QAM调制技术的研究与仿真

1、武汉工程大学邮电与信息工程学院毕业设计（论文）武汉工程大学邮电与信息工程学院毕业设计（论文）QAM 调制技术的研究与仿真Study and Simulation of QAM ModulationTechnology学生姓名学号专业班级指导教师2015年 5月作者声明本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果，除了文中特别加以标注的地方外，没有任何剽窃、抄袭、造假等违反学术道德、学术规范的行为，也没有侵犯任何其他人或组织的科研成果及专利。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。如本毕业设计（论文）引起的法律结果完全由本人承担。

2、毕业设计（论文）成果归武汉工程大学邮电与信息工程学院所有。特此声明。作者专业：作者学号：_作者签名：_年月日武汉工程大学邮电与信息工程学院毕业设计(论文)摘要传统的两种数字调制方式：频率调制和相位调制都存在功率谱衰减慢、带外辐射严重、频谱利用率低、抗多径衰落能力差等缺点。正交振幅调制(QAM) 是一种振幅和相位联合控制的数字调制技术，它既能得到更高的频谱效率，又能在限定的频带内传输更高速率的数据。QAM 在如今通信领域扮演着重要的角色，因而对 QAM 进行深入研究具有重要的理论和现实意义。MATLAB 是一种便捷、高效、直观的仿真平台。它有着强大的绘图能力，这为对通信系统的研究提供了强有力的仿

3、真手段。本文利用MATLAB 对 QAM 调制和解调进行仿真，得到清晰的仿真图像。本文主要是对正交幅度调制技术的调制和解调原理进行研究和仿真。首先，介绍了本文的选题背景和QAM 的发展现状。接着，研究了QAM 的调制和解调原理，对其特点进行了分析，并讨论了QAM 调制技术在通信体统中的应用。最后，通过编码在MATLAB 中进行仿真，对所得的星座图、眼图和误码率曲线进行分析，之后得到仿真结果和理论值基本一致的结论。关键词 ： 正交幅度调制；星座图；误码率; MATLABAbstractAs the two traditional methods of digital modulation ： f

4、requency modulation and phase modulation, have some defects, for instance slow power spectrum decaying, serious out-of-band radiation, low spectrum utilization rate, poor resistance to mufti-path fading. Quadrature amplitude modulation is a joint-controlled digital modulation technology of amplitude

5、 and phase, which not only has higher spectrum efficiency, but also has higher speed of data transmission in limited frequency band. QAM modulation technology plays an important role in modern communication. So that there is important theoretical and practical significance in deeply researching in Q

6、AM.MATLAB is a kind of convenient efficient visual simulation platform. It has a strong ability of drawing. This provides the study of communication system with strong method of simulation. This paper exploit MATLAB to do the simulation of QAM modulation and demodulation, get a clear picture of the

7、simulation.This paper is mainly to research and simulate the modulation and demodulation principle of the Quadrature Amplitude Modulation technology. First, This paper introduced the selected topic background and the development status of QAM. Then, studied the QAM modulation and demodulation princi

8、ple, its characteristics are analyzed, and discusses the QAM modulation technology in the application of the communication system. Finally, simulated in MATLAB by coding, the resulting constellation, eye diagram and BER curves were analyzed, after get the simulation results accord with the conclusio

9、n.Key Words：QAM ( Quadrature amplitude modulation) ； Constellation； The bit errorrate； MATLAB武汉工程大学邮电与信息工程学院毕业设计（论文）目录 TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark18 o Current Document 第 1 章 绪论 1. HYPERLINK l bookmark20 o Current Document 选题背景及意义1. HYPERLINK l bookmark22 o Current Document 国内外的发展现状及趋势 2. HYPE

10、RLINK l bookmark24 o Current Document 本论文的研究内容及安排4. HYPERLINK l bookmark26 o Current Document 第 2 章 QAM 调制技术 5. HYPERLINK l bookmark28 o Current Document QAM 调制原理 5. HYPERLINK l bookmark30 o Current Document QAM 解调原理 7. HYPERLINK l bookmark32 o Current Document QAM 调制的性能参数 7.矢量图 7.星座图 9.眼图 1.1.误码率 1

11、.2. HYPERLINK l bookmark38 o Current Document 第 3 章 基于 MATLAB 的 QAM 系统仿真1.3 HYPERLINK l bookmark40 o Current Document MATLAB 简介 1.3.仿真流程1.4. HYPERLINK l bookmark44 o Current Document 仿真结果及分析1.5.二进制与十六进制信号 1.5星座图 1.7.眼图 2.0.误码率曲线 2.1. HYPERLINK l bookmark46 o Current Document 第 4 章 16QAM 与 64QAM 性能比较

12、及仿真2.3 HYPERLINK l bookmark48 o Current Document MQAM调制技术的应用2.3. HYPERLINK l bookmark50 o Current Document 16QAM 与 64QAM 性能仿真2.4第5 章总结与展望2.8.致谢 3.0.附录 程序代码3.1.武汉工程大学邮电与信息工程学院毕业设计(论文) 第 1 章 绪论正交幅度调制(QAM) 是一种高效数字调制技术，具有很高的频谱利用率。而传统数字调制技术是单独利用振幅和相位携带信息，不能最充分利用信号功率利用率。 此外， 现代通信系统对传输速率和带宽也提出了新的要求，因此对 QAM

13、 引起更多关注，己广泛应用于微波通信、有线电视网络、卫星通信等领域，但它在随参信道无线宽带通信领域中的研究尚未发展成熟。选题背景及意义通常，我们把实现信息传输的系统称为通信系统，一般的通信系统包括两种正好相反的转换。在信号发送端，有两个处理过程，第一个处理是将输入信号转换为电信号，转换后的电信号还要进行一些编码等方面的处理，此时的信号一般是在零频附近的低频信号，因此称为基带信号，第一个处理过程也称为基带处理;第二个过程将基带信号进行相关处理，使信号可以在信道中传输，并且将其输入信道， 这个过程称为调制1。 在信号接收端，其处理过程及功能正好与发送端相反，接收端的设备从已调制载波中提取出基带信号

14、，这称为解调，然后再将解调后的基带信号转换为相应的信息2。在通信系统中，调制起着非常关键的作用，一方面，调制能够实现频谱的搬移，通过将调制信号的频谱搬移到所希望的频段上，实现调制信号到己调信号的转换，已调信号是可以在信道中传输的信号；另一方面，系统的传输可靠性和传输有效性在很大程度上受到调制的影响，一个通信系统的性能往往由调制方式决定 2, 3。传统的数字调制方式有数字幅度调制、数字频率调制和数字相位调制，不过，这三种数字调制方式都存在很多缺点，如频谱利用率低、功率谱衰减慢、带外辐射严重、抗多径衰落能力差等等。正交振幅调制(QAM) 是一种相位和振幅联合控制的数字调制技术，它不但具有更高的频谱

15、效率，而且可以在同样的频带内传输更高速率的数据4。 在当今通信领域中，QAM 正扮演着重要的角色，所以对 QAM进行深入研究具有重要的理论和现实意义。在有线数字电视系统中，QAM 调制器是关键的前端设备之一，它的主要作用是对数据流进行基带处理和QAM 调制，并且将处理后的数据传送到有线电视网上， 供有线数字电视机顶盒等设备接收。输入 QAM 调制器的数据是来源于复用器和 MPEG-2 视频服务器等设备的传输流，用户收看这些视频信息的效果以及整个有线数字电视系统的稳定性都受到QAM 调制器性能好坏的影响5。随着数字电视的普及与发展，有越来越多的数字电视信号需要经调制输出，如果用多个传统的单路QA

16、M 调制器实现多路信号的调制输出，从空间、 成本上来讲， 都很不经济，因此多路QAM 调制器是必然的选择。有研究采用FPGA进行基带处理， 然后用模拟电路芯片实现多路QAM 调制以降低产品成本，但使用模拟电路芯片进行混频，其处理的能力有限，多项信号传输指标都很难达标，如信噪比(Signal Noise Ratio)、误码率(Bit Error Rate)等 6, 7。国内外的发展现状及趋势最早将 QAM 调制解调系统提出来的是摩托罗拉公司，在摩托罗拉公司的数字集群系统IDEN 中， 在 25KHz 带宽的信道中实现了64kbit/s的 16QAM 的调制解调，但它依托于系统，未形成独立的产品，

17、而且出于商业利益考虑的原因，摩托罗拉公司并未公开其技术细节。我国的“数字电视系统标准化专家委员会”于 1995 年 5 月成立，从此我国的数字电视系统标准的体系框架得以确定，并且标准的基本原则和程序得以提出 ;2000年年底完成了对日本综合服务数字广播、DVB-T 和美国数字电视国家标准多种数字电视地面广播传输制式的比较测试；并且我国自主研制的数字电视广播传输方案从2001 年 3 月开始进入了现场测试阶段。2005 年 6 月， 我国有线电视向数字化过渡的时间表由广电总局制定：2005 年，数字电视用户超过3000 万； 2008年，地面数字电视广播全面推广；2010 年，数字广播电视全面实

18、现；2015年，模拟广播电视停止7。继欧洲、美国和日本之后，我国同样采用了DVB-C 标准作为有线数字电视传输标准。基于DVB-C 的有线电视网具有信道容量大、传输质量好、传输率高、频带宽的特点，并且能很好地实现各种语言、文字、图像、音乐、数据传输于一缆，从而成为多媒体综合信息网的极好信息传输通道。DVB-C 的核心技术是多电平正交幅度调制(QAM) ， 一般采 64QAM 调制方式，有时也会采用16QAM ， 32QAM 或更高的128QAM ， 256QAM 传输信息速率越高的 QAM 调制方式，其抗干扰能力就越低。DVB-C 系统涉及到音视频数字化，MPEG-2 数据压缩编码以及解压缩解

19、码、多个MPEG-2 数据流的复用和解复用、信道编解码、调制解调等技术。DVB 标准传输系统由两部分组成:信源编码 (SourceCoding)和信道编码(Channel Coding)。它的主要特点：它不仅可以用于标准数字电视， 也同时适用于高清电视；它可以适配多种节目源，对于 DVB-C 传输系统而言，无论是来源于本地的电视节目，还是从卫星系统接收下来的节目，亦或是其它外来的节目信号，它均可以传送8。QAM 调制器大致经历了以下几个阶段的发展过程:最早的 QAM 调制器只是基带处理部分用数字实现，产生基带数字I 与 Q 信号，在中频正交调制部分采用的是模拟技术；在后来的QAM 调制器中，加

20、入了数字内插技术，但在中频正交调制部分仍然采用的是模拟技术；现在的QAM 调制器不仅在基带部分采用了数字实现，而且在中频正交调制部分也实现了数字化，是一个全数字系统。传统的 QAM 调制采用模拟的中频正交调制，与之相比，现在的正交调制在中频的部分采用全数字上变频技术。I 路和 Q 路的正交性对于QAM 调制来说是非常重要，不过模拟混频器并不能保证很好的正交性，同时系统性能也很容易受到模拟混频器的非线性影响，所以，中频部分采用数字实现是很有必要的。在全数字中频实现过程中，采用乘法器来实现混频器，通过直接数字频率合成技术(DirectDigital Synthesizer，缩写为DDS)实现两路正

21、交载波，这样，两路载波的绝对正交便能够得到保证。目前，研究QAM 调制技术的文献很多，2001 年，西安电子科技大学的张子敬对多速率滤波器组的设计与应用进行了深入的理论研究，为多路 QAM 的数字实现提供了理论基础9。 2005 年， 于风云和张平就数字微波系统的全数字QAM 调制与解调方式，以 ADS 为仿真平台对16QAM 的全数字调制与解调过程进行了仿真，理论上论述了QAM 调制的优劣10。 2008 年，唐棣对高码率64QAM 调制器进行了研究， 介绍了 QAM 调制基带信号的处理技术，并用 FPGA对基带信号进行了处理 6。 2009 年，陈议以软件编程的方式实现了认知无线电数据传输

22、的功能，从而实现了基于FPGA的多速率调制解调器，所基于的硬件平台为FPGA+DSP系统11。QAM 目前还被广泛用于ADSL 调制技术，在QAM 调制中，发送数据在比特/符号编码器内被分成速率各为原来1/2 的两路信号，分别与一对正交调制分量相乘，求和后输出。接收端完成相反过程，正交解调出两个相反码流，均衡器补偿由信道引起的失真，判决器识别复数信号并映射回二进制信号。本论文的研究内容及安排本文主要研究了正交幅度调制(QAM) 技术的基本调制和解调原理，绘制了QAM 调制技术的基本原理图，能通过MATLAB 对 QAM 的调制、解调和误码率进行仿真，最终得到仿真图像并对其经行分析。论文共分为五

23、个章节，各个章节的主要内容如下：第 1 章为绪论，简单介绍了选题的科学背景和意义，描述了 QAM 调制的研究现状与发展前景，且给出了本论文的主要内容和结构。第 2 章内容为QAM 调制、解调原理，QAM 信号的特点和其主要性能参数。第 3 章先介绍MATLAB 然后为基于MATLAB 的 QAM 系统的仿真，及分析仿真结果。第 4 章先介绍了QAM 调制技术的应用，然后对16QAM 和 64QAM 性能进行了比较。第 5 章为总结与展望，将本文的研究进行了总结，并对后续的研究工作提出了一些建议。武汉工程大学邮电与信息工程学院毕业设计（论文）2.2 正交幅度信号的功率谱示意图 武汉工程大学邮电与

24、信息工程学院毕业设计(论文)2.1 QAM 信号的调制原理图 第 2 章 QAM 调制技术QAM ( Quadrature Amplitude Modulation)中文全称：正交振幅调制。数字调制器作为DVB 系统的前端设备，接收来自编码器、复用器、DVB 网关、视频服务器等设备的TS 流，进行RS 编码、卷积编码和QAM 数字调制，输出的射频信号可以直接在有线电视网上传送，同时也可根据需要选择中频输出。它以其灵活的配置和优越的性能指标，广泛的应用于数字有线电视传输领域和数字MMDS 系统。2.1 QAM 调制原理正交振幅调制(Quadrature Amplitude Modulation,

25、QAM) ，又称正交双边带调制或正交幅度调制，是将两路独立的基带波形分别对两个相互正交的同频载波经行抑制载波的双边带调制，并将所得到的两路已调信号叠加起来的过程。在 QAM 系统中，由于两路已调信号在相同的带宽内频谱正交，可以在同一频带内并行传输两路数据信息，因此，其频带利用率和单边带系统相同，QAM 方式一般用于高速数据传输系统中。在 QAM 方式中， 基带信号可以是二电平的，又可以是多电平的，若为多电平时，就构成多进制正交振幅调制。QAM 信号的调制原理图如图2.1 所示。二进制 信号信号的相位和振幅作为两个独立的参量同时受到调制。其码元可设为（ 2.1）令（ 2.2）则原式变为与 可取多

26、个离散变量，因此可以看作是两个正交的振幅键控信号的叠加和。 原始数字数据都是串行输入的二进制信号，为了得到多进制QAM 信号， 寿星进行串/并变换，然后将2 进制信号转换成m 进制信号，接着进行正交调制，最后再相加。由于 x（t）的调制载波与y（t）的调制载波相位相差90 ，所以形成两路正交的频谱，故称之为正交调幅。正交调幅系统的功率谱示意图如图2.2所示。由如图2.2可以看出，这种调制方法的x（t）和 y（t）都是双边带调制，但两路信号同处于一个频段之中，所以可同时传输两路信号，故频带利用率是双边带调制的两倍，即与单边带方式或基带传输方式的频带利用率相同。武汉工程大学邮电与信息工程学院毕业设

27、计（论文） 武汉工程大学邮电与信息工程学院毕业设计(论文) QAM 解调原理正交幅度调制信号的解调必须采用相干解调方法，解调图原理如图2.3所示。- /2低通 滤波器低通 滤波器进制信号图 2.3 QAM 的解调原理框图解调器首先对收到的QAM 信号进行正交想干解调。经低通滤波器滤除高频分量，经抽样判决可恢复出m 电平信号x(t)和 y(t)。经 m/2 电平转换，可将m 电平信号转换成二进制信号，最后经并/串变换把两路信号合成一路信号。QAM 调制的性能参数矢量图为了更进一步说明正交调幅信号的特点，本文还可以从已调信号的相位矢量表示方法来讨论。为了讨论方便我们将正交调幅信号产生电路框图重画于

28、图2.42.5中。2.4 正交调幅信号产生电路框图11 TOC o 1-5 h z 011000图 2.5 正交幅度信号产生的矢量表示图 2.4中，对正交幅度A 路的“ 1”对应于 0 相位， A 路的“0”则对应于180相位，而B 路载波与A 路相差 90 ，则 B 路的“1”对应于90 相位， B 路的“0”则对应于270 相位。A、 B 两路调制输出经过合成电路合成，则输出信号可有四种不同相位，各代表一组AB 的组合， 即 AB 二元码组。AB 二元码组共有四种组合，即00,01,11,10。这四种组合所对应的相位矢量关系如图2.6所示。图 2.6 4QAM 信号矢量图图 2.6中所示的

29、对应关系是按格雷码规则变换的，这种变换的优缺点是相邻判决相位的码组只有一个比特的差别，相位判决错误时只造成一个比特的误码，所以这种变换有利于降低传输误码率。以上我们是用矢量表示QAM 信号。星座图如果只画出矢量断点，则如图2.7所示，称为QAM 的星座图表示。如星座图上有四个星点,则称为 4QAM 。011100102.7 4QAM 星座图从图 2.7 的星座图上很容易看出：A 路的“1”码位于星座图的右侧，“ 0”码在左侧；而B 路的“1”码则在上侧，“ 0”码在下侧。星座图上各信号点之间的距离越大抗误码能力越强。对前述讨论的4QAM 方式是A、 B 各路传送的是二电平码的情况。如果采用二路

30、四电平码送到A、 B 的调制器，就能更进一步提高频谱利用率。由于采用二路四电平基带信号，所以每路在星座上有4 个点，于是4 4 16 ，组成 16 个点的星座图，如图2.8所示。这种正交调幅称为16QAM。同理，将二路八电平码送到A、B 调制器，可得64 点星座图，称为64QAM ，更进一步还有256QAM 等。0010011011101010001101111111101100010101110110010000010011001000图 2.8 16QAM 星座图QAM 方式的主要特点是有较高的频谱利用率。现在来分析如何考虑MQAMM 为星点数。设输出数据序列的比特率，即A 和 B 两路的

31、bit/ s Hz总比特率为fb ，信道带宽为B，则频谱利用率为2.5)由前述讨论可知，对MQAM 系统，A、 B 各路基带信号的电平数应是M 1/2，如 4QAM 时每路的基带信号是二电平，对16QAM ，则每路的基带信号是四电平。按 多 电 平 传 输 分 析 ， A路 和 B路 每 个 符 号 （ 码 元 ） 含 有 的 比 特 数 应 为 TOC o 1-5 h z 1/21log2M2log2 M 。如令k log2 M ，则相当于k / 2个二元码组成一个符号。设符号间隔（即符号周期）为Tk/ 21， fs k 为符号速率（Bd） 。因为总速率为fs k/22fb，则A、 B 各路

32、的比特率为fb/2，并有fbk1 / 2 k 12.6)fslog2 Mfslog2 M2222如果基带形成滤波器采用滚降特性，则有11fN12Tk/21k fs2 s2kB 2 1 fN 1fss2将式(2.9)和式(2.11)带入式(2.8)则有l o g2 M1可见 M 值越大，即星点数越多，其频谱利用率就越高，目前可以做到 甚至更高，故正交幅度调制方式一般应用于高速数据传输系统中。M=64，2.3.3 眼图眼图为直视评价接受信号的质量提供了一种有效的实验方法，它可以定性反映码间串扰和噪声的影响程度，还可以用来指示接收滤波器的调整，以减小码间串扰，改善系统性能。2.3.4 误码率误码率是

33、指错误接收的码元数在传输总码元数中所占的比例，更确切地说，误码率是码元在传输系统中被传错的概率第 3 章 基于 MATLAB 的 QAM 系统仿真MATLAB 是国际上仿真领域最权威、最实用的计算机工具。它是MathWork公司于 1982 年推出的一套高性能的数值计算和可视化数学软件。MATLAB 是一种应用于计算技术的高性能语言。它将计算，可视化和编程结合在一个易于使用的环境中，从而将问题解决方案表示成我们所熟悉的数学符号。MATLAB 简介MATLAB 是一个交互式系统，它的基本数据元素是矩阵，且不需要指定大小。通过它可以解决很多技术计算问题，尤其是带有矩阵和矢量公式推导的问题，有时还能

34、写入非交互式语言如C 和 Fortran 等。MATLAB 系统可分为五个部分：MATLAB 语言。 这是一种高级矩阵语言，其有着控制流程状态，功能，数据结构，输入输出及面向对象编程的特性。它既有“小型编程”的功能，快速建立小型可弃程序，又有“大型编程”的功能，开发一个完整的大型复杂应用程序。MATLAB 的工作环境。这是一套工具和设备方便用户和编程者使用MATLAB 。它包含有在你的工作空间进行管理变量及输入和采集数据的设备。同时也有开发，管理，调试的系列工具。（ 3）图形操作。这是 MATLAB 的图形系统。它包含有系列高级命令，其内容包括二维及三维数据可视化，图形处理，动画制作，表现图形

35、。同时它也提供低级命令便于用户完全定制图形界面并在你的MATLAB 软件中建立完整的用户图形界面。MATLAB 数据功能库。它拥有庞大的数学运算法则的集合，包含有基本的加，正弦，余弦功能到复杂的求逆矩阵及求矩阵的特征值，Bessel 功能和快速傅立叶变换。MATLAB 应用程序编程界面。这是一个允许你在MATLAB 界面下编写C 和 Fortran 程序 的库。它方便从MATLAB 中调用例程即动态链接，使MATLAB 成为一个计算器，用于读写MAT-files。仿真流程QAM 是把 ASK 和 PSK 两种调制结合起来的调制技术，使得带宽得到双倍扩展。 QAM 调制技术用两路独立的基带信号对

36、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。MQAM 代表 M 个状态的正交调幅，一般有4QAM 、 16QAM 、 64QAM 等。本章是以16QAM 的仿真为例来研究QAM 的调制。仿真过程中需通过产生随机二进制码、转换成对应十六进制信号、调制、加入高斯白噪声、解调、还原原信号这几个步骤来完成。仿真流程如图3.1 所示。3.1 仿真流程图仿真步骤说明：（ 1）首先生成一个随机且长度为100000的二进制比特流，并画出前50个比特流的信号图。（ 2）在MATLAB 中 16QAM 调制要求输入的信号为0 至 15 这 16 个值，所以要用函数reshap

37、e和 bi2de将二进制的比特流转换成对应的十六进制信号。（ 3）利用MATLAB 中的 modem.qammod函数生成16QAM 调制器，再通过它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。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 eyediagram函数生成经过信道后的眼图。（ 7）利用MATLAB 中 demodulate和 modem.qammod函数生成解调器，实现对 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

38、除以原始发送的比特流信息来计算误码率。3.2 仿真结果及分析二进制与十六进制信号利用函数randint（ n,1） 、 stem（x（1:50）,filled）来生成一个随机且长度为100000的二进制比特流，并画出前50 个比特流的信号图。随机的二进制比特流如图3.2所示。M=16;k=log2（M）;n=100000; %比特序列长度samp=1; %过采样率x=randint（n,1）; %生成随机二进制比特流stem（x（1:50）,filled）; % 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）;武汉工程大学邮电与信息

39、工程学院毕业设计(论文) 3.2 随机二进制比特流的前50 个信号x4=reshape(x,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stem(xsym(1:50); %画出相应的16 进制信号序列title(64 进制随机信号);xlabel（信号序列）;ylabel（信号幅度）;图 3.3 十六进制信号由于本章节主要是讨论16 进制的 QAM 调制技术仿真，所以需要将二进制随本文利用函数reshape(x,k,length

40、(x)/k) 将原始的二进制比特序列每四个一组进xsym=bi2de(x4.,left-msb)将矩阵转化为相经过处理后的二进制比特流变为16 进制的信号，如图3.3所示。3.2.2 星座图利用函数modulate(modem.qammod(M),xsym) 来对十六进制信号进行调制，再scatterplot(y) 函数生成16QAM 信号的星座图。16QAM 未经过噪声的星座图如图3.4所示。武汉工程大学邮电与信息工程学院毕业设计(论文) 武汉工程大学邮电与信息工程学院毕业设计（论文） y=modulate(modem.qammod(M),xsym); %用16QAM 调制器对信号进行sca

41、tterplot(y); %画出16QAM 信号的星座图text(real(y),imag(y),dec2bin(xsym);axis(-5 5 -5 5);图 3.4 16 QAM 星座图利用 awgn(y,snr ,measured)函数模拟信道，再用函数scatterplot(yn,samp,0,b.)经过加噪声处理后的星座图和之前未处理时的星座图对比如图3.5所示。EbNo=-5:1:20;for n=1:length(EbNo);snr(n)=EbNo(n)+10*log10(k)-10*log10(samp); % 信噪比yn=awgn(y,snr(n),measured); %加

42、入高斯白噪声endh=scatterplot(yn(1:1*5e3),samp,0,g.); %经过信道后接收到的含白噪声的信号 星座图hold on;scatterplot(y(1:1*5e3),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);axis(-8 8 -8 8);hold off3.5加白噪声信号星座图武汉工程大学邮电与信息工程学院毕业设计(论文)3.6 经过信道后的相位信号和正交信号的眼图 经过图 3.4和图 3.5两图的比较，不难看出经过加噪声处理后的信号的星座QAM 信号的容噪性能很弱，只可以在高

43、信噪比的情况下工作，仍然需使用QPSK， 甚至 BPSK 信号来保障数据传输的眼图利用 eyediagram(yn,2) 函数生成眼图。如图3.6所示。武汉工程大学邮电与信息工程学院毕业设计（论文） 0 时刻。对于图 3.6所示的眼图模型分析，正交信号的最佳抽样时刻是误码率曲线利用biterr()函数计算误码率，并生成误码率曲线。3.7所示。16进制信号下面是 16QAM 技术的误码率分析，经过仿真器误码曲线如图yd=demodulate(modem.qamdemod(M),yn); %此时解调出来的是z=de2bi(yd,left-msb); %转化为对应的二进制比特流z=reshape(z

44、.,numel(z),1);number_of_errors(n),bit_error_rate(n)=biterr(x,z)theoryPe(n)=(1/k)*3/2*erfc(sqrt(k*0.1*(10.(EbNo(n)/10); endsemilogy(EbNo,bit_error_rate,b-,EbNo,theoryPe,r*);legend(16QAM 实际误码率,16QAM 理论误码率);xlabel(EbNo/dB);ylabel(误比特率);图 3.7 误码率曲线从图 3.7可以看出信噪比和误码率之间的关系，当信噪比的不断增加时，误码完整程序见附录。第 4 章 16QAM

45、与 64QAM 性能比较及仿真评价一个通信系统优劣的主要性能指标是系统的有效性和可靠性。有效性是指在给定信道内所传输的信息内容的多少，要求系统高效率地传输消息，是传输的“速度”问题；可靠性是指接受信息的准确程度，要求系统可靠地传输消息，是传输的“质量”问题。MQAM 调制技术的应用MQAM 的高频带利用率是以牺牲其抗干扰性来获得的，电平数越大，信号星座图点数越多，其抗干扰性能越差。因此，除了可以通过选择星座图的类型改善其性能外，还可以根据不同的传输环境或传输信源的不同特点，来自适应地改变MQAM 调制信号的电平数，即星座点数，以保证获得预期的传输性能。当然在这种情况下，相应的信号传输速率也随之

46、产生变化，这就是所谓的变速率MQAM 调制方式。变速率MQAM 调制方式由Steele和 Webb最早提出12，并引起许多学者的关注。1995 年 Steele与 Webb已利用计算机软件仿真的方法研究变速率MQAM 调制技术在移动通信中的应用13。随后，张睿和李建东利用DSP芯片研究了在莱斯衰落信道中自适应地调节信号的调制电平数，以改善其传输特性14。李光球则从传输信源不同的角度，研究多分辨频率MQAM 调制技术 15。总的来说，变速 MQAM 调制就是根据衰落信道的传输特性，或根据传输信源的特性自适应地调节信号的调制电平数或信号星座图。对于传输环境随机的移动通信系统，其传输性能是随着时间的

47、变化而改变的，因此固定星座点的MQAM 调制方式不能够满足时变信道的高传输质量要求。在这种传输条件下，可以采用变速率MQAM 调制方案来获得一种兼顾频带利用率和抗干扰性能的调制方案。图4.1 是变速 MQAM 调制系统收发信机原理框图。由图 4.1 看出，基带MQAM 调制信号内须包含三种数据：信道检测数据、调制电平数据和用户数据。信道检测数据用于收发机判断对当前传输信道衰落的评估，作为确定下一次传输调制电平数的依据；而在接收端，调制电平数用于进行MQAM 数据解调。因此，根据信道的衰落情况，自适应地选择MQAM 调制电平基带调制电平数QAM输出数据前端接收信号分离调制变速率 QAM 解调 数

48、据信道衰落估调制电平确定发射调制电平数4.1 变速 MQAM 调制系统收发信机原理框图数， 以便在恶劣的信道环境中采用较少电平数的MQAM 调制， 获得较好的抗干扰性能； 而在较好的信道环境中则可以采用更多电平数的MQAM 调制， 以在保证传输质量的前提下，获得更高的频带利用率。16QAM 与 64QAM 性能仿真一个正交幅度调制的信号采用两个正交载波，每一个载波被一个独立的信息比特序列所调制。而其幅度可以看做是一系列电平集合，这些电平通过将比特序列映射为信号振幅获得，本次仿真中采用了3 个电平，并且映射的时候没有采用函数库里自带的modulate进行调制。首先将产生的一系列01 比特流进行进

49、制的划分，其划分根据其中 M 是调制的数，如16、 64、 128 等等。这里再将分好组的比特数据经行坐标映射，画出星座图。下面对16 和 64QAM 的调制进行分析。根据 16QAM 的仿真步骤同理经行64QAM 的仿真。16QAM 的仿真结果见图3.4、图3.5、图3.6和 3.7，相对应的64QAM 的仿真结果如图4.2、 4.3、 4.4、 4.5所示。武汉工程大学邮电与信息工程学院毕业设计（论文）4.3 64QAM 加噪后的星座图 4.2 64QAM 星座图武汉工程大学邮电与信息工程学院毕业设计（论文） 4.4 64QAM 眼图4.5 64QAM误码率曲线图同一环境下64QAM 调制

50、出来的星座点更多因此16QAM 的可靠性比64QAM 高，有效性比64QAM 低。因而 16 和 64QAM 在实际的应用中需要根据具体的情况而定，传输中当只有人们对多媒体以及数据业务的需求很高，因此采用更高的QAM 调制技第 5 章 总结与展望本文主要研究了正交幅度调制（QAM） 技术的基本调制原理，绘制了 QAM 调制技术的基本原理图，能通过MATLAB 对 QAM 的调制和误码率进行仿真，得到仿真图像并对其进行分析。在利用 MATLAB 仿真阶段有两种方式可供选择，分别是用代码仿真和建立系统模型来经行仿真，本文选择的是用代码仿真。本论文完成的主要工作：（ 1）查阅文献，了解当前正交振幅调

51、制的主流技术与现状，掌握调制与解调的基本方法和思路；（ 2）讨论QAM 技术原理，包括调制与解调的基本原理，并探究QAM 信号的特点；（ 3）利用MATLAB 软件编写代码对QAM 调制和解调技术进行仿真，并记录数据和图形，结果表明QAM 容噪性能很弱只可以再高性噪比的情况下工作；（ 4）对16QAM 和 64QAM 的性能进行了对比及仿真，结果表明16QAM 可靠性比 64QAM 高，有效性比64QAM 低；本文的研究还存在这许多不足的地方。研究局限于理论；仿真过程过于理想化，未考虑实际情况中可能存在的一些因素。QAM 调制器在数字电视系统中得到了广泛应用，QAM 调制技术是目前数字调制理论

52、中十分成熟的技术，随着它在调制解调器及数字有线电视系统中广泛使用，以后会在越来越多的地方引起重视。武汉工程大学邮电与信息工程学院毕业设计(论文) 参考文献田耕 , 许文波 , 张延伟等. 无线通信FPGA 设计 M. 北京:电子工业出版社, 2008.樊昌信 . 通信原理(第五版)M. 北京 :国防工业出版社, 2001.李永忠 . 现代通信原理与技术M. 北京 : 国防工业出版社, 2010.宋祖顺 , 宋晓勤 , 宋平等 . 现代通信原理(第三版)M. 北京 : 电子工业出版社, 2010.Digital Video Broadcasting (DVB); Framing structur

53、e, channel coding and modulation for cable systems. EN 300 429 V 1.2.1, ETSI. 1998.唐棣 . 高码率 64QAM 调制器的研究D. 成都 : 电子科技大学. 2008.刘彦民 . 基于 FPGA 与 AD9857 的四路 DVB-C 调制器的设计D. 太原 : 太原理工大学.2008.史晓峰 . DVB-C 基带芯片的设计与实现D. 上海 : 同济大学. 2007.张子敬 . 多速率滤波器组的设计与应用D. 西安 : 西安电子科技大学. 2001.于风云 , 张平 . QAM 调制与解调的全数字实现J. 通信与信息技术. 2005.陈议 . 基于 FPGA 的多速率调制解调器的实现D. 西安 : 西安电子科技大学. 2009.R Steele, W T Webb. Variable Rate QAM for Data Transm