课程设计（论文）-基于matlab的M-QAM通信系统的仿真.doc

1课程设计学生日志时间设计内容2011-6-28查阅关于M-QAM的相关资料以及与matlab的仿真原理2011-6-29设计总体方案2011-6-30用matlab对方案进行编程2011-7-1调试程序，并检查错误2011-7-2着手开始写设计报告2011-7-3完善设计报告2011-7-4答辩课程设计考勤表周星期一星期二星期三星期四星期五2课程设计评语表指导教师评语：成绩：指导教师：年月日3基于matlab的M-QAM通信系统的仿真一、设计目的和意义(1)通过仿真进一步掌握M-QAM调制及解调的原理；(2)学会用matlab编程对通信系统进行仿真；(3)学会用理论知识去分析结果。二、设计原理利用Matlab仿真软件，完成如图1所示的一个基本的数字通信系统。信号源产生0、1等概分布的随机信号，映射到16QAM的星座图上，同时一路信号已经被分成了I路和Q路，后边的处理建立在这两路信号的基础上。I路和Q路信号分别经过平方根升余弦滤波器，再加入高斯白噪声，然后通过匹配滤波器（平方根升余弦滤波器）。最后经过采样，判决，得到0、1信号，同原信号进行比较，给出16QAM数字系统的误码。产生0、1信号序列调制载频解调低通恢复0、1信号低通（匹配滤波）插值采样加噪声图1三、详细设计步骤随机信号的生成利用Matlab中自带的函数randsrc来产生0、1等概分布的随机信号。源代码如下所示：globalNN=300；globalpp=0.5；source=randsrc(1,N,1,0；p,1-p)；4星座图映射将等概分布的0、1信号映射到16QAM星座图上。每四个bit构成一个码子，具体实现的方法是，将输入的信号进行串并转换分成两路，分别叫做I路和Q路。再把每一路的信号分别按照两位格雷码的规则进行映射，这样实际上最终得到了四位格雷码。为了清楚说明，参看表1表1两位格雷码的映射规律两位0、1码映射后（按格雷码）00-301-1111103源代码如下所示：functiony1,y2=Qam_modulation(x)%QAM_modulation%对产生的二进制序列进行QAM调制%=首先进行串并转换，将原二进制序列转换成两路信号N=length(x)；a=1:2:N；y1=x(a)；y2=x(a+1)；%=分别对两路信号进行QPSK调制%=对两路信号分别进行24电平变换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；%=对两路信号分别进行相位调制a=1:N/4；y1=(y11*2-1-4)*1.*cos(2*pi*a)；y2=(y22*2-1-4)*1.*cos(2*pi*a)；%=按照格雷码的规则进行映射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插值为了能够模拟高斯白噪声的宽频谱特性，以及为了能够显示波形生成器（平方根升余弦滤波器）的效果，所以在原始信号中间添加一些0点。具体实现是分别在信号的I路和Q路中，任意相邻的两个码字之间添加7个0。源代码如下所示：functiony=insert_value(x,ratio)%=x是待插值的序列，ratio是插值的比例。%两路信号进行插值首先产生一个长度等于ratio倍原信号长度的零向量y=zeros(1,ratio*length(x)；再把原信号放在对应的位置a=1:ratio:length(y)；y(a)=x；波形成形（平方根升余弦滤波器）为了避免相邻传输信号之间的串扰，多元符号需要有合适的信号波形。图1中的方波是在本地数字信号处理时常见的波形，但在实际传输时这种方波并不合适。根据奈奎斯特第一准则，在实际通信系统中一般均使接收波形为升余弦滚降信号。这一过程由发送端的基带成形滤波器和接收端的匹配滤波器两个环节共同实现，因此每个环节均为平方根升余弦滚降滤波，两个环节合成就实现了一个升余弦滚降滤波。实现平方根升余弦滚降信号的过程称为“波形成形”，通过采用合适的滤波器对多元码流进行滤波实现，由于生成的是基带信号，因此这一过程又称“基带成形滤波”。平方根升余弦滤波器的冲激响应基带平方根升余弦滤波器具有以下定义的理论函数0)()|(2sin2121)(1)(21fHffffHfHNN)1(|)1(|)1()1(|fffffff当当当其中：221ssNRTf是奈奎斯特平率，是滚降系数。下面给出平方根升余弦滤波器的冲激响应曲线，如图2所示。6051015202530354045-0.100.10.20.30.40.50.6n(samples)Amplitude平方根升余弦滤波器的冲激响应图2平方根升余弦滤波器的冲激响应曲线从上图上不难看出来，平方根升余弦滤波器的冲激响应很显然的引入了符号间干扰（ISI）即它的冲激响应在相邻的抽样点上的值并不象升余弦滤波器那样恒为0。然而造成这一后果的原因在于，当我们引入平方根升余弦滤波器的时候，就是认为整个信道，也就是说，包括信号发送端的滤波器和信号接收端的滤波器，总体的效果是避免了符号间干扰（ISI），所以，单独看这每一个滤波器，勿庸置疑，它们都是存在着符号间干扰（ISI）的。经过平方根升余弦滤波器后源代码如下:%x1、x2是两路输入信号，fd是信号信息位的频率，fs是信号的采样频率functiony1,y2=rise_cos(x1,x2,fd,fs)%生成平方根升余弦滤波器yf,tf=rcosine(fd,fs,fir/sqrt)；%对两路信号进行滤波y1,to1=rcosflt(x1,fd,fs,filter/Fs,yf)；y2,to2=rcosflt(x2,fd,fs,filter/Fs,yf)；10倍载波调制将通过成形滤波器后的信号调制到10倍于原频率的载波上。由于在仿真的过程中，只能用离散的点来模拟连续信号，因而为了能够显示出一个正弦曲线，至少需要在一个正弦周期内采样到4个以上的点，这里，我们在一个周期内采10个点。假设最初的0、1信号的频率是1Hz，那么I路和Q路符号传输的频率是1/4Hz，而10倍频是建立在I路或Q路符号频率的基础上，也就是说，载频的频率是2.5Hz。按照前面的假设，那么7相邻两个采样点之间的时间间隔是0.04s。而一个完整周期内的正弦波形的幅值是相同的，都是对应的这个周期内的I路和Q路线性叠加，调制后的信号为，tftQtftItycc2sin)(2cos)()(其中，cf为载波频率。源代码如下:%载波调制%x1,x2代表两路输入信号，f是输入信号的频率，hf是载波的频率functiont,y=modulate_to_high(x1,x2,f,hf)%产生两个中间变量，用来存储插值后的输入信号yo1=zeros(1,length(x1)*hf/f*10)；yo2=zeros(1,length(x2)*hf/f*10)；n=1:length(yo1)；%对输入信号分别进行插值，相邻的两个点之间加入9个点，且这9个点的值同第0个点的值相同yo1(n)=x1(floor(n-1)/(hf/f*10)+1)；yo2(n)=x1(floor(n-1)/(hf/f*10)+1)；%生成输出输出信号的时间向量t=(1:length(yo1)/hf*f/10；%生成载波调制信号y=yo1.*cos(2*pi*hf*t)-yo2.*sin(2*pi*hf*t)；加入高斯白噪声将通过成形滤波器后的信号送到具有高斯白噪声特征的加性信道中，相当于在原信号上加入高斯白噪声。由于高斯白噪声加在了通过插值和滤波后的点上，因此在计算信噪比的时候存在一个信噪比换算的问题。当我们把仿真得到的误码率曲线同理论的误码率曲线相比较的时候，两者的信噪比的定义必须是一致的。一致包括两个方面，一是二者均为每bit符号上的信号功率和噪声功率的比值，另一个是信号的功率是指那些信息点上的平均功率，噪声也是指信息点上所对应的噪声的平均功率，但由于噪声的功率谱密度是一个定值，所以噪声的平均功率实际上就是噪声的功率谱密度。对于第二点，由于所有信号的平均功率和信息点上的信号的平均功率