基于MATLAB下的16QAM仿真

沈阳理工大学通信原理课程设计报告11.课程设计目的随着现代通信技术的发展，特别是移动通信技术高速发展，频带利用率问题越来越被人们关注。在频谱资源非常有限的今天，传统通信系统的容量已经不能满足当前用户的要求。正交幅度调制QAM(QuadratureAmplitudeModulation)以其高频谱利用率、高功率谱密度等优势，成为宽带无线接入和无线视频通信的重要技术方案。首先介绍了QAM调制解调原理，提出了一种基于MATLAB的16QAM系统调制解调方案，包括串并转换，2-4电平转换，抽样判决，4-2电平转换和并串转换子系统的设计，对16QAM的星座图和调制解调进行了仿真，并对系统性能进行了分析，进而证明16QAM调制技术的优越性。2.课程设计要求（1）设计一个16QAM调制与解调系统。（2）设计程序时必须使得程序尽可能的简单。（3）利用MATLAB进行程序编写并对系统进行仿真分析。3.相关知识随着现代通信技术的发展，特别是移动通信技术高速发展，新的需求层出不穷，促使新的业务不断产生，因而导致频率资源越来越紧张。在有限的带宽里要传输大量的多媒体数据，频谱利用率成为当前至关重要的课题，由于具有高频谱利用率、高功率谱密度等优势，16QAM技术被广泛应用于高速数据传输系统.在很多宽带应用领域，比如数字电视广播，Internet宽带接入，QAM系统都得到了广泛的应用。QAM也可用于数字调制。数字QAM有4QAM、8QAM、16QAM、32QAM等调制方式。其中，16QAM和32QAM广泛用于数字有线电视系统。当今国际市场上出现了采用16QAM调制技术的卫通调制解调器，如美国COMTECHEFDATA公司新推出的CDM-600。该卫通调制解调器支持速率高达20Mbps[1]。无线通信技术的迅猛发展对数据传输速率、传输效率和频带利用率提出了更沈阳理工大学通信原理课程设计报告2高的要求。选择高效可行调制解调手段，对提高信号的有效性和可靠性起着至关重要的作用。由于QAM已经成为宽带无线接入和无线视频通信的重要技术方案。关于调制解调技术的仿真研究对于QAM理论研究和相关产品开发具有重要意义。在简单分析QAM原理的基础上，以16QAM为例，提出了基MATLAB的16QAM编解码系统仿真方案，设计了实际仿真模型。仿真结果和分析表明，提出的方案可行，为QAM通信系统性能的研究提供了一种行之有效的分析方法。本文旨在在熟悉QAM调制解调原理的基础上，完成通信系统的设计并实现16QAM调试过程的MATLAB仿真。设计其中的各种实现模块的参数，对整个系统进行仿真，并绘出各个模块的输出信号的波形，设计出16QAM调试过程中的串并转换子系统，2-4电平转换子系统，抽样判决子系统，4-2电平转换子系统及并串转换子系统。在此基础上，对QAM调制的性能进行分析。4.课程设计分析4.1调制简介调制在通信系统中的作用至关重要。所谓调制，就是把信号转换成适合在信道中传输的形式的一种过程。广义的调制分为基带调制和带通调制（也称载波调制）。载波调制，就是用调制信号去控制载波的参数的过程，即使载波的某一个或某几个参数暗中啊调制信号的规律而变化。调制信号是指来自信源的消息信号（基带信号），这些信号可以是模拟的，也可以是数字的。未受调制的周期性震荡信号称为载波，它可以是正弦波，也可以使非正弦波（如周期性脉冲序列）。载波调制后称为已调信号，它含有调制信号的全部特征。基带信号对载波的调制是为了实现下列一个或多个目标：第一，在无线传输中，信号是以电磁波的形式通过天线辐射到空间的。为了获得较高的辐射效率，天线的尺寸必须与发射信号波长相比拟，而基带信号包含的较低频率分量的波长较长，只是天线过长而难以实现。但若通过调制，把基带信号的频谱搬至较高的载波频率上，是已调信号的频谱与信道的带通特性相匹配，这样就可以提高传输性能，以较小的发送功率与较短的天线来辐射电磁波。第二，把多个基带信号分别搬移到不同的载频处，以实现信道的多路复用，提高信道利用率。第三，扩展信号带宽，提高系统抗干扰、沈阳理工大学通信原理课程设计报告3抗衰落能力，还可实现传输带宽与信噪比之间的互换。因此，调制对通信系统的有效性和可靠性有着很大的影响和作用。解调（也称检波）则是调制的逆过程，其作用是将已调信号中的调制信号恢复出来。解调的方法可分为两类：相干解调和非相干解调（包络检波）。相干解调时，为了无失真地恢复原基带信号，接收端必须提供一个与接收的已调载波严格同步（同频同相）的本地载波。本课题采用的是相干解调4.2正交振幅调制系统它是把2ASK和2PSK两种调制结合起来的调制技术，使得带宽得到双倍扩展。QAM调制技术用两路独立的基带信号对频率相同、相位正交的两个载波进行抑制载波双边带调幅，并将已调信号加在一起进行传输。nQAM代表n个状态的正交调幅，一般有二进制（4QAM）、四进制（16QAM）、八进制（64QAM）。我们需要得到多进制的QAM信号，需将二进制信号转换为m电平的多进制信号，然后进行正交调制，最后相加输出。输入2/m电平变化器)(tx串/并变换2/m电平变化器)(ty2/载波发生器)(tSQAMtccostcsinAB11•••01•••图4-1QAM信号产生原理图QAM信号用正交相干解调方法进行解调，通过解调器将QAM信号进行正交相干解调后，用低通滤波器LPF滤除乘法器产生的高频分量，输出抽样判决后可恢复出的两路独立电平信号，最后将多电平码元与二进制码元间的关系进行2/m转换，将电平信号转换为二进制信号，经并/串变换后恢复出原二进制基带信号。16QAM调制框图：沈阳理工大学通信原理课程设计报告4二进制二进制变换为四进制串/并变换成型滤波器tccostcsin}{2na}{12na}{ka成型滤波器四进制幅度序列四进制幅度序列二进制变换为四进制)(tL)(tQ信号QAM16图4-26QAM信号调制框图16QAM最佳接收框图：串/并变换)(xr)(1tf0(_)dtTs0(_)dtTs)(2tf判决器判决器输出TsTs1r2r图4-316QAM最佳接收框图（1）首先生成一个随机且长度为10000的二进制比特流，并画出了前50个比特的信号图（如图17所示）。（2）在MATLAB中16QAM调制器要求输入的信号为0-15这16个值，所以需要用函数reshape和bi2de将二进制的比特流转换为对应的十六进制信号。（3）利用MATLAB中的modem.qammod函数生成16QAM调制器，再通过其对信号进行调制并画出信号的星座图。（4）通过awgn信道在16QAM信号中加入高斯白噪声（假设Eb/No=15db）。（5）利用MATLAB中的scatterplot函数画出通过信道后接受到的信号的星座图。（6）利用MATLAB中的eyediagram函数生成经过信道后的眼图。沈阳理工大学通信原理课程设计报告5（7）利用MATLAB中的demodulate和modem.qamdemod函数生成解调器对16QAM信号的解调，并将十六进制信号转化成二进制比特流信息。（8）用得到比特流信息除以原始发送的比特流信息来计算误码率。5.仿真程序如下：M=16;k=log2(M);n=100000;%比特序列长度samp=1;%过采样率x=randint(n,1);%生成随机二进制比特流stem(x(1:50),'filled');%画出相应的二进制比特流信号title('二进制随机比特流');xlabel('比特序列');ylabel('信号幅度');x4=reshape(x,k,length(x)/k);%将原始的二进制比特序列每四个一组分组，并排列成k行length(x)/k列的矩阵xsym=bi2de(x4.','left-msb');%将矩阵转化为相应的16进制信号序列figure;stem(xsym(1:50));%画出相应的16进制信号序列title('16进制随机信号');xlabel('信号序列');ylabel('信号幅度');y=modulate(modem.qammod(M),xsym);%用16QAM调制器对信号进行调制scatterplot(y);%画出16QAM信号的星座图text(real(y)+0.1,imag(y),dec2bin(xsym));axis([-55-55]);EbNo=15;snr=EbNo+10*log10(k)-10*log10(samp);%信噪比yn=awgn(y,snr,'measured');%加入高斯白噪声h=scatterplot(yn,samp,0,'b.');%经过信道后接收到的含白噪声的信号沈阳理工大学通信原理课程设计报告6星座图holdon;scatterplot(y,1,0,'k+',h);%加入不含白噪声的信号星座图title('接收信号星座图');legend('含噪声接收信号','不含噪声信号');axis([-55-55]);holdon;eyediagram(yn,2);%眼图yd=demodulate(modem.qamdemod(M),yn);%此时解调出来的是16进制信号z=de2bi(yd,'left-msb');%转化为对应的二进制比特流z=reshape(z.',numel(z),1');[number_of_errors,bit_error_rate]=biterr(x,z)运行结果：number_of_errors=0bit_error_rate=06.仿真结果：图6-1二进制随机比特流沈阳理工大学通信原理课程设计报告7图6-216QAM信号序列图6-316QAM信号的星座图沈阳理工大学通信原理课程设计报告8图6-4含白噪声的信号星座图图6-5不含白噪声的信号星座图沈阳理工大学通信原理课程设计报告9图6-6眼图6.主要仪器与设备装有MATLAB的PC机一台。7.设计体会课程设计做完了，总结一下，我想我还是收获了不少。从一开始选题时的不自信（怕自己做不出）到最后我比较圆满的完成这次课程设计，正好应征了一句老话：“功夫不负有心人”。选完题后，我并不知道该如何动手，所以我只有看书。通过看书，我掌握了16QAM调制与解调的原理并决定从星座图开始入手。从而最终将系统程序编写出来。除了掌握了课本上的知识外，通过这次课程设计我更加熟练了MATLAB的使用方法。从以前一看到MATLAB就郁闷到现在渐渐地喜欢上MATLAB编写程序，我知道了学习的乐趣。“功夫不负有心人”，即使你遇到了世上再难的事情，只要你有心，你就都会迎刃而解。沈阳理工大学通信原理课程设计报告108.参考文献1、樊昌信，曹丽娜。通信原理（第六版）。国防工业出版社。2、孙祥，徐流美，吴清。MATLAB7.0基础教程。北京：清华大学出版社。3、唐向宏，岳恒立，邓雪峰。MATLAB及在电子信息类课程中的应用。电子工业出版社。