基于Matlab的16QAM通信系统的设计与仿真.docx
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基于Matlab的16QAM通信系统的设计与仿真
淮海工学院
课程设计报告书
课程名称：
通信系统的运算机仿真设计
题目：
16QAM通信系统性能分析
与MATLAB仿真
系（院）：
电子工程学院
学期：
2021-2021-2
专业班级：
姓名：
学号：
评语：
成绩：
签名：
日期：
基于Matlab的16QAM通信系统的设计与仿真
1绪论
1.1研究背景与研究意义
应用MATLAB的编程方式和功能模块能够搭建各类仿真系统，还能够应用丰硕的时刻域、频率域、相位域的仿真测量仪器。
许多新一代通信系统的系统级仿真程序出此刻MATLAB软件的演示实例中，这使得学习的效率大为提高，对技术与系统的明白得已经从概念深切到电路方案和选取层面。
Simulink是Mathworks公司推出的基于Matlab平台的闻名仿真环境。
Simulink作为一种专业和功能壮大且操作简单的仿真工具，目前已被越来越多的工程技术人员所青睐，它搭建积木式的建仿照真方式既简单又直观，而且已经在各个领域取得了普遍的应用。
QAM（QuadratureAmplitudeModulation）：
正交调制。
正交振幅，这是最近几年来被上专家十分重视的一种信号调制方式。
QAM是数字信号的一种调制方式，在调制进程中，同时以的幅度和相位来代表不同的数字比特，把多进制与正交载波技术结合起来，进一步提高频带。
正交调幅是一种将两种调幅信号汇合到一个的方式，因此会双倍扩展有效。
正交调幅被用于脉冲调幅，专门是在无线网络应用。
1.2课程设计的目的和任务
随着现代通信技术的进展，专门是移动通信技术高速进展，频带利用率问题愈来愈被人们关注。
在频谱资源超级有限的今天，传统通信系统的容量已经不能知足当前用户的要求。
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。
第一介绍了QAM调制解调原理，提出了一种基于MATLAB的16QAM系统调制解调方案，包括串并转换，2-4电平转换，抽样裁决，4-2电平转换和并串转换子系统的设计，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。
课程设计的任务是：
（1）把握一样通信系统设计的进程，步骤，要求，工作内容及设计方式：
把握
用运算机仿真通信系统的方式。
（2）训练学生网络设计能力。
（3）训练学生综合运用专业知识的能力，提高学生进行通信工程设计的能力。
216QAM通信系统
2.116QAM通信系统大体模型
通信系统框图如图2.1所示:
图2.116QAM通信系统大体模型
信号源：
模拟的正弦波语音信号4KHZ。
Sample：
抽样器，对模拟信号进行抽样，抽样频率8KHZ。
A-law：
量化器，A-law十三折线法。
PCM：
编码器，将量化后的信号进行PCM编码，变成一个传速为64Kbit/s的
数字信号。
信道编码：
能够选择分组码，卷积码，汉明码。
调制：
QAM调制方式。
信道：
通过调制以后，通过信道。
信道能够选择高斯加性白噪声信道，二进
制对称信道，多径瑞利衰落信道，莱斯衰落信道等。
设置不同的信道
信噪比，对系统进行仿真，分析不同信噪比情形下的系统性能。
解调：
依照调制方式，选择对应解调方式。
译码：
依照信道编码方式，选择对应的信道解码方式。
性能分析：
信号通过调制，信道，解调进程。
在接收端，将取得的数据与原
始信号源数据比较，取得在特定信噪比下的误码率。
改变系统信噪比，
到系统的误码率曲线图，并给出各关键点信号图及星座图。
2.216QAM通信系统的性能指标
数字通信系统的有效性可用传输速度来衡量,靠得住性可用过失率来衡量。
2.2.1有效性
码元传输速度RB简称传码率，又称符号速度等。
它表示单位时刻内传输码元的数量，单位是波特（Baud），记为B。
RB=1/T（B）=64KB
信息传输速度Rb简称传信率，又称比特率等。
它表示单位时刻内传递的平均信息量或比特数，单位是比特/秒，可记为bit/s，或b/s，或bps。
由于传输的是二进制码元，因此码元传输速度与信息传输速度相等，即：
Rb=RB=64Kbit/s
2.2.2靠得住性
误码率（码元过失率）Pe是指发生过失的码元数在传输总码元数中所占的比例，更确切地说，误码率是码元在传输系统中被传错的概率，即
Pe=错误码元数/传输总码元数
误信率（信息过失率）Pb是指发生过失的比特数在传输总比特数中所占的比例，即
Pb=错误比特数/传输总比特数
在二进制中有Pe，具体数值将在仿真中表现。
316QAM通信系统要紧模块
3.1信源/信宿及其编译码
3.1.1信源编码
信号源是模拟的4KHz正弦语音信号，sample抽样器，对模拟信号进行抽样，抽样频率是8KHz。
A-law量化编码器是采纳十三折线法对其进行量化，然后将量化后的信号纪念性PCM编码，变成一个1个传输速度为64Kbit/s的数字信号。
3.1.2信宿译码
A-law量化译码器是采纳十三折线法进行相应的量化译码，信宿能够是scope示波器，也能够是其他的信号输出。
3.2基带信号处置
本次实验咱们采纳卷积码和汉明码。
汉明码属于线性分组码。
汉明码的抗干扰能力较强。
它能够纠正单个随机错误。
设汉明码编码器的输入信号的长度为k，输出信号的长度为n,那么产生的是一个（n,k）汉明码，其中n=2m-1,m>3,而且知足n=k+m。
MATLAB提供了一个函数”“gfrimfd（m,'min'）”用来找到一个最小的本原多项式。
卷积码是将发送的信息序列通过一个线性的、有状态的移位寄放器的输出完全取决于这段时刻中的输入信息；而在卷积码中，任何一段规按时刻内产生的n个码元不仅取决于这段时刻内的k个信息位，而且取决于前N-1段时刻内的信息位，那个N称为卷积码的约束长度。
3.3调制/解调
正交振幅键控是一种将两种调幅信号（2ask和2psk）汇合到一个的方式，因此会双倍扩展有效。
正交调幅被用于脉冲调幅，专门是在无线网络应用。
如图3-3所示的是16QAM所谓调制与解调的示用意。
正交调幅信号有两个相同频率的，可是相位相差90度（四分之一周期）。
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能够表示成正弦，另一个表示成余弦。
两种被调制的载波在发射时已被混和。
抵达目的地后，载波被分离，数据被别离提取然后和原始调制信息相混和。
QAM是用两路独立的基带信号对两个彼此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。
那个地址的正交是指两路载波信号之间的彼此正交，即知足：
3.4信道
信道能够选择高斯加性白噪声、二进制对称信道、多径瑞利（Rayleigh）衰落信道、赖斯（Racian）衰落信道等。
本次课程设计采纳的是加性高斯白噪声信道是信号传输中的最大体的一种信道，加性高斯白噪声（AWGN）信道用高斯散布的噪声信号叠加通过它的信号上，使通过该信道的信号产生与噪声均值相应的偏移，而且围绕平均值做随机波动。
在该信道中，当噪声均值为零时，方差表现为噪声的功率大小。
加性高斯白噪声模块其采样时刻从输入信号中继承。
当输入为实信号时，该模块将实高斯白噪声加入该实输入信号，并产生实输出信号；同理，当输入为复信号时，该模块将复高斯白噪声信号加入该复输入信号，并产生复输出信号。
模块参数设置中，Initialseed（初始化种子）参数用于初始化噪声的产生，该参数能够是标量，也能够是与输入信号信道数量相匹配的向量形式。
4MATLAB对16QAM通信系统的仿真
4.1MATLAB要紧模块及参数设置
4.1.1信源/信宿及其编译码
信源编码如图4.1所示:
图4.1信源编码的MATLAB模块
Pulsegenerator参数如表4-1所示：
表4-1Pulsegenerator参数表
设置项目
参数设置
Pulsetype
Timebased
Time
Usesimulationtime
Amplitude
1
Period
0.000125
PulseWidth（%ofperiod）
50
Phasedelay
0
Signalgenerator参数如表4-2所示：
设置项目
设置参数
Waveform
sine
Time（t）
Usesimulationtime
Amplitude
1
Frequency
4000
Units
Hertz
表4-2Signalgenerator参数表
A-LawCompressor参数如表4-3所示：
设置项目
设置参数
Avalue
87.6
Peaksignalmagnitude
1
表4-3A-LawCompressor参数表
Quantizer参数如表4-4所示：
表4-4Quantizer参数表
设置项目
设置参数
Quantizationinterval
1
Sampletime（-1forinherited）
0.00001
信宿解码如图4.2所示:
图4.2信宿解码的MATALAB模块
A-LawExpander参数如表4-5所示：
表4-5A-LawExpander参数表
设置项目
设置参数
Avalue
87.6
Peaksignalmagnitude
1
4.1.2基带信号处置
汉明码编码译码模块如图4.3和图4.4所示：
图4.3汉明码编码模块图4.4汉明码解码模块
汉明码模块参数如表4-6所示：
表4-6汉明码模块参数表
设置项目
设置参数
CodewordlengthN
7
MessagelengthK
Gfprimfd（3,'min'）
卷积码编码译码模块如图4.5和图4.6所示：
图4.5卷积码编码图4.6卷积码译码
卷积码编码模块参数如表4-7所示：
表4-7卷积码编码模块码参数表
设置项目
设置参数
Trellisstructure
poly2trellis（7,[171133]）
Reset
None
ViterbiDecoder参数如表4-8所示：
表4-8ViterbiDecoder参数表
设置项目
设置参数
Trellisstructure
poly2trellis（7,[171133]）
Decisiontype
Unquantized
Numberofsoftdecisionbits
4
Tracebackdepth
16
Operationmode
Continous
4.1.3调制/解调
调制解调模块如图4.7所示：
图4.7调制/解调的MATLAB模块
调制解调模块参数设置如表4-9所示：
表4-9调制解调模块参数设置表
设置项目
设置参数
M-arynumber
16
Inputtype
bit
Constellationordering
Binary
Normalizationmethod
Averagepower
Averagepower
10
Phaseoffset（rad）
pi
Samplespersymbol
4
4.1.4信道
信道模块参数如表4-10所示：
表4-10信道模块参数表
设置项目
设置参数
Initialseed
67
Mode
Signaltonoiseratio（SNR）
SNR（dB）
10
Inputsignalpower（watts）
1
4.216QAM通信系统的仿真图和结果分析
无信道编码总图4.8如下所示：
图4.8无信道编码总图
无信道编码仿真波形图4.9如以下图所示：
图4.9无信道编码总图仿真图
卷积编码总图如图4.10所示：
图4.10卷积码总图
卷积码仿真波形图4.11如下所示：
图4.11卷积码仿真波形图
卷积码功率谱图4.12如下所示：
图4.12卷积码功率谱图
卷积码星座图4.13如以下图所示：
图4.13卷积码星座图
卷积码眼图4.14如下所示：
图4.14卷积码眼图
汉明码总图4.15如下所示：
图4.15汉明码总图
汉明码仿真波形图4.16如下所示：
图4.16汉明码仿真波形图
汉明码功率谱图4.17如下所示：
图4.17汉明码功率谱图
汉明码星座图如图4.18所示：
图4.18汉明码星座图
汉明码眼图如图4.19所示：
图4.19汉明码眼图
4.3加入噪声及干扰时系统性能指标的转变分析
M文件：
无信道编码与汉明码，卷积码误码率对照程序：
clear;
x=-50:
10:
50;%x表示信噪比的取值范围
y=x;%y表示无信道编码时调制的误码率
z=x;%z表示有信道编码时调制的误码率
w=x;%w表示有信道编码时调制的误码率
fori=1:
length（x）
SNR=x（i）;%信噪比依次取向量x的数值
sim（'wxdbm'）;%执行无信道编码时仿真模型
y（i）=mean（BitErrorRate）;%从中取得调制信号的误码率
sim（'juanji'）;%执行有信道编码时仿真模型
z（i）=mean（BitErrorRate1）;%从中取得调制信号的误码率
sim（'hamming'）;%执行有信道编码时仿真模型
w（i）=mean（BitErrorRate2）;%从中取得调制信号的误码率
end
holdoff;
semilogy（x,y,'r-*',x,z,'b-o',x,w,'g-x'）;%绘制有无信道编码信噪比与误码率关系对照曲线
xlabel（'信噪比/dB'）;
ylabel（'误码率/pe'）;
itle（'有无信道编码信噪比与误码率关系对照'）;
legend（'无信道编码','卷积编码','汉明码编码'）;%不同曲线代表的编码方式
gridon;
汉明信道编码、卷积信道编码、无信道编码误码率比较，如以下图4.20所示：
图4.20误码率曲线比较
图中红色曲线代表无信道编码误码率曲线，绿色代表汉明编码误码率曲线，蓝色代表卷积编码误码率曲线。
有无信道编码误码率比较表4-11如下所示：
表4-11有无信道编码误码率比较表
SNR
无信道编码
汉明码
卷积码
-50
0.5101
0.485
0.26783
-40
0.503
0.4737
0.29156
-30
0.4734
0.4121
0.31485
-20
0.3889
0.275
0.22324
-10
0.281
0.1159
0.14746
0
0.1887
0.07504
0.12574
10
0.09778
0.07504
0.12574
20
0.003247
0.07504
0.12574
30
0
0.07504
0.12574
40
0
0.07504
0.12574
50
0
0.07504
0.12574
由上图可看出，在高信噪比的情形下，汉明编码与卷积编码比无信道编码的误码率都低，而且卷积码的误码率较低。
而在信噪比比较小的时候，卷积码的误码率性能更好。
5心得体会
持续好几周的的课程设计终止了，在这次的课程设计中不仅查验了我所学习的知识，也培育了我如何去把握一件情形，如何去做一件情形，又如何完成一件情形的能力。
在设计进程中，与同窗分工设计，和同窗们彼此探讨，彼此学习，彼此监督。
学会了合作，学会了宽容，学会了明白得，也学会了做人与处世。
课程设计是咱们专业课程知识综合应用的实践训练，着是咱们迈向社会，从事职业工作前一个必很多的进程。
”千里之行始于足下”，通过这次课程设计，我深深体会到这句千古名言的真正含义。
设计，本人在多方面都有所提高，综合运用本专业所学课程的理论和实际进行一次通信系统设计工作的实际训练，从而培育和提高咱们的独立工作能力，巩固与扩充了《通信原理》，《MATLAB》等课程所学的内容，把握设计的方式和步骤，如何确信方案，了解了大体结构，提高了计算能力，画图能力，熟悉了标准和标准，同时各科相关的课程都有了全面的温习，独立试探的能力也有了提高。
因此我以为这门课的开展是超级成心义的，它锻炼了咱们的独立试探能力，知识运用能力，实际操作能力。
在设计进程碰到困难是必然的，一帆风顺的进程永久可不能让人学到什么，只有在解决困难的进程中咱们才会发觉咱们可不能什么，缺少什么，如此咱们才能牢记，以后可不能犯一样的错。
如此的课必然要先试探再交流，一味的交流只会让自己的思维随着他人走，没有了自己的试探。
试探后的交流那么不同，如此的交流才会给予咱们更多的心得体会。
参考文献
[1]张德丰.MATLAB通信工程仿真.北京：
机械工业出版社,2020.1.
[2]JohnG.Proakis.现代通信系统.北京：
国防工业出版社,2001.3.
[3]樊昌信，曹丽娜.信号与系统.北京：
国防工业出版社，2006.5.
[4]徐明远，邵玉斌.MATLAB仿真在现代通信中的应用.西安：
西安电子科技大学出版社，2020.4.
[5]精湛亮.通信系统原理简明教程.北京：
国防工业出版社,2021.6.
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