-.z.通信專業(yè)課程設(shè)計二科技大學(xué)課程設(shè)計（論文）設(shè)計(論文)題目：16QAM的調(diào)制解調(diào)****班級學(xué)院指導(dǎo)教師2012年1月4日-.z.科技大學(xué)課程設(shè)計（論文）任務(wù)書學(xué)院（直屬系）：電子信息工程學(xué)院時間：2012年12月19日學(xué)生**指導(dǎo)教師設(shè)計（論文）題目16QAM的調(diào)制與解調(diào)主要研究容基于MatlabSimulink的16QAM的調(diào)制與解調(diào)研究方法MatlabSimulink主要技術(shù)指標(或研究目標)利用Simulink對16QAM調(diào)制系統(tǒng)進行仿真,得到了信號在加噪前后的星座圖、眼圖，而且在信噪比變化條件下,得到了16QAM系統(tǒng)的誤碼率。教研室意見教研室主任（專業(yè)負責人）簽字：年月日-.z.16QAM的調(diào)制與解調(diào)摘要隨著無線通信頻帶日趨緊，研究和設(shè)計自適應(yīng)信道調(diào)制技術(shù)體制是建立寬帶移動通信網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)之一。正交振幅調(diào)制技術(shù)（QAM）是一種功率和帶寬相對高效的信道調(diào)制技術(shù),因此在大容量數(shù)字微波通信系統(tǒng)、有線電視網(wǎng)絡(luò)高速數(shù)據(jù)傳輸、衛(wèi)星通信系統(tǒng)等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。在移動通信中，隨著微蜂窩和微微蜂窩的出現(xiàn)，使得信道傳輸特性發(fā)生了很大變化。過去在傳統(tǒng)蜂窩系統(tǒng)中不能應(yīng)用的正交振幅調(diào)制也引起了人們的重視。本文首先簡單簡紹了QAM調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)和Simulink的工作原理。然后利用Simulink對16QAM調(diào)制系統(tǒng)進行仿真,不但得到了信號在加噪前后的星座圖、眼圖，而且在信噪比變化條件下,得到了16QAM系統(tǒng)的誤碼率。最后，在簡單做了一個2DPSK系統(tǒng)仿真之后，將它與16QAM系統(tǒng)進行了比較，并得出了16QAM是一種相對優(yōu)越的調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)這一結(jié)論。關(guān)鍵詞：QAM；SIMULINK；仿真；2DPSK；誤碼率目錄TOC\o"1-3"\h\u1378摘要 I27401第1章緒論 192181.1QAM簡介 1181701.2SIMULINK 144421.3SIMULINK與通信仿真 2401第2章正交振幅調(diào)制 3182652.1MQAM信號的星座圖 3259622.216QAM的調(diào)制解調(diào)原理 5258342.316QAM的改進方案 68573第3章16QAM調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)實現(xiàn)與仿真 886993.116QAM調(diào)制模塊的模型建立與仿真 1019333.1.1信號源 10175713.1.2串并轉(zhuǎn)換模塊 1069573.1.32/4電平轉(zhuǎn)換模塊 11103953.1.4其余模塊 13240283.1.5調(diào)制系統(tǒng)的實現(xiàn) 14131623.216QAM解調(diào)模塊的模型建立與仿真 15268813.2.1相干解調(diào) 1589393.2.24/2電平判決 16114733.2.3并串轉(zhuǎn)換 1820765參考文獻 21-.z.第1章緒論1.1QAM簡介在現(xiàn)代通信中，提高頻譜利用率一直是人們關(guān)注的焦點之一。近年來，隨著通信業(yè)務(wù)需求的迅速增長，尋找頻譜利用率高的數(shù)字調(diào)制方式已成為數(shù)字通信系統(tǒng)設(shè)計、研究的主要目標之一。正交振幅調(diào)制QAM(QuadratureAmplitudeModulation)就是一種頻譜利用率很高的調(diào)制方式，其在中、大容量數(shù)字微波通信系統(tǒng)、有線電視網(wǎng)絡(luò)高速數(shù)據(jù)傳輸、衛(wèi)星通信系統(tǒng)等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。在移動通信中，隨著微蜂窩和微微蜂窩的出現(xiàn)，使得信道傳輸特性發(fā)生了很大變化。過去在傳統(tǒng)蜂窩系統(tǒng)中不能應(yīng)用的正交振幅調(diào)制也引起人們的重視。QAM數(shù)字調(diào)制器作為DVB系統(tǒng)的前端設(shè)備，接收來自編碼器、復(fù)用器、DVB網(wǎng)關(guān)、視頻服務(wù)器等設(shè)備的TS流，進行RS編碼、卷積編碼和QAM數(shù)字調(diào)制，輸出的射頻信號可以直接在有線電視網(wǎng)上傳送，同時也可根據(jù)需要選擇中頻輸出。它以其靈活的配置和優(yōu)越的性能指標，廣泛的應(yīng)用于數(shù)字有線電視傳輸領(lǐng)域和數(shù)字MMDS系統(tǒng)。作為國際上移動通信技術(shù)專家十分重視的一種信號調(diào)制方式之一，正交振幅調(diào)制（QAM）在移動通信中頻譜利用率一直是人們關(guān)注的焦點之一，隨著微蜂窩（Microcell）和微微蜂窩（Picocell）系統(tǒng)的出現(xiàn)，使得信道的傳輸特性發(fā)生了很大變化，接收機和發(fā)射機之間通常具有很強的支達分量，以往在蜂窩系統(tǒng)中不能應(yīng)用的但頻譜利用率很高的WAM已引起人們的重視，許多學(xué)者已對16QAM及其它變型的QAM在P中的應(yīng)用進行了廣泛深入地研究。1.2SIMULINKSimulink是MATLAB中的一種可視化仿真工具，是一種基于MATLAB的框圖設(shè)計環(huán)境，是實現(xiàn)動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和分析的一個軟件包，被廣泛應(yīng)用于線性系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)、數(shù)字控制及數(shù)字信號處理的建模和仿真中。Simulink可以用連續(xù)采樣時間、離散采樣時間或兩種混合的采樣時間進行建模，它也支持多速率系統(tǒng)，也就是系統(tǒng)中的不同部分具有不同的采樣速率。為了創(chuàng)建動態(tài)系統(tǒng)模型，Simulink提供了一個建立模型方塊圖的圖形用戶接口(GUI)，這個創(chuàng)建過程只需單擊和拖動鼠標操作就能完成，它提供了一種更快捷、直接明了的方式，而且用戶可以立即看到系統(tǒng)的仿真結(jié)果。1.3SIMULINK與通信仿真仿真是衡量系統(tǒng)性能的工具，它通過仿真模型的仿真結(jié)果來推斷原系統(tǒng)的性能，從而為新系統(tǒng)的建立或原系統(tǒng)的改造提供可靠的參考。仿真是科學(xué)研究和工程建設(shè)中不可缺少的方法。實際的通信系統(tǒng)是一個功能結(jié)構(gòu)相當復(fù)雜的系統(tǒng)，對于這個系統(tǒng)作出的任何改變都可能影響到整個系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定。而Simulink作為Matlab提供的用于對動態(tài)系統(tǒng)進行建模、仿真和分析的工具包，提供了仿真所需的信源編碼、糾錯編碼、信道、調(diào)制解調(diào)以及其它所用的全部庫函數(shù)和模塊?？梢姡还軐θ魏螐?fù)雜的通信系統(tǒng)，用Simulink對其仿真都是一個不錯的選擇。第2章正交振幅調(diào)制2.1MQAM信號的星座圖MQAM信號表示式可寫成（2.1)其中，Ai和Bi是振幅，表示為(2.2)其中，i,j=1,2,…，L，當L=1時，是4QAM信號；當L=2時，是16QAM信號；當L=4時，是64QAM信號。選擇正交的基本信號為(2.3)在信號空間中MQAM信號點(i,j=1,2,…,L)(2.4)圖2.1是MQAM的星座圖，這是一種矩形的MQAM星座圖。圖2.1MQAM信號星座圖為了說明MQAM比MPSK具有更好的抗干擾能力，圖2.2示出了16PSK和16QAM的星座圖，這兩個星座圖表示的信號最大功率相等，相鄰信號點的距離d1，d2分別為：2DPSK，16QAM。結(jié)果表明，d2>d1，大約超過1.64dB。合理地比較兩星座圖的最小空間距離應(yīng)該是以平均功率相等為條件?？梢宰C明，在平均功率相等條件下，16QAM的相鄰信號距離超過16PSK約4.19dB。星座圖中，兩個信號點距離越大，在噪聲干擾使信號圖模糊的情況下，要求分開兩個可能信號點越容易辦到。因此16QAM方式抗噪聲干擾能力優(yōu)于16PSK。圖2.216QAM和16PSK的星座圖MQAM的星座圖除正方形外，還有圓形、三角形、矩形、六角形等。星座圖的形式不同，信號點在空間距離也不同，誤碼性能也不同。MQAM和MPSK在相同信號點數(shù)時，功率譜相同，帶寬均為基帶信號帶寬的2倍。2.216QAM的調(diào)制解調(diào)原理MQAM的調(diào)制解調(diào)框圖如圖2.3所示。在發(fā)送端調(diào)制器中串/并變換使得信息速率為Rb的輸入二進制信號分成兩個速率為Rb/2的二進制信號，2/L電平轉(zhuǎn)換將每個速率為Rb/2的二進制信號變?yōu)樗俾蕿镽b/（2lbL）的電平信號，然后分別與兩個正交載波相乘，再相加后即得MQAM信號。在接收端解調(diào)器中可以采用正交的相干解調(diào)方法。接受到的信號分兩路進入兩個正交的載波的相干解調(diào)器，再分別進入判決器形成L進制信號并輸出二進制信號，最后經(jīng)并/串變換后得到基帶信號。MQAM調(diào)制MQAM的解調(diào)圖2.3MQAM調(diào)制解調(diào)框圖2.316QAM的改進方案為了適應(yīng)不同的需要，QAM有一些改進方案，如正交部分響應(yīng)幅度調(diào)制（MQPR）、非線性正交振幅調(diào)制（NLA-QAM）、疊加式正交振幅調(diào)制（SQAM）等，還可以把QAM調(diào)制與信道編碼技術(shù)結(jié)合起來設(shè)計，取得最優(yōu)的可靠性和有效性，這種技術(shù)稱為網(wǎng)格編碼調(diào)制（TCM）。1.MQPR調(diào)制這是一種在多電平正交調(diào)制中，上下兩支路的同相和正交基帶信號都用部分響應(yīng)信號（通常采用第Ⅰ類和第Ⅳ類部分響應(yīng)）的調(diào)制方式。QPR與QAM相比，在相同信息傳輸速率條件下，嚴格帶寬受限的QPR優(yōu)于QAM。2.NLA-QAM調(diào)制QAM信號在進行傳輸之前，還要進行功率放大，而高效的功率放大是非線性的功率放大器，故而需考慮非線性對QAM的特性沒有明顯的影響措施，這就是NLA-QAM調(diào)制。NLA-QAM信號的產(chǎn)生方法與QAM不相同，但解調(diào)的方法與QAM完全一樣。3.SQAM調(diào)制QAM調(diào)制信號在碼元轉(zhuǎn)換時刻有相位跳變的時刻，旁瓣分量比連續(xù)相位的調(diào)制信號要高。要改善QAM的頻譜特性，應(yīng)改善其基帶波形以平滑碼元轉(zhuǎn)換時的相位變化，SQAM就是從這個角度提出的。SQAM的基本脈沖波形是由兩個寬度為TB的升余弦波形與一個寬度為2TB的升余弦波形疊加而成。采用正交調(diào)制方式時，在下支路要延時TB/2，并且上下兩支路放大倍數(shù)相差60dB。SQAM信號的功率譜與QAM相比，旁瓣分量得到有效地抑制。第3章16QAM調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)實現(xiàn)與仿真前面兩章簡單介紹了16QAM的調(diào)制解調(diào)和SIMULINK的工作原理，下面本文將用MATLAB數(shù)學(xué)軟件中的SIMULINK模塊實現(xiàn)16QAM調(diào)制、解調(diào)通信系統(tǒng)，并進行仿真。由第二章MQAM的調(diào)制解調(diào)原理可以得出，16QAM的調(diào)制解調(diào)框圖如下所示：圖3.116QAM的調(diào)制解調(diào)框圖由圖3.1可以知道，16QAM的調(diào)制解調(diào)原理比較簡單，接下來，我們將通過調(diào)制與解調(diào)兩大模塊來介紹SIMULINK下16QAM的仿真結(jié)果，并且將對仿真結(jié)果作出分析并對系統(tǒng)進行一定的優(yōu)化，從而獲得較好的系統(tǒng)模型。下頁為本次仿真的系統(tǒng)總體框圖：圖3.2仿真總體框圖3.116QAM調(diào)制模塊的模型建立與仿真通過對圖3.1中16QAM調(diào)制原理框圖的分析，16QAM一個碼元所攜帶的信息為即4bit，是一般基帶數(shù)字調(diào)制（QPSK）碼元攜帶信息量的2倍。而且16QAM調(diào)制是由兩路相互獨立的信號進行調(diào)制，一個16QAM碼元寬度是基礎(chǔ)信號的2倍。以下我將對系統(tǒng)仿真框圖中的各模塊進行簡單的介紹：3.1.1信號源本次仿真在信號源部分采用了偽隨機序列發(fā)生器，由于系統(tǒng)要求基帶信元速率19.2kbps，則本序列發(fā)生器的基本參數(shù)設(shè)置如下：Generatorpolynomial:[1000011]Initialstates:[000001]Outputmaskvector:0Sampletime:1/19200Outputdatatype:double3.1.2串并轉(zhuǎn)換模塊由于系統(tǒng)仿真總框圖涉及模塊較多，為不失美觀同時又能顯的淺顯易懂特將串并轉(zhuǎn)化作成一個單獨子系統(tǒng)而嵌入總系統(tǒng)中。該子系統(tǒng)部框圖如下所示：圖3.3串并轉(zhuǎn)換模塊由圖可知，本子系統(tǒng)有一個輸入端口和兩個輸出端口。系統(tǒng)首先將輸入的偽隨機序列分成兩路并將其中的一路直接按整數(shù)因子2抽取，然后進行一個單位的延時，這樣便得到了原隨機序列的奇數(shù)碼元；對于另外一路則先進行延遲然后下采樣便可得到原序列的偶數(shù)碼元，至此串并轉(zhuǎn)換也是結(jié)束了。假設(shè)輸入In1:001000001000011000101001則有Out1:010010010110Out2:000000100001實際運行中各路信號圖形如下所示，圖中從上往下依次是串行輸入、并行輸出1和并行輸出2的波形。由圖可以得出經(jīng)串并轉(zhuǎn)換之后，并行輸出的每一路碼元傳輸速率降為了原來的一半，這也正是實際運應(yīng)中所要求的。和假設(shè)不同的是每一路輸出信號前邊都多了一個0碼元單位，這是由于延遲模塊所造成的。當然它們在這里同時被延遲了一個單元，但對后面各種性能的研究是不會造成影響的。各路串并轉(zhuǎn)換圖如下所示：圖3.4串并轉(zhuǎn)換各路信號圖3.1.32/4電平轉(zhuǎn)換模塊對于2/4電平的轉(zhuǎn)換，其實是將輸入信號的4種狀態(tài)（00,01,10,11）經(jīng)過編碼以后變?yōu)橄鄳?yīng)的4電平信號。這里我們選擇的映射關(guān)系如下表所示：表3-12/4電平映射關(guān)系表映射前數(shù)據(jù)電平/V00-301-1101113根據(jù)以上映射關(guān)系，我們可以很容易的找出它們之間的一個數(shù)學(xué)關(guān)系。這里輸入信號為兩路二進制信號，假設(shè)它們是ab，則在a=1時讓它輸出一個幅度為2的信號，當a=0時輸出幅度為-2的信號。同理當b=1是讓它輸出一個幅度為1的信號，當b=0時輸出幅度為-1的信號。如此一來便可以得到下面的結(jié)果：當ab=00時輸出：y=-2+-1=-3；ab=01時y=-2+1=-1；ab=10時y=2+-1=1；ab=11時y=2+1=3；由上所示我們可以得出：再設(shè)計2/4電平轉(zhuǎn)換模塊的時候，我們需要先將輸入信號再次進行串并轉(zhuǎn)換，每路信號做一個簡單的判決，再用一個相加模塊便可實現(xiàn)2/4電平的轉(zhuǎn)換功能。具體模塊如下所示：圖3.52/4電平轉(zhuǎn)換模塊以上模塊中各點的信號圖如下所示：圖3.62/4電平轉(zhuǎn)換模塊各點波形上圖中第一行為輸入信號，第二三行分別為經(jīng)串并轉(zhuǎn)換后的兩行信號，最后為輸出4電平信號。觀察各行波形可以得出：輸入：000100100101101110并行1：000100111并行2：010011010輸出：-3-1-31-1-1131比較各行波形可以發(fā)現(xiàn)這個模塊已經(jīng)很好的實現(xiàn)了2/4電平的轉(zhuǎn)換，這里4電平信號的碼元傳輸速率已降為Rb/4。3.1.4其余模塊除以上所述的兩個子系統(tǒng)外，調(diào)制階段還包括正余弦信號發(fā)生器、加法器、乘法器、頻譜示波器和離散時間信號發(fā)散圖示波器等。由于系統(tǒng)要求載波頻率為76.8KHZ，所以兩載波信號發(fā)生器的參數(shù)設(shè)置如下所示：：Amlitude:1：Amlitude:1Bias:0Bias:0Frequency（rad/sec）:76800*2*piFrequency(rad/sec)：76800*2*piPhase(rad):pi/2Phase(rad):0Sampletime：1/768000Sampletime：1/768000對于離散時間信號發(fā)散圖示波器，這里我們又做了一個子系統(tǒng)如下圖所示：圖3.7離散時間信號發(fā)散圖示波器上圖中先將兩路正交的信號和成一個復(fù)信號后，經(jīng)離散采樣加入到了信號發(fā)散圖示波器，這樣就可以得到原始信號的星座圖了。3.1.5調(diào)制系統(tǒng)的實現(xiàn)將以上各模塊、子系統(tǒng)按原理圖進行連接，并對各模塊參數(shù)進行相應(yīng)的設(shè)定，便可實現(xiàn)其調(diào)制功能。進行仿真得到的調(diào)制輸出波形和星座圖分別如圖3.8和圖3.9所示。圖3.816QAM調(diào)制波形上圖中一三行為并行輸出的兩路四電平信號，二四行為一三行分別與正交載波相乘后所得的兩路信號。第五行為它們的和信號，也即為最終調(diào)制信號，至此16QAM信號的調(diào)制也就結(jié)束了。圖3.916QAM的星座圖3.216QAM解調(diào)模塊的模型建立與仿真16QAM解調(diào)原理框圖如圖3.1所示，解調(diào)器實現(xiàn)的核心在于4/2電平判決模塊及并串轉(zhuǎn)換模塊。在本次仿真中，載波恢復(fù)輸出的同頻同相波是直接由調(diào)制模塊中的載波提供的，也就是說在仿真實驗中并沒有做載波恢復(fù)。3.2.1相干解調(diào)系統(tǒng)先前所得的16QAM調(diào)制信號通過高斯白噪聲信道以后便可以解調(diào)了。本文所采用的解調(diào)器原理為相干解調(diào)法，即已調(diào)信號與載波相乘，送入到低通濾波器，其對應(yīng)原理圖號輸入并與載波相乘后通過LPF的部分，輸出送入到判決器判決，在這里，低通濾波器的設(shè)計很重要，在Simulink中提供了一些濾波器，我們可以加以利用，但它的參數(shù)設(shè)定對后續(xù)判決產(chǎn)生誤差有很大關(guān)系，所以要對該濾波器的參數(shù)設(shè)定要慎重。在本文涉及的仿真中濾波器均選擇貝塞爾低通濾波器。這里對LPF的參數(shù)設(shè)定如下，而輸出波形如圖4.10所示。Desigemethod:BesselFiltertype:LowpassFilterorder:8Passedgefrequency(rad/s):15360*2*pi圖3.10輸出波形圖上圖中，一三行為調(diào)制波與載波相乘的結(jié)果，二四行分別為它們經(jīng)過低通濾波器后所得的波形。3.2.24/2電平判決由于前面采用的是模擬低通濾波器，所以在4/2電平判決之前得到的是一個模擬的4電平信號。之后要想得到2電平的數(shù)字信號，需經(jīng)一系列的抽樣、量化和編碼。這里我們再次使用了子系統(tǒng)這一概念，如下圖所示：圖3.114/2電平轉(zhuǎn)換模塊上圖中，對模擬信號做了常數(shù)為2的增益后，讓其通過了一個量化編碼器，再通過離散采樣以后便得到了標準的4電平數(shù)字信號。然后信號被分為兩路，分別進行量化編碼后得到了兩路二進制信號，最后經(jīng)串并轉(zhuǎn)換得到了最終結(jié)果。此處三個量化編碼器的參數(shù)設(shè)置如下所示：2Quantizationpartition:[-2.002.0]Quantizationcodebook:[-3-113]3Quantizationpartition:[-2.002.0]Quantizationcodebook:[0011]4Quantizationpartition:[-2.002.0]Quantizationcodebook:[0101]假設(shè)上述模塊輸入為*，輸出分別為為y、z1、z2，則它完成的功能是：這樣兩路二進制信號經(jīng)并串轉(zhuǎn)換后，便完成了以下映射關(guān)系，也最終實現(xiàn)了4/2電平的轉(zhuǎn)換。表3-24/2電平映射關(guān)系表映射前數(shù)據(jù)電平/V-300-101110311上邊子系統(tǒng)中各點波形如下所示：圖3.124/2電平轉(zhuǎn)換中各點波形3.2.3并串轉(zhuǎn)換本系統(tǒng)中的并串轉(zhuǎn)換模塊由一個脈沖序列發(fā)生器和一個選擇器構(gòu)成。其中的脈沖序列發(fā)生器用來產(chǎn)生占空比為0.5的全一序列，而選擇器用來決定在哪一個時候輸出哪一路信號。它的參數(shù)設(shè)置如下：Switch：Criteriaforpassingfirstinput:u2>=ThresholdThreshold:0.5所以，當輸入脈沖序列為1時，選擇器輸出第一路信號；當輸入脈沖序列為0時，選擇器輸出第二路信號。這樣本次仿真經(jīng)并串轉(zhuǎn)換以后波形如圖3.13所示。圖3.13串并轉(zhuǎn)換輸出波形圖上圖中，一三兩行為4/2判決器的輸出，第二行為解調(diào)出的16QAM最終信號。3.2.4其它模塊除以上各模塊之外，解調(diào)階段還用到了包括眼圖、發(fā)散圖示波器和錯誤率統(tǒng)計等信宿模塊。圖3.14和3.15分別顯示了信道信噪比SNR為10dB時的16QAM信號星座圖和4/2判決之前的眼圖。圖3.1416QAM信號