【本科优秀毕业设计】mqam调制系统的计算机仿真试验

毕业设计（论文）MQAM调制系统的计算机仿真试验学院（系）年级专业04级电子信息工程学生姓名指导教师答辩日期20080622摘要多电平正交振幅调制MULTILEVELQUADRATUREAMPLITUDEMODULATION是一种具有高频谱利用率的调制技术。SIMULINK提供了用方框图进行建模仿真的图形接口，它的存在使MATLAB的功能得到进一步的扩展，实现了可视化的建模仿真及多工作环境间文件互用和数据交换，让理论研究和工程实现有机地结合在一起。本文利用MATLAB自定义的M函数实现MQAM调制功能，更加直观的展示出MQAM调制的基带星座图。使用MATLAB的动态仿真工具SIMULINK对所建立的通信系统仿真模型进行仿真分析。该次设计主要采用的模型库是通信系统工具COMMUNICATIONBLOCKSET，使用命令进行仿真，仿真结果在运行的同时通过图形窗口显示出不同信噪比对应的误码率，从而衡量MQAM通信系统的性能。关键词多进制正交振幅调制；MATLAB语言；SIMULINK动态仿真ABSTRACTMULTILEVELQUADRATUREAMPLITUDEMODULATIONISAHIGHUTILIZATIONOFTHESPECTRUMMODULATIONTECHNIQUESIMULINKPROVIDESABLOCKDIAGRAMFORMODELINGANDSIMULATIONWITHTHEGRAPHICSINTERFACE,ITSEXISTENCEENABLEDMATLABTHEFUNCTIONTOOBTAINTHEFURTHEREXPANSION,HASREALIZEDBETWEENTHEVISUALIZATIONMODELLINGSIMULATIONANDTHEMULTIWORKINGCONDITIONSTHEDOCUMENTUSESMUTUALLYWITHTHEDATAEXCHANGE,LETTHEFUNDAMENTALRESEARCHANDTHEPROJECTREALIZESORGANICALLYUNIFIESINTOGETHERTHISARTICLEUSESMATLABTOREALIZETHEMQAMMODULATIONFUNCTIONFROMTHEDEFINITIONMFUNCTION,MOREDIRECTVIEWINGDEMONSTRATIONMQAMMODULATIONBASEBANDCONSTELLATIONUSESMATLABDYNAMICSIMULATIONTOOLSIMULINKFORTHECOMMUNICATIONSSYSTEMSIMULATIONMODELWHICHESTABLISHESTOCARRYONTHESIMULATIONANALYSISTHISDESIGNMAINLYUSESTHEMODELBASEISTHECOMMUNICATIONSSYSTEMTOOLCOMMUNICATIONBLOCKSET,THEUSEORDERCARRIESONTHESIMULATION,THESIMULATIONRESULTDEMONSTRATESTHEDIFFERENTSIGNALTONOISERATIOCORRESPONDENCEDURINGMOVEMENTTHROUGHTHEGRAPHWINDOWTHEERRORRATE,THUSWEIGHSTHEMQAMCOMMUNICATIONSSYSTEMSPERFORMANCEKEYWORDSMULTIPLESYSTEMQUADRATUREAMPLITUDEMODULATION；MATLABLANGUAGE；SMULINKDYNAMICSIMULATION目录摘要IABSTRACTII第1章绪论111课题背景1111个人通信的发展1112MQAM的发展背景312本论文的内容及论文安排4第2章个人通信系统的调制解调技术521引言5211个人通信的本质5212个人通信的四要素522个人通信的技术基础623个人通信的无线接入部分的系统组成724个人通信网的演进725调制/解调技术8251调制技术的主要分类8252解调技术的主要分类8253MQAM技术的应用926本章小结12第3章MATLAB及其SIMULINK通信仿真1331MATLAB概述13311SIMULINK简介13312SIMULINK的特点1432通信仿真15321通信仿真的一般步骤1533本章小结18第4章QAM调制的计算机仿真试验1941正交幅度调制QAM概述1942MQAM的实现1943正交幅度调制16QAM在AWGN信道传输22431信源模块随机整数产生器RANDOMINTEGERGENERATOR22432信号的调制/解调模块基带矩形正交幅度调制24433信道模块加性高斯白噪声信道AWGNCHANNEL26434信宿模块错误率统计ERRORRATECALCULATION2644QAM调制的仿真图形2945仿真运行命令2946MQAM的优点3047本章小结31结论32参考文献33致谢34附录1I附录2V附录3VIII附录4XXV第1章绪论11课题背景通信按照传统的理解就是信息的传输。在当今高度信息化的社会，信息和通信已成为现代社会的“命脉”通信作为传输信息的手段或方法，与传感技术，计算机技术相互融合，已成为21世纪国际社会和世界经济发展的强大推动力。可以预见，未来的通信对人们的生活方式和社会的发展将会产生更加重大和意义深远的影响。个人通信是人类通信的最高目标，它是用各种可能的网络技术，实现任何人在任何时间、任何地点与任何人进行任何种类的信息交换。为了实现无线个人通信，工业界、学术界和各种标准化组织都在进行着广泛深入的研究和探讨。目前，迈向个人通信这一目标的主要系统有低功率系统、数字蜂窝系统、移动通信系统、无线LAN/WAN、专用移动无线电和寻呼系统等1。111个人通信的发展移动通信MOBILECOMMUNICATION可以说是目前通信领域发展最快的一部分。现在的移动通信系统实际上是机器与机器之间的通信，也就是说，现在的通信是手机和手机之间2G,3G，或是电脑和电脑之间的INTERNET，而用户真正需要的是人与人之间的通信10。个人移动通信系统是搭建在现有的通信系统之上的，它在物理的通信层上构建一个抽象的个人通信层。个人通信层就是把人与人的通信需求转换为机器与机器之间的通信，新的终端设备的大量采用和宽带信息交换及传输的日益增多，对通信网的传输容量、速率和带宽提出了更高的要求。由传输、交换、终端等硬件设备和相应的体制标准等软件构成的通信网必将迅速向数字化、综合化、宽带化、智能化和个人化方向发展7。1数字化早期的通信网完全是模拟的，电话用户终端设备产生的是模拟信号，用户线和中继线所传输的是模拟信号，交换机接续的也是模拟信号。随着数字技术的发展，中继线首先采用了数字传输，它有许多优点如再生误码少，传输距离远，易于复用时分多路，易于加密等。数字传输首先被引入到中继传输中的原因是传输距离远、话路传输质量优；其次，数字交换除能免除多次调制、解调外，还具有便于数字计算机控制、速度快、可靠性高、便于模块设计、配置灵活、易于扩充等许多优点。2综合化市话交换机可以通过数字环绕线连接数字电话、计算机终端、图像终端等几种不同的终端，形成综合业务数字网ISDN。ISDN可将电话、电报、传真、数据、图像、电视广播等业务网络用数字程控交换机和光纤传输系统连接起来，实现信息收集、传递、处理和控制一体化，提供比电话网传输速度更快、容量更大、质量更高的信息通道。3宽带化随着通信业务种类的增加，要求能提供相应业务的网络也要增加，从而取代已有的电话网、电报网、数据网、移动通信网。21世纪的通信网应是能提供各种电信业务并综合了传输和交换、具有巨大通信能力的宽带ISDN。宽带网是为适应传送宽带业务的需要而产生的。宽带业务指的是高清晰电视、高速数据、高保真度音频信号等。宽带网的关键技术主要有宽带交换、宽带传输、用户光纤传输等。4智能化智能是指在电信网中引入更多的智能特性，即该网络将有更大的业务应变能力，随时向用户提供各类所需的业务，并能对网络的资源进行动态分配。智能网将改变传统的网络结构，把网中的交换部分和业务控制部分分开，由不同的单元加以完成。智能网将用一些功能组件构成不同电信业务的支撑平台，如果用户需要增加新的业务或者改变业务的类型时，不需改变交换部分，只要改变业务控制点中的业务逻辑。5个人化“个人通信”要求在任何时间、任何地点与任何人进行各种业务如话音、数字、视频等的通信，是为属于个人的终端提供广泛的移动性，把服务到家推向服务到人。个人通信带有更大的灵活性，涉及到更多的新技术，它的实现意味着通信进入了新的发展阶段。个人通信的概念在移动通信概念的基础上实现了飞跃。在个人通信系统中，用户走到何处，网络就会将该用户的电信业务提供到距其最近的终端上。它打破了传统网络中，用户、终端、网络接口一一对应的关系，从而实现无论何时何地使用任一固定或移动终端，均能和任何人建立全时空的信息交换。无线个人通信系统必须能够提供现有通信网络含ISDN中的绝大部分业务，即来自各种信源语音、传真、低速和高速数据，具有不同特征数据率、激活因子、突发性和不同质量误比特率要求的多媒体业务。其最高业务速率要达到2MBIT/S。个人通信的发展，应使每个用户自由地享用自己所选择的网络业务如话音、EMAIL、观看娱乐节目等，并且可以自由的构造和生成自己所需的业务。高频谱效率高性能的调制解调技术是开发个人通信系统的关键技术之一，也是近年来研究的热点。个人通信系统的无线覆盖将采样宏小区和微小区共存的方式。在不同的蜂窝半径和应用环境下，移动信道将呈现不同的衰落特性。对于半径较小的微小区或微微小区，由于存在很强的直射波，信道条件较好，频谱利用率较高的正交振幅调制QAM及其变型就成为合适的调制解调方式，越来越引起人们的重视。112MQAM的发展背景实现通信的方式和手段很多，如手势、语言、旌旗、消息树、烽火台和击鼓传令，以及现代社会的电报、电话、广播、电视、遥控、遥测、因特网、数据和计算机通信等，这些都是消息传递的方式和信息交流的手段。1837年莫尔斯发明的有线电报开创了利用电传递信息即电信的新时代。这种通信是利用导线中电流的有、无来区别“信号”和“空号”，并利用信号和空号的长短来进行电报符号的编码，这亦是数字通信的发展。当电磁感应现象被发现后；1876年贝尔利用电磁感应原理发明了电话机，从而使人们可以直接利用导线上电流的强弱来传送信号，这是由数字通信发展为模拟通信；1918年，调幅无线电广播、超外差接收机问世；1936年，商业电视广播电视开播在实践中，人们发现正弦波易于生产和控制，在20世纪初期就出现了代表消息的信号去控制高频正弦振幅的调制方式，这是最早出现的调幅方式AM制。它的出现使通信呈现了新的局面，该方式不仅可以传送语音，还可以传送音乐和图像，这种AM通信方式使点对点通信发展到点到面如广播通信。但是调幅制传送信号容易受到噪声的干扰，使信号失真，影响通信的质量。1936年，发明了抗干扰能力较强的调频技术FM，进一步推动了移动通信的发展，同时，AM制和FM制的应用标志着20世纪30年代是世界上模拟通信的兴旺时期。从1928年奈奎斯特定理的提出到1937年瑞维斯发明脉冲编码调制PCM通信，通信技术由频分复用FDM发展到时分复用TDM，由模拟通信发展到数字通信。利用数字通信，进一步提高了抗干扰能力，但由于当时器件的限制，未能实现，直到晶体管出现后，1950年贝尔实验室研制出实用的PCM设备，极大地促进了通信技术的新发展。随着数字通信的发展，传码率的提高使已调信号频带更宽。为了在一定的传码率时，传输更多的数字信息，且保证足够小的误码指标，在二进制数字技术的基础上提出了多种改进型数字调制技术。一个二进制码元按规定是含有1BIT的信息量，而一个M进制的码元含有的信息量为CBIT，如MC2LOG果用M进制的数字基带信号对载波的幅度、频率和相位进行调制，可获得M进制的ASK、FSK、和PSK信号，分别为MASK、MFSK和MPSK。在信道传码率相同的条件下，采用多进制数字调制能使数字通信系统的传信率比用二进制数字调制提高C倍，即为相同的系统的C分之一，这样，即减少了已调信号占用的信道带宽，又增加了信道传输的数字通信路数。在普通的多进制键控体制中，相位键控的带宽和功率占用方面都具有优势，即带宽占用小和比特信噪比要求低。因此，MPSK和MDPSK体制为人们所喜欢。但是，在MPSK体制中，随着M的增大，相邻相位的距离逐渐减小，使噪声容限随之减少，误码率难以保证。为了改善在M大时的噪声容限，发展出了QAM体制。改进型的正交振幅调制QAM选择信号的不同振幅和不同相位进行不同的组合和安排，既调幅又调相。多进制正交振幅调制方式MQAM具有很高的频谱利用率，而且在调制的进制较高时，信号矢量集的分布也比较合理，便于实现。于是，近年来，在中、大容量数字微波通信系统中大量地采用多进制正交振幅调制MQAM载波键控方式2。12本论文的内容及论文安排本文主要对16QAM的调制解调过程的计算机仿真实验作了详细的介绍，对其基带星座图作了一定的分析。并且利用SIMULINK对其进行了仿真，改变信道参数观察其误码率的改变。主要从以下几部分逐步引入首先从介绍个人通信中的调制解调技术入手，介绍16QAM的主要优点，调制解调过程的分析。然后对实现16QAM计算机仿真所用的MATLAB及SIMULINK作了简要的介绍，从而方便的实现计算机仿真。最后，对16QAM的实现作了详细的分析，利用SIMULINK进行仿真时的参数设置给予了重点介绍。到此，16QAM的计算机仿真实验有了初步的模型。第2章个人通信系统的调制解调技术21引言个人通信PERSONALCOMMUNICATIONS是指任何人在任何时间和任何地点可实现与任何人进行任何种类的信息交换。个人通信网是在现代固定电信网、移动通信网和智能网基础上的发展。个人通信的全面实现，将可使任何人利用任何种类的终端享用和生成自己所需的业务，使人们彻底摆脱现有通信网的束缚1。211个人通信的本质个人通信时至今日尚无公认的定义，也无法确切分清个人通信与移动通信这两个概念的区别。个人通信的本质含义是“为地理位置不固定的用户提供全球范围的通信服务”，也就是我们常说的“无论何时、无论何地为任何人提供服务”。个人通信这一名称首先出现在英国的“个人通信网”PCS或“个人通信系统”PCS。美国联邦通信委员会FCC对个人通信业务的定义是个人通信业务是一类移动或无线通信业务，它能为个人或办公提供多种服务，个人通信业务主要满足人们在移动中的通信需求。212个人通信的四要素个人通信在欧洲称为PCN,在美国称为PCS,定义大体上可以有两种一是广义的个人通信,是指在任何时间、任地点、任何个人之间,可以采用任何通信手段来传递任何信息的通信方式。这是人类理想的通信目标,但在目前还没能真正实现二是狭义的个人通信,即以现有的移动通信手段为基础的个人通信方式,这种个人通信需要不断地发展和充实,才能逐步达到理想的目标。个人通信既是人类的理想通信目标,而且主要考虑的是人与人之间的通信,因此需要有四个要素,即1个人通信号码个人通信与当前的通信方式是不同的。当前的通信方式是面向终端的通信,可以把电话号码分配给固定终端或移动终端,而个人通信则是把通信号码分配给个人,这是个人通信区别于当前通信方式的关键。因此个人通信也可以理解为“使用个人通信号码进行的通信”。就使说个人通信号码是与通信个人有关的逻辑号码,与通信用户的位置无关。当呼叫“个人号码”后,经过网路的处理,就可知道所呼叫用户的位置,而自动选择传输信息的路由,把信息送给被叫用户。个人通信用户可以利用个人通信号码在任何通信网内使用任何一个固定或移动的终端来发出或接收呼叫,而不受地理位置的限制。个人通信只受网络和终端性能及运营公司的影响。2个人终端为了满足终端移动性的要求,需要袖珍式的,重量轻、耗电少、价格便宜的无线终端,以使用户不受电话线的束缚进行通信。个人终端可以是单模式的,用于单一类型的系统如大哥大之中,也可以是多模式的,接入几种通信系统包括数据通信网、计算机网等之中。所以说,在未来的个人通信网被全面铺设的环境中,是不会将现有的通信系统取消,而是与现有的通信系统相辅相成的。3分布式大容量数据库用户的信息全部存储于数据库之中,使用数据库时需由智能系统控制和管理。为了寻找正在世界各地漫游的用户,控制中心必须随时登记用户的最新信息,对数据库中的用户数据进行更新。因此,数据库应当是世界共享的,各国家各地方都可进入数据库和使用数据库中的数据。因此,尽管世界上的人都是流动的,控制中心也必须随时记住所有人的位置。可想而知,其数据库的容量应该有多大,而且为了提供通用的业务,数据库的数据还应能提供给各个网络如蜂窝网和有线网使用。4共同的用户接口对于个人通信用户,应当有共同的用户接口,好像每个用户都有公共汽车月票一样,无论哪一路车都可以乘座。有了共同的用户接口,个人通信的业务就可以比较容易的使用,当用户从有关接入网移动到另一个接入网时,可以通过共同的接口对业务进行接入和控制。当然,共同用户接口在技术上不应当依赖于有关的空中接口或接入网的技术。22个人通信的技术基础个人通信的网络结构可能有多种形式，它可以是现有网络的改进与扩充，也可以是新建的基础通信设施。不管采用哪种形式，基本的个人通信业务都要利用袖珍个人终端，提供具有移动能力的廉价通信。该终端通过无线方式连接到公众陆地移动通信网PLMN中的基站或个人通信网PCN中的基站。基站一般安装在特定距离的适当场所，通过它可接人PSTN或分组交换网PSN。该终端也可以通过有线方式连接到PSTN，再通过网间连接器实现与PSTN或其它网络的连接。个人通信的网络结构可以分为三层，即智能层、传送层和接入层，层间的信息沟通主要利用7号共路信令CCS7来实现。由于BISDN、数字移动通信网DMCN的迅速发展，为个人通信的网络结构奠定了基础。个人通信的网络体系结构是以开放系统互连参考模型OSIRM、智能网IN和电信管理网TMN为技术基础。这些处于前沿的先进技术和高级网络正不断将电信能力提高到新的水平，为电信业务提供新的内容。通过综合研究BISDN、DMCN和IN的内在协作关系，期望用一种动态关系去取代现有网络中终端身份与用户身份的静态关系，使个人识别得以实现。通过DMCN的无线电技术和通信机微型化所提供的终端移动性，从而跨越多个网络提供个人移动性，逐步演进形成理想的PCN。23个人通信的无线接入部分的系统组成个人通信在各种无线电运行环境中的蜂窝结构大体上可以被分成巨区、宏区、微区及微微区四类。各有其适用的系统。巨区适用卫星移动通信系统，宏区适用蜂窝移动通信系统，微区适用蜂窝及无绳通信系统，微微区适用无绳通信系统。24个人通信网的演进当代众多异构型电信网络PSTN、电路交换公用数据网CSPDN、分组交换公用数据网PSPDN、ISDN、BSDN及PLMN、DMCN等构成了整个世界上最大的系统工程。由于技术上特别是经济上的原因，BSDN不可能短期内统一全球，IMT2000也不可能一下子消灭所有数字移动通信网。如何在相当长的时期充分利用使其发挥作用呢将所有这些当代电信网络作为电信子网互联而形成一个异构型互联网，是逐步演进成个人通信网的一种现实的行之有效的途径6。初期的个人通信，由于受频谱资源的限制，其业务将以话音、数据等窄带业务为主，随着毫米波的开发、无线电通信技术的进步，再逐步扩大服务对象和业务范围，才可能拓展到图像等宽带业务，实现个人多媒体通信。现在的个人通信则是在宽带综合业务数字网的基础上，以无线移动通信网为主要接入手段，智能网为核心的更高层次的通信网。一步步演进，成为为所有个人提供多媒体业务的智能型宽带全球通信网。25调制/解调技术无线通信是利用天线向空中辐射电磁波来传送信息的，而天线长度必须和电磁波的波长可以比拟，才能有效地把电振荡辐射出去。而声音信号的频率约为20HZ20KHZ，即其波长范围是15KM15000KM，要制造出与此尺寸相当的天线显然是很困难的。此外，对于各种声音信号，若不调制，则它们将会在空中混在一起，使收听者无法选择所的接收信号。因此，为了天线易于实现和区分不同的电台信号，必须进行调制。调制就是把图像或声音信息装载到载波上的过程。对应于发送端的调制过程，在接收端必须有解调的过程，解调则是调制的逆过程，即从已调制的高频振荡中恢复出原基带信号的过程。251调制技术的主要分类1分类一按照所采用的载波波形，调制可分为连续波调制和脉冲调制。连续波调制正弦波为载体，可用数学式表示，受控TATIACOS参数可以是载波的幅度A，频率或相位，于是相应的调制方法有调幅AM、调频FM、调相PM。脉冲调制以矩形脉冲为载波，受控参数可以是脉冲高度、脉冲宽度或脉冲位置，对应得调制方式为脉冲调幅PAM、脉冲调宽PWM和脉冲调位PPM。2分类二依据输入调制信号的属性可分为模拟调制和数字调制第一模拟调制是指输入调制信号为幅度连续变化的模拟量；第二数字调制是指调制信号为幅度离散的数字量。252解调技术的主要分类解调依据所采用的方法不同可分为相干解调和非相干解调，其相应的解调方框图如下所示带通滤波器鉴频器/检波器低通滤波器STMT图21相干解调相干解调也叫同步检波，相干解调适用于所有线性调制信号的解调。低通滤波器STMT图22非相干解调253MQAM技术的应用高性能、高频谱效率的调制解调技术是现代通信系统的关键。一般的数字调制技术，如幅度键控ASK、移相键控PSK和移频键控FSK，在实际通信系统中应用时存在着诸多不足，比如频谱利用率低，抗多径抗衰落能力差等。在多进制数字调制中，振幅调制的矢量点在一条直线轴上分布；相位调制的矢量点在一个圆周上分布。随着进制数M的增大，这些矢量点之间的距离也随之减少。所以，在单独使用振幅和相位调制时，不能最充分利用信号平面8。本次设计主要所采用的调制方式是正交幅度调制QAUDRATUREAMPLITUDEMODULATION，英文缩写为QAM，它是指两路独立的信号对正交的两个载波进行幅度调制后合成传输信号。利用这种正交幅度调制的信号频谱在同一带宽内的正交性，可以实现两路并行的数字信息的传递。QAM是用于数字信号的一种调制技术，但是其线路格式或传输格式却是模拟的。QAM是调相和调幅的结合，多种不同的QAM包含着多种扩展组合和格式。两个简单的QAM格式使用4种不同的相移和4种不同的振幅，或者是8个不同的相移和2种不同的电平，于是就会得到16个不同的信号。其中，二电平正交幅度调制有4种状态，称为4QAM；四电平正交幅度调制有16个状态，称为16QAM，其他以此类推。随着移动用户数量的不断增加和人们对图像等多媒体信息的通信要求，传统通信系统的容量已经越来越不能满足要求，而可用频谱资源有限，也不能靠无限增加频道数目来解决系统容量问题。确定一种高频谱利用率的调制方案能在很大程度上解决这一问题。多电平正交振幅调制MULTILEVELQUADRATUREAMPLITUDEMODULATION是一种具有高频谱利用率的调制技术9。在无线通信中，它可以根据信道的衰落程度、信道流量等参数动态改变调制方式，提高信道利用率和信息传输速率。这种高效的数据传输方式实现的关键是FIRFINITEIMPULSERESPONSE滤波器和数字混频器的设计，它们通常限制了调制器的速率。采用基于CSDCANONICSIGNEDDIGIT编码的FIR滤波器，并利用FIR滤波器系数对称性、数据选择器实现模块重用，简化MQAM调制器设计，既节约了硬件资源又提高了器件的工作频率。MQAM的调制/解调方框图如下所示调制混频单元IQ串并转换IQ分路脉冲形成脉冲形成COSTSINT数据输入调制方式控制调制输入图23MQAM调制器并串转换多电平转换多电平判决LPFLPF载波恢复定时恢复L到2电平的转换L到2电平的转换图24MQAM解调器MQAM的调制器由串并转换、IQ分路、脉冲形成和调制混频单元组成。串并转换单元将串行的数据流转化为并行的数据流IQ分路单元根据不同的调制星座要求，将输入的信号分解成同相和正交分量I路和Q路信号分量脉冲形成滤波器对I,Q两路信号进行波形形成调制混频单元对I,Q两路信号进行混频、合成，形成调制信号输出。串并转换通过级移位寄存器实现，调制方式控制字控制串并转M2LOG换单元的工作时钟频率。若数据输人的速率为F，则串并转换单元的工作频率是。输人数据按个比特一组起作用，输人的二进制数F2L2L据分别进入个信道，每个信道的比特率等于输人比特速率的,M2LOG1比特串行输人比特分离器，然后同时并行输出，信号进入IQ分路单M2LOG元14。L为输人和输出查找表的数据线组数，数值上等于MQAM调制器的调制方式种数，如实现4,16,64,256QAM调制器，则L4。宽度为的数据输人星座映射模块，根据调制方式控制字，星座映射的L组M2LOG输出线中，相应的一组起作用，输人数据被映射为宽度为的数据输M2LOG出，作为查找表阵列中对应查找表的地址输人。查找表中存储的是与调制方式对应的数据，位宽N根据需要的精度设定。由于I,Q两路查找表数据一样，可以控制在不同的时刻使星座映射单元映射输出不同的地址，使I,Q两路使用同一个查找表，这样星座映射单元输出数据的频率为,I,Q两路的输出相差一个查找表的工作时钟。最后，数据选择MF2LOG器根据控制字选择一组作为IQ分路单元的输出。脉冲形成滤波器采用FIR滤波器，FIR滤波器公式21KNXHNYNK10FIR滤波器的系数是偶对称或者奇对称，即有HNHN1N偶对称或者HNHN1N奇对称在滤波器参数确定后，系数是一个固定值，所以滤波器的所有乘法都是固定系数乘法。实现固定系数乘法就可以用移位、加/减来代替进行乘法。调制混频器的设计如下混频器输出信号为22DCDCFKQFKIKS2SIN2OS以下两式中，,可以表示成1,0,1,0的序列，1/可以表示为0，1，0，1的序列。设同相路的样本序2/INFI列为,正交路的样本序列为,，则II3F12Q3的样本序列为,。这样，正交调制就可以KS123I45I6简化成子滤波器和数据选择器构成。MQAM调制器为的串行数据流，经工作时钟为的串FMF21LOG并转换单元，得到速率为并行数据流，经过查找表LUT、数据选择器1MUX和延时单元DELAY之后的数据选择器以的时钟频率工作，输出数据1F分别进入两个滤波器组，以时钟工作的数据选择器交替把滤波器组的2F输出送给后级加法器单元，完成整个调制过程。图示如下串并转换星座转换MUXLUTMUXMUXDELAYAD1H2FMLOGF211F12F数据输入调制输出图25调制时钟框图26本章小结本章从阐述个人通信的本质开始，逐步阐述了个人通信的要素，并对移动通信和个人通信进行了相关比较。对个人通信的技术基础及关键技术作了详细说明。在其他方面也对个人通信作了系列介绍，并在此基础之上对本次设计的重点MQAM调制技术进行有关的介绍。第3章MATLAB及其SIMULINK通信仿真31MATLAB概述MATLAB的含义是矩阵实验室MATRIXLABORATORY，主要用于方便矩阵的存取，其基本元素是无须定义维数的矩阵。MATLAB自问世以来,就是以数值计算称雄。MATLAB进行数值计算的基本单位是复数数组或称阵列，这使得MATLAB高度“向量化”。经过十几年的完善和扩充，现已发展成为线性代数课程的标准工具。由于它不需定义数组的维数，并给出矩阵函数、特殊矩阵专门的库函数，使之在求解诸如信号处理、建模、系统识别、控制、优化等领域的问题时，显得大为简捷、高效、方便，这是其它高级语言所不能比拟的5。MATLAB中包括了被称作工具箱TOOLBOX的各类应用问题的求解工具。工具箱实际上是对MATLAB进行扩展应用的一系列MATLAB函数称为M文件，它可用来求解各类学科的问题，包括信号处理、图象处理、控制系统辨识、神经网络等。随着MATLAB版本的不断升级，其所含的工具箱的功能也越来越丰富，因此，应用范围也越来越广泛，成为涉及数值分析的各类工程师不可不用的工具。MATLAB是一种功能强大的科学计算和工程仿真软件，它的交互式集成界面能够帮助用户快速地完成数值分析、矩阵运算、数字图像信号处理、工程与科学绘图、仿真建模、系统控制和优化等功能。MATLAB语言采用与数学表达相同的形式，不需要传统的程序设计语言，因而不像其他高级语言那样难于掌握。一般说来，用户可以在极短的时间内掌握MATLAB的基础知识，并且能够初步地应用MATLAB解决简单的问题。由于MATLAB的优秀的数值计算能力和卓越的数据可视化能力，它已经成为科研工作和工程仿真中的高效助手。同时，MATLAB也是国家教委重点提倡的一种计算工具。简单概括起来，MATLAB的特点主要有编程效率高、使用方便、扩充能力强、语句简单，内涵丰富、绘图功能便利及高效的矩阵和数组运算3。311SIMULINK简介SIMULINK是MATHWORKS公司随MATLAB一道发行的功能非常强大的动态系统建模和仿真通用软件包。该软件为用户的建模和仿真过程提供了完善、灵活的可视化设计和调试环境，并且包含了丰富的基本功能模块库和众多专业领域的工具箱，是研究、分析和设计各种复杂系统的有利工具4。SIMULINK是MATLAB提供的用于对动态系统进行建模、仿真和分析的工具包。SIMULINK提供了专门用于显示输出信号的模块，可以在仿真过程中随时观察仿真结果。同时，通过SIMULINK的存储模块，仿真数据可以方便地以各种形式保存到工作区或文件中，供用户在仿真结束之后对数据进行分析和处理。另外，SIMULINK把具有特定功能的代码组织成模块的方式，并且这些模块可以组织成具有等级结构的子系统，因此具有内在的模块化设计要求。基于上述优点，SIMULINK称为一种通用的仿真建模工具，广泛地应用于通信仿真、数字信号处理、模糊逻辑、神经网络、机械控制和虚拟现实等领域4。动态系统是输出信号随时间变化的系统。要描述这种系统的特性，传统的建模方法是先对系统的输入信号和输出信号进行分析，得到它们的系统方程，然后编写程序进行仿真。但是该种方法存在两个缺陷首先，不够直观，缺乏足够的人机交互。由于所有的输入信号和输出信号都被抽象成数值之间的关系，仿真表现为一种计算过程，因此难以对仿真的过程进行控制，也难以对仿真的输出数据进行直观的描述和分析。其次，该种方法缺乏系统性，尤其是在对复杂系统的处理过程中，难以采用模块化方法，从而降低了仿真程序的可读性和可扩展性。312SIMULINK的特点简言之，SIMULINK是MATLAB的软件组的一个工具箱，它是结合了框图界面和交互仿真能力的非线性动态系统仿真工具，并以MATLAB的核心数学、图形和语言为基础。其仿真特点主要有如下几项1交互建模SIMULINK提供了大量的功能块，方便用户快速地建立动态系统模型，建模时只需使用鼠标拖放库中的功能块并将它们连接起来。用户可以通过将块组成子系统建立多级模型。对块和连接的数目没有限制。2交互仿真SIMULINK框图提供了交互性很强的非线性仿真环境。用户可以通过下拉菜单执行仿真，或使用命令行进行批处理。仿真结果可以在运行的同时通过示波器或图形窗口显示。有了SIMULINK，用户可以在仿真的同时，采用交互或批处理的方式，方便地更换参数来进行“WHATIF”分析。3仿真环境SIMULINK的开放式结构允许用户扩展仿真环境的功能，采用MATLAB，FORTRAN和C代码生成自定义块库，并拥有自己的图标和界面；或者是将用户原有的FORTRAN或C编写的代码连接起来。4与MATLAB和工具箱集成由于SIMULINK可以直接利用MATLAB的数学、图形和编辑功能，用户可以直接在SIMULINK下完成诸如数据分析、过程自动化、优化参数等工作。工具箱提供的高级的设计和分析能力可以通过SIMULINK的屏蔽手段在仿真过程中执行。5专用的模型库BLOCKSETSSIMULINK的模型库可以通过专用元件集进一步扩展。本次设计主要采用的模型库是通信系统工具COMMUNICATIONSBLOCKSET15。32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。通过仿真，可以降低新系统失败的可能性，消除系统中潜在的瓶颈，防止对系统中某些功能部件造成过量的负载，优化系统的整体性能。因此，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，对这个系统做出的任何改变如改变某个参数的设置、改变系统的结构等都可能影响到整个系统的性能和稳定。因此，在对原有的通信系统做出改进或建立一个新系统之前，通常需要对这个系统进行建模和仿真，通过仿真结果衡量方案的可行性，从中选择最合理的系统配置和参数设置，然后再应用于实际系统中。这个过程就是通信仿真。321通信仿真的一般步骤通信仿真是衡量通信系统性能的工具。通信仿真可以分成离散事件仿真和连续仿真。在离散事件仿真中，仿真系统只对离散事件做出响应，而在连续仿真中系统对输入信号产生对应的连续的输出信号。离散事件仿真是对实际通信系统的一种简化，它的仿真建模比较简单，整个仿真过程需要花费的时间也比连续仿真少。虽然离散事件仿真舍弃了一些仿真细节，在有些场合显得不够具体，但仍然是通信仿真的主要形式。通信系统仿真一般分成3个步骤，即仿真建模、仿真试验和仿真分析。应该注意的是，通信仿真是一个螺旋式发展的过程，因此这三个步骤可能需要循环执行多次之后才能获得令人满意的仿真结果。1仿真建模仿真建模是根据实际通信系统建立仿真模型的过程，它是整个通信仿真过程中的一个关键步骤，因为仿真模型的好坏直接影响着仿真的结果以及仿真的真实性和可靠性。仿真模型是对实际系统的一种模拟和抽象，但又不是完全的复制。简单的仿真模型容易被理解和操作，但是由于它忽略了很多关于实际系统的细节，因而在一定程度上影响了仿真的可靠性。如果仿真模型比较复杂，虽然它是对实际系统的一种忠实反映，但是其中包含了过多的相互作用因素，这些因素不仅需要消耗过多的仿真时间，而且使仿真结果的分析过程变得相当复杂。因此，仿真模型的建立需要综合考虑其可行性和简单性。在仿真建模过程中，我们可以先建立一个相对简单的仿真模型，然后再根据仿真过程的需要逐步增加仿真模型的复杂度。仿真模型一般是一个数学模型。数学模型有多种分类方式，包括确定性模型和随机模型，静态模型和动态模型。确定性模型的输入变量和输出变量都有固定数值，而在随机模型中，至少有一个输入变量是随机的。静态模型不需要考虑时间变化因素，动态模型的输入输出变量则需要考虑时间变化因素。一般情况下通信仿真模型是一个随机动态系统。在仿真建模过程中，首先需要分析实际系统存在的问题或设立系统改造的目标，并且把这些问题和目标转化成数学变量和公式。例如，我们可以设定改造后系统或新系统在达到系统最大容量时的误帧率，或者是通信的最大呼损率，等等。有了这些具体的仿真目标之后，下一步是获取实际通信系统的各种运行参数，如通信系统占用的带宽及其频率分布，系统对于特定的输入信号产生的输出等。同时，对于通信系统中的各个随机变量，可以采集这些变量的数据，然后通过数学工具来确定随机变量的分析特性。有了上面的准备工作，下一步就可以通过仿真软件来建造仿真模型了。最简单的工具是采用C语言等编程工具直接写仿真程序，这种方法的优点是效率高，缺点是不够灵活，没有一个易于实现的人机交互界面，不便于对仿真结果进行分析。除此之外，还可以采用专门的仿真软件建造仿真模型，比较常用的仿真软件包括MATLAB、OPNET、NS2等，这些软件具有各自不同的特点，适用于不同层次的通信仿真。例如，物理层仿真通常采用MATLAB，而网络层仿真则适用采用OPNET。在完成仿真模型的软件实现之后，还需要对这个仿真模型的有效性进行初步的验证。一种简单的验证方法是采用特定的已知输入信号，这个输入信号分别通过仿真模型和实际系统，产生两种输出信号。如果仿真模型的输出信号与实际系统的输出信号比较吻合，说明这个仿真模型与原来系统具有较好的相似性。当这输出信号差别很大时，最好先检查一下仿真模型的内部连接和设置，找出造成这种差异的原因。仿真建模的最后一步是做好仿真模型的文档工作。很多情况下，我们在完成系统的设计之后就迫不及待地运行仿真程序，待发现仿真结果与预期目标相差甚远时才回过头检查仿真模型的内部结构。这时候，往往原先的很多参数设置和条件假设都变得不可理解，这非常不利于修改参数和结构，不利于找错和排错。2仿真试验仿真试验是一个或一系列针对仿真模型的测试。在仿真试验过程中，通常需要多次改变仿真模型输入信号的数值，以观察和分析仿真模型对这些输入信号的反应，以及仿真系统在这个过程中表现出来的性能。需要强调的是，仿真过程中使用的输入数据必须具有一定的代表性，即能够从各个角度显著地改变仿真输出信号的数值。实施仿真之前需要确定的另外一个因素是性能尺度。性能尺度指的是能够衡量仿真过程中系统性能的输出信号的数值或根据输出信号计算得到的数值，因此，在实施仿真之前，首先需要确定仿真过程中应该收集哪些仿真数据，这些数据以什么样的格式存在，以及收集多少数据。在明确了仿真系统对输入信号和输出信号的要求之后，最好把这些设置整理成一份简单的文档。编写文档是一个好习惯，它能够帮助我们回忆起仿真设计过程的一些细节。当然，文档的编写不一定要求很规范，并且文档大小应该视仿真设计的规模而定。最后，还应该明确各个输入信号的初始设置以及仿真系统内部各个状态的初始值。仿真的运行实际上是计算机的计算过程，这个过程一般不需要人工干预，花费的时间由仿真的复杂度确定。如果需要比较仿真系统在不同参数设置下的性能，应该使仿真系统在取不同参数值时具有相同的输入信号，这样才能够保证分析和比较的客观性和可靠性。对于需要较长时间的仿真，应该尽可能地使用批处理方式，使得仿真过程在完成一种参数配置的仿真之后能够自动启动针对下一个参数配置下一个仿真。这种方式减少了仿真过程中的人工干预，提高了系统利用率和仿真效率。3仿真分析仿真分析是一个通信仿真流程中的最后一个步骤。在仿真分析过程中，用户已经从仿真过程中获得了足够多的关于系统性能的信息，但是这些信息只是一些原始数据，一般还需要经过数值分析和处理才能够获得衡量系统性能的尺度，从而获得对仿真系统性能的一个总体评价。常用的系统性能尺度包括平均值、方差、标准值、最大值和最小值等，它们从不同的角度描绘了仿真系统的性能。如果仿真过程需要一定的时间才能够达到平衡状态，在对输出数据进行分析和处理时一般要或略最初的若干个数据，而只考虑平衡之后的输出。对于仿真尺度不随时间变化的平衡系统，还可能涉及到对输出变量稳定状态的求解。另外一个需要注意的地方是，即使仿真过程中收集的数据正确无误，由此得到的仿真结果并不一定就是准确地。造成这种结果的原因可能是输入信号恰好与仿真系统的内部特性相吻合，或者输入的随机信号不具有足够的代表性。图表是最简洁的说明工具，它具有很强的直观性，便于分析和比较，因此，仿真分析的结果一般都绘制成图表形式。我们使用的仿真工具一般都具有很强的绘图功能，能够便捷地绘制各种类型的图表。以上就是通信系统仿真的一个循环。应该强调的是仿真分析不一定意味着通信仿真过程的完全结束。如果仿真分析得到的结果达不到预期的目标，用户还需要重新修改通信仿真模型，这时候仿真分析就成为另一个循环的开始。33本章小结本章对此次设计所用工具MATLAB及其SIMULINK做了详细的介绍，利用SIMULINK进行通信仿真更加简单，而且更加通俗易懂。使通信系统真实的展现在我们眼前。第4章QAM调制的计算机仿真试验41正交幅度调制QAM概述在现代通信中，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、有线电视网络高数据传输、卫星通信系统等领域得到了广泛应用13。在移动通信中，随着微蜂窝和微微蜂窝的出现，使得信道在传输特性上发生了很大变化。数字振幅调制、数字频率调制和数字相位调制是数字调制的基础，然而，这3种数字调制方式都存在不足之处。如频谱利用率低、抗多径衰落能力差、功率谱衰减慢、带外辐射严重等。为了改善这些不足，几十年来人们不断提出一些新的数字调制解调技术，以适应各种通信系统的要求。其主要研究内容围绕减小信号带宽以提高频谱利用率，提高功率利用率以增强抗干扰性能等11。正交幅度调制QAM是即调相又调幅，主要优点是频谱利用率高，即可在较窄的频带内传输更多的信息。常用的有16QAM、64QAM等，在此仅对16QAM进行仿真。16QAM调制的原理多了关键的2到4电平变换器外，其余部分与QPSK调制基本类似，16QAM的解调也是建立在QPSK相干解调基础上的，只需增设两个4到2电平变换器。42MQAM的实现单独使用振幅和相位携带信息时，不能最充分利用信号平面，这可由矢量图中信号矢量端点的分布直观观察到。多进制振幅调制时，矢量端点在一条轴上分布；多进制相位调制时，矢量点在一个圆上分布。随着进制数M的增大，这些矢量端点之间的最小距离也随之减少。但如果充分利用整个平面，将矢量端点重新合理地分布，则可能在不减小最小距离的情况下，增加信号的端点数。基于上述概念引出的振幅与相位结合的调制方式被称为数字复合调制方式，一般的复合调制称为幅相键控APK，2个正交载波幅相键控称为正交振幅调制QAM。正交振幅调制的频谱利用率高，抗干扰能力强。MQAM信号可以表示为41TKTTGYTKTTGXTSCKSCKSINO它是2个已调正交载波信号的和。在电路实现中，正交载波可用同相载波经移相,后得到，所以取负号。为系TCSINTC2FG统的单位脉冲响应，取幅度为1，分别表示所要传输的2路多电平KXY信号第个码元的值，是一个码元的持续时间，是载波角频率。KSTC在理想状态下，MQAM的M个载波状态可以调制个比特，如M2LOG16QAM的载波状态最多可调制一个4B的信号也就是说416MQAM的频谱利用率为。目前星座图里的样点数，例如M2LOGHZS/16QAM,确定QAM的类型，16个样点表示这是16QAM信号，星座图里每个样点表示一种状态。16QAM有16态，每位为16态中的一态。LOG2M。16QAM中规定了16种载波幅度和相位的组合，16QAM的每个符号或周期传送4B。解调器根据星座图及接收到载波信号的幅度和相位来判断发送端发送的信息比特。16QAM也是二维调制技术，在实现时也采用正交调幅的方式，某星座点在坐标上的投影去调制同相载波的幅度，在Q坐标上的投影去调制正交载波的幅度，然后将2个调幅信号相加就是所需的调相信号。可见星座点数越大，在一个周期内可传送的数据比特数就越多，频谱利用率就越高。16QAM，32QAM，64QAM，128QAM的频谱利用率理论值分别为4，5，6，7单位。此处的频谱利用率理论值是指HZSB/当传输信号的频谱为理想低通频谱时所实现的频谱效