16QAM的调制与解调论文完整版解读.docx
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16QAM的调制与解调论文完整版解读
通信工程专业
《计算机类课程设计》
题目16QAM调制与解调系统仿真分析
学生姓名闫梦毅学号1213024123
所在院（系）陕西理工学院物理与电信工程学院
专业班级通信工程专业1204班
指导教师李翠华
完成地点陕西理工学院物理与电信工程学院实验室
2015年11月20日
综合课程设计任务书
院（系）物理与电信工程学院专业班级通信工程专业通信1204班学生姓名闫梦毅
一、课程设计题目16QAM调制与解调系统仿真分析
二、课程设计工作自_2015年_10_月_26_日起至____2015_年11月__20_日止
三、课程设计进行地点:
陕西理工学院物理与电信工程学院实验室
四、课程设计的内容要求：
设计的目的及意义：
本设计在掌握16QAM调制和解调的原理的基础上，设计实现的原理框图，然后应用仿真软件对系统进行动态仿真，最后将16QAM与2DPSK两系统的性能进行比较，证明16QAM调制和解调系统的先进性。
主要任务：
1.掌握调制与解调技术；
2.熟练运用仿真工具；
3.实现对调制与解调技术的仿真并给出仿真结果；
成果形式：
提交课程设计论文。
进程要求：
指导教师李翠华系（教研室）通信工程教研室
系（教研室）主任签名批准日期
接受论文（设计）任务开始执行日期学生签名
16QAM的调制与解调
闫梦毅
（陕西理工学院物理与电信工程学院通信工程专业1204班，陕西汉中723003）
指导教师：
李翠华
[摘要]：
正交幅度调制QAM（QuadratureAmplitudeModulation）以其高频谱利用率、高功率谱密度等优势，成为宽带无线接入和无线视频通信的重要技术方案。
本文首先介绍了16QAM调制解调原理，提出了一种基于Matlab的16QAM系统调制解调方案，对16QAM的星座图和调制解调进行了仿真，并对系统性能进行了分析，进而证明16QAM调制技术的优越性。
[关键词]：
QAM；正交振幅调制、Matlab、调制解调、仿真
16QAMModulationandDemodulation
YanMengyi
（Grade2012,Class4,MajorofCommunicationEngineering,SchoolofPhysicsandTelecommunicationEngineeringofShaanxiUniversityofTechnology,Hanzhong723003,Shaanxi）Tutor:
Licuihua
Abstract:
QuadratureAmplitudeModulationQAM（QuadratureAmplitudeModulation）,withitsadvantageofhighspectrumefficiencyandhighpowerspectraldensity,broadbandwirelessaccessandbecomeanimportanttechnologyofthewirelessvideocommunicationscheme.Thisarticlefirstintroducestheprincipleof16qammodulationdemodulation,thispaperproposesasystemof16qammodulationdemodulationschemebasedonMatlab,the16qamconstellationdiagramandthemodulationdemodulationaresimulated,andtheperformanceofthesystemareanalyzed,whichprovedthesuperiorityof16qammodulationtechnology.
Keyword：
QAM；quadratureamplitudemodulation,Matlab,modem,simulation
4.结论15
致谢16
参考文献17
1.绪论
1.1QAM简介
在现代通信中，提高频谱利用率一直是人们关注的焦点之一。
近年来，随着通信业务需求的迅速增长，寻找频谱利用率高的数字调制方式已成为数字通信系统设计、研究的主要目标之一。
正交振幅调制QAM（QuadratureAmplitudeModulation）就是一种频谱利用率很高的调制方式，其在中、大容量数字微波通信系统、有线电视网络高速数据传输、卫星通信系统等领域得到了广泛应用。
在移动通信中，随着微蜂窝和微微蜂窝的出现，使得信道传输特性发生了很大变化。
过去在传统蜂窝系统中不能应用的正交振幅调制也引起人们的重视。
QAM数字调制器作为DVB系统的前端设备，接收来自编码器、复用器、DVB网关、视频服务器等设备的TS流，进行RS编码、卷积编码和QAM数字调制，输出的射频信号可以直接在有线电视网上传送，同时也可根据需要选择中频输出。
它以其灵活的配置和优越的性能指标，广泛的应用于数字有线电视传输领域和数字MMDS系统。
作为国际上移动通信技术专家十分重视的一种信号调制方式之一，正交振幅调制（QAM）在移动通信中频谱利用率一直是人们关注的焦点之一，随着微蜂窝（Microcell）和微微蜂窝系统的出现，使得信道的传输特性发生了很大变化，接收机和发射机之间通常具有很强的支达分量，以往在蜂窝系统中不能应用的但频谱利用率很高的WAM已引起人们的重视，许多学者已对16QAM及其它变型的QAM在PCN中的应用进行了广泛深入地研究。
1.2SIMULINK简介
Simulink是MATLAB中的一种可视化仿真工具，是一种基于MATLAB的框图设计环境，是实现动态系统建模、仿真和分析的一个软件包，被广泛应用于线性系统、非线性系统、数字控制及数字信号处理的建模和仿真中。
Simulink可以用连续采样时间、离散采样时间或两种混合的采样时间进行建模，它也支持多速率系统，也就是系统中的不同部分具有不同的采样速率。
为了创建动态系统模型，Simulink提供了一个建立模型方块图的图形用户接口（GUI），这个创建过程只需单击和拖动鼠标操作就能完成，它提供了一种更快捷、直接明了的方式，而且用户可以立即看到系统的仿真结果。
1.3SIMULINK与通信仿真
仿真是衡量系统性能的工具，它通过仿真模型的仿真结果来推断原系统的性能，从而为新系统的建立或原系统的改造提供可靠的参考。
仿真是科学研究和工程建设中不可缺少的方法。
实际的通信系统是一个功能结构相当复杂的系统，对于这个系统作出的任何改变都可能影响到整个系统的性能和稳定。
而Simulink作为Matlab提供的用于对动态系统进行建模、仿真和分析的工具包，提供了仿真所需的信源编码、纠错编码、信道、调制解调以及其它所用的全部库函数和模块。
可见，不管对任何复杂的通信系统，用Simulink对其仿真都是一个不错的选择。
2.正交振幅调制原理
2.116QAM的调制解调原理
MQAM的调制解调框图如图2.3所示。
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/L电平转换将每个速率为Rb/2的二进制信号变为速率为Rb/（2lbL）的电平信号，然后分别与两个正交载波相乘，再相加后即得MQAM信号。
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。
MQAM调制
MQAM的解调
图2.3MQAM调制解调框图
2.2MQAM信号的星座图
MQAM信号表示式可写成
（2.1）
其中，Ai和Bi是振幅，表示为
（2.2）
其中，i,j=1,2,…，L，当L=1时，是4QAM信号；当L=2时，是16QAM信号；当L=4时，是64QAM信号。
选择正交的基本信号为
（2.3）
在信号空间中MQAM信号点
（i,j=1,2,…,L）（2.4）
图2.1是MQAM的星座图，这是一种矩形的MQAM星座图。
图2.1MQAM信号星座图
为了说明MQAM比MPSK具有更好的抗干扰能力，图2.2示出了16PSK和16QAM的星座图，这两个星座图表示的信号最大功率相等，相邻信号点的距离d1，d2分别为：
2DPSK
，16QAM
。
结果表明，d2>d1，大约超过1.64dB。
合理地比较两星座图的最小空间距离应该是以平均功率相等为条件。
可以证明，在平均功率相等条件下，16QAM的相邻信号距离超过16PSK约4.19dB。
星座图中，两个信号点距离越大，在噪声干扰使信号图模糊的情况下，要求分开两个可能信号点越容易办到。
因此16QAM方式抗噪声干扰能力优于16PSK。
图2.216QAM和16PSK的星座图
MQAM的星座图除正方形外，还有圆形、三角形、矩形、六角形等。
星座图的形式不同，信号点在空间距离也不同，误码性能也不同。
MQAM和MPSK在相同信号点数时，功率谱相同，带宽均为基带信号带宽的2倍。
3.16QAM调制解调系统仿真
3.1仿真框图
产生随机二进制序列
转换成16进制序列
基带信号
恢复基带信号
输出基带信号序列图
进行二四串并变换
输出调制信号序列图，已调信号频谱图
星座图，眼图
16QAM调制
加入不同信噪比的高斯白噪声，得到16QAM误码率图
已调信号
16QAM解调
进行四二并串变换
通过与2DPSK误码率比较，得到16QAM抗噪声性能的优越性
图3.1仿真思路框图
根据仿真思路框图设计程序，实现框图各部功能，并得到相对应的仿真图。
3.2仿真程序说明
（1）MQAM可以用正交调制的方法产生，仿真中取M=16，即幅度和相位相结合的16个信号点的调制。
码元数量设定为10000个，基带信号频率1HZ，抽样频率32HZ，载波频率4HZ。
（2）整体思路：
通过设计函数产生二进制随机序列，并将其转化为16进制序列，对其进行二四串并变换，产生两路4ASK信号，用正交调幅法进行16QAM调制；紧接着对已调信号进行解调，此时解调的信号为16进制，通过四二并串变换使其恢复二进制信号。
（3）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，对加噪声和不加噪声情况下的星座图进行了比较，并统计了其译码误码率，生成误码率图。
（4）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。
3.3仿真结果及分析
程序1的设计是通过对随机二进制序列进行16进制变换后通过调用Matlab中16QAM调制解调器对基带信号进行16QAM调制解调，通过scatterplot（y）函数得到已调信号的星座图，之后加入信噪比为25dB的高斯白噪声，对比加入噪声之前和之后的星座图，最后利用眼图函数得到16QAM调制眼图。
由程序1可得到图3.3.1，图3.3.2，图3.3.4，图3.3.5，图3.3.6。
程序2的设计是通过设计随机二进制子函数，产生随机二进制序列，并设计16QAM调制解调子函数，二四变换子函数，四二变换子函数，基带升余弦成型滤波器子函数，星座图子函数，通过调用这些子函数实现对基带信号的16QAM调制解调，得到已调信号的序列图，频谱图以及星座图。
最后通过加入不同信噪比得到16QAM调制的误码率曲线。
由程序2可得到图3.3.3，图3.3.7。
图3.3.1随机二进制序列
此图为由程序1生成的随机二进制比特流序列图。
由随机产生的幅度为0或1的序列组成。
图3.3.216进制序列
此图为由程序1生成的16进制随机序列，它是对图4.1中的随机二进制序列进行16进制转换得到的。
以方便下面进行16QAM调制，即16进制正交振幅调制。
图3.3.3已调信号序列、频谱、星座图
此图是由程序2生成的已调信号序列图，频谱图和星座图，对于已调信号序列，程序码元数量设定为10000个，此处显示1/10，即1000个，基带信号频率1HZ，抽样频率32HZ，载波频率4HZ。
对已调序列进行傅里叶变换，得到频谱图，并通过调用星座图子函数得到幅度和相位相结合的16个信号点星座图。
图3.3.416QAM星座图
此图为由程序1生成的16QAM调制星座图，由图可看出星座图为幅度和相位相结合的16个均匀排列的信号点。
图3.3.516QAM接收信号星座图
此图为程序1生成的加入信噪比为25dB的高斯白噪声之前和之后接收信号的星座图，由图可看出由于信道中噪声的叠加，使得接收信号不能再聚焦在固定的一个点上，而是随机分布在不加噪声时信号的附近。
图3.3.616QAM调制信号眼图
此图为由程序1生成的16QAM调制眼图，从眼图上可观察出码间串扰和噪声对16QAM调制的影响，从而可估计系统的优劣程度。
图3.3.716QAM误码率
此图为程序2生成的16QAM在加入不同信噪比的高斯白噪声时的误码率曲线，由图可看出，随着信噪比得增大，误码率减小，符合理论计算的结果。
3.4.16QAM与2DPSK性能比较
为了了解16QAM的抗噪声性能，这里我们设计一个2DPSK调制和解调系统，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，如图3.3.8所示：
图3.3.82DPSK系统设计图
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，这样在高斯白噪声信道处调整信噪比，得到如图3.3.9所示的误码率图。
图3.3.916QAM和2DPSK误码率比较
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。
4.结论
本文研究的重点是对基于MATLAB/SIMULINK的16QAM调制解调系统进行设计与仿真，并与2DPSK系统进行了比较，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。
2.较为熟悉地掌握了MatlabSimulink软件在通信系统设计与仿真的基本步骤与方法。
3.利用MatlabSimulink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.将16QAM调制解调系统与2DPSK系统的抗噪声性能进行对比，获得了他们两者的误码率曲线，进行比较，发现16QAM的抗噪声性能不如2DPSK，这是与理论相符的，也即，当信噪比一定的情况下，M越大，误码率Pe也越大。
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。
致谢
本课题在选题机进行过程中得到老师的悉心指导。
感谢指导老师对我本次课程设计的指导与关怀，感谢队友对我的帮助，感谢学校给予的这次学习机会。
通过这次学习给了我最好的锻炼与最快的成长。
感谢我的队友在我课题研究过程中给予我技术上的极大支持和心理上的鼓励。
参考文献
[1]曹志刚.现代通讯原理.清华大学出版社,2007.8
[2]张威.MATLAB基础与编程入门.西安电子科技大学出版社,2004.2
[3]樊昌信.通信原理.国防工业出版社，2007.8
[4]徐利民等,《基于MATLAB的信号与系统实验教程》清华大学出版社,2010年
[5]余智，余兆明.数字调制技术.中国多媒体视讯，2003.7
[6]刘建军.浅谈QPSK调制技术.中国有线电视，2004.10
[7]StephenG.Wilson.DigitalModulationandCoding.PrenticeHall,Inc.1996
[8]BergerT.RateDistortionTheory.PrenticeHall.Inc.,1971
[9]别志松，别红霞.系统与通信系统仿真.北京：
北京邮电大学出版社，2010.
附录
源程序代码：
程序1：
M=16;
k=log2（M）;
n=100000;%比特序列长度
samp=1;%过采样率
x=randint（n,1）;%生成随机二进制比特流
stem（x（1:
50）,'filled'）;%画出相应的二进制比特流信号
title（'二进制随机比特流'）;
xlabel（'比特序列'）;ylabel（'信号幅度'）;
x4=reshape（x,k,length（x）/k）;%将原始的二进制比特序列每四个一组分组，并排列成k行length（x）/k列的矩阵
xsym=bi2de（x4.','left-msb'）;%将矩阵转化成为相应的16进制信号序列
figure;
stem（xsym（1:
50））;%画出相应的16进制信号序列
title（'16进制随机信号'）;
xlabel（'信号序列'）;ylabel（'信号幅度'）;
y=modulate（modem.qammod（M）,xsym）;%用16QAM调制器对信号进行调制
scatterplot（y）;%画出16QAM信号的星座图
text（real（y）+0.1,imag（y）,dec2bin（xsym））;
axis（[-55-55]）;
EbNo=25;
snr=EbNo+10*log10（k）-10*log10（samp）;%信噪比
yn=awgn（y,snr,'measured'）;%加入高斯白噪声
h=scatterplot（yn,samp,0,'b.'）;%经过信道后接收到的含白噪声星座图
holdon;
scatterplot（y,1,0,'k+',h）;%加入不含白噪声的信号星座图
title（'接收信号星座图'）;
legend（'含噪声接收信号','不含噪声信号'）;
axis（[-55-55]）;
holdon;
eyediagram（yn,2）;%眼图
yd=demodulate（modem.qamdemod（M）,yn）;%此时解调出来的是16进制信号
z=de2bi（yd,'left-msb'）;%转化为对应的二进制比特流
z=reshape（z.',numel（z）,1'）;
[number_of_errors,bit_error_rate]=biterr（x,z）
程序2：
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）;
plot（t（1:
1000）,y（1:
1000）,t（1:
1000）,I（1:
1000）,t（1:
1000）,Q（1:
1000）,[035],[00],'b:
'）;
%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，在这里只显示其总数的1/10
title（'已调信号（In:
red,Qn:
green）'）;
n=length（y）;%傅里叶变换，求出已调信号的频谱
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,'b'）;
gridon;
title（'已调信号频谱'）;xlabel（'f/fb'）;
subplot（224）;
constel（y1,fs,fb,fc）;
title（'星座图'）;%画出16QAM调制方式对应的星座图
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;
end;
Pe（j）=numoferr/N;%统计误码率
end;
figure;
semilogy（SNR_in_dB,Pe,'blue*-'）;
gridon;
xlabel（'SNRindB'）;
ylabel（'Pe'）;
title（'16QAM调制误码率'）;
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;
end;
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
end;
qam.m
function[y,I,Q]=qam（x,Kbase,fs,fb,fc）;
%
T=length（x）/fb
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