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文档简介
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
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