mqam系统仿真及实现

南京理工大学紫金学院毕业设计说明书论文作者猫学号090404160系电子工程与光电技术系专业通信工程题目MQAM系统仿真及实现指导者姓名专业技术职务评阅者姓名专业技术职务2013年5月王靖副教授南京理工大学紫金学院毕业设计（论文）评语学生姓名猫班级、学号通信S班090404160题目MQAM系统仿真及实现综合成绩指导者评语指导者签字年月日毕业设计（论文）评语评阅者评语评阅者签字年月日答辩委员会（小组）评语答辩委员会（小组）负责人签字年月日毕业设计说明书（论文）中文摘要多进制正交幅度调制MQAM是一种高抗干扰能力的调制技术，适用于对抗干扰性能要求比较高的大容量数据通信和有线电视数据网。用户图形界面GUI是一种集成软件界面，用户可以在这个界面中添加各种控件，提供各种功能，把工程可视化和理论有效的结合在一起。本论文是基于MATLAB中的M函数来设计的MQAM系统在各种模拟信道中的调制与解调。通过MATLAB中的用户图形界面工具GUI分析来设计MQAM调制解调仿真系统。在输入不同的设定参数后，可以得到该系统不同的误码率，信噪比等仿真结果，并通过图形窗口显示出输入信号与输出信号的滤波器响应波形，眼图等仿真结果，很好的展现了MQAM通调制解调系统的性能。关键词多进制正交幅度调制抗干扰调制与解调MATLAB用户图形界面毕业设计说明书（论文）外文摘要TITLETHESIMULATIONANDIMPLEMENTATIONOFMQAMSYSTEMABSTRACTMULTIBANDORTHOGONALAMPLITUDEMODULATIONMQAMMODULATIONTECHNIQUEISAKINDOFHIGHANTIINTERFERENCEABILITY,APPLYTOTHELARGEVOLUMEOFJAMMINGPERFORMANCEREQUIREMENTSISHIGHDATACOMMUNICATIONANDDATANETWORKCABLETVGRAPHICALUSERINTERFACEGUIISANINTEGRATEDSOFTWAREINTERFACE,THEUSERCANADDTHEVARIOUSCONTROLSINTHISINTERFACE,OFFERSAVARIETYOFFUNCTIONS,THETHEORYOFENGINEERINGVISUALIZATIONANDEFFECTIVELYTOGETHERMOFTHISTHESISISBASEDONTHEMATLABFUNCTIONTODESIGNMQAMSYSTEMOFMODULATIONANDDEMODULATIONINALLKINDSOFANALOGCHANNELINTEGRATEDSOFTWAREMATLABGUIINTERFACETOOLSTOANALYZETHEDESIGNMQAMMODULATIONDEMODULATIONSYSTEMAFTERINPUTDIFFERENTSETTINGPARAMETERS,CANGETTHESYSTEMBITERRORRATE,SIGNALTONOISERATIO,ETCTHESIMULATIONRESULTS,ANDTHROUGHTHEGRAPHICALWINDOWSHOWSTHEINPUTSIGNALANDOUTPUTSIGNALOFTHEFILTERRESPONSEWAVEFORM,EYEDIAGRAM,ETCTHESIMULATIONRESULTS,AGOODSHOWFORMQAMMODULATIONDEMODULATIONSYSTEMPERFORMANCEKEYWORDSMULTIBANDORTHOGONALAMPLITUDEMODULATIONANTIJAMMINGMODULATIONANDDEMODULATIONMATLABGRAPHICALUSERINTERFACE目次1引言111数字调制技术发展的背景112国内外数字调制技术发展现状213本文的内容安排32多进制正交幅度调制与解调的原理521MQAM调制原理822MQAM系统的差错性能923MQAM解调原理1124MQAM系统星座图的设计1225MQAM系统与MPSK系统的比较1326本章小结143基于MATLAB系统MQAM系统的仿真及GUI的实现1531MATLAB的概述1532MQAM系统仿真原理1933MQAM的GUI用户图形界面2134MQAM系统在MATLAB软件中仿真实验结果2135本章小结26结论28致谢29参考文献301引言MQAMMULTIPLEQUADRATUREAMPLITUDEMODULATION多进制正交幅度调制是在中，大容量数字微波通信系统中大量使用的一种载波控制方式。11数字调制技术发展的背景为了满足不断增长的信道频带利用率的要求，到了20世纪五十年代末，人们设计出了二进制相移键控调制（2PSK），之后又提出了四进制相移键控调制（QPSK）。因为相移键控调制在码元的转换时刻上可能产生倒现象，也就是相位发生180跳变，导致高频频谱衰落变得缓慢，带外辐射带宽增大。它在一定程度上解决倒现象问题，也使包络起伏变小，但它在码元转换时刻上存在90的相位跳变，60年代人们以四进制相移键控为基础，提出了偏移相移键控。它是将正交分量的基带信号相对于同相分量的基带信号延迟了半个符号间隔，高频频谱衰落较慢的问题还是不能彻底解决。人们在70年代提出了最小频移键控调制MSK技术，利用相邻码元的相位变化通过在一个码元时刻内累积完成，解决了相位突跳问题。在1975年，人们提出了升余弦滚将即SFSK，相继还出现了高斯最小频移技术和交错正交频移技术1。二进制幅度调制2ASK的载波幅度随调制信号变化而变化，它的最简单形式是载波在二进制调制信号控制下通断。多进制MASK调制方式是一种比较高效地传输方式，但由于它的抗噪声能力差，尤其抗衰落能力弱，因此只适用于恒参信道。2FSK信号产生可分为频移键控法和模拟调频法。模拟调频法将二进制非归零矩形脉冲序列作为模拟基带信号的特例，用模拟调频实现数字频率调制。模拟调制法产生的2FSK信号波形在相邻的码元之间信号相位是连续的。键控频移法利用二进制非归零矩形脉冲序列的离散状态特性控制开关电路，选择两个独立的载波作为输出信号，使得0符号期间输出信号的频率为，1符号期F间输出的信号频率为，键控移频法产生的2FSK信号波形在相邻的码元之间相位通2F常是不连续的。模拟调相法利用法利用二进制不归零矩形脉冲信号与载波相乘，产生两种相位相反的载波码元即2PSK信号。他们之间的区别在于2DPSK信号需要先将绝对码转变为差分码。键控选相法将二进制不归零脉冲信号作为开关控制信号，根据基带信号的状态不同选择不同相位的载波输出，产生2PSK信号。多进制正交幅度调制MQAM具有高效率的频谱利用率和其能根据传输信道性能而改变调制解调阶数这种自适应能力。在当今追求可靠的高速数据传输的通信领域，尤其是第四代移动通信中备受重视。在MPSK调制系统中，当M值增大时，其星座图相邻坐标点的距离会减小，则噪声容限也会变小，就难以保证了系统的误码率要求。为了使噪声容限不随M值的变大而恶化，则必须要提高信号的发送功率，使功率利用率降低。人们通过研究发现MQAM的噪声容限并不随M值的增大而改变，所以提出了QAM体制。基于方形MQAM星座图上改进型的十字型MQAM星座图是组合和安排信号的不同的相位和振幅。多进制正交幅度调制MQAM拥有较高的频谱利用率，当M值较高时，信号矢量点分布的比较合理，易于实现1。通过实验数据分析，可以发现二进制频移键控调制2FSK和二进制相移键控调制2PSK/2DPSK都存在不足，比如频谱利用率比较低、功率频谱余弦滚将较慢、抗多径干扰能力较弱、带外辐射带宽比较大。从1928年奈奎斯特定理的提出到1937年瑞维斯发明脉冲编码调制PCM通信，通信技术已经从频分复用FDM发展到了时分复用TDM，由模拟通信发展到数字通信。为了满足通信系统的要求，人们设计了一系列不同的调制技术。多进制正交振幅调制MQAM则是此时提出的，它是一种在有线电视数据网，大容量数字通信系统中和卫星通信等系统中被广泛使用的调制技术，它最大的优点是频谱利用率比较高。为了满足通信系统的要求，人们设计了一系列不同的调制技术。多进制正交振幅调制MQAM则是此时提出的，它是一种在有线电视数据网，大容量数字通信系统中和卫星通信等系统中被广泛使用的调制技术，它最大的优点是频谱利用率比较高。12国内外数字调制技术发展现状利用数字通信，进一步提高了MQAM技术的抗干扰能力，但由于当时器件的限制，未能实现，极大地促进了通信技术的新的发展。随着数字通信的发展，传码率的提高使已调信号频带更宽。对于QAM技术随着它的阶数提高，频带利用率就会越高，且它携带的信息量就越大，但同时对解调技术要求也越高，而数字通信技术、集成电路设计技术及半导体制造技术的出现及发展使得在单芯片上实现高速QAM调制解调器成为可能。在通信系统中，高性能调制解调技术是保证高速数据传输的关键。随着移动通信领域中微蜂窝和微微蜂窝的出现，小区的半径越来越小，以致通信交换距离很短，收发机间的障碍较少。现在MQAM调制技术仍存在频繁的相位跳变问题，而相位跳变会产生较大的谐波分量，因此如果能够在保证QAM调制所需的相位区分度的前提下，尽量可能地减少或消除这种相位跳变就可以大大抑制谐波分量，从而进一步提高频谱利用率，高速QAM调制技术符合了这种条件，但是高速QAM调制解调的实现不仅需要稳定的高性能算法，而且还需要VLSI实现2，11。同其它调制方式类似，MQAM通过载波某些参数的变化传输信息。在MQAM中，数据信号由相互正交的两个载波的幅度变化表示。MQAM技术已经被广泛应用于高清数字电视广播、宽带接入网技术及数字微波传输等宽带通信领域。美国、韩国和日本三个数字有线电视标准都采用了MQAM调制方式，如DVBC；现代宽带接入技术中XDSL、LMDS、MMDS都采用了MQAM调制技术；星座图上每一个星座点对应发射信号集中的一个信号。MQAM调制技术类似于其他数字调制方式，可以用星座图来表示MQAM信号的发射集信号。可以用水平方向和垂直方向都等间距的正方网格来配置MQAM信号的星座点，当然这不是唯一的一种配置方式。通常用二进制来表示数字通信中的数据，所以在这种情况下星座点的个数一般都是2的幂。如果在星座图的发射能量一直恒定的情况下来增加星座点的个数，这样就造成相邻星座点之间相隔的间距变小，即噪声容限变小，因此信号的误码率会提高。所以高阶信号的星座图可靠性比低阶信号的星座图要差。人们主要研究的是围着怎样去降低数字信号的频带，提高抗多径衰落能力。数字微波传输LMDS、HFC网络也都采用了QAM调制方式。近几年来，随着数字技术的发展，现代CATV双向网、宽带接入网技术ADSL等也多采用MQAM调制方式3。13本文的内容安排本文主要研究的是基于MATLAB的MQAM系统仿真及实现，研究对象将使用不同的M值如16,64和256。模拟信道将选择高斯白噪声信道和瑞丽衰落信道，将观察仿真的眼图误码率等结果，展现MQAM系统的抗噪声性能。第1章将介绍MQAM技术发展的背景，国内外MQAM调制技术的发展现状和本论文的内容安排。第2章将详细的介绍MQAM技术调制和解调的原理，并给出MQAM的调制和解调框图，分析MQAM系统差错性能，将MQAM系统与MPSK调制系统进行对比。第3章将介绍MATLAB软件使用方法及，详细地介绍了M文件的编写方法和GUI用户图形界面设计步骤。对MQAM系统进行MATLAB实验仿真，得到了信号的眼图、星座图、误码率与比特率之间的关系曲线图和滤波器响应曲线图等实验结果，分析了MQAM调制解调系统的抗噪声性能。2多进制正交幅度调制与解调的原理调制从本质上说就是把基带信号的频谱从低频搬迁到适合传输的频带。调制借助的手段是正弦载波，它的表达式如下式所示。21COSTA调制就是把基带模拟信号加载在正弦载波的某些参数上，如振幅A，频率和C相位。分别对应的是调幅、调频和调相。调制还可以分为线性调制（幅度调制有AM调制，DSB调制,SSB调制和VSB调制等）和非线性调制（角度调制有FM调制和PM调制）线性调制信号中基带信号的频谱的基本形状不变或只发生线性的变化，当然频谱的位置也要搬迁到载频处；非线性调制信号中基带信号中频谱形状要发生非线性的很大的扭曲和改变，频谱的位置也将会被搬迁到载频处。调制在通信中有着十分重大的意义，日常生活中处处可见调制通信。例如，广播电视，移动通信和无绳电话等。调制的重要性调制是信道的要求，有些信道要求传输高频信号，低频信号会受到很大的衰减，不能通过，例如无线信道。调制是天线尺寸的要求，为了高效地通过天线向无线信道内辐射信号能量，并从空中接收微弱的无线信号，信号的波长应该与天线的尺寸相匹配。调制可以把信号搬移到高频，减少信号的波长。调制是频分复用的要求，各个用户的信号的频谱互不干扰，在接收方可以通过解调分离各个用户的信号。在当今的通信系统中，需要我们解决的困难不少，如果人们只拥有三种最基本的调制方法是不够的。再例如，无线蜂窝中的一个小区基站利用不同的载波传递不同的信号，不会相互干扰，也可以看作频分复用。总之，调制时采用频分复用方案的先决条件。常见的数字调制与模拟调制类似，都属于正弦调制。但是，由于数字基带信号具有状态离散的特点，因而决定了数字调制与模拟调制的实现方法有所不同。一般来说，数字调制技术可以分成两类一类是将数字基带信号作为模拟信号的特例，利用模拟调制技术实现数字调制，称为键控调制法；另一类则是利用数字基带信号离散取值的特点，控制开关电路，实现数字调制，称为键控调制法。日常生活中常见的广播电视，各个电台或电视台使用的是同一个无线信道，之所以不会相互干扰，就是因为各个电台或电视台的信号被调制到不同的频带上，频谱不会交叠干扰。模拟调制法适合于调制速率不高的场合，而键控调制法一般用数字电路来实现，具有调制速度快，性能可靠，调制测试方便等优点，适合与高速数据传输，也适合于高速数据调制，因而在通信系统中得到广泛应用。数字带通信号的解调方式通常分为非相干解调，如图21所示，相干解调，如图22所示，相关解调。非相干解调具有最佳的抗噪声性能，是一种最佳解调方式，对应的接收机称为最佳接收机。根据实现的方法不同，相关解调又分为同步相关解调和匹配滤波器相关解调。带通滤波器鉴频器/检波器低通滤波器STMT图21相干解调低通滤波器STMT图22非相干解调数字调制的基础是二进制幅度调制2ASK，二进制频移键控调制2FSK和二进制相移调制2PSK，但是以上的三种最基本的键控调制方式都有不足的地方。多年来人们不断设计出新的调制解调技术，就是为了解决这些问题。人们主要研究的是围着怎样去降低数字信号的频带，提高抗多径衰落能力。数字微波传输LMDS、HFC网络也都采用了MQAM调制方式。近几年来，随着数字技术的发展，现代CATV双向网、宽带接入网技术ADSL等也多采用MQAM调制方式。当容量较大和距离较远的通信技术的发展，现在出现了新的问题，这个主要的问题就是主要是信道有带宽限制。人们最终研究出了多进制正交幅度调制MQAM就是可以满足在有限信道带快中传输的数字传输技术。调制与解调技术是无线通信系统中的最重要的技术，通信系统的性能受调制与解调技术的影响非常大。因此在选择所用的调制方式是否合适时要考虑该调制方式是否适合所用的通信系统的特性。根据所输入的信号不同可以把调制技术分为模拟调制技术和数字调制技术两个方面，早期的模拟调制技术包括幅度调制AM、双边带幅度调制DSB、单边带幅度调制SSB、残余边带幅度调制VSB和角度调制FM。模拟调制技术的抗干扰能力比较差，并且频道的复用能力比较低，所以很少在通信系统中被采用，数字调制方式可以分为多进制幅移键控MASK、多进制频移键控MFSK和多进制相移键控MPSK。多进制正交幅度调制MQAM、高斯频移键控GMSK正交频分复用OFDM调制方式在恒参信道中频谱利用率较高。正交幅度调制被广泛应用于有线电视网络高速数据传输和大容量数据通信等领域中，正交频分复用OFDM被广泛应用在清晰度较高的数字电视广播系统和无线宽带接入系统等领域中。在数字化时代巨大信息量传输的迫切需求下，各种现代调制解调技术都在追求可靠的高速数据传输。数字通信技术的发展使得电信网、广播电视网和计算机互联网出相互融合的趋势。正交频分复用是一种特殊的多载波传输方式在OFDM中，子载波之间相互正交，调制信号频谱相互混叠，接收端根据子载波之间的正交性，实现信号的解调。理论上讲OFDM频分复用技术和多进制幅度调制与解调系统是第四代移动通信系统的核心技术的一个主要备选方案4。此外，随着自适应识别调制技术与解调技术的发展，自适应调制技术与解调技术也将成为第四代移动通信调制技术的研究重点领域。自适应调制技术与解调技术的主要调制与解调方式是通过其检测出无线信道传播条件是否发生变化后再根据其特性来相应地调整数据的传输速率和相应地调制与解调方式，可以足够的发挥出频谱的全部效率4,12。高斯最小移频键控GMSK具有抗多径衰落性能，带外功率辐射小等特点，分别在二代和第三代移动通信中得到了较为广泛的使用。如果要把所有的通信方面的应用，全部运用在一致的通信系统中，则必须合理分配频带的资源，提高信号的频谱利用率，因此如今的研究热点已转移到了数据宽带通信上面。因此人们不断地设计开发出调制与解调技术来满足通信系统的需求4。MQAM调制方式是一种高效的频谱调制方式，同时进行了幅度和相位的调制。由于任何一种数字幅相调制信号都可以用星座图唯一表示，因此利用这种关系，基于星座图唯一表示，因此利用这种关系，基于星座图聚类的方法成为了数字幅相调制信号识别的重要方法之一。MQAM信号由于其较高的频谱效率，在卫星和微波通信中得到了广泛应用。MQAM调制技术是一种频带利用率较高的调制技术，在移动通信系统中使用，在一定程度上将会减缓移动通信频带资源紧张的情况。但是，MQAM调制抗干扰性能较差等缺点，又限制了它的应用。因此，研究一种可行的MQAM调制方案，以应用于无线移动通信系统是很有必要。21MQAM调制原理MQAM信号由2个独立的基带波形对2个相互正交的同频载波进行调制而构成，利用其在同一带宽内频谱正交的性质来实现两路并行的数字信息传输。其数学表达式为2200COS2SIN2MCMSTTIITTITTTGFGFUAA式中，、是一组幅度电平，是将比特序列映射到信号的幅度得到的，CSM1,2,M,M是信号电平数；是脉冲成型滤波器。TTIG同时调制后的信号经信道传输，由于信道的非理想特性，MQAM信号会发生频率选择性衰减/码间干扰、相位旋转以及受各种噪声的影响，这部分影响都包含在信道模型中。数字通信中数据采用二进制数表示，星座点的个数是2的幂。常见的MQAM形式有16QAM、64QAM、256QAM等。星座的点数越多，符号能够传输的数据量就越大。但是，如果在星座图的平均能量保持不变的情况下增加星座点，基于星座图聚类的方法成为了数字幅相调制信号识别的重要方法之一。会使星座点之间的距离变小，进而导致误码率上升。因此高阶星座图的可靠性比低阶要差5。串并转换单元、IQ分路单元及调制混频器组成了MQAM系统的调制器。将串行数据转换成并行数据是通过串并转换完成的IQ分路主要的作用是检测调制的要求，调制混频器的作用是把I、Q两路信号混频及合成，最终形成调制信号输出6。MQAM的调制方式有两种正交调幅法和复合相移法。调制的步骤如下1将输入的二进制信息符号每K比特分为一组。2将相邻的两组经过串/并转换组成一个信息点（，），为同相分量，NABN为正交分量。NB3根据信号星座图，如图23所示，将信息点（，）的同相分量和正交分N量分别映射成L电平的双极性非归零波形。图2316QAM的星座图4由正交调制器产生两个正交的调幅信号，相加后得到MQAM信号。下面仍以16QAM为例做详细的介绍。假定二进制信息序列为1000,0101,0001,1001,0110。，K2，24LM所以有如下调制步骤首先将接收到的信号按每两比特分为一组，将会得到如下的信号序列10,00,01,01,00,01,10,01,01,10。其次将以上的信号点进行串/并转换。然后根据信号的信息点映射成四电平双极性信号。最后由正交调制产生16QAM信号。MQAM调制器的框图如图24所示调制混频单元IQ串并转换IQ分路脉冲形成脉冲形成COSTSINT数据输入调制输入图24MQAM调制器的框图22MQAM系统的差错性能MQAM信号经高斯白噪声信道后，接收信号为23YTXNT经过相关接收后，同相支路和正交支路的相关解调输出分别为（24）01110SNTYTDTAE（25）02220SNTYTDTBE对于下的矩形信号的星座图来说，MQAM系统星座图与正交载波上两个2KMASK信号是相同的，这两个的每一个中信号上都包括个信息点。由于正交/2KM分量上的信号的相位可以被相干判决时刻很好的分解，所以QAM的误码率容易被PAM确定，。MQAM系统判决的概率是2621MCP式中是制PAM系统的误码率，此PAM具有与QAM系统等价的是QAM一个正MP交信号一半的功率。通过适当改变PAM系统的误码率M值，可以得到2702131AVMPQEN上式是每个信号的平均的信噪比。所以MQAM的误码率为0AVEN281MP因此可以得到，当K为偶数，且M2K时，这个结果是精确的，但当K为奇数，就找不到与之等价的进制的PAM系统。如果使用最佳距离来度量进行抽样判决，可以得到任意K1数值的误码率的上限。假定信号状态等概率分布，则相关解调的MASK信号的差错率是这1/IPX样计算的290EEERFCMN因为信号可以等效为两路独立的MASK信号之和，所以，MQAM信号的正确接收概率为（210）21EP因此得到MQAM信号的符号差错概率为211EMQAE式中，E是MQAM信号的最小能量。假如把发送的数字基带信号通过信道和信号的接收滤波器，若条件为无码间串扰，信号在“1”码抽样时刻上有正最大值，用A表示；信号在“0”码抽样时刻有负最大值，用A来表示，或者为0值，接收端的噪声是高斯白噪声，单边功率谱的密度为N0W/HZ,抽样判决的最佳门限设定为A/2，或者设定为0，通过数学计算可得等概时两种误码率的数学表示式为21212ENARFCP（213）ENF式中，为噪声功率，是余弦误差函数，它存在递减性，假如通过功20NBRFCX率噪声比来表示上式可得下式21412ERFCP215EF其中单极性码的信噪比为，对双极性码的信噪比为。2NA2NA23MQAM解调原理在信道为高斯白噪声时，MQAM信号的最佳解调法如图25所示。并串转换多电平转换多电平判决LPFLPF载波恢复定时恢复L到2电平的转换L到2电平的转换图25MQAM信号的信号框图把接收到的信号通过正交相干解调法解调，将接收的信号分成两路，一路与COS相乘，另一路与SIN相乘。然后再经过低通滤波器来滤除掉乘法器产生出CTCT的高频分量，获得原先的信号。低通滤波器输出可以通过抽样判决恢复出原电平信号。然后再经过并/串变换得到原数据。矩形MQAM信号最佳接收的误码率与MASK的性能一样。把MQAM与MPSK和MASK进行对比，可以得到如下的结论三者的频带利用率都一样，如果设定条件为相同的信噪比，MPSK和MQAM的误码率都比MASK小；并且在M8的条件下，MQAM的误码率小于MPSK的误码率。24MQAM系统星座图的设计以16QAM为例，16QAM的方形星座图如图26所示，16QAM的星形星座图如图27所示3，1，13，13，3，1，1，13，3，3，1，0614，0612，2610，4610，0612，0614，4610，图2616QAM方形星座图图2716QAM星形星座图方形星座图的抗高斯白噪声的能力是最强的，最适和在高斯白噪声信道中传输应用。但是，方形星座图却在抗相位抖动这种能力上不如星形星座图，并且它在抗非线性失真能力上也不如星形星座图，方形星座图则不如星形星座图，这是因为它最小的相位偏移MIN是最小的，且峰值均值比都比星形星座图大。矩形MQAM信号最佳接收的误码率与MASK的性能一样。所以，星形星座图更适合在瑞利衰落的无线信道中应用。另外，还可以得到，星形星座图仅是重新安排方形星座图内星座点，就可获得约为217DB20LOGM的性能增益，而且它的抗非线性失真能力也会提高当条件为1134时，MQAM星座的最小欧式距离大于MPSK星座的最小欧式距离。例如，对于16PSK来说，最小欧式距离为21616MIN2SIN03916PSKAAD21716I47PS如果以平均功率的相等的条件下，比较MQAM和MPSK的星座最小距离，则MQAM信号的最大功率和平均功率比为2/1MQALI最大功率平均功率（218）对于16QAM来说，L4，18。而MPSK为恒定的幅度信号，平均功率等于MQA最大功率，所以，1。这样在平均功率相等的条件下，16QAM星座的最小欧式QA距离超过16PSK约419DB。因此，在平均发送功率相等的条件下，MQAM系统抗干扰能力大于MPSK系统。一般MPSK系统中，M16，而MQAM系统中M值通常很大，在实际应用中，已有1024QAM，基带调制信号的电平数达L32，即有32个电平。需要指出在MQAM系统中，当N为偶数，MQAM星座为方阵；当N为2M奇数时，通常采用十字图形。按照下列步骤构造十字图形。1先给出每个符号对应与N1比特的QAM正方形星座图。2通过在各边增加个符号，拓展QAM正方形星座图。32N3拓展时，忽略正方形的四个角9。26本章小结本章首先介绍了MQAM系统的调制原理，然后研究了其误码率的性能。其次，本章对MQAM的解调原理进行了分析，并分析了MQAM系统星座图的设计过程，并将星形和方形星座图性能进行了对比。最后，将MQAM系统性能与MPSK系统性能进行了对比。3基于MATLAB系统MQAM系统的仿真及GUI的实现31MATLAB的概述MATLAB是MATRIXLABORATORY矩形实验室的简称，是以线性代数软件包LINPACK和特征值计算软件EISPACK中的子程序为基础发展起来，运用于科学计算和数据可试化的开放型高级编程语言，其主要优点在很多方面（1）拥有交互式的程序开发环境，用户可以直接在窗口中修改程序，使程序的编写和执行同步进行。（2）运用符合人们思维习惯和数学表达方式的程序设计语言。（3）提供了丰富的函数工具箱，用户仅调用简单的函数指令，就可以执行操作。（4）提供了丰富的图形及动画来对计算机结果进行可视化显示，给用户直观的认识。（5）所有数值对象都默认以双精度类型数组存储，无需用户进行数据类型的声明和转换。311MATLAB的历史进程在二十世纪七十年代，CLEVEMOLER博士和同事开发了一个FORTRAN子程序，调用EISPACK和LINPACK。其中，EISPACK是特征值求解的程序库，LINPACK是线性方程的数据库。在70年代后期，CLEVEMOLER编写了EISPACK和LINPACK的接口程序，并给这个接口程序取名为MATLAB10。在1983年，人们察觉到MATLAB在工程领域的前景，人们用C语言开发了第二代MATLAB，并成立了MATHWORKS公司。这个版本的MATLAB语言具备了数值计算和数据图示化的功能。同时，该公司在同年推出了第一个商业版本的MATLAB。在二十世纪九十年代初，MATHWORKS公司推出了MATLAB的4X版本，1992年推出了MATLAB的40版本，并于1993年推出微机版，可以在WINDOWS系统中正常使用，使得软件的范围逐渐扩大。在二十世纪九十年代后期，MATHWORKS公司继续推出了MATLAB的5X版本。MATLAB50版可以处理更多的数据结构，如数据结构体，多维矩阵，对象之类等，使其成为更为方便编程语言。1999年初推出的MATLAB53版本则进一步改进了MATLAB语言的功能。在2000年10月底，MATHWORKS公司推出了MATLAB的60版本，在数值算法，界面设计和外部接口等诸多方面有了极大的改进。同时，该公司在2003年推出了MATLAB65版本。这个版本较之前的版本有了长足的长进，MATLAB65采用最新的JIT加速技术，提供更快的执行速度。同时，该版本附带的SIMULINKR5创造出完整的嵌入式系统设计环境。同时，开发者可以在单一的环境下完成工程，并且可以自动选择算法及应用程序转换成C程序代码。该版本在通信工程领域中应用仍然十分广泛13。在2004年，MATHWORKS公司推出了MATLAB的70版本，在界面和功能上都有质的飞跃。软件的用户可同时地打开多个图形的窗口，用户还可以自由地设定出自己喜欢的桌面环境，用户还能自由制定常用的快捷键；同时，它支持函数的嵌套，有条件的中断，单行函数可以通过匿名函数来定义，它还提供了新的绘图界面，用户可以不输入M代码而直接在界面窗口中创建编辑及图形，同时可以直接从图形窗口中创建对应的M代码文件。MATLAB710如图31所示。图31MATLAB710用户界面312MATLAB的语言特点通常把MATLAB语言称作为第四代计算机的语言，其拥有大量而全的函数的资源，编程人员因为它的出现也因此轻松了不少。MATLAB最突出的优点即是简单直观，它给用户的感觉就是直观和简单干净的程序的开发环境14。它的语言紧凑，使用方便灵活，库函数极其丰富。MATLAB程序书写形式自由，由于库函数都有本领域的专家编写，用户不必担心函数的可靠性。MATLAB的M文件创建窗口如图32所示。图32M文件创建窗口命令窗口是MATLAB中最重要的窗口，也是用户进行MATLAB操作使用最为频繁的窗口，在命令窗口中，用户可以输入各种指令，函数和表达式等，并显示除图形外一切运行结果。当MATLAB启动时，命令窗口都会提示用户可以参考帮助系统和演示文档，如图33所示。图33命令窗口显示帮助系统313用户图形界面GUI的设计用户界面简称GUI，表示集成软件界面。用户可以在这个界面中添加各种控件，提供各种功能。创建GUI的基本步骤（1）审视GUI的设计任务，GUI的设计目的是提供给用户使用，此步骤就是要明确GUI的功能，确定用户在GUI中需要什么样的操作。此步是需要设计者周密考虑的一步，如果在设计过程中，又有额外的灵感或需要添加更多的功能，则设计者需要重新审视GUI的设计目的。（2）绘出GUI布局草图，帮助设计者对于GUI的大致布局有一个基本了解和规范。对于层次比较高的设计者，此不可以省略。（3）使用UI对象开始设计，根据第二步构思出的草图，设计者可以运用合适的用户图形界面对象在MATLAB中编写文件，或者在MATLAB的图形界面开发环境中进行具体设计。（4）创建回调代码（CALLBACKCODE），回调码用于与用户进行交互，回调代码通常与创建GUI的代码存储于一个文件中。（5）验证和调式GUI，与一般程序设计的最终步骤类似。通过使用MATLAB提供的GUI开发环境，GUIDE来创建GUI，只要用户直接用鼠标把需要的对象拖到目的位置，就完成了GUI的布局设计，除此以外，此种方法在对M文件保管也比较人性化，允许设计者在需要修改设计时，快速找到相对应的内容。使用GUIDE创建GUI，简便高效，且GUIDE将用户设计完成的GUI存储在一个FIG文件中，同时自动生成包含GUI初始化和GUI界面布局设置代码的M文件。在GUIDE中创建GUI如图34所示。FIG文件，二进制文件，用以保存图形窗口所有对象属性，用户在完成GUI的设计，保存图形窗口后，MATLAB自动生成该文件。当用户再次打开图形窗口时系统将按照FIG文件中保存的对象属性，构成图形窗口。M文件被用于存储GUI的初始过程和回调函数这两部分，并不包含用户编写的代码。用户根据具体的交互操作来分别调用控键的各种回调函数14。在MATLAB中启动GUIDE。单击MATLAB工具栏中的图标，或在MATLAB命令窗口中输入代码即可，在GUIDE中创建GUI如图34所示。图34创建GUI32MQAM系统仿真原理MQAM系统信号在MATLAB系统中仿真原理可以大致阐述为以下几个阶段，首先，以16QAM为例，调制阶段，它的信号可以通过载波的四种不同的电平表示出来。开始将输入的二进制信号按每两比特分为一组，将相邻的两组进行串并转换，组成一个个二维的信息点，将每个信息点映射成4电平的双极性非归零波形，将上下两支路相加后即可得到16QAM信号。如图35所示。串并转换电平映射成形滤波电平映射成形滤波载波发生器90度相移XX基带信号XINQNCOSWTSINWT已调信号Y图3516QAM调制框图将产生的16QAM信号通过事先模拟出来的高斯白噪声信道或瑞丽衰落信道，再通过图形后即在解调器的接收端记录下接收信号的眼图，余弦滚将衰落图。MQAM信号经高斯白噪声信道后，接收信号为31YTXNT经过相关接收后，同相支路和正交支路的相关解调输出分别为（32）01110SNTYTDTAE（33）02220SNTYTDTBE对于下的矩形信号的星座图来说，MQAM系统星座图与正交载波上两个2KMASK信号是相同的，这两个的每一个中信号上都包括个信息点。由于正交/2KM分量上的信号的相位可以被相干判决时刻很好的分解，所以QAM的误码率容易被PAM确定，。MQAM系统判决的概率是3421MCP式中是制PAM系统的误码率，此PAM具有与QAM系统等价的是QAM一个正MP交信号一半的功率。通过适当改变PAM系统的误码率M值，可以得到3502131AVMPQEN上式是每个信号的平均的信噪比。所以MQAM的误码率为0AVEN361MMP因此可以得到，当K为偶数，且M2K时，这个结果是精确的，但当K为奇数，就找不到与之等价的进制的PAM系统。如果使用最佳距离来度量进行抽样判决，可以得到任意K1数值的误码率的上限。16QAM的解调框图如图36所示。EPF恢复信号X时钟恢复LPF并串转换抽样判决XX载波恢复90度相移COSWTSINWT已调信号YQNINLPF抽样判决图3616QAM解调框图33MQAM的GUI用户图形界面通过M文件的编写，GUI用户图形的设计，最终设计出了如图37的用户图形界面。图37MQAM用户图形界面信号的比特率可以选择12KBPS，96KBPS，192KBPS。调制类型可以自由选择以下这几个参数，16QAM，64QAM，256QAM。输入信号的余弦滚将系数可设定为0,025,05,075,1。输入信号的信噪比可以设定为以下几个参数0,5,10,15,20,25。信道可以自由选择高斯白噪声信道或瑞丽衰落信道。当所有数据都输进去之后，按提交键，右侧总比特数，错误比特数，误码率就会出相应的结果，再点击滤波器响应，星座图和眼图键，就会得到相应的波形，若觉得所测得的数据不准确，可以点重新开始按钮，重新运行一次系统，当实验结束时，点关闭按钮。34MQAM系统在MATLAB软件中仿真实验结果在用户图形界面选择设定的实验参数点击提交后会得到不一样的结果，下面几小节讨论设定不同的参数出现的波形图的变化。341高斯白噪声信道输入比特率为12KBPS，调制方式为16QAM，滚将系数为025，信噪比为10，选定信道为高斯白噪声信道，可以得到用户图形界面如图38所示。可以看到此时的总比特数为24。错误比特数为4，误码率为0166667。图38设定参数后用户界面图点击滤波器响应键控，可以得到以下结果。0510152025303540020020406交交交交交交交交交交交交交交交交/交交交图39调制器的脉冲滤波器响应调制器的脉冲滤波器响应如图39所示，横坐标为取样的样本数，纵坐标为取样脉冲的振幅。解调器的脉冲滤波器响应如图310所示。0510152025303540020020406交交交交交交交交交交交交交交交交图310解调器的脉冲滤波器响应点击星座图控键，可得发送信号的星座图如图311所示，接收信号的星座图如图312所示。3210123202TX交交交交交V交交V图311发送信号的星座图3210123202RX交交交交交V交交V图312接收信号的星座图可以发现发送信号和接收信号的星座图有较为明显的区别。点击眼图控键，可得，同相，正交调制器输入信号的眼图如图313所示。可以得到正交调制器输出信号的眼图，同相调制器输出信号的眼图如图314所示。可以观察到不管是同相调制还是正交调制，输出信号的眼图可以较为清晰地看到一只睁大的眼睛，线条也比较细，而输入信号的眼图线条杂乱无章，显示出了，高斯白噪声信道对信号的影响，经过MQAM调制，眼图变得清晰说明输出信号的信噪比要大于输入信号的信噪比，也就是说，信号通过MQAM调制后，误码率降低。信噪比有了增益。050053210123交交交交交交交交交交交交交交交交050053210123交交交交交交交交交交交交交交交交图313同相，正交调制器输入信号的眼图0500521012交交交交交交交交交交交交交交交交0500521012交交交交交交交交交交交交交交交交图314同相，正交解调器的输出信号342瑞丽衰落信道输入比特率为192KBPS，调制方式为256QAM，滚将系数为075，信噪比为25，选定信道为瑞丽衰落信道。可以得到此时的总比特数为384，错误比特数为148