课程设计1正交幅度调制(qam)的设计与仿真

课程设计I设计说明书正交幅度调制（QAM）的设计与仿真学生姓名学号班级成绩指导教师数学与计算机科学学院2014年9月12日课程设计任务书20142015学年第1学期课程设计名称课程设计I课程设计题目正交幅度调制（QAM）的设计与仿真完成期限自2014年9月1日至2014年9月12日共2周设计内容1任务说明设计一种数字频带调制解调系统。使用MATLAB/SIMULINK仿真软件，设计一个选择的数字频带传输系统中的调制与解调系统。用示波器观察调制前后的信号波形；用频谱分析模块观察调制前后信号频谱的变化；用误码测试模块测量误码率；最后根据运行结果和波形来分析该系统性能。2要求（1）设计出规定的数字通信系统的结构，包括信源，调制，发送滤波器模块，信道，接受滤波器模块以及信宿；（2）根据通信原理，设计出各个模块的参数（例如码速率，滤波器的截止频率等）；（3）熟悉MATLAB环境下的SIMULINK仿真平台，用MATLAB/SIMULINK实现该数字通信系统；（4）观察仿真并进行波形分析（波形图、眼图和频谱图等）；（5）用示波器观察调制与解调各个阶段的波形图，并给出波形的解释说明；（6）在老师的指导下，要求独立完成课程设计的全部内容，并按要求书写课程设计说明书，能正确阐述和分析设计和设计结果。3参考资料1邵玉斌MATLAB/SIMULINK通信系统建模与仿真实例分析北京清华大学出版社,20082张化光,刘鑫蕊,孙秋野MATLAB/SIMULINK实用教程北京人民邮电出版社,20093樊昌信,曹丽娜通信原理北京国防工业出版社,20084刘卫国MATLAB程序设计教程北京中国水利水电出版社,2005指导教师教研室负责人课程设计评阅评语指导教师签名年月日摘要正交幅度调制技术QAM是一种功率和带宽相对高效的信道调制技术,因此在自适应信道调制技术中得到了较多应用利用MATLAB/SIMULINK对QAM调制系统进行仿真,并给出了16QAM在加性高斯白噪声条件下的误码率。实验及仿真的结果证明，多进制正交幅度调制解调易于实现，且性能良好，是未来通信技术的主要研究方向之一，并有广阔的应用前景。关键词正交幅度调制系统；MATLAB；仿真目录1课题描述12多进制正交幅度（MQAM）调制及相干解调原理框图73基于MATLAB的多进制正交幅度（MQAM）调制及相干解调设计与仿真84仿真结果及分析155总结与体会19参考文献201课题描述11正交幅度调制技术正交振幅调制（QUADRATUREAMPLITUDEMODULATION,QAM）是一种振幅和相位联合键控。虽然MPSK和MDPSK等相移键控的带宽和功率方面都具有优势，即带宽占用小和比特噪声比要求低。但是由图11可见，在MPSK体制中，随着图118PSK信号相位M的增大，相邻相位的距离逐渐减小，使噪声容限随之减小，误码率难于保证。为了改善在M大时的噪声容限，发展出了QAM体制。在QAM体制中，信号的振幅和相位作为两个独立的参量同时受到调制。这种信号的一个码元可以表示为（11）0COSKKKSTATTTKT式中K整数；和分别可以取多个离散值。K式（11）可以展开为（12）00COSSINKKKKKSTATAT令XKAKCOSK，YKAKSINK则式（11）变为（13）00COSSINKKKSTXTYT和也是可以取多个离散的变量。从式（13）看出，可以看作是两个正交的振KXYKT幅键控信号之和。在式（11）中，若K值仅可以取/4和/4，AK值仅可以取A和A，则此QAM信8/58/3/78/9/18/13号就成为QPSK信号，如图12所示图124QAM信号矢量图所以，QPSK信号就是一种最简单的QAM信号。有代表性的QAM信号是16进制的，记为16QAM，它的矢量图示于下图中AK图1316QAM信号矢量图图中用黑点表示每个码元的位置，并且示出它是由两个正交矢量合成的。类似地，有64QAM和256QAM等QAM信号，如图14、图15所示。它们总称为MQAM调制。由于从其矢量图看像是星座，故又称星座调制。图1464QAM信号矢量图图15256QAM信号矢量图16QAM信号的产生方法主要有两种。第一种是正交调幅法，即用两路独立的正交4ASK信号叠加，形成16QAM信号，如图16所示。第二种方法是复合相AM图16正交调幅法法，它移用两路独立的QPSK信号叠加，形成16QAM信号，如图17所示。图中AMAM图17复合相移法虚线大圆上的4个大黑点表示一个QPSK信号矢量的位置。在这4个位置上可以叠加上第二个QPSK矢量，后者的位置用虚线小圆上的4个小黑点表示。12QAM调制解调原理121QAM调制正交幅度调制QAM是数字通信中一种经常利用的数字调制技术，尤其是多进制QAM具有很高的频带利用率，在通信业务日益增多使得频带利用率成为主要矛盾的情况下，正交幅度调制方式是一种比较好的选择。正交幅度调制（QAM）信号采用了两个正交载波，每一个载波都被TFTFCC2SINO、一个独立的信息比特序列所调制。发送信号波形如图121所示,I2COSTFTGATFTGATUCTMSCTMMM,1图121M16QAM信号星座图式中和是电平集合，这些电平是通过将K比特序列映射为信号振幅而获MCAS得的。例如一个16位正交幅度调制信号的星座图如下图所示，该星座是通过用M4PAM信号对每个正交载波进行振幅调制得到的。利用PAM分别调制两个正交载波可得到矩形信号星座。QAM可以看成是振幅调制和相位调制的结合。因此发送的QAM信号波形可表示为,2COSNCTMNTFTGATU,211MM,2N如果那么QAM方法就可以达到以符号速率同时发,21KM,2K1KRB送个二进制数据。图122给出了QAM调制器的框图。1LK图122QAM调制器框图122QAM的解调和判决假设在信号传输中存在载波相位偏移和加性高斯噪声。因此RT可以表示为2SIN2COSTNFTGAFTGATRCTMSCTM其中是载波相位偏移，且TFTFTNTCSCC将接收信号与下述两个相移函数进行相关2O1TFTGTCTSI2如图123所示，相关器的输出抽样后输入判决器。使用图122中所示的锁相环估算接收信号的载波相位偏移，相移和对该相位偏移进行补偿。1T2T图123QAM信号的解调和判决假设图中所示的时钟与接收信号同步，以使相关器的输出在适当的时刻及时被抽样。在这些条件下两个相关器的输出分别为SINCO1MNARI2其中DTGTNTTCC210SS噪声分量是均值为0，方差为的互不相关的高斯随机变量。0N最佳判决器计算距离量度2,MSRDM,2113QAM的误码率性能矩形QAM信号星座最突出的优点就是容易产生PAM信号可直接加到两个正交载波相位上，此外它们还便于解调。对于下的矩形信号星座图（K为偶数），QAM信号星座图与正交载波上的两个2MPAM信号是等价的，这两个信号中的每一个上都有个信号点。因为相位正交分2/K量上的信号能被相干判决极好的分离，所以易于通过PAM的误码率确定QAM的误码率。M进制QAM系统正确判决的概率是。PMC12式中是进制PAM系统的误码率，该PAM系统具有等价QAM系统的每一个正P交信号中的一半平均功率。通过适当调整M进制PAM系统的误码率，可得O/1/3/2AVNQEM式中是每个符号的平均信噪比。因此，因此M进制QAM的误码率为/NOEAVM1可以注意到，当K为偶数时，这个结果对情形时精确的，而当K为奇数时，2K就找不到等价的进制PAM系统。如果使用最佳距离量度进行判决的最佳判决器，可以求出任意K1误码率的的严格上限。05YNI3ONESSIZEI33一位四进制码元转换为两位二进制码元T00011110NLENGTHYNFORI1NXNI,TYNI1,ENDXNXNXNXNXNXN37误码率曲线误码率代码如下NUMOFERR0FORI1NIFY_OUTPUTIINFOI,NUMOFERRNUMOFERR1ENDENDPEJNUMOFERR/N统计误码率ENDFIGURESEMILOGYSNR_IN_DB,PE,REDGRIDONXLABELSNRINDBYLABELPETITLE16QAM调制在不同信道噪声强度下的误码率3816QAM载波调制信号在AWGN信道下的性能16QAM载波调制信号在AWGN信道下的性能代码如下CLEARALLNSYMBOL100000每种信噪比下的发送符号数M1616QAMGRAYCODE0132457612131514891110GRAY编码规则ESN0520信噪比，ES/N0SNR110ESN0/10信噪比转换为线性值MSGRANDINT1,NSYMBOL,M消息数据MSG1GRAYCODEMSG1GRAY映射MSGMODQAMMODMSG1,M基带16QAM调制SPOWNORMMSGMOD2/NSYMBOL求每个符号的平均功率FORINDX1LENGTHESN0SIGMASQRTSPOW/2SNR1INDX根据符号功率求噪声功率RXMSGMODSIGMARANDN1,LENGTHMSGMODJRANDN1,LENGTHMSGMODYQAMDEMODRX,MDECMSGGRAYCODEY1ERR,BERINDXBITERRMSG,DECMSG,LOG2M误比特率ERR,SERINDXSYMERRMSG,DECMSG误符号率ENDP4211/SQRTMQFUNCSQRT3SNR1/M1SER111P42理论误符号率BER11/LOG2MSER1理论误比特率SEMILOGYESN0,BER,KO,ESN0,SER,K,ESN0,SER1,ESN0,BER1,KTITLE16QAM载波调制信号在AWGN信道下的性能XLABELES/N0YLABEL误比特率和误符号率LEGEND误比特率,误符号率,理论误符号率,理论误比特率4仿真结果及分析05101520253035080604020020406下下下下INRED,QNGREEN图41已调信号图形02468101214168075706560555045403530下下下下下下F/FB图42已调信号频谱1510500511515105005115下下下图4316QAM星座图810121416182022104103102101100SNRINDBPE16QAM下下下下下下下下下下下下下下下下图4416QAM调制在不同信道噪声强度下的误码率510152010610510410310210110016QAM下下下下下下下AWGN下下下下下下ES/N0下下下下下下下下下下下下下下下下下下下下下下下下下下下下下图4516QAM载波调制信号在AWGN信道下的性能由图四图五可看到当信噪比小的情况下，仿真曲线和理论曲线差距略大，而随着信噪比的增大，仿真曲线越来越逼进理论曲线。在同样信噪比时，误符号率比误比特率（误码率）要大。简单分析不难看出，由于理论误码率曲线是建立在误符号率除以4的基础上的，而这一条件的前提是出现误符号的时候，一个符号中只有一个BIT位发生了错误，这表明误码率比较低，也就是说明信噪比比较大。所以，当信噪比比较小的时候，理论计算的误码率的值要小于仿真得到的值。5总结与体会51总结在现代通信中，提高频谱利用率一直是人们关注的焦点之一。近年来，随着通信业务需求的增长，寻找频谱利用率高的数字调制方式已成为数字通信系统设计，研究的主要目标之一。正交振幅调制QAMQUADRATUREAMPLITUDEMODULATION就是一种频谱利用率很高的调制方式，其在中、大容量数字微波通信系统、有线电视网络高速数据传输、卫星通信系统等领域得到了广泛应用。本设计是基于MATLAB/SIMULINK的16QAM调制与解调系统进行设计与仿真，得到的结论是1对16QAM调制解调系统基本原理进行了较为深入的了解与分析,并且根据原理图构建MATLAB/SIMULINK的仿真模型。（2）较为熟悉的掌握MATLAB/SIMULINK软件在通信系统中的设计与仿真的步骤与方法。（3）通过观察星座图可以看出16QAM的频带利用率比较高，带宽占用比较小。（4）通过测试与比较16QAM比16PSK的抗噪声能力强，相比较16QAM的性能比较优越。作为一种现代调制技术，QAM相比较传统调制技术，有着很多优于传统调制技术的特性，使得它在中、大容量数字微波通信系统、有线电视网络高速数据传输、卫星通信系统和蜂窝系统等系统中得到大规模应用，大大提高系统通信质量和通信效率。MATLAB在通信仿真中有着重要的应用，MATLAB/SIMULINK是通信系统计算机仿真的强大工具，本文提供了一个实际仿真的例子。实际的信道是很复杂的，在实际的应用中应根据不同的要求选用不同的调制方式。本文利用MATLAB/SIMULINK对M16进制正交幅度调制系统进行了仿真,从理论上验证16进制正交幅度调制系统工作原理,为实际应用和科学合理地设计正交幅度调制系统,提供了便捷、高效、直观的重要方法。52体会这次课程设计让我首先学会怎么运用MATLAB/SIMULINK软件设计电路图，同时掌握了运用技巧；其次让我更理解MQAM调制的原理以及其优越性。课程设计是培养学生综合运用所学知识，发现、提出、分析和解决问题，锻炼实践能力的重要环节，是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程。通过课程设计我能够系统的了解理论知识，能把理论知识与具