基于MATLAB的16QAM通信系统的仿真Word文件下载.docx
《基于MATLAB的16QAM通信系统的仿真Word文件下载.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于MATLAB的16QAM通信系统的仿真Word文件下载.docx（15页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
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
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：
16QAM编码
2.26QAM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3-3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。
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<
t≤（k+1）T式3-1
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式3-2
令Xk=AkcosθkYk=-Aksinθk
则信号表示式变为
Sk（t）=Xkcosω0t+Yksinω0t式3-3
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。
正交调制原理框图
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：
相干解调原理框图
2.3MQAM调制介绍及本仿真程序的几点说明
MQAM可以用正交调制的方法产生，本仿真中取M=16，即幅度和相位相结合的
16个信号点的调制。
为了观察信道噪声对该调制方式的影响，我们在已调信号中又加入了不同强度的高斯白噪声，并统计其译码误码率。
为了简化程序和得到可靠的误码率，我们在解调时并未从已调信号中恢复载波，而是直接产生与调制时一模一样的载波来进行信号解调。
2.4仿真结果图
2.5QAM性能分析
16QAM抗噪声性能仿真：
对于QAM，可以看成是由两个相互正交且独立的多电平ASK信号叠加而成。
因此，利用多电平误码率的分析方法，可得到M进制QAM的误码率为[1]：
（4.1）
式中，
，Eb为每码元能量，n0为噪声单边功率谱密度。
通过调整高斯白噪声信道的信噪比snr（Eb/No），可以得到如图5-2所示的误码率图：
图4-9QAM信号误码率分析
可见16QAM信号的误码率随着信噪比的增大而逐渐减小，这与理论分析是完全一致的
16QAM信号与其它调制信号的性能比较：
（1）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
式4-1
而16QAM信号的相邻点欧氏距离等于
式4-2
d2和d1的比值就代表这两种体制的噪声容限之比。
AM
d2
d1
图4-10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。
（2）16QAM与2DPSK和64QAM
这里我们设计一个2DPSK调制和解调系统和一个64QAM调制和解调系统的仿真模型，以观察其与16QAM信号的抗噪声性能，并对它们的误码率进行比较。
在取相同的码元速率和载波速率的情况下，设计2DPSK调制解调系统。
这里我们采用的是差分相干解调的方法，所以并不需要做载波恢复。
解调部分的滤波器同样采用了贝塞尔函数低通滤波器，且判决模块简单如下所示。
这样在高斯白噪声信道处调整信噪比，得到如图4-3所示的误码率图。
图4-1116QAM与16DPSK误码率曲线图
从仿真过程看，在相同信噪比的条件下，其误码率介于64QAM和2DPSK之间，也就是说，系统在同等噪声条件下，16QAM的抗噪声性能是相当优越的。
【结束语】
本文研究的重点是对基于MATLAB的16QAM调制解调系统进行设计与仿真，得到以下的结论。
1.对16QAM调制解调系统基本原理进行了较为深入地理解与分析，并且根据其原理编制了仿真程序。
2.较为熟悉地掌握了MATLAB软件在通信系统设计与仿真的基本步骤与方法。
3.利用MATLAB实现了16QAM调制与解调系统的设计，实现与仿真，并得到相应的调制解调波形，发现解调信号波形与输入信号波形存在一定时延，所以该系统的实时性有不足，但并不影响对误码率的检测，以及系统能够的抗噪声性能。
4.对16QAM调制解调系统的抗噪声性能进行分析，通过仿真得到了16QAM系统的误码率曲线，曲线趋势与理论曲线基本一致。
5.从仿真过程看，在相同信噪比的条件下，16QAM的加性白噪声的功率远大于2DPSK的加性白噪声的功率，故16QAM调制解调系统一般工作在大信噪比的环境下，其误码率将很小，也就是说，两个系统在同等噪声条件下，16QAM的抗噪声性能是相当优越的
附源程序代码：
main_plot.m
clear;
clc;
echooff;
closeall;
N=10000;
%设定码元数量
fb=1;
%基带信号频率
fs=32;
%抽样频率
fc=4;
%载波频率,为便于观察已调信号，我们把载波频率设的较低
Kbase=2;
%Kbase=1,不经基带成形滤波，直接调制;
%Kbase=2,基带经成形滤波器滤波后，再进行调制
info=random_binary（N）;
%产生二进制信号序列
[y,I,Q]=qam（info,Kbase,fs,fb,fc）;
%对基带信号进行16QAM调制
y1=y;
y2=y;
%备份信号，供后续仿真用
T=length（info）/fb;
m=fs/fb;
nn=length（info）;
dt=1/fs;
t=0:
dt:
T-dt;
subplot（211）;
%便于观察，这里显示的已调信号及其频谱均为无噪声干扰的理想情况
%由于测试信号码元数量为10000个，在这里我们只显示其总数的1/10
plot（t（1:
1000）,y（1:
1000）,t（1:
1000）,I（1:
1000）,Q（1:
1000）,[035],[00],'
b:
'
）;
title（'
已调信号（In:
red,Qn:
green）'
%傅里叶变换，求出已调信号的频谱
n=length（y）;
y=fft（y）/n;
y=abs（y（1:
fix（n/2）））*2;
q=find（y<
1e-04）;
y（q）=1e-04;
y=20*log10（y）;
f1=m/n;
f=0:
f1:
（length（y）-1）*f1;
subplot（223）;
plot（f,y,'
r'
gridon;
已调信号频谱'
xlabel（'
f/fb'
%画出16QAM调制方式对应的星座图
subplot（224）;
constel（y1,fs,fb,fc）;
title（'
星座图'
SNR_in_dB=8:
2:
24;
%AWGN信道信噪比
forj=1:
length（SNR_in_dB）
y_add_noise=awgn（y2,SNR_in_dB（j））;
%加入不同强度的高斯白噪声
y_output=qamdet（y_add_noise,fs,fb,fc）;
%对已调信号进行解调
numoferr=0;
fori=1:
N
if（y_output（i）~=info（i））,
numoferr=numoferr+1;
end;
Pe（j）=numoferr/N;
%统计误码率
end;
figure;
semilogy（SNR_in_dB,Pe,'
red*-'
xlabel（'
SNRindB'
ylabel（'
Pe'
16QAM调制在不同信道噪声强度下的误码率'
random_binary.m
%产生二进制信源随机序列
function[info]=random_binary（N）
ifnargin==0,%如果没有输入参数，则指定信息序列为10000个码元
N=10000;
fori=1:
N,
temp=rand;
if（temp<
0.5）,
info（i）=0;
%1/2的概率输出为0
else
info（i）=1;
%1/2的概率输出为1
end
qam.m
function[y,I,Q]=qam（x,Kbase,fs,fb,fc）;
%
T=length（x）/fb;
m=fs/fb;
nn=length（x）;
t=0:
%串/并变换分离出I分量、Q分量，然后再分别进行电平映射
I=x（1:
nn-1）;
[I,In]=two2four（I,4*m）;
Q=x（2:
nn）;
[Q,Qn]=two2four（Q,4*m）;
ifKbase==2;
%基带成形滤波
I=bshape（I,fs,fb/4）;
Q=bshape（Q,fs,fb/4）;
y=I.*cos（2*pi*fc*t）-Q.*sin（2*pi*fc*t）;
%调制
qamdet.m
%QAM信号解调
function[xn,x]=qamdet（y,fs,fb,fc）;
（length（y）-1）*dt;
I=y.*cos（2*pi*fc*t）;
Q=-y.*sin（2*pi*fc*t）;
[b,a]=butter（2,2*fb/fs）;
%设计巴特沃斯滤波器
I=filtfilt（b,a,I）;
Q=filtfilt（b,a,Q）;
m=4*fs/fb;
N=length（y）/m;
n=（.6:
1:
N）*m;
n=fix（n）;
In=I（n）;
Qn=Q（n）;
xn=four2two（[InQn]）;
%I分量Q分量并/串转换，最终恢复成码元序列xn
nn=length（xn）;
xn=[xn（1:
nn/2）;
xn（nn/2+1:
nn）];
xn=xn（:
xn=xn'
;
bshape.m
%基带升余弦成形滤波器
functiony=bshape（x,fs,fb,N,alfa,delay）;
%设置默认参数
ifnargin<
6;
delay=8;
end;
5;
alfa=0.5;
4;
N=16;
end;
b=firrcos（N,fb,2*alfa*fb,fs）;
y=filter（b,1,x）;
two2four.m
%二进制转换成四进制
function[y,yn]=two2four（x,m）;
T=[01;
32];
n=length（x）;
ii=1;
n-1;
xi=x（i:
i+1）+1;
yn（ii）=T（xi
（1）,xi
（2））;
ii=ii+1;
yn=yn-1.5;
y=yn;
m-1;
y=[y;
yn];
y=y（:
）'
%映射电平分别为-1.5；
0.5；
1.5
four2two.m
%四进制转换成二进制
functionxn=four2two（yn）;
y=yn;
ymin=min（y）;
ymax=max（y）;
ymax=max（[ymaxabs（ymin）]）;
ymin=-abs（ymax）;
yn=（y-ymin）*3/（ymax-ymin）;
%设置门限电平，判决
I0=find（yn<
0.5）;
yn（I0）=zeros（size（I0））;
I1=find（yn>
=0.5&
yn<
1.5）;
yn（I1）=ones（size（I1））;
I2=find（yn>
=1.5&
2.5）;
yn（I2）=ones（size（I2））*2;
I3=find（yn>
=2.5）;
yn（I3）=ones（size（I3））*3;
%一位四进制码元转换为两位二进制码元
T=[00;
01;
11;
10];
n=length（yn）;
n;
xn（i,:
）=T（yn（i）+1,:
xn=xn'
xn=xn（:
constel.m
%画出星座图
functionc=constel（x,fs,fb,fc）;
N=length（x）;
m=2*fs/fb;
n=fs/fc;
i1=m-n;
i=1;
ph0=（i1-1）*2*pi/n;
whilei<
=N/m;
xi=x（i1:
i1+n-1）;
y=2*fft（xi）/n;
c（i）=y
（2）;
i=i+1;
i1=i1+m;
%如果无输出，则作图
ifnargout<
1;
cmax=max（abs（c））;
ph=（0:
5:
360）*pi/180;
plot（1.414*cos（ph）,1.414*sin（ph）,'
c'
holdon;
length（c）;
ph=ph0-angle（c（i））;
a=abs（c（i））/cmax*1.414;
plot（a*cos（ph）,a*sin（ph）,'
r*'
plot（[-1.51.5],[00],'
k:
[00],[-1.51.5],'
holdoff;
axisequal;
axis（[-1.51.5-1.51.5]）;
通信原理课程设计
——16QAM传输系统设计
学院：
电子与信息工程
专业：
通信工程
姓名：
胡博
学号：
1120119119
指导老师：
罗恒
2014年6月16日
升级会员 