基于matlab的正交振幅调制与解调

课程设计报告题目：基于MATLAB的正交振幅调制与解调仿真学生姓名：学生学号：系别：专业：届别：指导教师：电气信息工程学院制2012年5月成绩淮南师范学院电气信息工程学院2013届通信工程专业课程设计报告第1页基于MATLAB的正交振幅调制与解调仿真学生：指导老师：电气信息工程学院1课程设计的任务与要求1.1课程设计的任务本课程设计通过Matlab，Simulink软件来仿真正交振幅调制和解调，要求进一步理解QAM，并掌握Matlab，Simulink软件的使用。1.2课程设计的要求设计平台为Matlab集成环境，在Matlab，Simulink软件下输入仿真程序，运行该程序，观察波形前后的变化。独立完成所有的设计。1.3课程设计的研究基础正交振幅调制（QuadratureAmplitudeModulation,QAM）是一种高效的数字调制解调方式，它在中、大容量数字微波通信系统、有线电视网络高数据传输、卫星通信等领域被广泛使用。在多进制键控体制中，相位键控的带宽和功率占用方面都具有优势，即带宽占用小和比特信噪比要求低。因此，MPSK和MDPSK为人们所喜用。但是，在MPSK体制中，随着Ｍ的增大，相邻相位的距离逐渐减小，使噪声容限随之减小，误码率难以保证。为了改善在M大时的噪声容限，发展出了QAM体制。在QAM体制中，信号的振幅和相位作为两个独立的参量同时受到调制[1]。正交振幅调制（QuadratureAmplitudeModulation,QAM）是一种振幅和相位联合键控。正交振幅调制是二进制的PSK、四进制的QPSK调制的进一步推广，通过相位和振幅的联合控制，可以得到更高频谱效率的调制方式，从而可在限定的频带内传输更高速率的数据。正交振幅调制（QAM）的一般表达式为y(t)=mAcoscwt+mBsincwt0≤t＜sT(1)上式由两个相互正交的载波构成，每个载波被一组离散的振幅｛mA｝、｛mB｝所调制，故称这种调制方式为正交振幅调制。式中，sT为码元宽度；m=1,2,…,M,M为mA和mB电平数。淮南师范学院电气信息工程学院2013届通信工程专业课程设计报告第2页正交振幅调制使用两路独立的基带对两个相互正交的同频载波拟制载波双边带条幅，利用这种已调信号的频谱在同一带宽内的正交性，实现两路并行的数字信息的传输。该调制方式通常有二进制QAM（4QAM）、四进制(16QAM)、八进制(64QAM)、……，对应的空间信号适量端点分布图称为星座图，如下图所示，分别有4、16、64……个适量端点。由图（1）可以看出，电平数m和信号状态M之间的关系。对于4QAM，当两路信号幅度相等时，其产生、解调、性能及相位适量均与4PSK相同[2]。a4QAM信号矢量图b16QAM信号矢量图c64QAM信号矢量图图1多进制信号矢量图QAM中的振幅mA和mB可以表示成：mA=mAd(2)mB=mAe(3)式中，A是固定的振幅，（md，me）由输入数据确定。（md，me）决定了已调QAM信号在信号中的坐标点。●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●淮南师范学院电气信息工程学院2013届通信工程专业课程设计报告第3页2正交振幅调制与解调系统方案制定2.1方案提出针对正交振幅的调制与解调，可以使用Matlab和Simulink软件实现。2.2方案比较Matlab程序可以实现该系统仿真，也能得到结果，但是不能够画出系统实现框图；Simulink软件既可以画出实现正交调制与解调的框图，也能得到实验波形[3]。2.3方案论证为了更好的理解正交振幅调制与解调，我们不仅要看到实验结果，还需要看到实验流程。Simulink软件可以根据仿真结果，用户可以调整系统参数，观察分析仿真结果的变化，从而获得更加理想的仿真结果。2.4方案选择选择Simulink软件来实现正交振幅调制与解调系统。3QAM系统方案设计3.1各单元模块功能介绍及电路设计3.2系统整体电路图QAM的调制如图（2）所示，在调制端，输入数据经过串/并变换之后分为两路，分别经过2电平到Ｌ电平的转换，形成mA和mB。为了抑制已调信号的带外辐射，mA和mB还要经过预调制低通滤波器，才分别与相互正交的各路载波相乘，最后将两路信号相加就可以得到已调输出信号y(t)[4]。串/并转换将一路信号分成两路并行信号；2到L电平转换换将2电平转换成L电平的基带信号；预调制LPF抑制已调信号的带外辐射；相乘器；相加器；LPF滤除乘法器产生的高频分量；L到2电平转换L电平转换2电平；并\串转换将两路信号合并成一路信号。淮南师范学院电气信息工程学院2013届通信工程专业课程设计报告第4页图2QAM调制框图QAM信号采取正交相干解调的方法解调，模型如图（b）所示。解调器首先对接收到的QAM信号进行正交相干解调。低通滤波器LPF滤除乘法器产生的高频分量。LPF输出经抽样判决可恢复出电平信号，经过多电平判决和电平转换后可恢复出原始基带信号[5]。图3QAM解调框图在接受端，输入信号与本地恢复的两个正交载波信号相乘以后，经过低通滤波器、多电平判决、L电平到2电平变换，在经过并/串变换就得到输出数据[6]。对QAM而言，如何设计QAM信号的结构不仅会影响到已调信号的功率谱特性，而且影响已调信号的解调及其性能[7]。常用的设计准则是在信号功率相同的条件下，选择信号空间中信号点之间距离最大的信号结构，当然还要考虑解调的复杂性[8]。4MATLAB系统仿真和调试4.1仿真软件介绍Matlab是英文MATrixLABoratory(矩阵实验室)的缩写。Matlab自1984年由MathWorks公司推向市场以来，历经20多年的发展和竞争，现在风靡世界。可靠的数载波恢复L到2电平转换L到2电平转换定时恢复多电平判决并\串转换LPFLPF多电平判决coscwt串/并转换预调制LPFmAmBmBsincwt预调制LPF2到L电平转换换2到L电平转换已调信号输出y(t)淮南师范学院电气信息工程学院2013届通信工程专业课程设计报告第5页值计算和符号计算功能，强大的绘图功能、简单易学的语言体系以及为数众多的应用工具箱是Matlab区别于其他科技应用软件的显著标志[9]。Stimulink是Matlab的重要组成部分。既适用于线性系统，也适用于非线性系统，既适用于连续系统，也适用于离散系统和连续与离散混合系统，既适用于定常系统，也适用于时变系统。Stimulink模块库内容十分丰富，除包括输入信号源模块库(Source)、输出接收端模块库（Sinks）、连续系统模块库（Continuous）、离散系统模块库（Discrete）、数学运算模块库（MathOperations）等许多标准模块外，用户还可以自定义和创建模块[10]。4.2系统仿真实现图4正交振幅调制解调仿真电路图淮南师范学院电气信息工程学院2013届通信工程专业课程设计报告第6页图5基带信号参数设置图6正交振幅调制模块参数设置图7正交振幅解调模块参数设置淮南师范学院电气信息工程学院2013届通信工程专业课程设计报告第7页图8基带信号功率谱密度图4.3系统测试仿真结果如下图所示：淮南师范学院电气信息工程学院2013届通信工程专业课程设计报告第8页图9基带信号和解调信号的波形4.4数据分析图形说明：该图中，信号在通过QAM前后没有发生任何变化，因为这是在理想的环境中运行的，如果在该系统中加入噪声，如高斯白噪声，信号调制前后就会发生变化。5总结5.1设计小结通过本次实验经过这一次的毕业设计，我学习并学会了使用应用软件Matlab，能够在该环境下进行简单的电路仿真。基本上懂得了数字调制解调技术的发展状况，并对振幅调制解调原理有了更深一步的认识理解MQAM的原理，知道了眼图、星座图、各个频谱的产生原理、误码性能测试和相关参数的设定。在本次设计中，用到了word的绘图功能，以前只会用word弄些简单的文本，而现在使我对word的使用更熟练，更全面。5.2收获体会毕业设计带给我了不少收获，从学习MATLAB的使用，到仿真程序，程序刚开始的时候有不少错误，一些错误是由于粗心造成的，一些错误是由于对于原理理解上的偏差造成的。这也让我明白了，做什么事情都要严谨，不可以有半点马虎。同时此次课程设计也暴露出自己专业基础知识的很多不足。淮南师范学院电气信息工程学院2013届通信工程专业课程设计报告第9页5.3展望随着通信业迅速的发展，传统通信系统的容量已经越来越不能满足当前用户的要求，而可用频谱资源有限，也不能靠无限增加频道数目来解决系统容量问题。另外，人们已不能满足通信单一的语音服务，希望利用移动电话来进行多媒体信息的通信。但由于图像通信比电话需要更大的容量。高效可靠的数字传输系统对于数字通信系统的实现很重要，多进制QAM具有很高的频带利用率，在通信业务日益增多使得频带利用率成为主要矛盾的情况下，正交振幅调制方式是一种很好的选择，相信未来会有更多的使用。6参考文献[1]李建东，郭梯云，邬国扬著《移动通信》第四版出版社：西安电子科技大学出版社2006，7[2]樊昌信，曹丽娜著《通信原理》第六版出版社：国防工业出版社2011，1[3]刘卫国主编《MATLAB程序设计与应用》第二版出版社：高等教育出版社2011，1[4]张辉，曹丽娜编著《现代通信原理与技术》出版社：西安电子科技大学出版社2002[5]曹志刚，钱亚生著《现代通信原理》出版社：清华大学出版社1992[6]王兴亮，达新宇著《数字通信原理与技术》第二版出版社：西安电子科技大学出版社2004[7]桑林，郝建军，刘丹谱著《数字通信》出版社：北京邮电大学出版社[8]曹兴雯，刘乃安，陈健等著《高频电路原理与分析》出版社：西安电子科技大学出版社2001[9]张圣勤著《MATLAB7.0实用教材》出版社：机械工业出版社2006[10]邓华著《MATLAB通信仿真及应用实例详解》出版社：人民邮电出版社2003