基于qam调制的无线衰落信道的性能分析与仿真课程设计本科论文.docx
《基于qam调制的无线衰落信道的性能分析与仿真课程设计本科论文.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于qam调制的无线衰落信道的性能分析与仿真课程设计本科论文.docx（41页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
基于qam调制的无线衰落信道的性能分析与仿真课程设计本科论文
******************
实践教学
******************
兰州理工大学
计算机与通信学院
2013年秋季学期
《通信系统仿真训练》
题目：
基于QAM调制的无线衰落信道的性能分析与仿真
专业班级：
通信工程
（1）班
姓名：
学号：
指导教师：
成绩：
摘要
本课程设计主要是为了研究无线衰落信道的特性，通过深入分析了无线衰落信道的衰落特征以及衰落信道对信号传输产生的影响，设计了一种基于QAM调制的无线衰落信道的仿真，主要是针对16QAM调制下的瑞利衰落信道、高斯衰落信道的模型在MATLAB环境下进行模拟仿真，然后观察数字信号经过这两类信道后的时域波形、频谱以及误码率，通过仿真，对比分析无线衰落信道对信号的影响,有助于对无线信道的进一步理解和掌握以及工程实践提供一定的指导。
关键词：
QAM调制；瑞利衰落；高斯噪声；
前言
无线通信是当今社会最重要的通信方式之一。
在进行无线通信系统的设计时，首先需要考虑的是信道的传输特性，因此无线衰落信道的建模与仿真研究对于无线通信有着重要的意义。
针对无线衰落信道已经提出了许多的仿真模型，其中针对宽带短波信道ITS模型和陆地移动卫星信道的多状态模型在两种通信方式下得到了广泛的应用。
影响无线通信性能的主要因素有:
多径效应、多普勒效应和阴影效应，无线衰落信道进行建模时主要考虑这几方面的影响，并通过现有的数学理论与实测数据尽可能精确的进行曲线拟合，得到想要的信道模型。
在卫星移动通信系统、陆地移动通信系统中其电波传播方式主要以视距传播为主。
由于多径和接收端运动等因素的影响，使得无线信道对接收信号在时间、频率和角度上造成了色散，这种色散表现在接收信号幅度上就是所谓的信号衰落。
因此，多径效应对通信质量有着至关重要的影响，根据不同的无线环境，接收信号包络一般服从几种典型分布，如瑞利分布、莱斯分布等。
在本文中，专门针对接收信号包络服从瑞利分布的信道进行建模仿真，为实际的通信系统设计提供理论参考和支持。
一、QAM调制解调
1.1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，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。
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。
数字调制具有3种基本方式：
数字振幅调制、数字频率调制、数字相位调制，这3种数字调制方式都存在不足之处，如：
频谱利用率低、抗多径抗衰弱能力差、功率谱衰减慢、带外辐射严重等。
为了改善这些不足，在恒参信道中，提出了正交振幅调制（QAM）方式，它具有高的频谱利用率，因此在卫星通信和有线电视网络高速数据传输等领域得到广泛应用。
1.2QAM调制
正交振幅调制（QAM）是一种矢量调制，它是将输入比特先映射（一般采用格雷码）到一个复平面（星座）上，形成复数调制符号。
正交调幅信号有两个相同频率的载波，但是相位相差90度（四分之一周期，来自积分术语）。
一个信号叫I信号，另一个信号叫Q信号。
从数学角度将一个信号可以表示成正弦，另一个表示成余弦。
两种被调制的载波在发射时已被混和。
到达目的地后，载波被分离，数据被分别提取然后和原始调制信息相混和。
这样与之作幅度调制（AM）相比，其频谱利用率高出一倍。
QAM是用两路独立的基带信号对两个相互正交的同频载波进行抑制载波双边带调幅，利用这种已调信号的频谱在同一带宽内的正交性，实现两路并行的数字信息的传输。
该调制方式通常有二进制QAM（4QAM）、四进制QAM（l6QAM）、八进制QAM（64QAM）、…，对应的空间信号矢量端点分布图称为星座图，分别有4、16、64、…个矢量端点。
目前QAM最高已达到1024QAM。
样点数目越多，其传输效率越高。
但并不是样点数目越多越好，随着样点数目的增加，QAM系统的误码率会逐渐增大，所以在对可靠性要求较高的环境，不能使用较多样点数目的QAM。
对于4QAM，当两路信号幅度相等时，其产生、解调、性能及相位矢量均与4PSK相同。
a4QAM星座图
b16QAM星座图
图1-1QAM星座图
QAM采用格雷编码，采用格雷码的好处在于相邻相位所代表的两个比特只有一位不同，由于因相位误差造成错判至相邻相位上的概率最大，故这样编码使之仅造成一个比特误码的概率最大。
下图以16QAM为例，显示了编码
图1-216QAM编
1.316QAM调制
1.3.116QAM调制解调原理
16QAM是两路4ASK信号的叠加，其演变方式可以有以下两种：
（1）正交调幅法，由两路独立的正交4ASK信号叠加而成；
图1-3正交调幅
（2）复合相移法，由两路独立的QPSK信号叠加而成。
图中虚线大圆上的4个大黑点表示第一个QPSK信号矢量的位置，在这4个位置上可以叠加上第二个QPSK矢量，后者的位置用虚线小圆上的4个小黑点表示。
图1-4复合相移法
在QAM体制中，信号的振幅和相位作为两个独立的参量同时受到调制。
这种信号的一个码元可以表示为
Sk（t）=Akcos（ω0t+θk）kT式中，k取整数；Ak和k分别可以取多个离散值。
上式可以展开为
Sk（t）=Akcosθkcosω0t—Aksinθksinω0t（1-2）
令Xk=AkcosθkYk=-Aksinθk
则信号表示式变为
Sk（t）=Xkcosω0t+Yksinω0t（1-3）
Xk和Yk也是可以取多个离散值的变量。
从上式看出，k（t）可以看作是两个正交的振幅键控信号之和。
本课题采用了正交调幅法。
在发送端调制器中串/并变换使得信息速率为Rb的输入二进制信号分成两个速率为Rb/2的二进制信号，2/4电平转换将每个速率为Rb/2的二进制信号变为速率为Rb/8的电平信号，然后分别与两个正交载波相乘，再相加后即得16QAM信号
下图是16QAM的调制框图。
已调信号Y
基带信号X
Q
图1-516QAM调制框图
解调是调制的逆过程，在接收端解调器中可以采用正交的相干解调方法。
接受到的信号分两路进入两个正交的载波的相干解调器，再分别进入判决器形成L进制信号并输出二进制信号，最后经并/串变换后得到基带信号。
下图为16QAM解调框图：
接收信号
图1-616QAM解调框图
1.3.216QAM星座图映射
将等概分布的0、1信号映射到16QAM星座图上。
每四个bit构成一个码子，具体实现的方法是，将输入的信号进行串并转换分成两路，分别叫做I路和Q路。
再把每一路的信号分别按照两位格雷码的规则进行映射，这样实际上最终得到了四位格雷码。
为了清楚说明，参看表1-1
表1-1两位格雷码的映射规律
两位0、1码
映射后（按格雷码）
00
-3
01
-1
11
1
10
3
1.3.316QAM抽样判决
经过前边的匹配滤波器解调或者称为相关解调产生了一组向量，在这里就是一个一维的向量，根据最大后验概率（MAP）准则（由于各个信号的先验概率相等，所以页可以认为是最大似然准则），得到了最小距离检测。
具体在本仿真系统中，判断为各个信号的门限如表2所示。
判决后得到的数据再按照格雷码的规则还原成0、1信号，最终将两路0、1信号合成一路0、1信号，用来同最初的信号一起决定误码率。
表1-2判决电平对应表
判决前的信号的幅度
对应的判决后的幅度
－3
－1
1
3
1.3.416QAM误码率曲线
对于16QAM信号星座图等效为在两个正交载波上的两个PAM信号，其中每一个具有4个信号点。
因为在解调器中可以将相位正交的两个信号分量完全分开，所以QAM的错误概率可以由PAM的错误概率求得。
16QAM系统的正确判决概率是
（1-4）
式中，是4元PAM的错误概率，在等效QAM系统的每一个正交信号中，4元PAM具有一半的平均功率，通过适当的修改4元PAM的错误概率，可以得到
（1-5）
其中是平均符号SNR。
因此，16QAM的错误概率是
（1-6）
1.3.516QAM信号与其它调制信号的性能比较
16QAM和16PSK
星座图中相邻点欧氏距离直接代表这噪声容限的大小。
按最大振幅相等，画出16QAM信号和16PSK信号的星座图。
设其最大振幅为AM，则16PSK信号的相邻矢量端点的欧氏距离等于
（1-7）
而16QAM信号的相邻点欧氏距离等于
（1-8）
d2和d1的比值就代表这两种体制的噪声容限之比。
图1-7欧氏距离
按上两式计算，d2超过d1约1.57dB。
但是，这时是在最大功率（振幅）相等的条件下比较的，没有考虑这两种体制的平均功率差别。
16PSK信号的平均功率（振幅）就等于其最大功率（振幅）。
而16QAM信号，在等概率出现条件下，可以计算出其最大功率和平均功率之比等于1.8倍，即2.55dB。
因此，在平均功率相等条件下，16QAM比16PSK信号的噪声容限大4.12dB。
二、衰落信道
2.1通信系统信道模型及其分类
各种发送信息传送到既定的信宿，可选用适于传输的物理媒体，完成通信功能。
连接发信号与收信号设备、适用于不同类型通信业务的各种物理媒体通称为信道。
信道可分为有界与无界两大类，即通常所说的有线信道与无线信道。
前者如双绞线、电缆、光纤、波导等，后者为自由空间提供的各种频段或波长的电磁波传播信道。
根据各种信道不同的特征和参量及其变化情况，又将它们分为恒参信道和随参信道。
前者如有线信道、微波与卫星信道等，后者如无线系统的短波和超短波散射信道。
收信者
一般地，如单指传输媒体而言称为狭义信道。
在具体的通信系统构成中，往往把信源发出的模拟信号和数字编码基带信号视为信息部分，从调制器到接收端解调器这一中间变换历程中。
经过了包括物理媒体在内的线路设备（如交换、放大、中继等中间部件）传输路径，因此将图3-1所表示的调制信道和编码信道称为广义信道。
信源
调制信道
编码信道
图2-1信道结构图
2.1.1恒参信道
恒参信道是指由架空明线、电缆、中长波地波传输，超短波及微波视距传输，人造卫星中继，光导纤维以及光波视距传输等传输媒体构成的信道。
恒参信道以有线信道为最典型，其特征参数主要是频率特征，如幅度频率特征与相位频率特征及频率漂移等。
反映在时域，如信道时延、抖动，尚有电平波动和非线性等。
其中，幅度频率特性，就理想而言，可表示为理想传输函数。
2.1.2随参信道
随参信道包括短波电离层反射、超短波流星余迹散射，超短波及微波对流层散射，超短波电离层散射以及超短波超视距绕射等传输媒质所分别构成的信道。
随参信道的特性比恒参信道要复杂的多。
由于地面以上不同高度大气的电离层浓度不同，并随机流性变化，对短波传输具有反射作用，对超短波具有对流层散射作用。
乘性干扰的现象表现为各种类型的衰落，在多径信道中，发送端发出的信号通过多个反射之后沿多条路径到达接收端，这些路径
升级会员 