基于-MATLAB下的16QAM仿真

1.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。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、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：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。（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图6-216QAM信号序列图6-316QAM信号的星座图图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。8.参考文献1、樊昌信，丽娜。通信原理（第六版）。国防工业。2、祥，徐流美，吴清。MATLAB7.0基础教程。：清华大学。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。