畢業(yè)論文QAM傳輸系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

1、南 昌 工 程 學 院 本 科 畢 業(yè) 設 計（論文）QAM傳輸系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)Design and Achievement Of QAM System學 院（系）： 計算機與信息工程學院 專 業(yè)： 通信工程 學 生 姓 名： 學 號： 指 導 教 師（職稱）： 評 閱 教 師： 完 成 日 期： 2015年4月 南陽理工學院Nanyang Institute of TechnologyQAM傳輸系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)摘 要正交振幅調(diào)制QAM是一種相位和振幅聯(lián)合控制的數(shù)字調(diào)制技術。它應用范圍非常廣泛，不僅在移動通信領域而且在有線電視傳輸、數(shù)字視頻廣播、衛(wèi)星通信等領域都得到廣泛應用。本文深入研究QAM

2、調(diào)制解調(diào)的基本原理、系統(tǒng)結構及性能參數(shù)，實現(xiàn)QAM調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)的Simulink仿真及性能分析；詳細分析模擬信號數(shù)字化的基本理論及實現(xiàn)方法，實現(xiàn)差分脈碼調(diào)制的Simulink仿真及性能比對；基于上述理論構建模擬信源QAM傳輸系統(tǒng)，并利用Matlab/Simulink進行建模仿真及性能驗證。仿真結果表明，所構建的QAM數(shù)字傳輸系統(tǒng)可以實現(xiàn)模擬信號良好的傳輸。關 鍵 詞 數(shù)字傳輸；正交振幅調(diào)制；差分脈碼調(diào)制；建模仿真Design and Simulation of QAM SystemAbstract : Quadrature amplitude modulation is a joint-con

3、trolled digital modulation technology of phase and amplitude. It is widely used not only in the mobile communication field, but also in other fields, such as wire television transmission field, digital video broadcasting, satellite communication, etc. This paper studies the basic principles of QAM m

4、odulation and demodulation, then simulates the whole 16QAM system and discusses performances of system by the simulink toolbox. This paper also analyses the basic principles and implementation method on digitalizing analog signals, then simulates the DPCM system and contrasts performances of system.

5、 At last, this paper designs a QAM transmission system of analog sources, then simulates the whole transmission system and comparing performances of system. The simulation shows analog signals can be transmitted correctly in the system designed in this paper. Key words: digital transmission; quadrat

6、ure amplitude modulation; differential pulse code modulation; model and simulate目 錄1引言11.1 課題研究背景及意義11.1.1 調(diào)制在通信系統(tǒng)中的作用11.1.2 數(shù)字調(diào)制解調(diào)技術現(xiàn)狀與發(fā)展21.2 QAM調(diào)制解調(diào)技術在數(shù)字通信領域的應用優(yōu)勢21.3 仿真軟件介紹31.4 論文主要內(nèi)容及結構安排32 QAM調(diào)制解調(diào)技術研究及Simulink仿真42.1 QAM調(diào)制42.1.1 QAM調(diào)制原理52.1.2 QAM調(diào)制性能62.1.3 QAM星座圖72.2 QAM解調(diào)82.3 QAM調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)的Simulink

7、仿真92.3.1 16QAM調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)的Simulink仿真92.3.2 64QAM調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)的Simulink仿真112.4 MQAM調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)性能仿真分析12頻帶利用率分析122.4.2 誤碼率分析132.4.3 功率利用率分析152.5 本章小結153模擬信號數(shù)字化研究及Simulink仿真153.1 脈沖編碼調(diào)制163.2 差分脈沖編碼調(diào)制163.2.1 DPCM編解碼基本原理163.2.2 最佳預測器173.2.3 DPCM的系統(tǒng)性能分析193.3 DPCM的Simulink仿真203.4 信道誤碼對語音質(zhì)量影響的仿真分析213.4.1 最佳預測器抽頭系數(shù)的確定213.4.2

8、構建測試模型及仿真223.4.3 與PCM話音解碼對比分析233.5本章小結244 QAM傳輸系統(tǒng)的構建與仿真244.1 構建QAM傳輸系統(tǒng)244.1.1 模擬信源數(shù)字通信系統(tǒng)模型244.1.2 QAM傳輸系統(tǒng)的模型264.2 QAM傳輸系統(tǒng)的仿真264.3 應用實例的仿真294.4本章小結30結論及尚存在的問題30參考文獻31致謝321引言信號傳輸?shù)倪^程中需要都要占用一定的帶寬，數(shù)字信號的傳輸比模擬信號對對帶寬的需求更高。隨著衛(wèi)星有效載荷種類的增多和分辨率的不斷提高，需要傳輸?shù)男畔⒘吭絹碓酱?。為了將這些信息實時傳輸?shù)降孛?，對星上?shù)傳系統(tǒng)的傳輸能力的要求就越來越高。為了在有限的帶寬信道中有效的

9、傳輸大量的數(shù)據(jù)，人們研制了各種調(diào)制方式來解決有限帶寬和大量數(shù)據(jù)傳輸之間的矛盾。例如可以采用多進制數(shù)字調(diào)制(包括幅度、頻率、和相位多進制調(diào)制)、聯(lián)合調(diào)制、網(wǎng)格調(diào)制等等。其中幅度和相位聯(lián)合調(diào)制方式，即QAM（ Quadrature Amplitude Modulation）調(diào)制方式綜合ASK(Amplitude Shift Keying)與PSK(Phase Shift Keying)的優(yōu)點，并通過采用多進制調(diào)制方式來提高頻帶利用率(提高信息傳輸速率)，因此它在頻帶利用率和接收端誤譯碼率等指標上，比單一調(diào)制正弦波的一個參數(shù)的調(diào)制方式都要優(yōu)越，但它的設備復雜程度也是比較高的1-3。隨著電子技術的不斷

10、發(fā)展，設備復雜性也在相對地降低，因此QAM方式是目前高速調(diào)制解調(diào)器中比較好的的調(diào)制方式。1.1 課題研究背景及意義調(diào)制是指為了適應信道傳輸?shù)囊螅鸦鶐盘柕念l譜搬移到一定的頻帶范圍。對基帶信號進行調(diào)制的目的主要有:進行頻率分配、信號容易輻射、減少噪聲和干擾的影響、實現(xiàn)多路復用和克服設備的限制等。調(diào)制方式有許多，不同的調(diào)制方式對通信系統(tǒng)的有效性和可靠性有著很大的影響。傳統(tǒng)的頻率調(diào)制和相位調(diào)制兩種數(shù)字調(diào)制方式都存在頻譜利用率低、抗多徑衰落能力差、功率譜衰減慢、帶外輻射嚴重等不足。正交振幅調(diào)制(QAM)是一種相位和振幅聯(lián)合控制的數(shù)字調(diào)制技術，它不僅可以得到更高的頻譜效率，而且可以在限定的頻帶內(nèi)傳輸

11、更高速率的數(shù)據(jù)。QAM在當今通信領域扮演著重要的角色，因此對QAM進行深入研究具有重要的理論和現(xiàn)實意義。 調(diào)制在通信系統(tǒng)中的作用從語音、圖像、音樂等信源直接轉換而得到的電信號頻譜比較低，其頻譜特點是低通頻譜，有些包括直流分量也有些可能不包含，其最高頻率和最低頻率的比值一般都比較大，比如語音信號的頻譜范圍大概為三百到三千赫茲，這種信號被稱為基帶信號。為了使基帶信號能夠在頻帶信道上進行傳輸，比如無線信道，同時也為了能夠同時傳輸多路基帶信號，就需要采用調(diào)制和解調(diào)的技術。調(diào)制解調(diào)研究的主要內(nèi)容包括:己調(diào)信號的頻譜特性、調(diào)制的原理、解調(diào)的原理、已調(diào)信號的產(chǎn)生方法、解調(diào)的實現(xiàn)方法、解調(diào)后的誤碼率性能和信噪

12、比性能等。 數(shù)字調(diào)制解調(diào)技術現(xiàn)狀與發(fā)展因為以前的通信系統(tǒng)為模擬通信系統(tǒng)，所以調(diào)制技術是由模擬信號的調(diào)制與解調(diào)技術最初開始發(fā)展的。后來，數(shù)字通信系統(tǒng)得到了迅速的發(fā)展，隨之而來的是數(shù)字調(diào)制技術的廣泛應用和迅速發(fā)展。隨著現(xiàn)在日益增多的各種通信系統(tǒng)數(shù)量，為了更好的充分利用日益緊張的頻譜資源，廣大通信科研工作者致力于研究頻譜利用率更高的新型數(shù)字調(diào)制方式，而且原CCITT(國際電報電話咨詢委員會)也一直在促進并鼓勵開發(fā)新奇的頻譜使用技術，為了各種通信系統(tǒng)能夠有效的進行通信，原CCITT科學地將頻段分別分配給各個通信系統(tǒng)，因而，許多科研院所，用戶個體和通信公司都在通過開發(fā)先進的調(diào)制技術用以提高頻譜利用率。提

13、高頻譜利用率是人們設計和規(guī)劃通信系統(tǒng)的關注焦點之一，同時也是提高通信系統(tǒng)容量的重要措施。頻譜利用率越高，就要求已調(diào)信號所占的帶寬要越窄，即己調(diào)信號頻譜從天線發(fā)射時功率的主瓣要越窄，同時也要求旁瓣的幅度要越低，也就是說要求輻射到相鄰頻道的功率即帶外輻射要越小。在數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)中的頻譜利用率主要是指傳輸?shù)男蕟栴}，也就是說，通信系統(tǒng)的傳輸速率不是唯一需要關注的指標，同時還要看在一定的傳輸速率下信道頻帶所占的寬度為多少。如果系統(tǒng)的頻帶利用率高，就表明通信系統(tǒng)具有較高的傳輸效率，反之傳輸效率就低。從上面對頻譜利用率的定義可以發(fā)現(xiàn)，要使得通信系統(tǒng)的頻譜利用率有所提高主要可以兩種途徑:一是通過提高該調(diào)制系統(tǒng)

14、的傳信率即信息傳輸速率，二是降低已調(diào)信號所占用的頻帶寬度1-3。振幅和相位聯(lián)合調(diào)制QAM技術作為本課題的研究對象，就是一種近些年來獲得了飛速發(fā)展的調(diào)制技術，該技術就具有極高的信息傳輸速率。1.2 QAM調(diào)制解調(diào)技術在數(shù)字通信領域的應用優(yōu)勢以WCDMA、CDMA2000和TD-SCDMA為代表的第三代移動通信網(wǎng)絡除了支持傳統(tǒng)的話音業(yè)務以外，還推出了大容量的寬帶數(shù)據(jù)服務，與以GSM、CDMA1595標準為代表的第二代移動通信系統(tǒng)相比，在技術上，3G系統(tǒng)的上下行速率理論上可以達到2Mbit/s左右的水平，它可以提供包括視頻在內(nèi)的各種多媒體寬帶應用服務，諸如下載或流媒體類業(yè)務，需要系統(tǒng)提供更高的傳輸速

15、率和更多的延遲。為了滿足此要求，WCDMA對空口接口作了改進，引入了HSDPA技術，使之可支持高達10Mbit/s的峰值速率。在HSDPA系統(tǒng)中引進了AMC技術，在HSDPA系統(tǒng)中AMC的調(diào)制選擇了低階的QPSK和高階的16QAM，作為其調(diào)制方式。同樣，作為寬帶無線接入技術，韓國引入了WIBro技術，它可采用三種調(diào)制方式，包括QPSK、16QAM、64QAM等。而目前作為中國國內(nèi)唯一擁有自主知識產(chǎn)權的高速率無線寬帶接入技McWiLL，McWiLL終端接入設備CPE亦采用QPSK/8PSK/QAM16/QAM64自適應調(diào)制技術。IEEE802.16a標準即WiMAX有很強的的市場競爭力，真正成為

16、城域網(wǎng)的無線接入手段。為了抵抗多徑效應等， WIMAX協(xié)議中引入了新的物理層技術，而WiMAX協(xié)議物理層的OFDM符號的構造方案亦采用QAM調(diào)制方式4-5。移動通信系統(tǒng)中的另一研究熱點即數(shù)字集群移動通信系統(tǒng)，也采用QAM數(shù)字調(diào)制技術4-5。與頻率調(diào)制MSK、GMSK，相位調(diào)制OQPSK、/4-QPSK等相比， QAM是一種相位和振幅聯(lián)合控制的數(shù)字調(diào)制技術。它不僅可以得到更高的頻譜效率，而且可以在限定的頻帶內(nèi)傳輸更高速率的數(shù)據(jù)。在數(shù)字廣播電視傳輸中，QAM成為DVB-C系統(tǒng)標準的調(diào)制方式。QAM除了是 DOCSISl.1標準中規(guī)定的調(diào)制方式之外，而且成為現(xiàn)代CATV雙向網(wǎng)、寬帶接入技術ADSL、

17、VADSL中規(guī)定的調(diào)制方式4-5。1.3 仿真軟件介紹MATLAB是MATrix LABoratory的縮寫，是一款由美國MathWorks公司出品的商業(yè)數(shù)學軟件。MATLAB 是一種用于算法開發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值計算的高級技術計算語言和交互式環(huán)境。除了矩陣運算、繪制函數(shù)/數(shù)據(jù)圖像等常用功能外，MATLAB還可以用來創(chuàng)建用戶界面及與調(diào)用其它語言（包括C，C+和FORTRAN）編寫的程序。盡管MATLAB主要用于數(shù)值運算，但利用為數(shù)眾多的附加工具（Toolbox）它也適合不同領域的應用，例如控制系統(tǒng)設計與分析、圖像處理、信號處理與通訊、金融建模和分析等。另外還有一個配套軟件包Simu

18、link，提供了一個可視化開發(fā)環(huán)境，常用于系統(tǒng)模擬、動態(tài)/嵌入式系統(tǒng)開發(fā)等方面。Simulink是MATLAB中的一種可視化仿真工具， 是一種基于MATLAB的框圖設計環(huán)境，是實現(xiàn)動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和分析的一個軟件包，被廣泛應用于線性系統(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。它可以用連續(xù)采樣時間、離散采樣時間或兩種混合的采樣時間進行建模，它也支持多速率系統(tǒng)，也就是系統(tǒng)中的不同部分具有不同的采樣速率。為了創(chuàng)建動態(tài)系統(tǒng)模型，Simulink提供了一個建立模型方塊圖的圖形用戶接口(GUI) ，這個創(chuàng)建過程只需單擊和拖動鼠標操作就能完成，它提供了一種更快捷、直接明了的方式，而且用戶可以立

19、即看到系統(tǒng)的仿真結果6-9。 1.4 論文主要內(nèi)容及結構安排本文在對QAM調(diào)制解調(diào)的基本原理、模擬信號數(shù)字化傳輸理論進行深入研究的基礎上，構建模擬信源的QAM數(shù)字傳輸系統(tǒng)，通過Matlab軟件的Simulink仿真平臺實現(xiàn)了系統(tǒng)的建立及實驗驗證。各章節(jié)安排如下：第一部分簡單介紹了課題的背景、研究意義及仿真軟件Matlab/Simulink，重點分析了QAM技術發(fā)展概要及應用現(xiàn)狀，最后給出了論文內(nèi)容安排及論文的主要工作。第二部分分析了 16QAM調(diào)制解調(diào)的原理、系統(tǒng)結構及性能參數(shù)，利用Simulink仿真平臺對16QAM和64QAM調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)作了仿真建模，通過比較其發(fā)送端和接收端的星座圖及眼圖

20、進行性能驗證，最后基于16QAM調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)的理論知識構建了MQAM調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)，并進行系統(tǒng)性能仿真分析。從而得出多進制調(diào)制情況下頻帶利用率、功率利用率、誤碼率與調(diào)制方式、傳輸環(huán)境之間的定量關系，為后面系統(tǒng)設計奠定基礎。第三部分研究了模擬信號數(shù)字化的典型實現(xiàn)方法，即差分脈沖編碼調(diào)制技術，分析了基本原理，研究了實現(xiàn)過程。最后基于MATLAB/Simulink軟件，建立各個編解碼模型，進行仿真驗證，并進一步對PCM及DPCM進行傳輸誤碼與解碼話音質(zhì)量的性能分析。仿真結果表明在無誤碼傳輸中DPCM的解碼音質(zhì)不如PCM強，但DPCM的抗噪聲能力比PCM強。這些結論為后面模擬信源數(shù)字傳輸系統(tǒng)的設計提供參

21、考依據(jù)。第四部分基于前面所研究分析的內(nèi)容，構畫了模擬信源的QAM數(shù)字傳輸系統(tǒng)， 實現(xiàn)了模擬信號在QAM數(shù)字通信系統(tǒng)中的傳輸，并基于MATLAB/Simulink建立仿真模型，進行性能驗證。仿真表明所構建的QAM數(shù)字傳輸系統(tǒng)在允許一定失真的情況下可以實現(xiàn)模擬信號的良好傳輸。 第五部分總結與展望，對本文所完成的工作進行了總結，并對后續(xù)研究工作提出了一些想法和建議。2 QAM調(diào)制解調(diào)技術研究及Simulink仿真本章對QAM調(diào)制解調(diào)相關理論進行了分析研究，給出了調(diào)制端和解調(diào)端的結構框圖；構建了16QAM和64QAM調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)的Simulink的仿真模型，進行仿真驗證；并基于Simulink對M-Q

22、AM調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)進一步進行性能分析，所得結論為后面系統(tǒng)規(guī)劃與設計奠定基礎。2.1 QAM調(diào)制正交幅度調(diào)制(QAM)是一種高效數(shù)字調(diào)制技術，具有很高的頻譜利用率。而傳統(tǒng)數(shù)字調(diào)制技術是單獨利用振幅和相位攜帶信息，不能最充分利用信號功率利用率。此外，現(xiàn)代通信系統(tǒng)對傳輸速率和帶寬也提出了新的要求，因此QAM引起更多關注，在有線電視網(wǎng)絡高速數(shù)據(jù)傳輸、大中容量數(shù)字微波通信系統(tǒng)、衛(wèi)星通信系統(tǒng)等各個領域均得到了廣泛的應用。但它在隨參信道無線寬帶通信領域中的研究尚未發(fā)展成熟。 QAM調(diào)制原理正交振幅調(diào)制（QAM）就是用兩個相互獨立的數(shù)字基帶信號對相互正交且頻率相同的兩路載波信號進行雙邊帶調(diào)制，因為這種已調(diào)信號在

23、同一帶寬內(nèi)頻譜正交，所以可用來實現(xiàn)同相和正交兩路并行的數(shù)字信號傳輸。正交振幅調(diào)制（QAM）信號的一般表示式為3： (2-1)式（2-1）中，是基帶信號的幅度，是單個基帶信號的波形，寬度為。式（2-1）還可以變化為正交表示形式: （2-2）令 （2-3）則式（2-2）變成 （2-4）QAM中的振幅和可以表示為： (2-5)式（2-5）中，固定振幅為、由輸入的信號最終決定。已調(diào)QAM信號在信號空間中的坐標點由、決定。QAM信號調(diào)制原理結構圖如圖2-1所示。圖中，輸入的二進制碼流經(jīng)過串/并變換器輸出兩路并行碼流序列，速率減為原來的一半，再經(jīng)過2電平到L電平的變換，形成L電平的基帶信號。這里的L由調(diào)制

24、系統(tǒng)所選的進制數(shù)所決定，該L電平的基帶信號還要經(jīng)過基帶成形濾波器，主要是為了抑制已調(diào)信號的帶外輻射，最終形成X(t)和Y(t),再分別和頻率相同的同相載波以及正交相載波進行相乘運算。將最后得到的兩路信號相加就得到的已調(diào)制QAM信號。圖2-1 QAM信號調(diào)制原理圖 QAM調(diào)制性能QAM信號的波形可表示成兩個標準正交信號波形和的線型組合10-11，即： (2-6)式中 (2-7) (2-8)且 = (2-9)式中是信號脈沖g(t)的能量。任意一對信號向量之間的歐氏距離是10-11： (2-10)在特殊情況下，即信號幅度取一組離散值（2m-1-M）d, m=1,2.M信號星座圖是矩形的。在這種情況下

25、，相鄰兩點間的歐氏距離即最小距離為： (2-11)為了求QAM的錯誤概率，這里必須詳細說明信號點的星座圖。錯誤概率主要由信號點間的最小距離決定，假設信號星座滿足條件，若所有星座點是等概率，那么它們的平均發(fā)送功率是： (2-12)式（2.9）中，M是QAM星座圖中的點數(shù)，（）是由A歸一化的信號坐標。 QAM星座圖星座映射規(guī)則不同，星座呈現(xiàn)不同的分布形式。16QAM星座圖分別有星型星座和方型星座。星型星座如圖2-2(a)所示，其中信號點的分布呈星型。同理，方型星座圖中信號點的分布呈方形，如圖2-2(b)所示。圖2-2 16QAM星座圖QAM調(diào)制有幾個重要的參數(shù)：峰值-均值比，星座圖間最小歐幾里得距

26、離和最小相位偏移。不同的數(shù)字傳輸系統(tǒng)，對這些參數(shù)的要求各不相同10-11。（1）QAM信號的峰值-均值 (2-13)其中，表示信號的峰值功率，表示信號的平均功率。（2）最小歐幾里得距離最小歐幾里得距離是指QAM信號星座圖上星座點間的最小距離，該參數(shù)衡量了QAM信號抗高斯噪聲的能力，最小距離與抗高斯白噪聲的性能呈正比關系。（3）最小相位偏移最小相位偏移，是指標準QAM星座圖上信號點之間的相位的最小偏移量。該參數(shù)對QAM信號抗相位抖動能力和對時鐘恢復精確度的敏感性有了很好的反映，最小相位偏移量越大，抗相位抖動能力也隨著越強。一個具有良好性能的QAM信號，其星座圖要滿足三個方面的要求12-13：a)

27、 信號峰值-均值比要小，用以保證調(diào)制信號的包絡起伏越小，從而增強其抗非線性失真的能力。b) 信號點間的最小歐幾里得距離要盡量大，從而保證獲得最佳的抗加性高斯白噪聲性能。c) 星座點間最小相位偏移要保證盡量大，以增強調(diào)制信號的抗相位抖動性能，包括抗定時恢復的時鐘抖動和抗信道相位抖動性能。就一個確定的QAM星座圖而言，是不可能同時滿足這三個要求的，而只能根據(jù)不同傳輸系統(tǒng)的要求，在保證主要性能要求的前提下，折中地或采取自適應的辦法進行設計調(diào)節(jié)。不同星座的參數(shù)如表2.1所示。表2-1 星座參數(shù)值表參數(shù)類型 方形星座圖1.8星型星座圖1.514由表2.1可見，當信號平均功率一定時，方型星座圖的最小歐幾里

28、得距離比星型星座圖要大，也就是說，方型星座圖抗高斯噪聲能力比星型星座圖強，適宜在典型的高斯白噪聲信道中使用。但是，在抗相位及抗非線性失真等性能上，方型星座圖不如星型星座圖，這是因為其最小相位偏移比星型星座圖小且峰值大于星型星座圖。2.2 QAM解調(diào)MQAM信號的解調(diào)通常采用正交相干解調(diào)法，其解調(diào)器原理圖2-3所示。解調(diào)端接收到的帶有噪聲的已調(diào)MQAM信號作為輸入，與本地恢復的兩個相互正交的載波信號進行相乘運算后，再經(jīng)過低通濾波也就是匹配濾波器，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行判決和檢測，再經(jīng)L電平到2電平轉換和并/串變換器最終輸出二進制碼流。圖2-3

29、MQAM信號相干解調(diào)原理圖2.3 QAM調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)的Simulink仿真Simulink是MATLAB中的一種可視化仿真工具，可實現(xiàn)動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和分析。在這里，基于MATLABLE/Simulink構建QAM調(diào)制解調(diào)仿真模型，進行仿真驗證及性能分析。通常驗證通信系統(tǒng)的功能一般采用星座圖和眼圖這兩種工具，只要通過對比發(fā)送端和接收端的星座圖和眼圖，就可以很直觀的判決通信系統(tǒng)性能的優(yōu)劣。所以在下面各個仿真模型中，主要通過星座圖模塊、眼圖模塊及誤碼率統(tǒng)計模塊來進行仿真驗證和系統(tǒng)性能分析。2.3.1 16QAM調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)的Simulink仿真Simulink模塊庫中提供調(diào)制器Rectangul

30、ar QAM Modulator Baseband模塊、解調(diào)器Rectangular QAM Demodulator Baseband模塊、誤碼率統(tǒng)計模塊、星座圖模塊等，利用這些模塊構建16QAM調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)7，測試模型如圖2-4所示。2-4 16QAM調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)測試模型設傳輸符號率為1000波特，則碼元時隙寬度是1ms。信源輸出的隨機整數(shù)送入16QAM基帶調(diào)制器（用Rectangular QAM Modulator Baseband模塊實現(xiàn)），調(diào)制輸出經(jīng)過高斯信道后送入接收端相應的16QAM基帶解調(diào)器（Rectangular QAM Demodulator Baseband模塊實現(xiàn)）中，調(diào)

31、制器和解調(diào)器的參數(shù)設置必須一致。解調(diào)的符號（整數(shù)）與發(fā)送端數(shù)據(jù)進行比較得出錯誤符號率統(tǒng)計。當信道中加入的高斯噪聲方差為0.02時，發(fā)送和接收信號的星座圖仿真結果如圖2-6所示。圖2-5 16QAM調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)星座圖一般，通信系統(tǒng)的性能驗證是通過星座圖、眼圖及誤碼率這些測試工具，只要通過對比發(fā)送端和接收端的星座圖和眼圖，或通過誤碼率統(tǒng)計模塊所顯示的結果就可以很直觀的判決通信系統(tǒng)性能的優(yōu)劣。圖2-5給出了系統(tǒng)發(fā)送端和接收端的星座圖，這里基帶成形濾波器的滾降系數(shù)為0，即滿足理想低通特性，所以發(fā)送端的星座圖與理想的星座映射圖是完全一致的。由于傳輸信道上噪聲的存在，接收端星座圖與理想的星座點都有一定的偏

32、差，通過偏差的大小可以直觀的判斷出系統(tǒng)性能的好壞。這里接收端的眼圖雖然離理想的偏差比較大，但是并沒有發(fā)生重疊的現(xiàn)象，所以通過合適的閾值檢測，還是可以很好的恢復出原始的波形。圖2-6 QAM16調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)眼圖圖2-6為16QAM調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)發(fā)送端和接收端的眼圖。通過觀察發(fā)現(xiàn)，在采樣時刻最大眼圖開啟，同樣由于傳輸信道上噪聲的干擾，接收端眼圖中“眼睛”張開的大小比發(fā)送端的要小的多，其大小反映著基帶成形性能的優(yōu)劣、碼間干擾的強弱和傳輸信道噪聲影響的大小。 當信道噪聲方差為0.05時，發(fā)送10s數(shù)據(jù)，經(jīng)誤碼率統(tǒng)計模塊Error rate calculation計算及數(shù)據(jù)顯示模塊Display顯示，可以

33、觀察到錯誤符號數(shù)為27個，相應的錯誤錯誤率為0.0027。2.3.2 64QAM調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)的Simulink仿真Simulink模塊庫中提供Rectangular QAM Modulator Baseband模塊、解調(diào)器Rectangular QAM Demodulator Baseband模塊、誤碼率統(tǒng)計模塊、星座圖模塊等，利用這些模塊構建64QAM調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)7，測試模型如圖2-7所示。2-7 64QAM調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)測試模型設傳輸符號率為1000波特，則碼元時隙寬度是1ms。信源輸出的隨機整數(shù)送入64QAM基帶調(diào)制器（用Rectangular QAM Modulator Baseband

34、模塊實現(xiàn)），調(diào)制輸出經(jīng)過高斯信道后送入接收端相應的64QAM基帶解調(diào)器（Rectangular QAM Demodulator Baseband模塊實現(xiàn)）中，調(diào)制器和解調(diào)器的參數(shù)設置必須一致。解調(diào)的符號（整數(shù)）與發(fā)送端數(shù)據(jù)進行比較得出錯誤符號率統(tǒng)計。當信道中加入的高斯噪聲方差為0.02時，發(fā)送和接收信號的星座圖仿真結果如圖2-8所示。圖2-8 64QAM調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)星座圖圖2-8給出了系統(tǒng)發(fā)送端和接收端的星座圖。同樣，發(fā)送端的星座圖與理想的星座映射圖是完全一致的。由于傳輸信道上噪聲的存在，接收端星座圖與理想的星座點都有一定的偏差，通過偏差的大小可以直觀的判斷出系統(tǒng)性能的好壞。當信道噪聲方差為0

35、.05時，發(fā)送10s數(shù)據(jù)，經(jīng)誤碼率統(tǒng)計模塊Error rate calculation計算及數(shù)據(jù)顯示模塊Display顯示，可以觀察到64QAM調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)錯誤符號數(shù)為29個，相應的錯誤符號率率為0.0029。而16QAM調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)錯誤符號數(shù)為27個，相應的錯誤符號率為0.0027。進一步仿真，可以得到在信道噪聲方差為0.05時發(fā)送10s數(shù)據(jù)的條件下，M-QAM調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)誤碼率如表2-2所示。由表2-3可以看出M越大，系統(tǒng)錯誤符號率越高。表2-2 M-QAM系統(tǒng)錯誤符號率M-QAM16QAM64QAM256QAM1024QAM2056QAM錯誤符號率0.00270.00290.00310.

36、00350.00372.4 MQAM調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)性能仿真分析通信系統(tǒng)的任務是快速、準確地傳輸信息，因此傳輸信息的有效性和可靠性是衡量數(shù)字通信系統(tǒng)的性能指標。有效性可用傳輸速率和頻帶利用率來衡量，而可靠性用誤碼率來衡量。下面就從這幾方面對MQAM調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)的性能進行仿真分析。頻帶利用率分析帶通二進制鍵控系統(tǒng)中，每個碼元只傳輸1b信息，其頻帶利用率不高。在頻率資源極其寶貴和緊缺的條件下，提高頻帶利用率最有效的辦法是使一個碼元傳輸多個比特的信息，即采用多進制數(shù)字鍵控體系。在碼元速率RB一定條件下，采用多進制數(shù)字鍵控，可以提高信息傳輸速率Rb。信息速率Rb和碼元速率RB有以下確定的關系，即 (2-1

37、1)在比較不同通信系統(tǒng)的有效性時，不能單看它們的傳輸速率，還應考慮所占用的頻帶寬度。所以真正衡量數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的有效性指標是頻帶利用率，即 (2-12)表2-3 M-QAM調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)的頻帶利用率MQAM4QAM16 QAM64 QAM256 QAM1024QAM4096QAM23455綜上分析，可得到M-QAM調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)的頻帶利用率如表2-3所示。由表2-3可得出結論：對于多進制M-QAM數(shù)字調(diào)制技術，隨著M的增大，M-QAM調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)的頻帶利用率增大。 誤碼率分析在一維信號空間中可導出兩個等概率出現(xiàn)的信號，其距離為A。當判決門限為A/2，方差為，信號能量為E時，正確判決的概率為 (2-1

38、3)差錯概率為 (2-14)二維信號空間以64QAM為例（見圖2-10），我們將多元的MQAM信號點之間的距離都設為A，用一維信號空間類似的方法，得出，三個信號點正確判斷的概率分別為： (2-15)A/2A/2圖2-9 64QAM第一象限星座圖總的正確判決的概率為 (2-16)差錯概率為 (2-17)用同樣的方法可推出16QAM、256QAM、1024QAM、4096QAM的差錯概率： (2-18)由式（2-18）可以看出，M越大誤碼率越高。這結論與前面由表2-3所得出的結論一致。因此，我們可得出結論：對于多進制M-QAM數(shù)字調(diào)制技術，制式數(shù)M大，系統(tǒng)誤碼率越大，即系統(tǒng)的抗噪聲性能越差。 功率

39、利用率分析根據(jù)每個信號點到中點的距離（即信號幅值），得出信號的平均功率為 (2-19)在相同最大峰值功率的條件下的平均功率分別為 (2-20)由式2-20可以看出，M增大，M-QAM調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)平均功率逐步下降。因為各調(diào)制解調(diào)最大峰值功率相同，所以功率利用減小。因此，我們可得出結論：對于多進制M-QAM數(shù)字調(diào)制技術，制式數(shù)M增大，系統(tǒng)的功率利用率減小。綜上述分析，可得出如下結論：（1）為了提高通信系統(tǒng)的有效性，即提高系統(tǒng)的頻帶利用率，多進制數(shù)字調(diào)制式一個重要途徑；（2）提高頻帶利用率是以降低功率利用率為代價。（3）在相同的發(fā)射功率下，M越大，系統(tǒng)的抗干擾能力越差，即系統(tǒng)誤碼率越大。（4）為了降

40、低誤碼率，只有提高發(fā)射功率。對于移動設備等場合提高功率又是難以實現(xiàn)的。在工程實踐中因權衡二者的關系。2.5 本章小結本章對QAM調(diào)制解調(diào)相關理論進行了分析研究，給出了調(diào)制端和解調(diào)端的結構框圖；通過對信號點星座圖的分析研究，給出了QAM調(diào)制技術的性能指標；構建了16QAM和64QAM調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)的Simulink的仿真模型，進行仿真驗證；并基于Simulink對M-QAM調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)進一步進行性能分析，得出多進制調(diào)制情況下頻帶利用率、功率利用率、誤碼率與調(diào)制方式、傳輸環(huán)境之間的定量關系，為后面系統(tǒng)規(guī)劃與設計奠定基礎。3模擬信號數(shù)字化研究及Simulink仿真隨著通信技術的發(fā)展，數(shù)字通信成為主流技

41、術。那模擬信源提供的模擬信號如何在數(shù)字通信系統(tǒng)中傳輸呢？模擬信號要想在數(shù)字通信系統(tǒng)進行傳輸，首先需要在發(fā)送端把模擬信號數(shù)字化，即進行模數(shù)轉換，然后在數(shù)字通信系統(tǒng)進行傳輸；在接收端需把數(shù)字信號還原成模擬信號，即進行數(shù)模變換。一般模數(shù)轉換常采用脈沖編碼調(diào)制（PCM）、差分脈沖編碼調(diào)制等。本章對差分脈沖編碼調(diào)制相關理論進行了分析研究，給出了編解碼器的結構框圖，基于MATLABLE/Simulink構建了DPCM串行傳輸?shù)姆抡婺Ｐ图胺抡骝炞C，并基于Simulink實現(xiàn)了PCM及DPCM語音信號的傳輸，并進行傳輸誤碼與解碼話音質(zhì)量的性能比對和分析。3.1 脈沖編碼調(diào)制脈沖編碼調(diào)制(pulse code

42、modulationPCM)是典型的編碼方式，通常把從模擬信號抽樣、量化、直到變?yōu)槎M制符號的基本過程稱為PCM。其原理框圖如圖3-1所示。話音輸入低通濾波瞬時壓縮抽 樣量 化編 碼低通濾波瞬時擴張解 調(diào)解 碼信道再 生話音輸出圖3-1 脈沖編碼調(diào)制（PCM）系統(tǒng)原理框圖3.2 差分脈沖編碼調(diào)制PCM體制需要用64kb的速率傳輸1路數(shù)字信號，而傳輸一路模擬電話僅占用4kHZ帶寬。相比之下，采用PCM，則數(shù)碼率太高，傳輸PCM信號占用更大帶寬。例如，對于頻帶為1MHz的可視電話信號進行編碼，根據(jù)采樣定理，采樣速率，若每樣值采用8位編碼，則數(shù)碼率為16Mbit/s。對于電視信號，圖像信號寬帶為6M

43、Hz，若也采用8位編碼，則數(shù)碼率將達100Mbit/s。為了降低數(shù)字電話信號的比特率，改進方法之一是采用預測編碼方法。預測編碼方法有多種，差分脈沖編碼調(diào)制，簡稱差分脈碼調(diào)制DPCM，是其中廣泛應用的一種基本預測方法。 DPCM編解碼基本原理DPCM是一種利用信號樣值之間的關聯(lián)特性進行高效率波形編碼的方法。當信號樣值序列中鄰近樣值之間存在明顯的關聯(lián)時，那么樣值的差值方差就會比較樣值本身的方差要小。PCM中直接傳輸樣值本身，而在DPCM中，傳輸數(shù)據(jù)為樣值的差值，在量化誤差不變的條件下，就可以用較少的比特數(shù)來表示碼字，也就提高了波形編碼的效率。DPCM的組成方框如圖3-2所示2-3：圖3-2 DPC

44、M編碼器和解碼器原理方框圖圖3-2中，預測器根據(jù)過去時刻的信號樣值來預測當前時刻的信號樣值，并與當前輸入樣值xn相減得出預測誤差en,即： (3-1)然后對預測誤差進行量化編碼后傳送。設預測誤差的量化結果為，其中 為量化誤差。量化結果與預測器輸出結果相加后作為預測器新的輸入，即 (3-2) (3-3) (3-4) (3-5)因此，預測器的輸入也就是輸入樣值被量化的結果，也稱為編碼器的本地解碼樣值輸出。在DPCM解碼器中，以同樣的反饋相加方式得出解碼樣值輸出。 最佳預測器常用的預測器是線性FIR濾波器，利用過去若干個（例如p個）本地解碼樣值的線性組合來預測當前樣值，即: (3-6)其中，是FIR

45、濾波器的抽頭系數(shù)；為FIR濾波器的階數(shù)。預測誤差序列的均方誤差（MSE）為: (3-7) (3-8) (3-9)最佳預測器將使均方誤差（MSE）最小。為此，可使對抽頭系數(shù)求導，并令其為零，得到方程組以求解出最佳抽頭系數(shù)，j=1，2，即 (3-10)也就是： (3-11)或寫為： (3-12)當量化間距足夠小，量化誤差，有，上式近似為： (3-13)利用序列的歸一化自相關函數(shù)定義上式寫為： （3-14）或以矩陣式表達為: (3-10)也就是： (3-11)或寫為： (3-12)當量化間距足夠小，量化誤差，有，上式近似為： (3-13)利用序列的歸一化自相關函數(shù)定義上式寫為： （3-14）或以矩陣

46、式表達為: (3-15)簡寫為： (3-16)其中，r(j)簡寫為下角標形式rj,r(0)=1;矩陣C是由歸一化自相關函數(shù)序列構成的Toeplitz矩陣。求解得出預測器的最佳抽頭系數(shù)矩陣為 (3-17) DPCM的系統(tǒng)性能分析設信號的平均功率為： (3-18)由于誤差范圍被量化為M個電平，所以。其中為量化級之間的間隔。則由式 ， 可得到信號的平均功率為： (3-19)下面求DPCM系統(tǒng)的量化噪聲功率。此時誤差信號的量化誤差的范圍為，根據(jù)式,可以得到此時的量化噪聲功率為： (3-20)假設量化后的誤差信號具有均勻的功率譜密度，而DPCM系統(tǒng)輸出數(shù)字信號的碼元速率為，所以可以認為噪聲頻譜均勻地分布

47、于頻帶寬度為的范圍內(nèi)，所以可求得此時的單邊功率譜密度為: (3-21)經(jīng)截止頻率為的低通濾波器后，得到噪聲功率為: (3-22)可算出DPCM系統(tǒng)的輸出信噪比為: (3-23)其中N為編碼位數(shù)，M=2N；fs為抽樣頻率。因此，由式3-23可知信號量噪比隨編碼位數(shù)N和抽樣頻率fs的增大而增大。3.3 DPCM的Simulink仿真Simulink模塊庫中提供了DPCM編碼模塊“DPCM Encoder”、解碼模塊“DPCM Decoder”等，利用這些模塊構建DPCM串行傳輸仿真模型7，如圖3-3所示。圖3-3 DPCM串行傳輸系統(tǒng)仿真模型信號源輸出200Hz正弦波，經(jīng)放大、DPCM編碼輸出，再

48、經(jīng)過并串轉換得到二進制碼流送入二進制對稱信道。解碼端信道輸出經(jīng)串并轉換送入DPCM解碼，之后輸出解碼結果并顯示波形。改變信道錯誤比特率，以觀察信道誤碼對DPCM傳輸?shù)挠绊?。當信道錯誤比特率為0.02時仿真結果和波形如圖3-4所示。 圖3-4 系統(tǒng)的輸出波形圖由圖3-4可知，對應于信道產(chǎn)生誤碼的位置，解碼輸出波形中出現(xiàn)的干擾脈沖，干擾脈沖的大小取決于信道中錯誤比特位于一個DPCM編碼字串中的位置，位于高位時將導致解碼值極性錯誤，這時引起的干擾最大，而位于低位的誤碼引起的干擾最輕微。3.4 信道誤碼對語音質(zhì)量影響的仿真分析以一語音文件GDGvoice8000.WAV為信號源，基于前面最佳預測器的理

49、論來進行仿真分析。 最佳預測器抽頭系數(shù)的確定先計算一段采樣率為8000Hz的語音信號（文件名CDGvoice8000.wav）的最佳預測器抽頭系數(shù)。給定預測器的階數(shù)P=5。首先估計出語音信號的歸一化自相關函數(shù)值rj,j=1，5，常用的估計方法是： (3-25)代入歸一化自相關函數(shù)然后列出方程并求解即可。編寫的計算程序如下：關鍵代碼：% ch6example11prg1.mclear;p=5; % 預測器階數(shù)x,Fs,bits = wavread('GDGvoice8000.wav');r = xcorr(x); % 自相關函數(shù)r=r/max(r); % 歸一化r=r(lengt

50、h(x):length(x)+p);% 自相關系數(shù)序列r0,r1,.rpR=r(2:p+1);C=toeplitz(r(1:p);W=inv(C)*R; % 計算最佳抽頭系數(shù)W=0;W' % 計入FIR濾波器第一個抽頭系數(shù)W0predictor = dpcmopt(x,p) % 利用通信工具箱中函數(shù)直接計算程序執(zhí)行結果是：>>W= 0 1.1029 -0.4417 0.4369 -0.5298 0.1706Predictor= 0 1.1029 -0.4417 0.4369 -0.5299 0.1706>> 構建測試模型及仿真基于上面的原理構建一個DPCM編解碼

51、仿真系統(tǒng)。其中預測器為5階FIR濾波器，抽頭系數(shù)設置為實例1的計算結果，被編碼信號為語音文件“GDGvoice8000.wav”，量化器采用均勻量化方式，將-1,1上的歸一化信號樣值量化為N=4比特編碼序列。 在-1,1上的信號樣值均勻地量化為N=4比特編碼序列，量化分割電平集合為 :量化輸出電平集合為（也稱為量化碼書） :Simulink通信庫中提供了DPCM編碼解碼模塊“DPCM Encoder”和“DPCM Decoder”。 DPCM解碼模塊的設置參數(shù)要和編碼模塊相對應。其輸出為解碼恢復信號以及量化預測誤差。 DPCM編碼模塊的輸入為被編碼的樣值序列，輸出為量化電平序號以及相應的量化信號值，設置參數(shù)如下：預測器濾波分子分母系數(shù)響亮，一般采用FIR濾波器，分母系數(shù)設置為1，分子系數(shù)可由實例所示的有話方法進行確定；量化分割電平集合；量化輸出電平集合；當給定被量化的樣本信號時，可以通過函數(shù)dpcmopt來計算最優(yōu)化的預測器抽頭系數(shù)，最佳量化分割電平以及最佳量化輸出電平。DPCM解碼模塊的設置參數(shù)要和編碼模塊相對應。其輸出為解碼恢復信號以及量化預測誤差。DPCM編解碼模塊的構成細節(jié)可以通過選中模塊以鼠標右鍵打開內(nèi)部子系統(tǒng)來觀察，其 DPCM傳輸誤碼與解碼話音質(zhì)量仿真模型，如圖3-