16QAM的调制与解调要点

1、太廨科技大孽课程设计（论文）设计（论文）题目：16 QAM的调制解调姓名学号班级学院指导教师2012年1月4日太原科技大学课程设计（论文）任务书学生姓名指导教师设计（论文）题目16QAM的调制与解调主要研 究内容基于MatlabSimulink的16QAM的调制与解调研究方法MatlabSimu1 ink主要技术 指标（或 研究目 标）利用Simulink对16QAM调制系统进行仿真,得到了信号在加噪前 后的星座图、眼图，而且在信噪比变化条件下，得到了 16QAM系统的误 码率。教研室 意见教研室主任（专业负责人）签字：年 月日学院（直属系）：电子信息工程学院时间：2012年12月19日16Q

2、AM的调制与解调摘要随着无线通信频带日趋紧张，研究和设计自适应信道调制技术体制是建立宽带移动通 信网络的关键技术之一。正交振幅调制技术（QAM）是一种功率和带宽相对高效的信道调 制技术，因此在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了人们的重视。本文首先简单简绍了 QAM调制解调系统和Simulink的工作原理。然后利用Simulink 对16QAM调制系统进行仿真，不但得到了信号在加噪前后的星座图、眼图，而且在信噪比 变化条

3、件下，得到了 16QAM系统的误码率。最后，在简单做了一个2DPSK系统仿真之后， 将它与16QAM系统进行了比较，并得出了 I6QAM是一种相对优越的调制解调系统这一结论。 关键词：QAM ； SIMULINK ；仿真;2DPSK ；误码率目录摘要I第1章绪论1QAM简介1SIMULINK 1SIMULINK与通信仿真2第2章 正交振幅调制3MQAM信号的星座图316QAV的调制解调原理516QAM的改进方案6第3章16QAM调制解调系统实现与仿真816QAM调制模块的模型建立与仿真10信号源10串并转换模块102/4电平转换模块11其余模块13调制系统的实现1416QAM解调模块的模型建立

4、与仿真15相干解调154/2电平判决16并串转换18参考文献21第1章绪论QAM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 (Quadrature Amplitude Modulation)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

5、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(Picocell)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

6、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。SIMULINKSimulink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

7、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。SIML-LINK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Mat lab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

8、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。第2章正交振幅调制MQAM信号的星座图MQAM信号表示式可写成SMQAM(t)=，怖(Ai COS Wet + Bi Sin Wet)(其中，Ai和Bi是振幅，表示为Ai = ±(2i-)Bj = ±(2j-其中，i,j=l,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9")= COSWctsin Wet在信号空间中MQAM信号点Sij= '(i, j=l,2,L)图是MQAM的星座图，这是一种

9、矩形的MQAM星座图。T图MQAM信号星座图M = 128M = 64M=32为了说明MQAV比MPSK具有更好的抗干扰能力，图示出了 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dl, d2分别为：2DPSK 6/i «2Asin = 0.39A , 16QAM di 2-= = 0.47A16yjM -1 J161o结果表明，d2>dl,大约超过。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，16QAV的相邻信号距离超过16PSK约。 星座图中，两个信号点距离越大，在噪声干扰使信号图模

10、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16PSKo图16QAM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。16QAM的调制解调原理MQAM的调制解调框图如图所示。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/ (21bL)的电平信号，然后分别与两个正交载波相乘，

11、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。XMQAM调制MQAM的解调图MQAM调制解调框图16QAM的改进方案为了适应不同的需要，QAM有一些改进方案，如正交部分响应幅度调制（MQPR）、非 线性正交振幅调制（NLA-QAM）.叠加式正交振幅调制（SQAM）等，还可以把QAM调制与信 道编码技术结合起来设计，取得最优的可靠性和有效性，这种技术称为网格编码调制 （TCM）o调制这是一种在多电平正交调制中，上下两支路的同相和正交基带信

12、号都用部分响应信号 （通常采用第I类和第IV类部分响应）的调制方式。QPR与QAM相比，在相同信息传输速 率条件下，严格带宽受限的QPR优于QAL调制QAM信号在进行传输之前，还要进行功率放大，而高效的功率放大是非线性的功率放 大器，故而需考虑非线性对QAM的特性没有明显的影响措施，这就是NLA-QAM调制。NLA-QAM信号的产生方法与QAM不相同，但解调的方法与QAM完全一样。 调制QAM调制信号在码元转换时刻有相位跳变的时刻，旁瓣分量比连续相位的调制信号要 高。要改善QAM的频谱特性，应改善其基带波形以平滑码元转换时的相位变化，SQAM就 是从这个角度提出的。SQAM的基本脉冲波形是由两

13、个宽度为TB的升余弦波形与一个宽度为2TB的升余弦波 形叠加而成。采用正交调制方式时，在下支路要延时TB/2,并且上下两支路放大倍数相 差60dB。SQAM信号的功率谱与QAM相比，旁瓣分量得到有效地抑制。第3章16QAM调制解调系统实现与仿真前面两章简单介绍了 16QAM的调制解调和SIMULINK的工作原理，下面本文将用MATLAB 数学软件中的SIMULINK模块实现16QAM调制、解调通信系统,并进行仿真。由第二章MQAM 的调制解调原理可以得出，16QAM的调制解调框图如下所示：图16QAM的调制解调框图由图可以知道，16QAM的调制解调原理比较简单，接下来，我们将通过调制与解调两

14、大模块来介绍SIMULINK下16QAM的仿真结果，并且将对仿真结果作出分析并对系统进行一 定的优化，从而获得较好的系统模型。下页为本次仿真的系统总体框图：图仿真总体框图16QAM调制模块的模型建立与仿真通过对图中16QAM调制原理框图的分析，16QAM一个码元所携带的信息为1°g2M即 4bit,是一般基带数字调制(QPSK)码元携带信息量的2倍。而且16QAM调制是由两路相互 独立的信号进行调制，一个16QAM码元宽度是基础信号的2倍。以下我将对系统仿真框图中 的各模块进行简单的介绍：信号源本次仿真在信号源部分采用了伪随机序列发生器，由于系统要求基带信号码元速率, 则本序列发生器

15、的基本参数设置如下：Generator polynomial： 1.1 0 0 0 0 1 1Initial states： j0 0 0 0 0 1Output mask vector：0Sample time：1/19200Output data type：double串并转换模块由于系统仿真总框图涉及模块较多，为不失美观同时又能显的浅显易懂特将串并转化 作成一个单独子系统而嵌入总系统中。该子系统内部框图如下所示：Tapped Delay Downsample 1图 串并转换模块由图可知，本子系统有一个输入端口和两个输出端口。系统首先将输入的伪随机 序列分成两路并将其中的一路直接按整数因子

16、2抽取，然后进行一个单位的延时，这样便 得到了原随机序列的奇数码元；对于另外一路则先进行延迟然后下采样便可得到原序列的 偶数码元，至此串并转换也是结束了。假设输入 Ini：00100000100001 1 0 0 0 1 0 1 0 0 1则有 Outl： 010010010110Out2： 000000100001实际运行中各路信号图形如下所示，图中从上往下依次是串行输入、并行输出1和并 行输出2的波形。由图可以得出经串并转换之后，并行输出的每一路码元传输速率降为了 原来的一半，这也正是实际运应中所要求的。和假设不同的是每一路输出信号前边都多了 一个0码元单位，这是由于延迟模块所造成的。当然

17、它们在这里同时被延迟了一个单元， 但对后面各种性能的研究是不会造成影响的。各路串并转换图如下所示：|1 j1i-i； rl1r-r-iI _l lii r-ii图串并转换各路信号图2/4电平转换模块对于2/4电平的转换，其实是将输入信号的4种状态(00,01,10,11)经过编码以后变 为相应的4电平信号。这里我们选择的映射关系如下表所示：表3T 2/4电平映射关系表映射前数据电平/V00-301-1101113根据以上映射关系，我们可以很容易的找出它们之间的一个数学关系。这里输入信号为两路二进制信号，假设它们是ab,则在a=l时让它输出一个幅度为2的信号，当好0时输 出幅度为-2的信号。同理

18、当b=l是让它输出一个幅度为1的信号，当b二0时输出幅度为-1的 信号。如此一来便可以得到下面的结果:当ab二00时ab=01时ab=ll时y=-2 + 1=-1； y=2 + T =1； y=2 + 1 =3；由上所示我们可以得出：再设计2/4电平转换模块的时候，我们需要先将输入信号再 次进行串并转换，每路信号做一个简单的判决，再用一个相加模块便可实现2/4电平的转换功能。具体模块如下所示:In1Constsnt2图2/4电平转换模块以上模块中各点的信号图如下所示:上图中第一行为输入信号，第二三行分别为经串并转换后的两行信号，最后为输出4电平信号。观察各行波形可以得出:输入：0 0 0 1

19、0 010 0 10 110 1110并行1 ： 000并行2： 010输出：-3-1-30111-1-1比较各行波形可以发现这个模块已经很好的实现了 2/4电平的转换，这里4电平信号的 码元传输速率已降为Rb/4。其余模块除以上所述的两个子系统外，调制阶段还包括正余弦信号发生器、加法器、乘法器、 频谱示波器和离散时间信号发散图示波器等。由于系统要求载波频率为，所以两载波信号 发生器的参数设置如下所示:sin Wet. Amlitude：1cosw"： Amlitude： 1Bias： 0Frequency (rad/sec) ：76800*2*piPhase(rad)： pi/2S

20、ample time： 1/768000Bias： 0Frequency(rad/sec)： 76800*2*piPhase (rad)： 0Sample time： 1/768000对于离散时间信号发散图示波器，这里我们又做了一个子系统如下图所示:In1In2Scatter PictScope图 离散时间信号发散图示波器上图中先将两路正交的信号和成一个复信号后，经离散采样加入到了信号发散图示波 器，这样就可以得到原始信号的星座图了。调制系统的实现将以上各模块、子系统按原理图进行连接，并对各模块参数进行相应的设定，便可实 现其调制功能。进行仿真得到的调制输出波形和星座图分别如图和图所示。图16

21、QAM调制波形上图中一三行为并行输出的两路四电平信号，二四行为一三行分别与正交载波相乘后 所得的两路信号。第五行为它们的和信号，也即为最终调制信号，至此16QAM信号的调制 也就结束了。图 16QAM的星座图16QAM解调模块的模型建立与仿真16QAM解调原理框图如图所示，解调器实现的核心在于4/2电平判决模块及并串转换模 块。在本次仿真中，载波恢复输出的同频同相波是直接由调制模块中的载波提供的，也就 是说在仿真实验中并没有做载波恢复。相干解调系统先前所得的16QAM调制信号通过高斯白噪声信道以后便可以解调了。本文所采用 的解调器原理为相干解调法，即已调信号与载波相乘，送入到低通滤波器，其对应

22、原理图 中信号输入并与载波相乘后通过LPF的部分，输出送入到判决器判决，在这里，低通滤波 器的设计很重要，在Simulink中提供了一些滤波器，我们可以加以利用，但它的参数设定 对后续判决产生误差有很大关系，所以要对该滤波器的参数设定要慎重。在本文涉及的仿 真中滤波器均选择贝塞尔低通滤波器。这里对LPF的参数设定如下，而输出波形如图所示。Desige method ： BesselFilter type : LowpassFilter order： 8Pass edge frequency (rad/s) ：15360*2*pi图输出波形图上图中，一三行为调制波与载波相乘的结果，二四行分别为它

23、们经过低通滤波器后所 得的波形。4/2电平判决由于前面采用的是模拟低通滤波器，所以在4/2电平判决之前得到的是一个模拟的4 电平信号。之后要想得到2电平的数字信号，需经一系列的抽样、量化和编码。这里我们 再次使用了子系统这一概念，如下图所示：QuantizingEncoderA4/2电平转换模块上图中,对模拟信号做了常数为2的增益后，让其通过了一个量化编码器，再通过离散采样以后便得到了标准的4电平数字信号。然后信号被分为两路，分别进行量化编码后 得到了两路二进制信号，最后经串并转换得到了最终结果。此处三个量化编码器的参数设 置如下所示:2Quantization partition：Quant

24、ization codebook：1-3Quantization partition：Quantization codebook：0Quantization partition：Quantization codebook：0-1 1 33004010 11 1假设上述模块输入为x,输出分别为为y、zl、z2,则它完成的功能是:-3;x<-2-l;-2 <x<01;0 < x < 23;x > 20; y = -30;y = -ll;y = ll;y = 3z2 = <o；y = -3l;y = -lo；y = ll;y = 3这样两路二进制信号经并串转

25、换后，便完成了以下映射关系，也最终实现了4/2电平的 转换。表3-2 4/2电平映射关系表映射前数据电平/V-300-101110311上边子系统中各点波形如下所示:图4/2电平转换中各点波形并串转换本系统中的并串转换模块由一个脉冲序列发生器和一个选择器构成。其中的脉冲序列 发生器用来产生占空比为的全一序列，而选择器用来决定在哪一个时候输出哪一路信号。 它的参数设置如下：Switch： Criteria for passing first input： u2>=ThresholdThreshold：所以，当输入脉冲序列为1时，选择器输出第一路信号；当输入脉冲序列为0时，选择器输出第二路信

26、号。这样本次仿真经并串转换以后波形如图所示。- n n11_TU 11 Lt 1_1LJ Ll ,Ll1nin n i-11n_nni uii： uiili u u u uini in_n_nnj_n_rn_n_nn£Jrini ii n_n_ii_Jrii ir i_i u uU1_1L_C1图串并转换输出波形图上图中，一三两行为4/2判决器的输出，第二行为解调出的16QAM最终信号。其它模块除以上各模块之外，解调阶段还用到了包括眼图、发散图示波器和错误率统计等信宿 模块。图和分别显示了信道信噪比SNR为10dB时的16QAM信号星座图和4/2判决之前的眼图。图 16QAM信号加噪声后的星座图图16QAM信号的眼图第4章结论本文研究的重点是对基于MAT