基于Simulink的QAM調(diào)制解調(diào)實現(xiàn)

1、本科生畢業(yè)設(shè)計 基于基于 simulinksimulink 的的 qamqam 調(diào)制解調(diào)實現(xiàn)調(diào)制解調(diào)實現(xiàn) 獨(dú)獨(dú) 創(chuàng)創(chuàng) 性性 聲聲 明明 本人鄭重聲明：所呈交的畢業(yè)論文（設(shè)計）是本人在指導(dǎo)老師指導(dǎo)下取得的研究成 果。除了文中特別加以注釋和致謝的地方外，論文（設(shè)計）中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或 撰寫的研究成果。與本研究成果相關(guān)的所有人所做出的任何貢獻(xiàn)均已在論文（設(shè)計）中 作了明確的說明并表示了謝意。 簽名： 年月日 授授 權(quán)權(quán) 聲聲 明明 本人完全了解許昌學(xué)院有關(guān)保留、使用本科生畢業(yè)論文（設(shè)計）的規(guī)定，即：有權(quán) 保留并向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交畢業(yè)論文（設(shè)計）的復(fù)印件和磁盤，允許畢業(yè)論文 （設(shè)計）被查閱

2、和借閱。本人授權(quán)許昌學(xué)院可以將畢業(yè)論文（設(shè)計）的全部或部分內(nèi)容 編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存、匯編論文（設(shè) 計） 。 本人論文（設(shè)計）中有原創(chuàng)性數(shù)據(jù)需要保密的部分為（如沒有，請?zhí)顚憽盁o” ）： 簽名： 年月日 指導(dǎo)教師簽名： 年月日 摘 要 本文設(shè)計的是基于 simulink 的 qam 調(diào)制解調(diào)的實現(xiàn)。首先介紹了 qam 調(diào)制解調(diào) 系統(tǒng)的基本原理，然后介紹了仿真軟件 simulink 下系統(tǒng)建模與仿真的基本操作，重點是 對 16qam 系統(tǒng)各個模塊進(jìn)行建模與仿真，實現(xiàn)了 16qam 的調(diào)制與解調(diào)。最后做了一個 2dpsk 系統(tǒng)仿真，將它與 16qam 系統(tǒng)進(jìn)

3、行比較，得出 16qam 是一種相對優(yōu)越的調(diào)制解 調(diào)系統(tǒng)這一結(jié)論。 關(guān)鍵字：qam 調(diào)制解調(diào)；simulink；仿真 abstract this design is based on simulink, qam modulation and demodulation implementation. qam modulation and demodulation first introduced the basic principles of the system, and then introduced the simulink simulation software for modeling

4、 and simulation of the systems basic operations, focused on each module 16qam system modeling and simulation, to achieve a 16qam modulation and demodulation. finally made a 2dpsk system simulation, the system will compare it with 16qam, 16qam obtained is a relatively superior modulation and demodula

5、tion system this conclusion. keyword: qam modulation and demodulation；simulink；simulation 目 錄 1 緒論緒論.1 1.1 qma 簡介及應(yīng)用簡介及應(yīng)用 .1 1.2 simulink 軟件與通信仿真軟件與通信仿真.1 1.3論文主要內(nèi)容論文主要內(nèi)容.2 2 現(xiàn)代數(shù)字調(diào)制技術(shù)現(xiàn)代數(shù)字調(diào)制技術(shù) qam .3 2.1 qam 調(diào)制原理調(diào)制原理 .3 2.2 qam 解調(diào)原理解調(diào)原理 .4 2.3 mqam 信號星座圖信號星座圖.5 2.4 qam 的誤碼率性能的誤碼率性能 .6 3 qam 調(diào)制解調(diào)的實現(xiàn)與仿

6、真調(diào)制解調(diào)的實現(xiàn)與仿真 .8 3.1 simulink 軟件軟件.8 3.1.1 simulink 模塊模塊.8 3.1.2 simulink 建模與仿真建模與仿真.9 3.2 qam 調(diào)制模塊建模與仿真調(diào)制模塊建模與仿真 .9 3.2.1 信號源模塊信號源模塊.10 3.2.2 串串并轉(zhuǎn)換模塊并轉(zhuǎn)換模塊.10 3.2.3 2/4 電平轉(zhuǎn)換模塊電平轉(zhuǎn)換模塊.12 3.2.4 其余模塊其余模塊.14 3.3 qam 解調(diào)模塊建模與仿真解調(diào)模塊建模與仿真 .15 3.3.1 4/2 電平判決模塊電平判決模塊.16 3.3.2 并并串轉(zhuǎn)換模塊串轉(zhuǎn)換模塊.18 3.3.3 其余模塊其余模塊.19 3.

7、4 qam 抗噪聲性能研究抗噪聲性能研究 .19 3.5 16qam 與與 2dpsk 系統(tǒng)抗噪聲性能比較系統(tǒng)抗噪聲性能比較.21 4 總結(jié)總結(jié).23 參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn).24 附附 錄錄.25 致致 謝謝.26 1 緒論 1.1 qma 簡介及應(yīng)用簡介及應(yīng)用 在當(dāng)今飛速發(fā)展的信息時代，隨著數(shù)字通信技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展以及通信 網(wǎng)絡(luò)與計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的相互融合，信息科學(xué)技術(shù)已經(jīng)成為 21 世紀(jì)國際社會和世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展 的新的強(qiáng)大推動力?，F(xiàn)代數(shù)字通信技術(shù)的調(diào)制方式具有三種基本方式：數(shù)字振幅調(diào)制、 數(shù)字頻率調(diào)制、數(shù)字相位調(diào)制，但這三種數(shù)字調(diào)制方式都存在不足之處，如：頻譜利用 率低、抗多徑抗衰弱能力差、

8、功率譜衰減慢、帶外輻射嚴(yán)重等。為了改善這些不足，近 幾十年來人們不斷提出一些新的數(shù)字調(diào)制解調(diào)技術(shù)，以適應(yīng)各種通信系統(tǒng)的要求。其主 要研究內(nèi)容圍繞著減小信號帶寬以提高信號頻譜利用率；提高功率利用率以增強(qiáng)抗噪聲 性能；適應(yīng)各種隨參信道以增強(qiáng)抗多徑抗衰落能力等。 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)星通信 系統(tǒng)等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。qam 數(shù)字調(diào)制器作為 dvb 系統(tǒng)的前端設(shè)備，接收來自編 碼器、復(fù)用器、dvb 網(wǎng)關(guān)、視頻服務(wù)器等設(shè)備的 ts 流，進(jìn)行 r

9、s 編碼、卷積編碼和 qam 數(shù)字調(diào)制，輸出的射頻信號可以直接在有線電視網(wǎng)上傳送，同時也可根據(jù)需要選擇 中頻輸出。它以其靈活的配置和優(yōu)越的性能指標(biāo)，廣泛的應(yīng)用于數(shù)字有線電視傳輸領(lǐng)域 和數(shù)字 mmds 系統(tǒng)。例如，在恒參信道中， qam 方式具有高的頻譜利用率，因此正交 振幅調(diào)制在衛(wèi)星通信和有線電視網(wǎng)絡(luò)高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)阮I(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。 1.2 simulink 軟件與通信仿真軟件與通信仿真 mathworks 公司推出的一種數(shù)學(xué)應(yīng)用軟件 matlab，現(xiàn)在已經(jīng)開發(fā)了包括通信系統(tǒng)在內(nèi) 的多個工具箱，從而成為目前科學(xué)研究和工程應(yīng)用的最流行的軟件包之一。simulink 是 matlab 中的一種可視

10、化仿真工具，它提供一個動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和綜合分析的集成環(huán) 境。在 simulink，不需要大量書寫程序，而只需通過簡單的鼠標(biāo)操作和拷貝等命令建立起 直觀的系統(tǒng)框圖模型，用戶可以很隨意地改變模型中各個模塊的參數(shù)，并可以馬上看到 改變參數(shù)后的結(jié)果，從而達(dá)到方便、快捷地建模和仿真的目的。simulink 包括一個復(fù)雜的 接收器、信號源、線性和非線性組件以及連接組建的模塊庫，用戶也可以根據(jù)需要定制 或者創(chuàng)建自己的模塊。可以運(yùn)用于線性系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)、數(shù)字控制及數(shù)字信號處理的 建模和仿真中。所以 simulink 具有適應(yīng)面廣、結(jié)構(gòu)和流程清晰及仿真精細(xì)、貼近實際、 快捷高效、靈活方便等優(yōu)點，并基于以上

11、優(yōu)點 simulink 已被廣泛應(yīng)用于控制理論和數(shù)字 信號處理及通信系統(tǒng)的仿真和設(shè)計。 實際的通信系統(tǒng)是一個功能結(jié)構(gòu)相當(dāng)復(fù)雜的系統(tǒng)，對于這個系統(tǒng)作出的任何改變都 可能影響到整個系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性。而 simulink 作為 matlab 提供的用于對動態(tài)系統(tǒng)進(jìn) 行建模、仿真和分析的工具包，提供了仿真所需的信源編碼、糾錯編碼、信道、調(diào)制解 調(diào)以及其它所用的全部庫函數(shù)和模塊?？梢?，不管對任何復(fù)雜的通信系統(tǒng)，用 simulink 對其仿真都是一個很好的選擇。 1.3論文主要內(nèi)容論文主要內(nèi)容 本文設(shè)計的是基于 simulink 的 qam 調(diào)制解調(diào)的實現(xiàn)。首先簡紹了 qam 調(diào)制解調(diào) 系統(tǒng)的基本原理，

12、然后介紹了實現(xiàn)通信仿真的應(yīng)用軟件 simulink 的庫的基本知識及系統(tǒng) 建模與仿真的基本操作。重點是以 16qam 調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)為例，根據(jù)其調(diào)制解調(diào)原理系統(tǒng) 框圖，在 simulink 環(huán)境下建立各個模塊的模型圖，如串并轉(zhuǎn)換模塊、24 電平轉(zhuǎn)換模塊等， 設(shè)置參數(shù)并進(jìn)行仿真。實現(xiàn)了 qam 系統(tǒng)的調(diào)制與解調(diào)，得到了個模塊的波形圖、調(diào)制解 調(diào)波形圖，以及信號在加噪前后的星座圖、眼圖，而且在信噪比變化條件下，得到了 16qam 系統(tǒng)的誤碼率。最后，在做了一個 2dpsk 系統(tǒng)設(shè)計與仿真之后，將它與 16qam 系統(tǒng)進(jìn)行了比較，并得出了 16qam 是一種相對優(yōu)越的調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)這一結(jié)論。 2 現(xiàn)代數(shù)

13、字調(diào)制技術(shù) qam qam 是英文 quadrature amplitude modulation 的縮略語簡稱，意為正交幅度調(diào)制， 是一種在兩個正交載波上進(jìn)行幅度調(diào)制的數(shù)字調(diào)制方式，這兩個載波通常是相位差為 90 度(/2)的正弦波，因此被稱作正交載波，這種調(diào)制方式因此而得名。 2.1 qam 調(diào)制原理調(diào)制原理 所謂正交振幅調(diào)制是用兩個獨(dú)立的基帶波形對兩個互相正交的同頻載波進(jìn)行抑制載 波的雙邊帶調(diào)制。利用這種已調(diào)信號在同一帶寬內(nèi)頻譜正交的性質(zhì)來實現(xiàn)兩路并行的數(shù) 字信號傳輸。 正交振幅調(diào)制信號的一般表達(dá)式為 （2-)tcos()ntt (ga) t (s ncs n nmqam 1） 式中是基

14、帶信號幅度，是寬度為的單個基帶信號波形。上式變換成正交 n a)ntt (g s s t 表示形式： （2- tcoscos)ntt (ga) t (s cns n nmqam tsinsin)ntt (ga cns n n 2） 令 nnn cosax nnn sinay 則（2-2）式變?yōu)?tcos)ntt (gx) t (s cs n nmqam tsin)ntt (gy csn = (2-3)tsinytcos) t (x cnc 式中的振幅和可以表示為 n x n y acx nn acy nn 式中，a 是固定振幅，、有輸入數(shù)據(jù)確定。、決定了已調(diào) qam 信號在信號空間 n c n

15、 d n c n d 中的坐標(biāo)點。 qam 調(diào)制解調(diào)框圖如圖 2-1 所示： 串并轉(zhuǎn)換 2 到 l 電平轉(zhuǎn) 換 2 到 l 電平轉(zhuǎn) 換 預(yù)調(diào)制 lpf 預(yù)調(diào)制 lpf tcos tsin 圖 2-1 qam 信號解調(diào)原理圖 圖中，輸入二進(jìn)制序列經(jīng)過串并轉(zhuǎn)換輸出速率減半即的兩路并行序列，再分別 2 rb 經(jīng)過 2 到 l 電平的轉(zhuǎn)換，形成了 l 電平的基帶信號。該 l 電平的基帶信號還要經(jīng)過預(yù)調(diào) 制低通濾波器，是為了抑制已調(diào)信號的帶外輻射，經(jīng)過 lpf 后形成 x(t)和 y(t)，再分別 對同向載波和正交載波相乘，最后將兩路信號加即得到 qam 信號。 2.2 qam 解調(diào)原理解調(diào)原理 mqa

16、m 信號可以采用正交相干解調(diào)方法，其解調(diào)器原理如圖 2-2 所示： 載波恢復(fù)定時恢復(fù)并串轉(zhuǎn)換 lpf lpf 多電平判決 多電平判決 l 到 2 電平 轉(zhuǎn)換 l 到 2 電 平轉(zhuǎn)換 圖 2-2 mqam 信號相干解調(diào)原理圖 解調(diào)器輸入信號與本地恢復(fù)的兩個正交載波相乘后，經(jīng)過低通濾波器輸出兩路多電 平基帶信號 x（t）和 y（t） 。多電平判決器對多電平基帶信號進(jìn)行判決和檢測，這里需 要(l-1)個判決門限，其中 l 為電平數(shù)，再經(jīng) l 電平到 2 電平轉(zhuǎn)換和并/串變換器，最終輸 出二進(jìn)制數(shù)據(jù)。 2.3 mqam 信號星座圖信號星座圖 信號矢量的端點的分布圖稱為星座圖。通常用星座圖來描述 qam

17、 信號的空間分布狀態(tài)。 對于 16qam 來說，有多種分布形式的信號星座圖。如圖 2-3 所示。在圖 2-3（a）中信號 點的分布成方形，故稱之為方形 16qam 星座圖，也稱為標(biāo)準(zhǔn) 16qam 星座圖。在圖 2- 3(b)中信號點的分布成星型，故稱為星型 16qam 星座。 (0,4.61) (0,2.61) (2.61,0)(4.61,0) (0,-2.61) (0,-4.61) (-2.61,0)(-4.61,0) (b) 圖 2-3 16qam 的星座圖 （a）方形 16qam 星座 （b）星型 16qam 星座 m=4,16,32， ，256 時 mqam 信號星座圖如圖 2-4 所

18、示： 圖 2-4 mqam 信號星座圖 其中 m 為 2 的偶次方時，如 m=4,16,64,256 時星座圖為矩形，每個符號攜帶偶數(shù)個 比特信息；而 m 為 2 的奇次時，如 m=32,128 時星座圖為十字形，每個符號攜帶奇數(shù)個 比特信息。 為了比較 mqam 和 mpsk 的抗干擾能力，以 16 進(jìn)制為例，在圖 2-5 所示的單位圓 上分別畫出了 16psk 和 16qam 的星座圖。星座圖上各端點之間的最小距離滿足下式 （2- m sin2dmpsk 4） （2- 1m 2 1l 2 dmqam 5） 式中，l 為星座圖上信號點在水平軸和垂直軸上投影的電平數(shù)， 。 2 lm x y a

19、 a y x 16qam16psk 圖 2-5 16qam 和 16psk 的星座圖 當(dāng) m=16 時，可以計算得出0.47，0.39，星座圖中， qam16 d psk16 d qam16 d psk16 d 兩個信號點距離越大，在噪聲干擾使信號圖模糊的情況下，要求分開兩個可能信號點越 容易辦到。通過比較發(fā)現(xiàn) 16qam 系統(tǒng)抗干擾能力優(yōu)于 16psk。 2.4 qam 的誤碼率性能的誤碼率性能 矩形 qam 信號星座最突出的優(yōu)點就是容易產(chǎn)生 pam 信號可直接加到兩個正交載波 相位上，此外它們還便于解調(diào)。對于 m下的矩形信號星座圖（k 為偶數(shù)） ，qam 信 k 2 號星座圖與正交載波上的

20、兩個 pam 信號是等價的，這兩個信號中的每一個上都有 個信號點。因為相位正交分量上的信號能被相干判決極好的分離，所以易于通 2k 2m 過 pam 的誤碼率確定 qam 的誤碼率。m 進(jìn)制 qam 系統(tǒng)正確判決的概率是： (2-6) 2 )1 ( m c pp 式中是進(jìn)制 pam 系統(tǒng)的誤碼率，該 pam 系統(tǒng)具有等價 qam 系統(tǒng)的每一個 m pm 正交信號中的一半平均功率。通過適當(dāng)調(diào)整 m 進(jìn)制 pam 系統(tǒng)的誤碼率，可得 （2-7）) n e 1m 3 (q) m 1 1 (2p 0 av m 其中是每個符號的平均信噪比。因此 m 進(jìn)制 qa m 的誤碼率為 0 av n e （2-8

21、） 2 m m )p1 (1p 當(dāng) k 為偶數(shù)時，mqam 對于 m k 2 情形時精確的，而當(dāng) k 為奇數(shù)時，就找不到等 價的進(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m k1 誤碼率的嚴(yán)格上限 2 0 ) 1( 3 211 nm e qp av m (2-9) 0 ) 1( 3 4 nm ke q avb 其中是每比特的平均信噪比。 0 av n e 3 qam 調(diào)制解調(diào)的實現(xiàn)與仿真 3.1 simulink 軟件軟件 simulink是一個與matlab軟件融為一體實現(xiàn)對動態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行模擬、仿真和分析的應(yīng) 用軟件。它是以框圖編程為基礎(chǔ)的系統(tǒng)模擬及仿真軟件，并

22、為此提供了基本的系統(tǒng)建模 模塊。用戶只需知道這些模塊的輸入輸出及模塊的功能，而不必考察模塊內(nèi)部是如何實 現(xiàn)的，通過對這些基本模塊的調(diào)用，再將它們連接起來就可以構(gòu)成所需要的系統(tǒng)模型 （以.mdl文件進(jìn)行存取） ，就可以進(jìn)行仿真與分析。 3.1.1 simulink 模塊模塊 simulink的模塊分為兩大類，一類是基本模塊，另一類是與應(yīng)用領(lǐng)域相關(guān)的模塊。其 基本模塊集由16個模塊子集組成，它們分別是：常用模塊，連續(xù)時間系統(tǒng)用模塊，非連 續(xù)時間系統(tǒng)用模塊，離散時間系統(tǒng)模塊，邏輯與位操作模塊，查表模塊，數(shù)學(xué)運(yùn)算模塊， 模型確認(rèn)模塊，系統(tǒng)模型工具模塊，端口與子系統(tǒng)模塊，信號屬性模塊，信號布線模塊， 信

23、號終端模塊，信號源模塊，用戶自定義模塊，其他數(shù)學(xué)運(yùn)算及離散系統(tǒng)用模塊。 simulink 的通信模塊集 communications blockset 提供了豐富的通信系統(tǒng)仿真模塊， 幾乎包括了通信系統(tǒng)仿真中所用到的所有信源、信宿、操作和算法。如圖 3-1 所示，用戶 可以利用這些模塊方便地完成自己通信系統(tǒng)的仿真和分析。 圖3-1 通信系統(tǒng)仿真模塊 3.1.2 simulink 建模與仿真建模與仿真 建模的步驟如下： （1）首先確定一個設(shè)計的系統(tǒng)框圖，這個系統(tǒng)框圖是描述系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)、信號流 向、子系統(tǒng)信號的輸入與輸出、子系統(tǒng)之間的接口以及系統(tǒng)運(yùn)行所需的控制等。這樣的 系統(tǒng)框圖有助于 simu

24、link 建立系統(tǒng)模型。 （2）啟動 simulink，在 matlab 命令窗口（command window）中輸入 simulink，結(jié)果 是在桌面上出現(xiàn)一個稱為 simulink library browser 的窗口，在這個窗口中列出了按功能 分類的各種模塊的名稱。也可以通過 matlab 主窗口的快捷按鈕來打開 simulink library browser 窗口。 （3）單擊 simulink 模塊庫窗口左上角的 file 菜單下的新建模型或空白模型按鈕打開 一個名為 untilied 的空白模型窗口。從 simulink 的模塊庫中選取合適的基本模塊，用鼠標(biāo) 指向所需的信源模

25、塊（如正弦波信源 sine wave）,按下鼠標(biāo)左鍵，把它拖至 untitled 窗口 中，就生成一個正弦波信源復(fù)制品。 （4）在選取了建立系統(tǒng)模型所需的模塊后，就是根據(jù)系統(tǒng)框圖將模塊連接起來。連 接方法如下：把鼠標(biāo)箭頭放在第一個模塊的輸出端口上，這是箭頭會變成一個十字叉， 單擊并持續(xù)按下鼠標(biāo)左鍵，把鼠標(biāo)箭頭拉到第二個模塊的輸入端口，這是鼠標(biāo)箭頭變成 雙十字叉，放開鼠標(biāo)鍵?；蛘呤怯檬髽?biāo)選中源模塊，按下 ctrl 鍵的同時單擊目標(biāo)模塊。 構(gòu)建好一個系統(tǒng)的模型之后，接下來的事情就是運(yùn)行模型，得出仿真結(jié)果。運(yùn)行一 個仿真的完整過程分成三個步驟：設(shè)置仿真參數(shù)，啟動仿真和仿真結(jié)果分析。設(shè)置仿真 參數(shù)和選

26、擇解法器，選擇 simulation 菜單下的 parameters 命令，就會彈出一個仿真參數(shù)對 話框，它主要用 solver 頁 workspaceio 頁 diagnostics 頁三個頁面來管理仿真的參數(shù)設(shè)置。 設(shè)置仿真參數(shù)和選擇解法器之后，就可以啟動仿真而運(yùn)行。選擇 simulink 菜單下的 start 選項來啟動仿真，如果模型中有些參數(shù)沒有定義，則會出現(xiàn)錯誤信息提示框。如果一切 設(shè)置無誤，則開始仿真運(yùn)行，結(jié)束時系統(tǒng)會發(fā)出一鳴叫聲。 3.2 qam 調(diào)制模塊調(diào)制模塊建模與仿真建模與仿真 前面介紹了qam的調(diào)制解調(diào)和simulink的基本知識，以及實現(xiàn)通信仿真的基本操作。 本文就以1

27、6qam為例，利用simulink模塊實現(xiàn)qam調(diào)制、解調(diào)通信系統(tǒng)建模并進(jìn)行仿真。 由第二章mqam的調(diào)制解調(diào)原理可以得出，16qam的調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)框圖如圖3-2所示： 串并轉(zhuǎn)換并串轉(zhuǎn)換 24 電 平轉(zhuǎn)換 42 電 平轉(zhuǎn)換 42 電 平轉(zhuǎn)換 lpf lpflpf 24 電 平轉(zhuǎn)換 lpf 相 加 t cos 輸 入 輸 出 圖3-2 16qam的調(diào)制解調(diào) lpf tcos tsintsin tcos 由圖3-2可以知道16qam的調(diào)制解調(diào)原理，通過調(diào)制與解調(diào)兩大模塊來對16qam系 統(tǒng)建模與仿真，并對仿真結(jié)果作出分析，從而對系統(tǒng)進(jìn)行一定的優(yōu)化，獲得較好的系統(tǒng) 模型。本次仿真的系統(tǒng)總體框圖見附錄

28、。 3.2.1 信號源模塊信號源模塊 通過對圖3-1中16qam調(diào)制原理框圖的分析，16qam一個碼元所攜帶的信息為 即4bit，是一般基帶數(shù)字調(diào)制（qpsk）碼元攜帶信息量的2倍。而且16qam調(diào)制 mlog2 是由兩路相互獨(dú)立的信號進(jìn)行調(diào)制，一個16qam碼元寬度是基礎(chǔ)信號的2倍。以下我將對 系統(tǒng)仿真框圖中的各模塊進(jìn)行簡單的介紹。 本次仿真在信號源部分采用了偽隨機(jī)序列發(fā)生器，由于系統(tǒng)要求基帶信號碼元速率 19.2kbps，則本序列發(fā)生器的基本參數(shù)設(shè)置如下： generator polynomial:1 0 0 0 0 1 1 initial states:0 0 0 0 0 1 outpu

29、t mask vector:0 sample time:1/19200 output data type:double 3.2.2 串串并轉(zhuǎn)換模塊并轉(zhuǎn)換模塊 由于系統(tǒng)仿真總框圖涉及模塊較多，為不失美觀同時又能顯的淺顯易懂特將串并轉(zhuǎn) 化作成一個單獨(dú)子系統(tǒng)而嵌入總系統(tǒng)中。該子系統(tǒng)內(nèi)部框圖如圖 3-3 所示： 圖3-3 串并轉(zhuǎn)換模塊 由圖3-3可知，本子系統(tǒng)有一個輸入端口和兩個輸出端口。系統(tǒng)首先將輸入的偽隨機(jī) 序列分成兩路并將其中的一路直接按整數(shù)因子2抽取，然后進(jìn)行一個單位的延時，這樣便 得到了原隨機(jī)序列的奇數(shù)碼元；對于另外一路則先進(jìn)行延遲然后進(jìn)行采樣便可得到原序 列的偶數(shù)碼元。 假設(shè)輸入in1:

30、0 0 1 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 1 0 0 0 1 0 1 0 0 1 則有 out1: 0 1 0 0 1 0 0 1 0 1 1 0 out2: 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 實際運(yùn)行中各路信號如圖3-4所示，圖中從上往下依次是串行輸入、并行輸出1和并行 輸出2的波形。 圖3-4 串并轉(zhuǎn)換各路信號圖 由圖可以看出經(jīng)串并轉(zhuǎn)換之后，并行輸出的每一路碼元傳輸速率降為了原來的一半， 這也是符合理論的。但每一路輸出信號前邊都多了一個0碼元單位，這是由于延遲模塊所 造成的，對后面各種性能的研究是不會造成影響的。 3.2.3 2/4 電平轉(zhuǎn)換模塊電平轉(zhuǎn)換模塊 對

31、于 2/4 電平的轉(zhuǎn)換，其實是將輸入信號的 4 種狀態(tài)（00,01,10,11）經(jīng)過編碼以后為 相應(yīng)的 4 電平信號。這里選擇映射關(guān)系如表 3-1 所示： 表31 2/4電平映射關(guān)系表 映射前數(shù)據(jù)電平/v 根據(jù)以上映射關(guān)系，能容易找出它們之間的一個數(shù)學(xué)關(guān)系。這里輸入信號為兩路二 進(jìn)制信號，假設(shè)它們是ab，則在a=1時讓它輸出一個幅度為2的信號，當(dāng)a=0時輸出幅度為- 2的信號。同理當(dāng)b=1是讓它輸出一個幅度為1的信號，當(dāng)b=0時輸出幅度為-1的信號。如此 一來便可以得到下面的結(jié)果： 當(dāng)ab=00時 輸出： y=-2 + -1=-3； ab=01時 y=-2 + 1=-1； ab=10時 y=2

32、 + -1 =1； ab=11時 y=2 + 1 =3； 由以上關(guān)系式得出：在設(shè)計2/4電平轉(zhuǎn)換模塊的時候，需要先將輸入信號再次進(jìn)行串 并轉(zhuǎn)換，然后每路信號做一個簡單的判決，再用一個相加模塊便可實現(xiàn)2/4電平的轉(zhuǎn)換功 能。具體模塊如圖3-5所示： 圖3-5 2/4 電平轉(zhuǎn)換模塊 以上模塊中各點的信號圖如圖3-6所示： 00-3 01-1 101 113 圖3-6 2/4電平轉(zhuǎn)換模塊各點波形 上圖中第一行為輸入信號，第二三行分別為經(jīng)串并轉(zhuǎn)換后的兩行信號，最后為輸出4 電平信號。觀察各行波形可以得出： 輸入：0 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 1 1 0 1 1 1 0 并行1： 0 0

33、0 1 0 0 1 1 1 并行2： 0 1 0 0 1 1 0 1 0 輸出： -3 -1 -3 1 -1 -1 1 3 1 比較各行波形可以發(fā)現(xiàn)這個模塊已經(jīng)很好的實現(xiàn)了2/4電平的轉(zhuǎn)換，這里4電平信號的 碼元傳輸速率已降為rb/4。 3.2.4 其余模塊其余模塊 除以上兩個子系統(tǒng)外，調(diào)制階段還包括正余弦信號發(fā)生器、加法器、乘法器、頻譜 示波器和離散時間信號發(fā)散圖示波器等。由于系統(tǒng)要求載波頻率為 76.8khz，所以兩載 波信號發(fā)生器的參數(shù)設(shè)置如下所示： ：amlitude: 1 ：amlitude:1 twccostwcsin bias: 0 bias: 0 frequency（rad/s

34、ec）:76800*2*pi frequency(rad/sec)：76800*2*pi phase(rad): pi/2 phase(rad): 0 sample time：1/768000 sample time：1/768000 對于離散時間信號發(fā)散圖示波器，這里做了一個子系統(tǒng)如圖3-7所示： 圖3-7 離散時間信號發(fā)散圖示波器 上圖中先將兩路正交的信號和成一個復(fù)信號后，經(jīng)離散采樣加入到了信號發(fā)散圖示 波器，就可以得到原始信號的星座圖。 將以上各模塊、子系統(tǒng)按原理圖進(jìn)行連接，并對各模塊參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)定，便可 實現(xiàn)其調(diào)制功能。仿真得到的調(diào)制輸出波形圖如圖 3-8 所示，星座圖如圖 3-9

35、 所示： 圖3-8 16qam調(diào)制波形 上圖中一三行為并行輸出的兩路四電平信號，二四行為一三行分別與正交載波相乘 后所得的兩路信號。第五行為它們的和信號，也即為最終調(diào)制信號。 圖3-9 16qam的星座圖 3.33.3 qam 解調(diào)模塊解調(diào)模塊建模與仿真建模與仿真 系統(tǒng)先前所得的16qam調(diào)制信號通過高斯白噪聲信道后便可以解調(diào)了。16qam解 調(diào)原理框圖如圖3-2所示，解調(diào)器實現(xiàn)的核心在于4/2電平判決模塊及并串轉(zhuǎn)換模塊。 本文所采用的解調(diào)器原理為相干解調(diào)法，即已調(diào)信號與載波相乘，送入到低通濾波 器，其對應(yīng)原理圖中信號輸入并與載波相乘后通過lpf的部分，輸出送到判決器判決。在 本文仿真用到的濾

36、波器均選擇貝塞爾低通濾波器。lpf的參數(shù)設(shè)定如下，輸出波形如3-10 所示。 desige method : bessel filter type : lowpass filter order: 8 pass edge frequency (rad/s) : 15360*2*pi 圖3-10 上圖中，一三行為調(diào)制波與載波相乘的結(jié)果，二四行分別為它們經(jīng)過低通濾波器后 所得的波形。 3.3.1 4/2 電平判決電平判決模塊模塊 由于前面采用的是模擬低通濾波器，所以在 4/2 電平判決之前得到的是一個模擬的 4 電平信號。之后要想得到 2 電平的數(shù)字信號，需經(jīng)一系列的抽樣、量化和編碼。4/2 電平

37、判決子系統(tǒng)如圖 3-11 所示： 圖 3-11 4/2電平轉(zhuǎn)換模塊 上圖中，對模擬信號做了常數(shù)為2的增益后，讓其通過了一個量化編碼器，再通過離 散采樣以后便得到了標(biāo)準(zhǔn)的4電平數(shù)字信號。然后信號被分為兩路，分別進(jìn)行量化編碼后 得到了兩路二進(jìn)制信號，最后經(jīng)串并轉(zhuǎn)換得到了最終結(jié)果。此處三個量化編碼器的參數(shù) 設(shè)置如下所示： 量化編碼器 2 quantization partition: -2.0 0 2.0 quantization codebook: -3 -1 1 3 量化編碼器 3 quantization partition: -2.0 0 2.0 quantization codebook:

38、 0 0 1 1 量化編碼器 4 quantization partition: -2.0 0 2.0 quantization codebook: 0 1 0 1 假設(shè)上述模塊輸入為x，輸出分別為為y、，則它完成的功能是： 1 z 2 z 2x; 3 2x0 ; 1 0 x2; 1 2x; 3 y 3y; 1 1y; 1 1y; 0 3y; 0 z1 3y; 1 1y; 0 1y; 1 3y; 0 z2 這樣兩路二進(jìn)制信號經(jīng)并串轉(zhuǎn)換后，便完成了如表3-2所示的映射關(guān)系，也最終實現(xiàn) 了4/2電平的轉(zhuǎn)換。 表3-2 4/2電平映射關(guān)系表 映射前數(shù)據(jù)電平/v -300 -101 110 311 以

39、上子系統(tǒng)中各點波形如圖3-12所示： 圖3-12 4/2電平轉(zhuǎn)換中各點波形 3.3.2 并并串轉(zhuǎn)換串轉(zhuǎn)換模塊模塊 本系統(tǒng)中的并串轉(zhuǎn)換模塊由一個脈沖序列發(fā)生器和一個選擇器構(gòu)成。其中的脈沖序列 發(fā)生器用來產(chǎn)生占空比為 0.5 的全一序列，而選擇器用來決定在哪一個時候輸出哪一路信 號。它的參數(shù)設(shè)置如下： switch：criteria for passing first input: u2=threshold threshold: 0.5 所以，當(dāng)輸入脈沖序列為1時，選擇器輸出第一路信號；當(dāng)輸入脈沖序列為0時，選 擇器輸出第二路信號。本次仿真經(jīng)并串轉(zhuǎn)換以后便最終實現(xiàn)了16qam信號的解調(diào)，其波 形如

40、圖3-13所示： 圖3-13 16qam解調(diào)輸出波形 上圖中，一三兩行為4/2判決器的輸出，第二行為解調(diào)出的16qam最終信號。 3.3.3 其余模塊其余模塊 除以上各模塊之外，解調(diào)階段還用到了包括眼圖、發(fā)散圖示波器和錯誤率統(tǒng)計等信 宿模塊。圖 3-14 和 3-15 顯示了信道信噪比 snr 為 10db 時的 16qam 信號星座圖和 4/2 判決之前的眼圖。 圖3-14 16qam信號加噪聲后的星座圖 圖3-15 16qam信號的眼圖 3.4 qam 抗噪聲性能研究抗噪聲性能研究 對于方形qam，可以看成是由兩個相互正交且獨(dú)立的多電平ask信號疊加而成。因 此，利用多電平誤碼率的分析方法

41、，可得到m進(jìn)制qam的誤碼率為： (3-1) )( 1 log3 ) 1 1 ( 0 2 2 n e l l erfc l p b e 式中，為每碼元能量，為噪聲單邊功率譜密度。圖3-16給出了方形 ml b e 0 n qam的誤碼率曲線。 圖3-16 m進(jìn)制qam的誤碼率曲線 對16qam抗噪聲性能仿真，由圖3-16所示的16qam誤碼率曲線可以看出，當(dāng)大信噪 比（16db）時誤碼率為級，對于個人計算機(jī)要計算到如此精度耗時過長，所以，在 6 10 仿真過程中將只把精度計算到級。由于實際仿真中很多地方都會有延時，所以得到的 5 10 16qam解調(diào)信號需經(jīng)一定的延時后才可以與原隨機(jī)序列進(jìn)行比

42、較。這一延時是通過錯誤 率統(tǒng)計模塊實現(xiàn)的，系統(tǒng)總體框圖中error rate calculation的參數(shù)設(shè)置如下所示： receive delay: 8 computation delay: 0 computation mode: entire frame 當(dāng)信噪比超過50db時，系統(tǒng)誤碼率早已為0，可見這一延時是沒有問題的。通過調(diào)整 高斯白噪聲信道的信噪比snr（eb/no） ，可以得到如下所示的誤碼率圖3-17： 圖3-17 16qam誤碼率圖 通過和圖3-16相比較，可以確定這里得到的結(jié)果基本上是可信的，也就是說本次仿真 是成功的。在仿真過程中有許多的因素決定著16qam調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)的

43、抗噪聲性能，例如 濾波器的性能以及它的通頻帶的設(shè)計、抽樣判決的位置、判決門限的設(shè)定和時間延遲等 都或大或小的影響著它的結(jié)果。 3.5 16qam 與與 2dpsk 系統(tǒng)抗噪聲性能比較系統(tǒng)抗噪聲性能比較 本節(jié)設(shè)計了一個2dpsk調(diào)制和解調(diào)系統(tǒng)的仿真模型，以觀察其與16qam信號的抗噪 聲性能，并對它們的誤碼率進(jìn)行比較。在取相同的碼元速率和載波速率的情況下，設(shè)計 出2dpsk調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)如圖3-18下所示： 圖3-18 2dpsk調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)框圖 2dpsk采用的是差分相干解調(diào)的方法，不需要做載波恢復(fù)。解調(diào)部分的濾波器采用 了貝塞爾函數(shù)低通濾波器，且判決模塊如圖3-19所示： 圖3-19 2dpsk判決模塊 這樣在高斯白噪聲信道處調(diào)整信噪比，得到如圖 3-20 所示的誤碼率圖： 圖3-20 16qam與2dpsk誤碼率曲線圖 從仿真過程看，在相同信噪比的條件下，16qam的加性白噪聲的功率遠(yuǎn)大于2dpsk 的加性白噪聲的功率，故16qam調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)一般工作在大信噪比的環(huán)境下，其誤碼率 將很小，也兩個系統(tǒng)在同等噪聲條件下，16qam的抗噪聲性能是相當(dāng)優(yōu)越的。 4 總結(jié) 本文重點是研究現(xiàn)代數(shù)字調(diào)制技術(shù)qam的調(diào)制與解調(diào)，基于matlab之simulink通信仿 真軟件，以16qam調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)為例進(jìn)行設(shè)計與仿真，實現(xiàn)了qam系統(tǒng)的調(diào)制與解調(diào)， 最后與2dpsk系統(tǒng)進(jìn)行了比較。