基于MATLAB的QAM调制解调技术分析.docx

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基于MATLAB的QAM调制解调技术分析

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基于MATLAB的QAM调制解调技术分析

【摘要】当今频谱资源很大一部分已经被利用，随着用户数量的不断增加，对业务需求量不断地提高，在所剩无几的频谱资源如何才能够承载用户的需求，QAM凭借着自身高频谱利用率，低误码率，抗干扰性极强等优势已经被国际上众多移动专家所关注与研究。

本次毕业设计所研究的课题是基于MATLAB的QAM的调制与解调技术分析，着重研究与分析QAM调制与解调过程中所涉及的各个模块，其中发射端包括二进制信号输入模块，电平转换模块，串并转换模块，信号调制模块，信号解调模块，每个模块都是通过MATLAB建立子函数来实现来模拟实现，其中加进了星座图，眼图，频谱图，误码率曲线图来对比分析不同调制进制的QAM调制系统性能，同时在这个基础上给系统加上高斯白噪声，对加噪后系统进行如上的相同的分析[1]。

【关键词】：

QAM，MATLAB，调制与解调，星座图，眼图，误码率

QAMModulationandDemodulationAnalysisBaseonMATLAB

【Abstract】Today,alargepartofthespectrumresourceshasalreadybeenused,asthenumberofusersandthedemandforbusinessconstantlyincreasing,QAMrelyingonitshighspectrumutilizationratioandlowerrorrate,stronganti-interferenceadvantagescatchnumerousmobileexpertsconcernanddoresearchonit.ThegraduationdesignresearchtopicisQAMmodulationanddemodulationtechnologybaseonMATLAB,thispaperstudiesandanalysisofQAMmodulationanddemodulationprocessinvolvedeachmodule,includingthebinarytransmittingterminalinputmodule,levelconversionmodule,stringandconversionmodule,signalmodulationmodule,signaldemodulationmodule,everymoduleisestablishedthroughMATLABtorealize,thisprocessincludedaconstellationdiagram,eyediagram,thefrequencyspectrumgraph,biterrorratecurvetoanalysisdifferentlevelmodulationsystemofQAMperformance,atthesametime,addgaussianwhitenoiseontheprevioussignal,anddothesameanalysislikepreceding[1].

【keywords】QAM,MATLAB,modulationanddemodulation,constellationdiagram,biterrorrate

【目录】

第一章：

绪论1

1.1QAM背景、研究目的及意义1

1.2QAM的最新研究状况2

1.3本文研究的内容及结构3

第二章：

MATLAB的简介4

2.1MATLAB的简述和基本功能4

2.2MATLAB应用平台结构4

2.3MATLAB的优势4

2.4MATLAB的应用领域5

第三章：

正交振幅系统6

3.1调制与解调6

3.1.1调制简介6

3.1.2解调简介6

3.1.3数字通信系统构成及各模块的说明7

3.2QAM系统的简介8

3.2.1QAM调制和星座图简介8

3.2.2串/并简介10

3.2.3形成载波10

3.2.4QAM调制信号的形成11

3.2.5正交调幅的解调和判决11

3.3QAM的优缺点12

3.4QAM的主要应用领域13

3.5QAM的误码率性能分析14

3.6QAM眼图15

第四章：

16QAM仿真17

4.1基于MATLAB的16QAM仿真17

4.1.1信号源17

4.1.2电平转换17

4.1.3QAM调制19

4.1.416QAM星座图19

4.1.516QAM频谱21

4.2对16QAM加入高斯白噪声系统仿真22

4.2.116QAM系统加入高斯白噪声后的星座图22

4.2.216QAM在不同信道噪声强度下的误码率23

4.2.316QAM在高斯信道中的性能24

4.3基于MATLAB的MQAM的仿真25

4.3.1信号源25

4.3.2电平转换26

4.3.3MQAM星座图26

4.3.4MQAM在高斯信道中的性能27

4.3.5不同进制调制的眼图对比28

4.416QAM与MQAM的性能对比30

总结与展望31

致谢32

参考文献33

附录34

第一章：

绪论

1.1QAM（QuadratureAmplitudeModulation）背景、研究目的及意义

随着频带资源的日益减少，加上用户数量不断增加对业务需求量不断提高，在剩余的频带中，如何充分利用频带，成为迫在眉睫的话题。

QAM以其高频谱利用率，抗噪性能强，高功率谱密度等优点被广泛地研究与应用。

数字QAM有4QAM,8QAM,16QAM,32QAM，正常情况下，一个码元传递的是1bit的信息，但是多进制的QAM调制技术随着M的增大，所传递的信息量也随之增大，例如16QAM一个码元就传递4bit信息量，64QAM一个码元传递6bit的信息量。

MQAM在提高QAM频带利用率的同时对误码率的影响并不是特别大。

其中16QAM和32QAM调制解调技术被广泛应用于有线电视系统中。

QAM调制系统主要是应用于现代数字移动通信中，相比于以往的通信系统，数字通信系统具有不少优势。

模拟信号是指信号在时间轴上是连续的，但是信号经过长距离的传输会导致信号的失真严重，抗噪性能差，同时模拟信号中有个致命的缺点是在有限的频带资源里，所能够容纳的用户数量极其有限。

虽然数字信号的系统凭借自身的优势逐渐取代了模拟通信系统,其中的优势包括数字通信搞数据传输速率，信号易于加密，安全性较强，同时数字信号可以通过编码对信息差错起到一个可以控制的作用，频带资源可以复用，因此可以容纳大量的用户数量。

数字通信系统优越性能，主要是能够提高数据传输效率，能够抵抗较强的外界干扰，已调信号的解调简单，并且能适应由于外部环境造成的信道衰落。

但是就目前来看，数字系统虽然发展速度让人吃惊，模拟系统依然拥有数字系统无法取代的特点。

模拟通信技术发展到现在已经相当成熟，并且模拟信号十分平滑，而数字通信传输的数字信号永远都是脉冲响应，因此是无法达到平滑的程度。

调制技术的好坏决定着整个通信系统的好坏。

我们所熟悉的技术有仅有振幅调制的ASK,仅有频率调制的FSK,仅有相位调制PSK,QPSK等,而QAM作为一种特殊的调制技术是在ASK和PSK这些单一的调制方式组合的基础上发展出来的,其性能优于仅进行单一变量的调制方式。

本课题对QAM基于MATLAB调制与解调技术的学习与研究对于QAM的理论有了进一步深刻的理解并且对相关产品的推陈出新具有一定的意义[2]。

1.2QAM的最新研究状况

QAM的调制实质上是利用两个基带信号分别对同频相位相差90度，正交的一对载波实行调制，将已调的信号合并起来送到发射机上。

QAM调制技术有许多方面的应用，电视系统中的制式，像我国利用的就是PAL制式，该制式中的不同颜色的相关分量利用正交载波传递的。

QAM不仅在模拟信号系统中有许多应用同时在数字信号系统中也有众多应用。

QAM在数字电视中起着非常重要的作用，如今我国和欧洲各国在有线数字电视上都采用QAM调制技术。

数字电视使得了我们的生活更加丰富多彩，除了如同以往的观看电视节目之外，如今的数字电视提供不少人性化的服务比如：

软件可供下载，购物，点播节目等。

数字电视通常是将正交调幅调制器设置在电视台的发射端，信号在压缩之后，送到QAM调制器，调制器将接收到的信号进行RS编码之后就可以将已编的射频信号发送到电视网络上进行传送。

在接收终端机顶盒起着极其重要的作用，机顶盒首先将收到的高频信号，高频信号无法被电视机所解读，因此必须转化为中频信号。

转换之后的中频信号还是模拟信号，电视机只能识别数字信号，因此需要通过机顶盒中的A/D模块对模拟信号进行采样，量化，编码等来实现数字化，再者通过机顶盒内设的QAM解调器模块能够使数字信号能被接收端所读懂的数据流。

未来的通信服务肯定朝着高速率，多业务量的趋势发展，如正在崛起的WIMAX技术中文叫全球微波互联网接入技术采用的就是QAM调制技术，该种技术是新兴一种通信技术，它代表一种新兴的互联网标准。

WIMAX基站台的发射功率比WiFi的大得多了，因此WAIMAX的传输距离比WiFi远得多，WIMAX能将无线信号传输至50公里远，这是无线局域网所不能相提并论的。

当然这个优势的前提是在授权的频带范围内传输。

市场上已推出的成熟新产品决定了现在WIMAX和WiFi的基站台的设置速率，WiFi的发展远远早于WIMAX，技术上和产品上都相对成熟很多。

理论上WIMAX的传输速度可高达324Mbyte/s,WiFi传输速度可高达108Mbyte/s，WIMAX所能提供的速率将是如今正被广泛应用的3G系统的30几倍，这对通信系统来说无疑是一个惊人的跨越，所以WIMAX能够提供更优于WiFi互联网体验，其次WIMAX的调制技术的保密性是优于WiFi的，但是WIMAX说到底还只是一项局域网的技术，无法成为通信系统的技术，另外WIMAX还是无法实现用户移动时不中断切换，由于用户的移动进入不同的小区会引起通信的故障，这将给用户造成极大的困扰，而解决这一困扰WIMAX只能是依靠802.16m标准，但是这个标准目前还存在着极大的不确定性。

在WiFi已经成熟的背景下，因此WIMAX的发展方向朝着跟WiFi不一样的发展方向即无线ISP企业。

如今16QAM被应用于卫星通信系统中。

卫星通信技术支持的最高速率可以达到20Mbps。

所谓卫星通信就是利用卫星来实现用户对信息量的需求，1颗同步卫星所能辐射的面积高达地球表面的1/3，要实现全球通信只需要3颗就能够实现全球覆盖，同步卫星一般是用来实现洲际通信或是在远洋船方面的通信。

但是同步卫星通信系统还是无法应用于手机上，因此一般是利用中低轨道上的卫星来实现手机通信，这些卫星的覆盖面远远比不上同步卫星，但是其覆盖面还是大于蜂窝系统。

同时QAM调制技术被用于卫星通信系统，相比较而言，QAM是用码元错误的概率来换取较高的频带利用率，为了达到跟其他调制方案有相同的码元错误概率，QAM调制技术必须增大发射机的对外的辐射功率来维持。

如今的卫星通信系统费用还是较昂贵，因此无法像地面上的蜂窝系统这样广为人用，但是QAM调制技术被越来越被移动通信技术专家所重视与研究[3]。

1.3本文研究的内容及结构

本文探究的是借助MATLAB这个软件平台对QAM的调制与解调进行仿真，对模拟信号进行数字化，包括对信号的随机采样，将采完样的离散信号的值往系统中设定好的整数靠拢，再对信号编码和解码等过程。

第一章介绍QAM的背景及最新的发展情况。

第二章介绍的是MATLAB仿真软件其中包括QAM的优势，功能，应用领域等方面。

第三章介绍的是QAM并做详细的探究。

第四章介绍的是基于MATLAB的QAM的调制与解调的仿真，主要研究是16QAM和MQAM并加上高斯白噪声，分析对上述的调制方式。

文章最后进行总结和展望。

第二章：

MATLAB简介

2.1MATLAB的概述和基本功能

MATLAB是由一家全球领先并专注于科学计算软件的企业研究并且发布的。

MATLAB能够进行各种分析、并将分析结果通过图表，曲线图表示出来，使得分析结果简单易懂，同时也能够实现仿真等强大功能，MATLAB将各种功能放于方便实现的窗口中，给专门的技术人员在进行科学研究、工程仿真等有了完善的解决措施，同时MATLAB基本摆脱了传统的程序语言（如C、C++）的编写方法，因此QAM在计算分析方面可作为当前国际最为前沿的水准。

MATLAB的基本功能除了常规的几种功能之外甚至提供给了兼容与容错功能[4]。

2.2MATLAB的系统结构

MATLAB是一款很专业的软件，提供简单易实现的程序语言，MATLAB主要包括三个层次。

表2-1MATLAB层次划分

层次

具体内容

基础层

软件主包MATLAB的构成，MATLAB的工具箱，MATLAB的编译器

仿真应用层

模块集，MATLAB的实时仿真

顶层

事件驱动逻辑/行为的建模、仿真

2.3MATLAB的优势

1.由于MATLAB在国际市场上所占份额持续增加，MATLAB本身的完善和发展也得到不断的发展，使得MATLAB也更加人性化，MATLAB的界面越来越简洁方便，将许多复杂的操作变成了简单的操作。

正由于MATLAB的强大，使得用户与计算机之间的互动性大大增强，运行程序时比以往简便了许多，改变了以往运行必须先进行程序编译再运行的局限性，同时软件可以报错并对其进行分析使得使用者操作起来变得更加简单。

2.MATLAB语言是由clevermoler博士研究并开发的。

其简单易用的程序语言，吸引了不少MATLAB爱好者。

新版的MATLAB语言是建立在C++上，使得编程更加简单同时相关专业的表达式更加贴近日常生活所表述的。

3.MATLAB系统中库函数中带有众多的算法和函数，这些函数一般是程序开发者所开发的，存放于MATLAB中，供使用者直接使用，当用户调用库函数中的函数时，程序运行时就会自动运行库函数中被调用函数。

MATLAB对图形的处理的能力极强，同时在MATLAB中，开发者针对不同专业都设置了工具箱，每个工具箱里面包含各种工具，以便可供给不同使用者都能设计与仿真。

4：

MATLAB含有不同程序的接口和转换工具，通过这些工具使得MATLAB上的程序可以直接在C,C++平台上直接运行，为不同程序语言爱好者有了一个沟通的平台同时大大提高系统功能实现的灵活性[5]。

2.4MATLAB的应用领域

MATLAB在当今各种软件当中的价值是鹤立鸡群的。

MATLAB不仅可以进行矩阵和函数实现与分析、函数调用，同时MATLAB有多个不同功能的工具箱，不同的工具箱针对着不同的应用领域例如工程计算、控制设计、信号处理与通讯、图像处理、信号检测、金融建模设计与分析[6]。

第三章：

QAM通信系统

3.1调制与解调

3.1.1调制简介

从信息源发出的信息，大部分是从零频开始，频带占用大量的低频分量，导致信号占用较大的带宽和能量，这样的信号就是基带信号。

由于基带信息不便于传送，为了使信息能够传送顺畅，增强抵抗外界干预的能力，信号在发送之前都要将基带信号进行调制再送到通信网络中。

调制实质上即用基带信号乘以载波，这样调制信号就可以通过已调信号的某些参量来体现。

调制即将基带信号置于载波上，通过文字的表层并且形象的描述可知，载波就是一个载体好比我们日常中的交通工具，载波载着基带信号，使得基带信号能够传到远方。

在实现这一过程当中，基带信号的频谱将从低频搬移到载波所在的频域中，即频谱搬移，将基带信号的频谱从低频移到能够在带宽中所给的范围内。

因此基带信号经过调制后，已经调制后的信号通过相位，幅度或者频率来保留原来基带信号的信息之外，另外经过调制后的信号所占据的频谱都在较高的频率范围内，可以方便的通过信道传送出去[7]。

3.1.2解调简介

将已调信号从频率较高的的区间内搬回低频区间叫做解调。

通信系统终端在收到已调信号后必须还原成初始信号。

不同种类的调制方案对应着不同的解调方案，总体来说现在的解调方式大体上是可以划分：

幅度、角度、共振的解调。

幅度解调应用于进行幅度调制度的信号，该种方案的接收方进入滤波器之后所得的信号与已调信号的包络成一定的关系。

广播系统中仍然使用该种技术，该种技术的信号发射端的发射功率较高，一般是需要几十万瓦特，这主要是因为现实中的环境复杂，除信号本身会衰落之外，环境中的众多障碍物比如山，建筑物等都会是很大程度上对信号造成衰减，但是由于接收端的设置较为简单就够解调出基带信号，使得接收端的成本较低，能够大规模被群众所使用，因此对于广播通信来说该种技术方法仍然是一种可行的方法。

而单双边带信号不能采用幅度解调方案来还原出原来的初始信息，因为该种已调信号的幅度不包括基带信号的相关消息，通常是利用相干解调技术来恢复基带信号。

关于角度解调即基带信号的信息包含在已调信号的频率或者相位上。

频率解调方案中需要鉴频器，鉴频器是由微分器和包络检波器构成的。

共振解调技术就是外部已调信号的频率与系统本身固有频率相同时会出现共振现象，如果二者不同，系统本身可以通过调整自身的频率来跟踪已调信号的频率，从而使二者产生共振，从而获得已调信号所传递的信息[8]。

3.1.3数字通信系统构成及各模块的说明

数字通信系统如图3-11所示从发送方到接收者信号要经过的以下的过程

图3-1数字通信系统

如图3-1可见，数字通信系统在发射端与接收端是呈对称并且功能相反的模块组成。

虽然是数字通信系统有众多优势，但是刚进入系统的信号是在时间轴上连续的，该信号要变成数字信号须经过数字化的过程，随着信息的保密进一步深入人心，为了提防信息的遗失或者被窃听，一般在移动数字系统中设置加密模块，加密的本质就是故意在信号序列中加上伪噪声序列，这种伪噪声看似是用来干扰原信号序列，但实则这种伪噪声是发送者和接收者都知道的，因此系统终端能够辨别该伪噪声序列，因此能去除这一伪噪声所带来的影响，但是对于其他不相关的接收者来说，该种序列就是噪声，在这样的噪声干扰下，使得外部接收者无法解调出原始信号，所以对于通信系统中的收发方来讲伪噪声序列是起到一定的保密作用，但是此时形成的数字信号抗外界的干扰能力差，易受外界的影响，在信道上进行编码，即可在数字信号的后面加上冗余码即监督码来提高信号的可靠性。

由于基带信号一般占用大部分频率较低的成分，这些频率成分在通信系统是不利于传送出去，所以需将、信号进行调制，这样就有便于将信号通过信道传输到接收方。

对应的，接收方在接收接收到的信号一般是处在高频段中，高频段的信号恢复成频谱资源在低频范围内的信号，此时的基带信号含有大量的监督码元，因此需要进行信道解码，将监督码元去除。

由于接收方知道伪噪声序列，接收方在解密模块能将伪噪声从接收信号上卸载掉，最后通过信息源的解码就能够使接收方接收到最初始的信息。

3.2QAM系统简介

3.2.1正交调幅和星座图简介

正交振幅调制（QAM）技术优势日益明显，近年来在通信领域上的地位越来越重要。

QAM调制技术比较于多种调制技术其频谱资源的利用效率占据绝对的优势，抵抗外界干扰的能力也相对来说较强。

QAM的调制实质是一种矢量调制，实际上是通过两个基带信息来分别对具有一样的频率，和相位相差90度的一对载波来实现调制，然后将这对已经调制的所有信号合并起来最后通过发射机来发送。

这种方案的优势就在于，其相位和幅度都携带相关有用的信息，所以QAM调制技术的频带利用率比AM（只进行调幅）或是PSK（只进行调相）高出了一倍。

电平越高就可以大大提高频带的利用率，这样就有利于缓解当前频带资源紧缺的现状但并不是采用的电平越高越好，电平越高就会带来较高的误码率。

QAM采用的是格雷编码将输入比特映射到复平面上所形成星座图，采用格雷编码是因为相邻相位的两个比特只有其中一位比特不同，由于误差等原因照成误判，最大的误判可能将会误判成相邻相位上，采用格雷编码会使仅一个比特误差的概率最大（格雷编码可以使误码率降到最低，靠近的码元中只有一位有差别）。

多进制调制的矢量图即为星座图，通过星座图可以很直接的看出电平数越高对系统的误码率带来的影响。

ab

图3-2星座图

a.4QAM星座图b.16QAM星座图

星座图上的样点之间的最短距离与解调误码率有着密切的关系。

通过上述的两个星座图可以看到样点数越多，每个样点之间的距离变短，接收器在判决的时候，就容易判错。

一般来说星座图可分为矩形QAM和非矩形QAM。

但是矩形对比与非矩形QAM样点之间的最小欧几里得度量不能在一样的能量范围内下达到最佳的，所以系统没法实现最为理想的取得正确码元的概率。

不同电平的QAM对应着不同形状的最佳QAM星座图，例如8QAM对应的最佳星座图是环状QAM,这能使它利用最小的能量就可以实现最为理想的欧几里得度量。

形状多样并且不确定的QAM星座图很难广泛的被应用，不一样的样点排列对应不一样的码元错误概率。

因此矩形QAM调制与解调相对于非矩形的QAM容易得多，这也是矩形QAM被人们广泛应用的一个重要原因[9]。

二进制信号

图3-3QAM调制器框图

QAM是一种既调幅又调相的数字调制方式，其频带利用的效率相对于只进行调幅或是调相的调制方式会提高一倍。

QAM调制进程可以分成下列的几样：

表3-1QAM调制进程划分

种类

形成过程

正交调幅法

利用一对独立而且正交ASK合并可得

复合相移法

利用一对独立且正交PSK合并得到

如图3-3所示的QAM调制器框图，通过信号发生器（又称信号源）产生一连串的二进制脉冲信号作为QAM调制器的信号源[10]。

3.2.2串/并简介

如QAM的调制器框图中所示，基带信号输入串并转换器后即将基带信号分成两路分别是上支路和下支路，两支路独立的进行调制与及解调。

串并转换的规则是根据序列编号为奇偶数来分，将编号为奇数的编成一路信号，将编号为偶数编成一路信号。

这两路信号的传输速率将变成原来的一半[11]。

例如：

信号输入是：

111-1-1-11-11-11

串并转换之后：

上支路：

11-1111

下支路：

1-1-1-1-1

3.2.3载波的形成

QAM调制需要两路正交的载波，由调制图可知第一路载波是通过本地振荡器震荡所产生，另外一路载波是通过第一路载波相位变换可以得到两路正交的载波。

振荡器就是通过不断的振荡，通过示波器可以看到就是一条平直的直线波形，经过振荡之后，信号由于波动就不再稳定，因为振荡频率固定，经振荡器震荡之后的波形就会是幅度和周期都是固定的正弦波，由于通信系统中用到信号振荡器的振荡频率极高，这导致了振荡之后的正弦波的的频率都很高，符合通信系统中高频载波的要求。

这里假设振荡完后信号的频率是f,并且基带信号（频率为f0）乘以振荡器所产生的正弦波，就会得到拥有新频率为f+f0，f-f0两路的信号。

如果振荡器的频率不稳就会使所产