基于MATLAB下的16QAM仿真

1、沈阳理工大学通信原理课程设计报告 1. 课程设计目的 随着现代通信技术的发展， 特别是移动通信技术高速发展， 频带利用率问题 越来越被人们关注。 在频谱资源非常有限的今天， 传统通信系统的容量已经不能 满足当前用户的要求。正交幅度调制 QAM（Quadrature Amplitude Modulation） 以其高频谱利用率、 高功率谱密度等优势， 成为宽带无线接入和无线视频通信的 重要技术方案。 首先介绍了 QAM调制解调原理，提出了一种基于 MATLAB的 16QAM系统调制 解调方案，包括串并转换， 2-4 电平转换，抽样判决， 4-2 电平转换和并串转换 子系统的设计，对 16QAM的

2、星座图和调制解调进行了仿真， 并对系统性能进行了 分析，进而证明 16QAM调制技术的优越性。 2. 课程设计要求 （1）设计一个 16QAM调制与解调系统。 （2）设计程序时必须使得程序尽可能的简单。 （3）利用 MATLAB进行程序编写并对系统进行仿真分析。 3. 相关知识 随着现代通信技术的发展， 特别是移动通信技术高速发展， 新的需求层出不 穷，促使新的业务不断产生， 因而导致频率资源越来越紧张。 在有限的带宽里要 传输大量的多媒体数据， 频谱利用率成为当前至关重要的课题， 由于具有高频谱 利用率、高功率谱密度等优势， 16QAM技术被广泛应用于高速数据传输系统 . 在 很多宽带应用领

3、域， 比如数字电视广播， Internet 宽带接入， QAM系统都得到了 广泛的应用。 QAM也可用于数字调制。数字 QAM有 4QAM、8QAM、 16QAM、32QAM 等调制方式。其中， 16QAM和 32QAM广泛用于数字有线电视系统。当今国际市场 上出现了采用 16QAM调制技术的卫通调制解调器，如美国 COMTECEHF DATA公司 新推出的 CDM-600。该卫通调制解调器支持速率高达 20Mbps1 。 无线通信技术的迅猛发展对数据传输速率、 传输效率和频带利用率提出了更 沈阳理工大学通信原理课程设计报告 高的要求。 选择高效可行调制解调手段， 对提高信号的有效性和可靠性起

4、着至关 重要的作用。由于 QAM已经成为宽带无线接入和无线视频通信的重要技术方案。 关于调制解调技术的仿真研究对于 QAM理论研究和相关产品开发具有重要意义。 在简单分析 QAM原理的基础上，以 16QAM为例，提出了基 MATLAB的 16QAM 编解码系统仿真方案， 设计了实际仿真模型。 仿真结果和分析表明， 提出的方案 可行，为 QAM通信系统性能的研究提供了一种行之有效的分析方法。 本文旨在在 熟悉 QAM调制解调原理的基础上， 完成通信系统的设计并实现 16QAM调试过程的 MATLAB仿真。设计其中的各种实现模块的参数，对整个系统进行仿真，并绘出 各个模块的输出信号的波形，设计出

5、16QAM调试过程中的串并转换子系统， 2-4 电平转换子系统，抽样判决子系统， 4-2 电平转换子系统及并串转换子系统。在 此基础上， 对 QAM调制的性能进行分析。 4. 课程设计分析 4.1 调制简介 调制在通信系统中的作用至关重要。所谓调制，就是把信号转换成适合在信 道中传输的形式的一种过程。 广义的调制分为基带调制和带通调制 （也称载波调 制）。载波调制，就是用调制信号去控制载波的参数的过程，即使载波的某一个 或某几个参数暗中啊调制信号的规律而变化。 调制信号是指来自信源的消息信号 （基带信号），这些信号可以是模拟的，也可以是数字的。未受调制的周期性震 荡信号称为载波，它可以是正弦波

6、，也可以使非正弦波（如周期性脉冲序列） 。 载波调制后称为已调信号， 它含有调制信号的全部特征。 基带信号对载波的调制 是为了实现下列一个或多个目标： 第一，在无线传输中， 信号是以电磁波的形式 通过天线辐射到空间的。 为了获得较高的辐射效率， 天线的尺寸必须与发射信号 波长相比拟， 而基带信号包含的较低频率分量的波长较长， 只是天线过长而难以 实现。但若通过调制， 把基带信号的频谱搬至较高的载波频率上， 是已调信号的 频谱与信道的带通特性相匹配， 这样就可以提高传输性能， 以较小的发送功率与 较短的天线来辐射电磁波。 第二， 把多个基带信号分别搬移到不同的载频处， 以 实现信道的多路复用，

7、提高信道利用率。 第三，扩展信号带宽， 提高系统抗干扰、 沈阳理工大学通信原理课程设计报告 抗衰落能力， 还可实现传输带宽与信噪比之间的互换。 因此，调制对通信系统的 有效性和可靠性有着很大的影响和作用。 解调（也称检波） 则是调制的逆过程， 其作用是将已调信号中的调制信号恢 复出来。解调的方法可分为两类：相干解调和非相干解调（包络检波） 。相干解 调时，为了无失真地恢复原基带信号， 接收端必须提供一个与接收的已调载波严 格同步（同频同相）的本地载波。本课题采用的是相干解调 4.2 正交振幅调制系统 它是把 2ASK和 2PSK两种调制结合起来的调制技术， 使得带宽得到双倍扩展。 QAM调制技

8、术用两路独立的基带信号对频率相同、 相位正交的两个载波进行抑制 载波双边带调幅，并将已调信号加在一起进行传输。 nQAM代表 n 个状态的正交 调幅，一般有二进制（ 4QAM）、四进制（ 16QAM）、八进制（ 64QAM）。 我们需要得到多进制的 QAM信号， 需将二进制信号转换为 m电平的多进制信 号，然后进行正交调制，最后相加输出。 输入 SQA (t) 图 4-1 QAM信号产生原理图 QAM信号用正交相干解调方法进行解调， 通过解调器将 QAM信号进行正交相 干解调后， 用低通滤波器 LPF滤除乘法器产生的高频分量， 输出抽样判决后可恢 复出的两路独立电平信号，最后将多电平码元与二进

9、制码元间的关系进行 m/2 转换，将电平信号转换为二进制信号， 经并/ 串变换后恢复出原二进制基带信号。 16QAM调制框图： 沈阳理工大学通信原理课程设计报告 二进制 ak a2n 二进制变换 四进制幅度序列 成型滤 波器 为四进制 L(t) 串/并变换 a2n 1 二进制变换 为四进制 四进制幅度序列 cos ct Q(t) 成型滤 波器 16QAM信 图 4-2 6QAM 信号调制框图 16QAM最佳接收框图： 图 4-3 16QAM 最佳接收框图 （1）首先生成一个随机且长度为 10000 的二进制比特流，并画出了前 50 个比特的信号图（如图 17 所示）。 （2）在 MATLAB中

10、 16QAM调制器要求输入的信号为 0-15 这 16 个值，所以需 要用函数 reshape 和 bi2de 将二进制的比特流转换为对应的十六进制信号。 （3）利用 MATLAB中的 modem.qammo函d 数生成 16QAM调制器，再通过其对 信号进行调制并画出信号的星座图。 （4）通过 awgn 信道在 16QAM信号中加入高斯白噪声（假设 Eb/No=15db）。 （5）利用 MATLAB中的 scatterplot 函数画出通过信道后接受到的信号的星 座图。 （6）利用 MATLAB中的 eyediagram 函数生成经过信道后的眼图。 沈阳理工大学通信原理课程设计报告 （7）利

11、用 MATLAB中的 demodulate 和 modem.qamdemo函d 数生成解调器对 16QAM信号的解调，并将十六进制信号转化成二进制比特流信息。 （8）用得到比特流信息除以原始发送的比特流信息来计算误码率。 5. 仿真 程序如下： M=16; k=log2(M); n=100000;% samp=1; % x=randint(n,1);% stem(x(1:50),filled);% 比特序列长度 过采样率 生成随机二进制比特流 画出相应的二进制比特流信号 title（ 二进制随机比特流 ）; xlabel（ 比特序列 ）;ylabel（ 信号幅度 ）; x4=reshape(x

12、,k,length(x)/k); % 将原始的二进制比特序列每四个一组 分组，并排列成 k 行 length（x）/k 列的矩阵 xsym=bi2de(x4.,left-msb); % 将矩阵转化为相应的 16 进制信号序列 figure; stem(xsym(1:50); % 画出相应的 16 进制信号序列 title(16 进制随机信号 ); xlabel( 信号序列 );ylabel( 信号幅度 ); y=modulate(modem.qammod(M),xsym); % 用 16QAM调制器对信号进行调制 scatterplot(y); %画出 16QAM信号的星座图 text(rea

13、l(y)+0.1,imag(y),dec2bin(xsym); axis(-5 5 -5 5); EbNo=15; snr=EbNo+10*log10(k)-10*log10(samp); % 信噪比 yn=awgn(y,snr,measured);%加入高斯白噪声 h=scatterplot(yn,samp,0,b.); %经过信道后接收到的含白噪声的信号 沈阳理工大学通信原理课程设计报告 星座图 hold on; scatterplot(y,1,0,k+,h); % 加入不含白噪声的信号星座图 title( 接收信号星座图 ); legend( 含噪声接收信号 , 不含噪声信号 ); ax

14、is(-5 5 -5 5); hold on; eyediagram(yn,2);%眼图 yd=demodulate(modem.qamdemod(M),yn); %此时解调出来的是 16 进制信号 z=de2bi(yd,left-msb);%转化为对应的二进制比特流 z=reshape(z.,numel(z),1); number_of_errors,bit_error_rate=biterr(x,z) 运行结果： number_of_errors =0 bit_error_rate =0 6. 仿真结果： 图 6-1 二进制随机比特流 沈阳理工大学通信原理课程设计报告 图 6-2 16QA

15、M 信号序列 图 6-3 16QAM 信号的星座图 沈阳理工大学通信原理课程设计报告 图 6-4 含白噪声的信号星座图 图 6-5 不含白噪声的信号星座图 8 沈阳理工大学通信原理课程设计报告 图 6-6 眼图 6.主要仪器与设备 装有 MATLAB的 PC机一台。 7. 设计体会 课程设计做完了，总结一下，我想我还是收获了不少。从一开始选题时的不 自信（怕自己做不出） 到最后我比较圆满的完成这次课程设计， 正好应征了一句 老话：“功夫不负有心人”。选完题后， 我并不知道该如何动手， 所以我只有看书。 通过看书， 我掌握了 16QAM调制与解调的原理并决定从星座图开始入手。 从而最 终将系统程序编写出来。 除了掌握了课本上的知识外， 通过这次课程设计我更加 熟练了 MATLA