArnnArrrr),(mssmcsmAEAEsm=1,2,3.....M并且选择最接近接收向量r的信号点。计错器记录判决到的序列错误符号数。用MATLAB进行仿真程序清单如下：echoonSNRindB1=0:2:15;SNRindB2=0:0.1:15;M=16;k=log2(M);fori=1:length(SNRindB1),smld_err_prb(i)=qammoto(SNRindB1(i));end;fori=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,'*');%用对数坐标作出实际信噪比——误比特率曲线Hold%保持住上一曲线semilogy(SNRindB2,theo_err_prb);%画出对数坐标理论信噪比——误比特率曲线函数文件qammoto.m用于实现仿真运算：function[p]=qammoto(snr_in_dB)N=10000;d=1;Eav=10*d^2;snr=10^(snr_in_dB/10);sgma=sqrt(Eav/8*snr);M=16;fori=1:Ntemp=rand;dsource(i)=1+floor(M*temp);end;mapping=[-3*d3*d;-d3*d;d3*d;3*d3*d;-3*dd;-dd;dd;3*dd;-3*d-d;-d-d;d-d;3*d-d-3*d-3*d