通信原理課程設(shè)計(jì)--基于matlab的m-qam調(diào)制及相干解調(diào)的設(shè)計(jì)與仿真

1、<p>　　通 信 原 理 </p><p>　　課 程 設(shè) 計(jì) 報(bào) 告</p><p>　　題 目：基于MATLAB 的M-QAM調(diào)</p><p>　　制及相干解調(diào)的設(shè)計(jì)與仿真</p><p>　　基于MATLAB的M-QAM調(diào)制及相干解調(diào)的設(shè)計(jì)與仿真</p><p>　　摘要：正交幅度調(diào)制技

2、術(shù)（QAM）是一種功率和帶寬相對(duì)高效的信道調(diào)制技術(shù)，因此在自適應(yīng)信道調(diào)制技術(shù)中得到了較多應(yīng)用。本次課程設(shè)計(jì)主要運(yùn)用MATLAB軟件對(duì)M =16 進(jìn)制正交幅度調(diào)制系統(tǒng)進(jìn)行了仿真，從理論上驗(yàn)證16進(jìn)制正交幅度調(diào)制系統(tǒng)工作原理，為實(shí)際應(yīng)用和科學(xué)合理地設(shè)計(jì)正交幅度調(diào)制系統(tǒng),提供了便捷、高效、直觀的重要方法。實(shí)驗(yàn)及仿真的結(jié)果證明，多進(jìn)制正交幅度調(diào)制解調(diào)易于實(shí)現(xiàn)，且性能良好，是未來(lái)通信技術(shù)的主要研究方向之一，并有廣闊的應(yīng)用前景。</p>

3、<p>　　關(guān)鍵詞：正交幅度調(diào)制系統(tǒng)；MATLAB ；仿真</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　1引言2</b></p><p>　　1.1課程設(shè)計(jì)的目的2</p><p>　　1.2課程設(shè)計(jì)的基本任務(wù)和要求2</p>&

4、lt;p>　　1.3仿真平臺(tái)Matlab2</p><p>　　2 QAM系統(tǒng)的介紹2</p><p>　　2.1正交幅度調(diào)制技術(shù)2</p><p>　　2.2QAM調(diào)制解調(diào)原理2</p><p>　　2.3QAM的誤碼率性能2</p><p>　　3 多進(jìn)制正交幅度（M-QAM）調(diào)制及相干解調(diào)原理框圖

5、2</p><p>　　4 基于MATLAB的多進(jìn)制正交幅度（M-QAM）調(diào)制及相干解調(diào)設(shè)計(jì)與仿真2</p><p><b>　　4.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)2</b></p><p>　　4.2隨機(jī)信號(hào)的生成2</p><p>　　4.3星座圖映射2</p><p>　　4.4波形成形（平方根升余弦

6、濾波器）2</p><p><b>　　4.5調(diào)制2</b></p><p>　　4.6加入高斯白噪聲之后解調(diào)2</p><p>　　5 仿真結(jié)果及分析2</p><p><b>　　6 總結(jié)與體會(huì)2</b></p><p><b>　　6.1總結(jié)2&l

7、t;/b></p><p><b>　　6.2心得體會(huì)2</b></p><p><b>　　【參考文獻(xiàn)】2</b></p><p><b>　　附錄2</b></p><p><b>　　1引言</b></p><p>

8、;　　本次課程設(shè)計(jì)主要運(yùn)用MATLAB軟件進(jìn)行程序編寫。實(shí)現(xiàn)模擬基帶信號(hào)經(jīng)QAM調(diào)制與相干解調(diào)的傳輸過(guò)程，通過(guò)分析比較調(diào)制解調(diào)輸出波形以及功率譜特征，理解QAM調(diào)制解調(diào)原理。</p><p>　　1.1課程設(shè)計(jì)的目的</p><p>　　通信原理課程設(shè)計(jì)的目的是使我們加深對(duì)所學(xué)的通信原理知識(shí)的理解，扎實(shí)掌握通信原理的基礎(chǔ)知識(shí)和基本理論，增強(qiáng)分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力，培養(yǎng)學(xué)生專業(yè)素質(zhì)，提高其

9、利用通信原理知識(shí)處理通信系統(tǒng)問(wèn)題的能力，為今后專業(yè)課程的學(xué)習(xí)、畢業(yè)設(shè)計(jì)和工作打下良好的基礎(chǔ)。</p><p>　　1.2課程設(shè)計(jì)的基本任務(wù)和要求</p><p>　?。?）設(shè)計(jì)出規(guī)定的數(shù)字通信系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，包括信源，調(diào)制，發(fā)送濾波器模塊，信道，接受濾波器模塊以及信宿；</p><p>　?。?）根據(jù)通信原理，設(shè)計(jì)出各個(gè)模塊的參數(shù)（例如碼速率，濾波器的截止頻率等）；&l

10、t;/p><p>　　（3）熟悉MATLAB環(huán)境下的Simulink仿真平臺(tái)，用Matlab/Simulink 實(shí)現(xiàn)該數(shù)字通信系統(tǒng)；</p><p>　　（4）觀察仿真并進(jìn)行波形分析（波形圖和頻譜圖等）； </p><p>　　1.3仿真平臺(tái)Matlab</p><p>　　MATLAB目前已發(fā)展成為由MATLAB 語(yǔ)言、MATLAB 工作環(huán)境、

11、MATLAB 圖形處理系統(tǒng)、MATLAB 數(shù)學(xué)函數(shù)庫(kù)和MATLAB 應(yīng)用程序接口五大部分組成的集數(shù)值計(jì)算、圖形處理、程序開(kāi)發(fā)為一體的功能強(qiáng)大的系統(tǒng)。本次課程設(shè)計(jì)則在深入研究連續(xù)時(shí)間信號(hào)傅里葉級(jí)數(shù)分析理論知識(shí)的基礎(chǔ)上，利用MATLAB強(qiáng)大的圖形處理功能、符號(hào)運(yùn)算功能以及數(shù)值計(jì)算功能，通過(guò)MATLAB編程進(jìn)行圖形功能仿真，從而實(shí)現(xiàn)連續(xù)時(shí)間周期信號(hào)頻域分析的仿真波形，包括以下內(nèi)容：用MATLAB實(shí)現(xiàn)周期信號(hào)的傅里葉級(jí)數(shù)分解與綜合的波形；用MA

12、TLAB實(shí)現(xiàn)周期信號(hào)的單邊頻譜及雙邊頻譜的波形與分析；用MATLAB實(shí)現(xiàn)典型周期信號(hào)的頻譜的波形。</p><p>　　2 QAM系統(tǒng)的介紹</p><p>　　2.1 正交幅度調(diào)制技術(shù)</p><p>　　正交振幅調(diào)制（Quadrature Amplitude Modulation,QAM）是一種振幅和相位聯(lián)合鍵控。雖然MPSK和MDPSK等相移鍵控的帶寬和功率方

13、面都具有優(yōu)勢(shì)，即帶寬占用小和比特噪聲比要求低。</p><p>　　圖1 8PSK信號(hào)相位</p><p>　　但是由圖1可見(jiàn)，在MPSK體制中，隨著M的增大，相鄰相位的距離逐漸減小，使噪聲容限隨之減小，誤碼率難于保證。為了改善在M大時(shí)的噪聲容限，發(fā)展出了QAM體制。在QAM體制中，信號(hào)的振幅和相位作為兩個(gè)獨(dú)立的參量同時(shí)受到調(diào)制。這種信號(hào)的一個(gè)碼元可以表示為：</p><

14、;p><b>　?。?—1）</b></p><p>　　式中：k=整數(shù)；和分別可以取多個(gè)離散值。</p><p>　　式（1—1）可以展開(kāi)為：</p><p><b>　　（1—2）</b></p><p>　　令Xk = Akcosk，Yk = -Aksink</p><

15、;p>　　則式（1—1）變?yōu)椋?lt;/p><p><b>　?。?—3）</b></p><p>　　和也是可以取多個(gè)離散的變量。從式（1—3）看出，可以看作是兩個(gè)正交的振幅鍵控信號(hào)之和。</p><p>　　在式（1—1）中，若k值僅可以取/4和-/4，Ak值僅可以取+A和-A，則此QAM信號(hào)就成為QPSK信號(hào)，如圖2所示：</p&

16、gt;<p>　　圖2 4QAM信號(hào)矢量圖</p><p>　　所以，QPSK信號(hào)就是一種最簡(jiǎn)單的QAM信號(hào)。有代表性的QAM信號(hào)是16進(jìn)制的，記為16QAM，它的矢量圖示于下圖中：</p><p>　　圖3 16QAM信號(hào)矢量圖</p><p>　　圖中用黑點(diǎn)表示每個(gè)碼元的位置，并且示出它是由兩個(gè)正交矢量合成的。類似地，有64QAM和256QAM等

17、QAM信號(hào)，如圖4、圖5所示。它們總稱為MQAM調(diào)制。由于從其矢量圖看像是星座，故又稱星座調(diào)制。</p><p>　　16QAM信號(hào)的產(chǎn)生方法主要有兩種。第一種是正交調(diào)幅法，即用兩路獨(dú)立的正交4ASK信號(hào)疊加，形成16QAM信號(hào)，如圖6所示。</p><p><b>　　圖6 正交調(diào)幅法</b></p><p>　　第二種方法是復(fù)合相移法，它移

18、用兩路獨(dú)立的QPSK信號(hào)疊加，形成16QAM信號(hào)，如圖7所示。圖中 </p><p><b>　　圖7 復(fù)合相移法</b></p><p>　　虛線大圓上的4個(gè)大黑點(diǎn)表示一個(gè)QPSK信號(hào)矢量的位置。在這4個(gè)位置上可以疊加上第二個(gè)QPSK矢量，后者的位置用虛線小圓上的4個(gè)小黑點(diǎn)表示。</p><p>　　2.2 QAM調(diào)制解調(diào)原理 </p

19、><p>　　2.2.1 QAM調(diào)制</p><p>　　正交幅度調(diào)制QAM是數(shù)字通信中一種經(jīng)常利用的數(shù)字調(diào)制技術(shù)，尤其是多進(jìn)制QAM具有很高的頻帶利用率，在通信業(yè)務(wù)日益增多使得頻帶利用率成為主要矛盾的情況下，正交幅度調(diào)制方式是一種比較好的選擇。</p><p>　　正交幅度調(diào)制（QAM）信號(hào)采用了兩個(gè)正交載波，每一個(gè)載波都被一個(gè)獨(dú)立的信息比特序列所調(diào)制。發(fā)送信號(hào)波形如

20、圖8所示</p><p><b>　　（1-4）</b></p><p>　　圖8 M=16QAM信號(hào)星座圖</p><p>　　式中{}和{}是電平集合，這些電平是通過(guò)將k比特序列映射為信號(hào)振幅而獲得的。例如一個(gè)16位正交幅度調(diào)制信號(hào)的星座圖如下圖所示，該星座是通過(guò)用M＝4PAM信號(hào)對(duì)每個(gè)正交載波進(jìn)行振幅調(diào)制得到的。利用PAM分別調(diào)制兩個(gè)正

21、交載波可得到矩形信號(hào)星座。</p><p>　　QAM 可以看成是振幅調(diào)制和相位調(diào)制的結(jié)合。因此發(fā)送的QAM信號(hào)波形可表示為</p><p><b>　?。?-5）</b></p><p>　　如果那么QAM方法就可以達(dá)到以符號(hào)速率同時(shí)發(fā)送個(gè)二進(jìn)制數(shù)據(jù)。圖9給出了QAM調(diào)制器的框圖。</p><p>　　圖9 QAM調(diào)

22、制器框圖</p><p>　　2.2.2 QAM的解調(diào)和判決</p><p>　　假設(shè)在信號(hào)傳輸中存在載波相位偏移和加性高斯噪聲。因此r(t)可以表示為</p><p><b>　?。?-6）</b></p><p>　　其中是載波相位偏移，且</p><p><b>　　(1-7)&

23、lt;/b></p><p>　　將接收信號(hào)與下述兩個(gè)相移函數(shù)進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算</p><p><b>　　(1-8)</b></p><p><b>　　(1-9)</b></p><p>　　如圖10所示，相關(guān)器的輸出抽樣后輸入判決器。使用圖10中所示的鎖相環(huán)估算接收信號(hào)的載波相位偏移，相移和

24、對(duì)該相位偏移進(jìn)行補(bǔ)償。</p><p>　　圖10 QAM信號(hào)的解調(diào)和判決</p><p>　　假設(shè)圖中所示的時(shí)鐘與接收信號(hào)同步，以使相關(guān)器的輸出在適當(dāng)?shù)臅r(shí)刻及時(shí)被抽樣。在這些條件下兩個(gè)相關(guān)器的輸出分別為</p><p><b>　　（1-10）</b></p><p><b>　　(1-11)</b&

25、gt;</p><p><b>　　其中</b></p><p><b>　　(1-12)</b></p><p><b>　　(1-13)</b></p><p>　　噪聲分量是均值為0，方差為的互不相關(guān)的高斯隨機(jī)變量。</p><p>　　最佳判決器

26、計(jì)算距離量度</p><p><b>　　(1-14)</b></p><p>　　2.3 QAM的誤碼率性能</p><p>　　矩形QAM信號(hào)星座最突出的優(yōu)點(diǎn)就是容易產(chǎn)生PAM信號(hào)可直接加到兩個(gè)正交載波相位上，此外它們還便于解調(diào)。</p><p>　　對(duì)于下的矩形信號(hào)星座圖（K為偶數(shù)），QAM信號(hào)星座圖與正交載波上

27、的兩個(gè)PAM信號(hào)是等價(jià)的，這兩個(gè)信號(hào)中的每一個(gè)上都有個(gè)信號(hào)點(diǎn)。因?yàn)橄辔徽环至可系男盘?hào)能被相干判決極好的分離，所以易于通過(guò)PAM的誤碼率確定QAM的誤碼率。</p><p>　　M進(jìn)制QAM系統(tǒng)正確判決的概率是：</p><p>　　。 (1-15)</p><p>　　式中是進(jìn)制PAM系統(tǒng)的誤碼率，該P(yáng)AM系統(tǒng)具有等價(jià)

28、QAM系統(tǒng)的每一個(gè)正交信號(hào)中的一半平均功率。通過(guò)適當(dāng)調(diào)整M進(jìn)制PAM系統(tǒng)的誤碼率，可得：</p><p><b>　　(1-16)</b></p><p>　　式中是每個(gè)符號(hào)的平均信噪比。因此，因此M進(jìn)制QAM的誤碼率為：</p><p><b>　?。?-17）</b></p><p>　　可以注

29、意到，當(dāng)K為偶數(shù)時(shí)，這個(gè)結(jié)果對(duì)情形時(shí)精確的，而當(dāng)K為奇數(shù)時(shí)，就找不到等價(jià)的進(jìn)制PAM系統(tǒng)。如果使用最佳距離量度進(jìn)行判決的最佳判決器，可以求出任意K>=1誤碼率的的嚴(yán)格上限。</p><p><b>　　<=（1-18）</b></p><p>　　其中，是每比特的平均信噪比。</p><p>　　3 多進(jìn)制正交幅度（M-QAM）調(diào)制

30、及相干解調(diào)原理框圖</p><p>　　圖11 正交調(diào)制原理框圖</p><p>　　如圖11所示的 M-QAM調(diào)制原理框圖，首先將基帶信號(hào)進(jìn)行串并轉(zhuǎn)換分離出I分量、Q分量，然后再分別進(jìn)行電平映射，經(jīng)過(guò)成形濾波后與載波相乘，最后相加得到已調(diào)信號(hào)。</p><p>　　圖12 相干解調(diào)原理框圖</p><p>　　如圖12所示的M-QAM相干解

31、調(diào)原理框圖首先對(duì)收到的已調(diào)信號(hào)進(jìn)行正交相干解調(diào)，一路與 cos ω c t 相乘，一路與 sin ω c t 相乘。然后經(jīng)過(guò)低通濾波器，低通濾波器 LPF 濾除乘法器法產(chǎn)生的高頻分量，獲得有用信號(hào)，低通濾波器LPF 輸出經(jīng)抽樣判決可恢復(fù)出電平信號(hào)。</p><p>　　4 基于MATLAB的多進(jìn)制正交幅度（M-QAM）調(diào)制及相干解調(diào)設(shè)計(jì)與仿真</p><p><b>　　4.1系

32、統(tǒng)設(shè)計(jì)</b></p><p>　　首先進(jìn)行系統(tǒng)的分析的設(shè)計(jì)，整個(gè)設(shè)計(jì)分為如下幾個(gè)部分：隨機(jī)序列的產(chǎn)生、序列的串/并和并/串轉(zhuǎn)換、16QAM調(diào)制、星座圖的繪制、16QAM解調(diào)、加入噪聲、誤碼率的測(cè)量及仿真圖形顯示。</p><p>　　4.2隨機(jī)信號(hào)的生成</p><p>　　利用Matlab中的random_binary函數(shù)來(lái)產(chǎn)生0、1等概分布的隨機(jī)信

33、號(hào)。源代碼如下所示：</p><p>　　random_binary.m</p><p>　　%產(chǎn)生二進(jìn)制信源隨機(jī)序列</p><p>　　function [info]=random_binary(N)</p><p>　　if nargin == 0, %如果沒(méi)有輸入?yún)?shù)，則指定信息序列為10000個(gè)碼元</p>&

34、lt;p><b>　　N=10000;</b></p><p><b>　　end;</b></p><p>　　for i=1:N,</p><p>　　temp=rand; </p><p>　　if (temp<0.5),</p><p&

35、gt;　　info(i)=0; % 1/2的概率輸出為0</p><p><b>　　else</b></p><p>　　info(i)=1; % 1/2的概率輸出為1</p><p><b>　　end</b></p><p><b>　　end;<

36、;/b></p><p>　　4.3 星座圖映射</p><p>　　對(duì)產(chǎn)生的二進(jìn)制隨機(jī)序列進(jìn)行串并轉(zhuǎn)換，分離出I分量、Q分量，然后再分別進(jìn)行電平映射。由于是調(diào)用matlab系統(tǒng)函數(shù)調(diào)制解調(diào)，在此將轉(zhuǎn)換后邊的序列進(jìn)行四進(jìn)制轉(zhuǎn)換，方便后面的調(diào)制，再將轉(zhuǎn)換好的序列通過(guò)調(diào)用qam()函數(shù)進(jìn)行16qam調(diào)制，具體代碼如下：</p><p><b>　　代碼

37、如下：</b></p><p>　　%串/并變換分離出I分量、Q分量，然后再分別進(jìn)行電平映射</p><p>　　I=x(1:2:nn-1); </p><p>　　[I,In]=two2four(I,4*m);</p><p>　　Q=x(2:2:nn); </p><p>　　[Q,Qn]=

38、two2four(Q,4*m); </p><p>　　if Kbase==2; %基帶成形濾波</p><p>　　I=bshape(I,fs,fb/4); </p><p>　　Q=bshape(Q,fs,fb/4); </p><p><b>　　end; </b></p><

39、;p>　　y=I.*cos(2*pi*fc*t)-Q.*sin(2*pi*fc*t); %調(diào)制</p><p>　　二進(jìn)制轉(zhuǎn)換成四進(jìn)制代碼：</p><p>　　two2four.m</p><p>　　%二進(jìn)制轉(zhuǎn)換成四進(jìn)制</p><p>　　function [y,yn]=two2four(x,m);</p>&

40、lt;p>　　T=[0 1;3 2]; </p><p>　　n=length(x); </p><p><b>　　ii=1;</b></p><p>　　for i=1:2:n-1;</p><p>　　xi=x(i:i+1)+1; </p><p>　　yn(ii)=T(xi(1),

41、xi(2)); </p><p><b>　　ii=ii+1;</b></p><p><b>　　end;</b></p><p>　　yn=yn-1.5; </p><p><b>　　y=yn; </b></p><p>　　for i=1:

42、m-1;</p><p><b>　　y=[y;yn];</b></p><p><b>　　end;</b></p><p>　　y=y(:)'; %映射電平分別為-1.5；0.5；0.5；1.5</p><p><b>　　星座圖代碼如下：</b></p&g

43、t;<p><b>　　constel.m</b></p><p><b>　　%畫出星座圖</b></p><p>　　function c=constel(x,fs,fb,fc);</p><p>　　N=length(x); </p><p>　　m=2*fs/fb;n=fs

44、/fc; </p><p><b>　　i1=m-n; </b></p><p><b>　　i=1; </b></p><p>　　ph0=(i1-1)*2*pi/n; </p><p>　　while i <= N/m;</p><p>　　xi=x(i1:

45、i1+n-1);</p><p>　　y=2*fft(xi)/n; </p><p>　　c(i)=y(2); </p><p><b>　　i=i+1; </b></p><p><b>　　i1=i1+m;</b></p><p><b>　　end; <

46、;/b></p><p>　　%如果無(wú)輸出，則作圖</p><p>　　if nargout<1; </p><p>　　cmax=max(abs(c));</p><p>　　ph=(0:5:360)*pi/180; </p><p>　　plot(1.414*cos(ph),1.414*sin(ph)

47、,'c'); </p><p><b>　　hold on;</b></p><p>　　for i=1:length(c);</p><p>　　ph=ph0-angle(c(i));</p><p>　　a=abs(c(i))/cmax*1.414;</p><p>　　plo

48、t(a*cos(ph),a*sin(ph),'r*');</p><p><b>　　end; </b></p><p>　　plot([-1.5 1.5],[0 0],'k:',[0 0],[-1.5 1.5],'k:'); </p><p>　　hold off; </p>

49、<p>　　axis equal; </p><p>　　axis([-1.5 1.5 -1.5 1.5]);</p><p><b>　　end;</b></p><p>　　4.4波形成形（平方根升余弦濾波器）</p><p>　　為了避免相鄰傳輸信號(hào)之間的串?dāng)_，多元符號(hào)需要有合適的信號(hào)波形。方波是在本地

50、數(shù)字信號(hào)處理時(shí)常見(jiàn)的波形，但在實(shí)際傳輸時(shí)這種方波并不合適。根據(jù)奈奎斯特第一準(zhǔn)則，在實(shí)際通信系統(tǒng)中一般均使接收波形為升余弦滾降信號(hào)。這一過(guò)程由發(fā)送端的基帶成形濾波器和接收端的匹配濾波器兩個(gè)環(huán)節(jié)共同實(shí)現(xiàn)，因此每個(gè)環(huán)節(jié)均為平方根升余弦滾降濾波，兩個(gè)環(huán)節(jié)合成就實(shí)現(xiàn)了一個(gè)升余弦滾降濾波。實(shí)現(xiàn)平方根升余弦滾降信號(hào)的過(guò)程稱為“波形成形”，通過(guò)采用合適的濾波器對(duì)多元碼流進(jìn)行濾波實(shí)現(xiàn)，由于生成的是基帶信號(hào)，因此這一過(guò)程又稱“基帶成形濾波”。</p&

51、gt;<p><b>　　代碼如下：</b></p><p><b>　　bshape.m</b></p><p>　　%基帶升余弦成形濾波器</p><p>　　function y=bshape(x,fs,fb,N,alfa,delay);</p><p><b>　　%

52、設(shè)置默認(rèn)參數(shù)</b></p><p>　　if nargin<6; delay=8; end;</p><p>　　if nargin<5; alfa=0.5; end;</p><p>　　if nargin<4; N=16; end;</p><p>　　b=firrcos(N,fb,2*alfa*f

53、b,fs);</p><p>　　y=filter(b,1,x);</p><p><b>　　4.5調(diào)制</b></p><p>　　已調(diào)號(hào)進(jìn)行串并轉(zhuǎn)換分離出I分量、Q分量，然后再分別進(jìn)行電平映射，經(jīng)過(guò)成形濾波后與載波相乘，最后相加得到已調(diào)信號(hào)。</p><p><b>　　調(diào)制代碼：</b>&l

54、t;/p><p><b>　　qam.m</b></p><p>　　function [y,I,Q]=qam(x,Kbase,fs,fb,fc);</p><p>　　T=length(x)/fb; </p><p>　　m=fs/fb;</p><p>　　nn=length(x);<

55、/p><p>　　dt=1/fs; </p><p>　　t=0:dt:T-dt;</p><p>　　%串/并變換分離出I分量、Q分量，然后再分別進(jìn)行電平映射</p><p>　　I=x(1:2:nn-1); </p><p>　　[I,In]=two2four(I,4*m);</p><

56、;p>　　Q=x(2:2:nn); </p><p>　　[Q,Qn]=two2four(Q,4*m); </p><p>　　if Kbase==2; %基帶成形濾波</p><p>　　I=bshape(I,fs,fb/4); </p><p>　　Q=bshape(Q,fs,fb/4); </p>

57、<p><b>　　end; </b></p><p>　　y=I.*cos(2*pi*fc*t)-Q.*sin(2*pi*fc*t); %調(diào)制</p><p>　　4.6加入高斯白噪聲之后解調(diào)</p><p>　　為了簡(jiǎn)化程序和得到可靠的誤碼率，我們?cè)诮庹{(diào)時(shí)并未從已調(diào)信號(hào)中恢復(fù)載波，而是直接產(chǎn)生與調(diào)制時(shí)一模一樣的載波來(lái)進(jìn)

58、行信號(hào)解調(diào)。</p><p>　　加入不同強(qiáng)度的高斯白噪聲代碼：</p><p>　　SNR_in_dB=8:2:24; %AWGN信道信噪比</p><p>　　for j=1:length(SNR_in_dB)</p><p>　　y_add_noise=awgn(y2,SNR_in_dB(j));

59、 %加入不同強(qiáng)度的高斯白噪聲</p><p>　　y_output=qamdet(y_add_noise,fs,fb,fc); %對(duì)已調(diào)信號(hào)進(jìn)行解調(diào)</p><p>　　解調(diào)時(shí)先設(shè)計(jì)一個(gè)巴特沃斯濾波器，然后將I分量、Q分量并/串轉(zhuǎn)換，最終恢復(fù)成碼元序列xn，然后進(jìn)行解調(diào)。</p><p><b>　　解調(diào)的代碼如下：</b></

60、p><p><b>　　%QAM信號(hào)解調(diào)</b></p><p>　　function [xn,x]=qamdet(y,fs,fb,fc);</p><p><b>　　dt=1/fs; </b></p><p>　　t=0:dt:(length(y)-1)*dt;</p><p&g

61、t;　　I=y.*cos(2*pi*fc*t); </p><p>　　Q=-y.*sin(2*pi*fc*t);</p><p>　　[b,a]=butter(2,2*fb/fs); %設(shè)計(jì)巴特沃斯濾波器</p><p>　　I=filtfilt(b,a,I);</p><p>　　Q=filtfilt(b,a,Q);</p

62、><p>　　m=4*fs/fb;</p><p>　　N=length(y)/m; </p><p>　　n=(.6:1:N)*m; </p><p><b>　　n=fix(n);</b></p><p><b>　　In=I(n); </b></p>&

63、lt;p>　　Qn=Q(n); </p><p>　　xn=four2two([In Qn]); </p><p>　　%I分量Q分量并/串轉(zhuǎn)換，最終恢復(fù)成碼元序列xn</p><p>　　nn=length(xn); </p><p>　　xn=[xn(1:nn/2);</p><p>　　xn(nn

64、/2+1:nn)]; </p><p>　　xn=xn(:); </p><p><b>　　xn=xn';</b></p><p>　　四進(jìn)制轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制代碼如下：</p><p>　　%四進(jìn)制轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制</p><p>　　function xn=four2two(yn);<

65、/p><p>　　y=yn; ymin=min(y);</p><p>　　ymax=max(y); </p><p>　　ymax=max([ymax abs(ymin)]);</p><p>　　ymin=-abs(ymax); </p><p>　　yn=(y-ymin)*3/(ymax-ymin); </

66、p><p>　　%設(shè)置門限電平，判決</p><p>　　I0=find(yn< 0.5); </p><p>　　yn(I0)=zeros(size(I0));</p><p>　　I1=find(yn>=0.5 & yn<1.5); </p><p>　　yn(I1)=ones(siz

67、e(I1));</p><p>　　I2=find(yn>=1.5 & yn<2.5); </p><p>　　yn(I2)=ones(size(I2))*2;</p><p>　　I3=find(yn>=2.5); </p><p>　　yn(I3)=ones(size(I3))*3;</p>

68、<p>　　%一位四進(jìn)制碼元轉(zhuǎn)換為兩位二進(jìn)制碼元</p><p>　　T=[0 0;0 1;1 1;1 0];</p><p>　　n=length(yn); </p><p>　　for i=1:n;</p><p>　　xn(i,:)=T(yn(i)+1,:);</p><p><b>　　e

69、nd; </b></p><p><b>　　xn=xn'; </b></p><p>　　xn=xn(:); xn=xn';</p><p><b>　　誤碼率代碼如下：</b></p><p>　　numoferr=0; </p><p&

70、gt;　　for i=1:N </p><p>　　if (y_output(i)~=info(i)), </p><p>　　numoferr=numoferr+1;</p><p><b>　　end;</b></p><p><b>　　end;</b><

71、/p><p>　　Pe(j)=numoferr/N; %統(tǒng)計(jì)誤碼率</p><p><b>　　end;</b></p><p><b>　　figure;</b></p><p>　　semilogy(SNR_in_dB,Pe,'red*-');

72、 </p><p><b>　　grid on;</b></p><p>　　xlabel('SNR in dB'); </p><p>　　ylabel('Pe');</p><p>　　title('16QAM調(diào)制在信道噪聲強(qiáng)度下的誤碼率');</p>&

73、lt;p>　　16-QAM載波調(diào)制信號(hào)在AWGN信道下的性能代碼如下：</p><p><b>　　clear all</b></p><p>　　nsymbol=100000; </p><p>　　%每種信噪比下的發(fā)送符號(hào)數(shù)</p><p>　　M=16;

74、 </p><p><b>　　%16-QAM</b></p><p>　　graycode=[0 1 3 2 4 5 7 6 12 13 15 14 8 9 11 10]; </p><p>　　%Gray編碼規(guī)則 <

75、;/p><p>　　EsN0=5:20; </p><p>　　%信噪比，Es/N0</p><p>　　snr1=10.^(EsN0/10); </p><p>　　%信噪比轉(zhuǎn)換為線性值</p><p>　　msg=rand

76、int(1,nsymbol,M); %消息數(shù)據(jù)</p><p>　　msg1=graycode(msg+1); %Gray映射</p><p>　　msgmod=qammod(msg1,M); %基帶16-QAM調(diào)制</p><p>　　spow=norm(msgmod

77、).^2/nsymbol; %求每個(gè)符號(hào)的平均功率</p><p>　　for indx=1:length(EsN0)</p><p>　　sigma=sqrt(spow/(2*snr1(indx))); </p><p>　　%根據(jù)符號(hào)功率求噪聲功率</p><p>　　rx=msgmod+

78、sigma*(randn(1,length(msgmod))+j*randn(1,length(msgmod)))</p><p>　　y=qamdemod(rx,M);</p><p>　　decmsg=graycode(y+1);</p><p>　　[err,ber(indx)]=biterr(msg,decmsg,log2(M)); %誤比特率<

79、;/p><p>　　[err,ser(indx)]=symerr(msg,decmsg); %誤符號(hào)率</p><p><b>　　end </b></p><p>　　P4=2*(1-1/sqrt(M))*qfunc(sqrt(3*snr1/(M-1)));</p><p>　　ser1=1-(1-

80、P4).^2; </p><p><b>　　%理論誤符號(hào)率</b></p><p>　　ber1=1/log2(M)*ser1; </p><p><b>　　%理論誤比特率&

81、lt;/b></p><p>　　semilogy(EsN0,ber,'-ko',EsN0,ser,'-k*',EsN0,ser1,EsN0,ber1,'-k.');</p><p>　　title('16-QAM載波調(diào)制信號(hào)在AWGN信道下的性能')</p><p>　　xlabel('

82、Es/N0');</p><p>　　ylabel('誤比特率和誤符號(hào)率')</p><p>　　legend('誤比特率','誤符號(hào)率','理論誤符號(hào)率','理論誤比特率')</p><p><b>　　5 仿真結(jié)果及分析</b></p>&

83、lt;p>　　圖13 已調(diào)信號(hào)波形</p><p>　　如圖13所示的已調(diào)信號(hào)，程序碼元數(shù)量設(shè)定為10000個(gè)，此處顯示1/10，即1000個(gè)，基帶信號(hào)頻率1HZ，抽樣頻率32HZ，載波頻率4HZ。</p><p>　　圖14 已調(diào)信號(hào)頻譜</p><p>　　圖15 16QAM星座圖</p><p>　　通過(guò)觀察圖15的1

84、6QAM星座圖可以看出16QAM的頻帶利用率比較高，帶寬占用比較小。</p><p>　　圖16 16QAM調(diào)制在不同信道噪聲強(qiáng)度下的誤碼率</p><p>　　圖17 16-QAM載波調(diào)制信號(hào)在AWGN信道下的性能</p><p>　　由圖16圖17可看到當(dāng)信噪比小的情況下，仿真曲線和理論曲線差距略大，而隨著信噪比的增大，仿真曲線越來(lái)越逼進(jìn)理論曲線。在同樣信噪

85、比時(shí)，誤符號(hào)率比誤比特率（誤碼率）要大。簡(jiǎn)單分析不難看出，由于理論誤碼率曲線是建立在誤符號(hào)率除以4的基礎(chǔ)上的，而這一條件的前提是出現(xiàn)誤符號(hào)的時(shí)候，一個(gè)符號(hào)中只有一個(gè)bit位發(fā)生了錯(cuò)誤，這表明誤碼率比較低，也就是說(shuō)明信噪比比較大。所以，當(dāng)信噪比比較小的時(shí)候，理論計(jì)算的誤碼率的值要小于仿真得到的值。</p><p><b>　　6 總結(jié)與體會(huì)</b></p><p>&l

86、t;b>　　6.1總結(jié)</b></p><p>　　在現(xiàn)代通信中，提高頻譜利用率一直是人們關(guān)注的焦點(diǎn)之一。近年來(lái)，隨著通信業(yè)務(wù)需求的增長(zhǎng)，尋找頻譜利用率高的數(shù)字調(diào)制方式已成為數(shù)字通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)，研究的主要目標(biāo)之一。正交振幅調(diào)制QAM( Quadrature Amplitude Modulation )就是一種頻譜利用率很高的調(diào)制方式，其在中、大容量數(shù)字微波通信系統(tǒng)、有線電視網(wǎng)絡(luò)高速數(shù)據(jù)傳輸、衛(wèi)星通

87、信系統(tǒng)等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。本設(shè)計(jì)是基于MATLAB/Simulink的16 QAM調(diào)制與解調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)與仿真，得到的結(jié)論是：</p><p>　　（1）對(duì)16QAM調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)基本原理進(jìn)行了較為深入的了解與分析,并且根據(jù)原理圖構(gòu)建MATLAB/Simulink的仿真模型。</p><p>　?。?）較為熟悉的掌握MATLAB/Simulink軟件在通信系統(tǒng)中的設(shè)計(jì)與仿真的步驟

88、與方法。</p><p>　?。?）通過(guò)觀察星座圖可以看出16QAM的頻帶利用率比較高，帶寬占用比較小。</p><p>　　作為一種現(xiàn)代調(diào)制技術(shù)，QAM相比較傳統(tǒng)調(diào)制技術(shù)，有著很多優(yōu)于傳統(tǒng)調(diào)制技術(shù)的特性，使得它在中、大容量數(shù)字微波通信系統(tǒng)、有線電視網(wǎng)絡(luò)高速數(shù)據(jù)傳輸、衛(wèi)星通信系統(tǒng)和蜂窩系統(tǒng)等系統(tǒng)中得到大規(guī)模應(yīng)用，大大提高系統(tǒng)通信質(zhì)量和通信效率。</p><p>　　

89、MATLAB在通信仿真中有著重要的應(yīng)用，MATLAB/Simulink是通信系統(tǒng)計(jì)算機(jī)仿真的強(qiáng)大工具，本文提供了一個(gè)實(shí)際仿真的例子。實(shí)際的信道是很復(fù)雜的，在實(shí)際的應(yīng)用中應(yīng)根據(jù)不同的要求選用不同的調(diào)制方式。本文利用MATLAB/Simulink 對(duì)M =16 進(jìn)制正交幅度調(diào)制系統(tǒng)進(jìn)行了仿真，從理論上驗(yàn)證16進(jìn)制正交幅度調(diào)制系統(tǒng)工作原理，為實(shí)際應(yīng)用和科學(xué)合理地設(shè)計(jì)正交幅度調(diào)制系統(tǒng),提供了便捷、高效、直觀的重要方法。</p>&

90、lt;p><b>　　6.2心得體會(huì)</b></p><p>　　這次課程設(shè)計(jì)通過(guò)運(yùn)用MATLAB/Simulink 軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)仿真，掌握了運(yùn)用技巧；理解了M-QAM調(diào)制的原理以及其優(yōu)越性。課程設(shè)計(jì)是培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)，發(fā)現(xiàn)、提出、分析和解決問(wèn)題，鍛煉實(shí)踐能力的重要環(huán)節(jié)，是對(duì)學(xué)生實(shí)際工作能力的具體訓(xùn)練和考察過(guò)程。通過(guò)課程設(shè)計(jì)系統(tǒng)的了解了一些理論知識(shí)，能把理論知識(shí)與具體實(shí)踐相結(jié)合

91、，培養(yǎng)了我們動(dòng)手、動(dòng)腦能力。</p><p>　　課程設(shè)計(jì)主要是對(duì)理論知識(shí)的延伸，它的目的主要是要在設(shè)計(jì)中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，并且自己要能找到解決問(wèn)題的方案，形成一種獨(dú)立的意識(shí)，還能從設(shè)計(jì)中檢驗(yàn)平時(shí)所學(xué)的理論知識(shí)到底有多少，鞏固已經(jīng)學(xué)會(huì)的內(nèi)容，不斷學(xué)習(xí)新知識(shí)，把這門課學(xué)的扎實(shí)。</p><p><b>　　【參考文獻(xiàn)】</b></p><p>　　[1]

92、邵玉斌. Matlab/Simulink通信系統(tǒng)建模與仿真實(shí)例分析. 北京:清華大學(xué)出版社, 2008</p><p>　　[2]張化光, 劉鑫蕊, 孫秋野. MATLAB/SIMULINK實(shí)用教程. 北京:人民郵電出版社, 2009</p><p>　　[3]樊昌信, 曹麗娜. 通信原理. 北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2008</p><p>　　[4]劉衛(wèi)國(guó). MAT

93、LAB程序設(shè)計(jì)教程. 北京:中國(guó)水利水電出版社, 2005</p><p><b>　　附錄</b></p><p>　　main_plot.m</p><p>　　clear;clc;echo off;close all;</p><p>　　N=10000; %設(shè)定碼元數(shù)量</p&g

94、t;<p>　　fb=1; %基帶信號(hào)頻率</p><p>　　fs=32; %抽樣頻率</p><p>　　fc=4; %載波頻率,為便于觀察已調(diào)信號(hào)，我們把載波頻率設(shè)的較低</p><p>　　Kbase=2; % Kbas

95、e=1,不經(jīng)基帶成形濾波，直接調(diào)制; </p><p>　　% Kbase=2,基帶經(jīng)成形濾波器濾波后，再進(jìn)行調(diào)制</p><p>　　info=random_binary(N); %產(chǎn)生二進(jìn)制信號(hào)序列</p><p>　　[y,I,Q]=qam(info,Kbase,fs,fb,fc); %對(duì)基帶信號(hào)進(jìn)行16QAM調(diào)制</p

96、><p>　　y1=y; y2=y; %備份信號(hào)，供后續(xù)仿真用</p><p>　　T=length(info)/fb; </p><p><b>　　m=fs/fb;</b></p><p>　　nn=length(info);</p><p>　

97、　dt=1/fs; </p><p>　　t=0:dt:T-dt; </p><p>　　n=length(y); </p><p>　　y=fft(y)/n; </p><p>　　y=abs(y(1:fix(n/2)))*2;</p><p>　　q=find(y<1e-04

98、);</p><p>　　y(q)=1e-04; </p><p>　　y=20*log10(y);</p><p>　　f1=m/n; </p><p>　　f=0:f1:(length(y)-1)*f1;</p><p>　　%subplot(212);</p><p>

99、;　　plot(f,y,'b');</p><p>　　grid on; </p><p>　　title('已調(diào)信號(hào)頻譜'); xlabel('f/fb'); </p><p>　　%畫出16QAM調(diào)制方式對(duì)應(yīng)的星座圖</p><p>　　%%constel(y1,fs,fb,fc);

100、 title('星座圖');</p><p>　　SNR_in_dB=8:2:24; %AWGN信道信噪比</p><p>　　for j=1:length(SNR_in_dB)</p><p>　　y_add_noise=awgn(y2,SNR_in_dB(j)); %加入不同強(qiáng)度的高斯白噪聲</p

101、><p>　　y_output=qamdet(y_add_noise,fs,fb,fc); %對(duì)已調(diào)信號(hào)進(jìn)行解調(diào)</p><p>　　numoferr=0; </p><p>　　for i=1:N </p><p>　　if (y_output(i)~=info(i)), </p><

102、;p>　　numoferr=numoferr+1;</p><p><b>　　end;</b></p><p><b>　　end;</b></p><p>　　Pe(j)=numoferr/N; %統(tǒng)計(jì)誤碼率</p><p><b>　　end;&

103、lt;/b></p><p><b>　　figure;</b></p><p>　　semilogy(SNR_in_dB,Pe,'blue*-'); </p><p><b>　　grid on;</b></p><p>　　xlabel('SNR in dB

104、'); </p><p>　　ylabel('Pe');</p><p>　　title('16QAM調(diào)制誤碼率');</p><p><b>　　bshape.m</b></p><p>　　%基帶升余弦成形濾波器</p><p>　　function y

105、=bshape(x,fs,fb,N,alfa,delay);</p><p><b>　　%設(shè)置默認(rèn)參數(shù)</b></p><p>　　if nargin<6; delay=8; end;</p><p>　　if nargin<5; alfa=0.5; end;</p><p>　　if nargin&l

106、t;4; N=16; end;</p><p>　　b=firrcos(N,fb,2*alfa*fb,fs);</p><p>　　y=filter(b,1,x);</p><p>　　four2two.m</p><p>　　function xn=four2two(yn);</p><p>　　y=yn; ym

107、in=min(y); ymax=max(y); ymax=max([ymax abs(ymin)]);</p><p>　　ymin=-abs(ymax); yn=(y-ymin)*3/(ymax-ymin); </p><p>　　%設(shè)置門限電平，判決</p><p>　　I0=find(yn< 0.5); yn(I0)=zeros(size(I0

108、));</p><p>　　I1=find(yn>=0.5 & yn<1.5); yn(I1)=ones(size(I1));</p><p>　　I2=find(yn>=1.5 & yn<2.5); yn(I2)=ones(size(I2))*2;</p><p>　　I3=find(yn>=2.5); yn

109、(I3)=ones(size(I3))*3;</p><p>　　%一位四進(jìn)制碼元轉(zhuǎn)換為兩位二進(jìn)制碼元</p><p>　　T=[0 0;0 1;1 1;1 0];n=length(yn); </p><p>　　for i=1:n;</p><p>　　xn(i,:)=T(yn(i)+1,:);</p><p>&

110、lt;b>　　end; </b></p><p>　　xn=xn'; xn=xn(:); xn=xn';</p><p>　　two2four.m</p><p>　　%二進(jìn)制轉(zhuǎn)換成四進(jìn)制</p><p>　　function [y,yn]=two2four(x,m);</p><

111、;p>　　T=[0 1;3 2]; n=length(x); ii=1;</p><p>　　for i=1:2:n-1;</p><p>　　xi=x(i:i+1)+1; </p><p>　　yn(ii)=T(xi(1),xi(2)); </p><p><b>　　ii=ii+1;</b></p&g

112、t;<p><b>　　end;</b></p><p>　　yn=yn-1.5; y=yn; </p><p>　　for i=1:m-1;</p><p><b>　　y=[y;yn];</b></p><p><b>　　end;</b></p

113、><p>　　y=y(:)'; %映射電平分別為-1.5；0.5；0.5；1.5</p><p>　　random_binary.m</p><p>　　function [info]=random_binary(N)</p><p>　　if nargin == 0, %如果沒(méi)有輸入?yún)?shù)，則指定信息序列為10000個(gè)碼元<

114、/p><p><b>　　N=10000;</b></p><p><b>　　end;</b></p><p>　　for i=1:N,</p><p>　　temp=rand; </p><p>　　if (temp<0.5),</p>

115、;<p>　　info(i)=0; % 1/2的概率輸出為0</p><p><b>　　else</b></p><p>　　info(i)=1; % 1/2的概率輸出為1</p><p><b>　　end</b></p><p><b>

116、　　end;</b></p><p><b>　　qamdet.m</b></p><p><b>　　%QAM信號(hào)解調(diào)</b></p><p>　　function [xn,x]=qamdet(y,fs,fb,fc);</p><p>　　dt=1/fs; t=0:dt:(length

117、(y)-1)*dt;</p><p>　　I=y.*cos(2*pi*fc*t); </p><p>　　Q=-y.*sin(2*pi*fc*t);</p><p>　　[b,a]=butter(2,2*fb/fs); %設(shè)計(jì)巴特沃斯濾波器</p><p>　　I=filtfilt(b,a,I);</p><p&

118、gt;　　Q=filtfilt(b,a,Q);</p><p>　　m=4*fs/fb;N=length(y)/m; n=(.6:1:N)*m; n=fix(n);</p><p>　　In=I(n); Qn=Q(n); xn=four2two([In Qn]); </p><p>　　%I分量Q分量并/串轉(zhuǎn)換，最終恢復(fù)成碼元序列xn</p>

119、;<p>　　nn=length(xn); xn=[xn(1:nn/2);xn(nn/2+1:nn)]; </p><p>　　xn=xn(:); xn=xn';</p><p><b>　　qam.m</b></p><p>　　function [y,I,Q]=qam(x,Kbase,fs,fb,fc);<

120、;/p><p><b>　　%</b></p><p>　　T=length(x)/fb; m=fs/fb;nn=length(x);</p><p>　　dt=1/fs; t=0:dt:T-dt;</p><p>　　%串/并變換分離出I分量、Q分量，然后再分別進(jìn)行電平映射</p><p&g

121、t;　　I=x(1:2:nn-1); </p><p>　　[I,In]=two2four(I,4*m);</p><p>　　Q=x(2:2:nn); </p><p>　　[Q,Qn]=two2four(Q,4*m); </p><p>　　if Kbase==2; %基帶成形濾波</p><

122、;p>　　I=bshape(I,fs,fb/4); Q=bshape(Q,fs,fb/4); </p><p><b>　　end; </b></p><p>　　y=I.*cos(2*pi*fc*t)-Q.*sin(2*pi*fc*t); </p><p><b>　　32QAM</b></p>

123、<p><b>　　M = 32; </b></p><p>　　k = log2(M); </p><p>　　x = randint(20000,1); </p><p>　　y = modulate(modem.qammod('M',32,'InputType','Bit')

124、,x); </p><p>　　EbNo = -5:1:10; </p><p>　　for n=1:length(EbNo) </p><p>　　snr(n) = EbNo(n) + 10*log10(k); </p><p>　　ynoisy = awgn(y,snr(n),'measured'); </p>

125、;<p>　　zms = demodulate(modem.qamdemod('M',32,'OutputType','Bit'),ynoisy); </p><p>　　z = de2bi(zms,'left-msb');</p><p>　　[nErrors(n), BITBER(n)] = biterr(x

126、,z); </p><p>　　theo_err_prb(n)=(1/k)*3/2*erfc(sqrt(k*0.1*(10.^(EbNo(n)/10)))); </p><p><b>　　end </b></p><p>　　disp (nErrors); </p><p>　　disp (BITBER); </

127、p><p>　　semilogy(EbNo,BITBER,'b*-',EbNo,theo_err_prb,'k*-'); </p><p>　　title('32QAM誤比特率性能'); </p><p>　　xlabel('Eb/N0(dB)'); </p><p>　　ylabe