1課程設計學生日志時間設計內(nèi)容2011-6-28查閱關于M-QAM的相關資料以及與matlab的仿真原理2011-6-29設計總體方案2011-6-30用matlab對方案進行編程2011-7-1調(diào)試程序，并檢查錯誤2011-7-2著手開始寫設計報告2011-7-3完善設計報告2011-7-4答辯課程設計考勤表周星期一星期二星期三星期四星期五2課程設計評語表指導教師評語：成績：指導教師：年月日3基于matlab的M-QAM通信系統(tǒng)的仿真一、設計目的和意義(1)通過仿真進一步掌握M-QAM調(diào)制及解調(diào)的原理；(2)學會用matlab編程對通信系統(tǒng)進行仿真；(3)學會用理論知識去分析結果。二、設計原理利用Matlab仿真軟件，完成如圖1所示的一個基本的數(shù)字通信系統(tǒng)。信號源產(chǎn)生0、1等概分布的隨機信號，映射到16QAM的星座圖上，同時一路信號已經(jīng)被分成了I路和Q路，后邊的處理建立在這兩路信號的基礎上。I路和Q路信號分別經(jīng)過平方根升余弦濾波器，再加入高斯白噪聲，然后通過匹配濾波器（平方根升余弦濾波器）。最后經(jīng)過采樣，判決，得到0、1信號，同原信號進行比較，給出16QAM數(shù)字系統(tǒng)的誤碼。產(chǎn)生0、1信號序列調(diào)制載頻解調(diào)低通恢復0、1信號低通（匹配濾波）插值采樣加噪聲圖1三、詳細設計步驟隨機信號的生成利用Matlab中自帶的函數(shù)randsrc來產(chǎn)生0、1等概分布的隨機信號。源代碼如下所示：globalNN=300；globalpp=0.5；source=randsrc(1,N,1,0；p,1-p)；4星座圖映射將等概分布的0、1信號映射到16QAM星座圖上。每四個bit構成一個碼子，具體實現(xiàn)的方法是，將輸入的信號進行串并轉(zhuǎn)換分成兩路，分別叫做I路和Q路。再把每一路的信號分別按照兩位格雷碼的規(guī)則進行映射，這樣實際上最終得到了四位格雷碼。為了清楚說明，參看表1表1兩位格雷碼的映射規(guī)律兩位0、1碼映射后（按格雷碼）00-301-1111103源代碼如下所示：functiony1,y2=Qam_modulation(x)%QAM_modulation%對產(chǎn)生的二進制序列進行QAM調(diào)制%=首先進行串并轉(zhuǎn)換，將原二進制序列轉(zhuǎn)換成兩路信號N=length(x)；a=1:2:N；y1=x(a)；y2=x(a+1)；%=分別對兩路信號進行QPSK調(diào)制%=對兩路信號分別進行24電平變換a=1:2:N/2；temp1=y1(a)；temp2=y1(a+1)；y11=temp1*2+temp2；temp1=y2(a)；temp2=y2(a+1)；y22=temp1*2+temp2；%=對兩路信號分別進行相位調(diào)制a=1:N/4；y1=(y11*2-1-4)*1.*cos(2*pi*a)；y2=(y22*2-1-4)*1.*cos(2*pi*a)；%=按照格雷碼的規(guī)則進行映射y1(find(y11=0)=-3；y1(find(y11=1)=-1；y1(find(y11=3)=1；y1(find(y11=2)=3；y2(find(y22=0)=-3；y2(find(y22=1)=-1；y2(find(y22=3)=1；y2(find(y22=2)=3；5插值為了能夠模擬高斯白噪聲的寬頻譜特性，以及為了能夠顯示波形生成器（平方根升余弦濾波器）的效果，所以在原始信號中間添加一些0點。具體實現(xiàn)是分別在信號的I路和Q路中，任意相鄰的兩個碼字之間添加7個0。源代碼如下所示：functiony=insert_value(x,ratio)%=x是待插值的序列，ratio是插值的比例。%兩路信號進行插值首先產(chǎn)生一個長度等于ratio倍原信號長度的零向量y=zeros(1,ratio*length(x)；再把原信號放在對應的位置a=1:ratio:length(y)；y(a)=x；波形成形（平方根升余弦濾波器）為了避免相鄰傳輸信號之間的串擾，多元符號需要有合適的信號波形。圖1中的方波是在本地數(shù)字信號處理時常見的波形，但在實際傳輸時這種方波并不合適。根據(jù)奈奎斯特第一準則，在實際通信系統(tǒng)中一般均使接收波形為升余弦滾降信號。這一過程由發(fā)送端的基帶成形濾波器和接收端的匹配濾波器兩個環(huán)節(jié)共同實現(xiàn)，因此每個環(huán)節(jié)均為平方根升余弦滾降濾波，兩個環(huán)節(jié)合成就實現(xiàn)了一個升余弦滾降濾波。實現(xiàn)平方根升余弦滾降信號的過程稱為“波形成形”，通過采用合適的濾波器對多元碼流進行濾波實現(xiàn)，由于生成的是基帶信號，因此這一過程又稱“基帶成形濾波”。平方根升余弦濾波器的沖激響應基帶平方根升余弦濾波器具有以下定義的理論函數(shù)0)()|(2sin2121)(1)(21fHffffHfHNN)1(|)1(|)1()1(|fffffff當當當其中：221ssNRTf是奈奎斯特平率，是滾降系數(shù)。下面給出平方根升余弦濾波器的沖激響應曲線，如圖2所示。6051015202530354045-0.100.10.20.30.40.50.6n(samples)Amplitude平方根升余弦濾波器的沖激響應圖2平方根升余弦濾波器的沖激響應曲線從上圖上不難看出來，平方根升余弦濾波器的沖激響應很顯然的引入了符號間干擾（ISI）即它的沖激響應在相鄰的抽樣點上的值并不象升余弦濾波器那樣恒為0。然而造成這一后果的原因在于，當我們引入平方根升余弦濾波器的時候，就是認為整個信道，也就是說，包括信號發(fā)送端的濾波器和信號接收端的濾波器，總體的效果是避免了符號間干擾（ISI），所以，單獨看這每一個濾波器，勿庸置疑，它們都是存在著符號間干擾（ISI）的。經(jīng)過平方根升余弦濾波器后源代碼如下:%x1、x2是兩路輸入信號，fd是信號信息位的頻率，fs是信號的采樣頻率functiony1,y2=rise_cos(x1,x2,fd,fs)%生成平方根升余弦濾波器yf,tf=rcosine(fd,fs,fir/sqrt)；%對兩路信號進行濾波y1,to1=rcosflt(x1,fd,fs,filter/Fs,yf)；y2,to2=rcosflt(x2,fd,fs,filter/Fs,yf)；10倍載波調(diào)制將通過成形濾波器后的信號調(diào)制到10倍于原頻率的載波上。由于在仿真的過程中，只能用離散的點來模擬連續(xù)信號，因而為了能夠顯示出一個正弦曲線，至少需要在一個正弦周期內(nèi)采樣到4個以上的點，這里，我們在一個周期內(nèi)采10個點。假設最初的0、1信號的頻率是1Hz，那么I路和Q路符號傳輸?shù)念l率是1/4Hz，而10倍頻是建立在I路或Q路符號頻率的基礎上，也就是說，載頻的頻率是2.5Hz。按照前面的假設，那么7相鄰兩個采樣點之間的時間間隔是0.04s。而一個完整周期內(nèi)的正弦波形的幅值是相同的，都是對應的這個周期內(nèi)的I路和Q路線性疊加，調(diào)制后的信號為，tftQtftItycc2sin)(2cos)()(其中，cf為載波頻率。源代碼如下:%載波調(diào)制%x1,x2代表兩路輸入信號，f是輸入信號的頻率，hf是載波的頻率functiont,y=modulate_to_high(x1,x2,f,hf)%產(chǎn)生兩個中間變量，用來存儲插值后的輸入信號yo1=zeros(1,length(x1)*hf/f*10)；yo2=zeros(1,length(x2)*hf/f*10)；n=1:length(yo1)；%對輸入信號分別進行插值，相鄰的兩個點之間加入9個點，且這9個點的值同第0個點的值相同yo1(n)=x1(floor(n-1)/(hf/f*10)+1)；yo2(n)=x1(floor(n-1)/(hf/f*10)+1)；%生成輸出輸出信號的時間向量t=(1:length(yo1)/hf*f/10；%生成載波調(diào)制信號y=yo1.*cos(2*pi*hf*t)-yo2.*sin(2*pi*hf*t)；加入高斯白噪聲將通過成形濾波器后的信號送到具有高斯白噪聲特征的加性信道中，相當于在原信號上加入高斯白噪聲。由于高斯白噪聲加在了通過插值和濾波后的點上，因此在計算信噪比的時候存在一個信噪比換算的問題。當我們把仿真得到的誤碼率曲線同理論的誤碼率曲線相比較的時候，兩者的信噪比的定義必須是一致的。一致包括兩個方面，一是二者均為每bit符號上的信號功率和噪聲功率的比值，另一個是信號的功率是指那些信息點上的平均功率，噪聲也是指信息點上所對應的噪聲的平均功率，但由于噪聲的功率譜密度是一個定值，所以噪聲的平均功率實際上就是噪聲的功率譜密度。對于第二點，由于所有信號的平均功率和信息點上的信號的平均功率