基于Matlab的16QAM通信系統(tǒng)的設(shè)計與仿真

課 程 設(shè) 計 報 告 專 用 紙 淮海工學(xué)院課程設(shè)計報告書 課程名稱： 通信系統(tǒng)的計算機仿真設(shè)計 題 目： 16QAM通信系統(tǒng)性能分析 與MATLAB仿真 系 （院）： 電子工程學(xué)院 學(xué) 期： 2013-2014-2 專業(yè)班級： 姓 名： 學(xué) 號： 評語：成績：簽名：日期：基于Matlab的16QAM通信系統(tǒng)的設(shè)計與仿真1 緒論1.1 研究背景與研究意義應(yīng)用MATLAB的編程方法和功能模塊可以搭建各種仿真系統(tǒng)，還可以應(yīng)用豐富的時間域、頻率域、相位域的仿真測量儀器。許多新一代通信系統(tǒng)的系統(tǒng)級仿真程序出現(xiàn)在MATLAB軟件的演示實例中，這使得學(xué)習(xí)的效率大為提高，對技術(shù)與系統(tǒng)的理解已經(jīng)從概念深入到電路方案和選取層面。Simulink是Mathworks公司推出的基于Matlab平臺的著名仿真環(huán)境。Simulink作為一種專業(yè)和功能強大且操作簡單的仿真工具，目前已被越來越多的工程技術(shù)人員所青睞，它搭建積木式的建模仿真方式既簡單又直觀，而且已經(jīng)在各個領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。QAM（Quadrature Amplitude Modulation）：正交振幅調(diào)制。正交振幅調(diào)制，這是近年來被國際上移動通信技術(shù)專家十分重視的一種信號調(diào)制方式。QAM是數(shù)字信號的一種調(diào)制方式，在調(diào)制過程中，同時以載波信號的幅度和相位來代表不同的數(shù)字比特編碼，把多進制與正交載波技術(shù)結(jié)合起來，進一步提高頻帶利用率。正交調(diào)幅是一種將兩種調(diào)幅信號匯合到一個信道的方法，因此會雙倍擴展有效帶寬。正交調(diào)幅被用于脈沖調(diào)幅，特別是在無線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。1.2 課程設(shè)計的目的和任務(wù)隨著現(xiàn)代通信技術(shù)的發(fā)展，特別是移動通信技術(shù)高速發(fā)展，頻帶利用率問題越來越被人們關(guān)注。在頻譜資源非常有限的今天，傳統(tǒng)通信系統(tǒng)的容量已經(jīng)不能滿足當前用戶的要求。正交幅度調(diào)制QAM(Quadrature Amplitude Modulation)以其高頻譜利用率、高功率譜密度等優(yōu)勢，成為寬帶無線接入和無線視頻通信的重要技術(shù)方案。 首先介紹了QAM調(diào)制解調(diào)原理，提出了一種基于MATLAB的16QAM系統(tǒng)調(diào)制解調(diào)方案，包括串并轉(zhuǎn)換，2-4電平轉(zhuǎn)換，抽樣判決，4-2電平轉(zhuǎn)換和并串轉(zhuǎn)換子系統(tǒng)的設(shè)計，對16QAM的星座圖和調(diào)制解調(diào)進行了仿真，并對系統(tǒng)性能進行了分析，進而證明16QAM調(diào)制技術(shù)的優(yōu)越性。課程設(shè)計的任務(wù)是：（1）掌握一般通信系統(tǒng)設(shè)計的過程，步驟，要求，工作內(nèi)容及設(shè)計方法：掌握 用計算機仿真通信系統(tǒng)的方法。 （2）訓(xùn)練學(xué)生網(wǎng)絡(luò)設(shè)計能力。（3）訓(xùn)練學(xué)生綜合運用專業(yè)知識的能力，提高學(xué)生進行通信工程設(shè)計的能力。 2 16QAM通信系統(tǒng)2.1 16QAM通信系統(tǒng)基本模型通信系統(tǒng)框圖如圖2.1所示:信道編碼 量化器編碼 抽樣器信號源 解調(diào) 譯碼性能分析信道調(diào)制噪聲圖2.1 16QAM通信系統(tǒng)基本模型信號源：模擬的正弦波語音信號4KHZ。Sample：抽樣器，對模擬信號進行抽樣，抽樣頻率8KHZ。A- law：量化器，A-law十三折線法。PCM：編碼器，將量化后的信號進行PCM編碼，變成一個傳速為64Kbit/s的 數(shù)字信號。信道編碼：可以選擇分組碼，卷積碼，漢明碼。調(diào)制：QAM調(diào)制方法。信道：經(jīng)過調(diào)制以后，通過信道。信道可以選擇高斯加性白噪聲信道，二進 制對稱信道，多徑瑞利衰落信道，萊斯衰落信道等。設(shè)置不同的信道 信噪比，對系統(tǒng)進行仿真，分析不同信噪比情況下的系統(tǒng)性能。解調(diào)：根據(jù)調(diào)制方式，選擇對應(yīng)解調(diào)方式。譯碼：根據(jù)信道編碼方式，選擇對應(yīng)的信道解碼方式。性能分析：信號經(jīng)過調(diào)制，信道，解調(diào)過程。在接收端，將得到的數(shù)據(jù)與原 始信號源數(shù)據(jù)比較，得到在特定信噪比下的誤碼率。改變系統(tǒng)信噪比， 到系統(tǒng)的誤碼率曲線圖，并給出各關(guān)鍵點信號圖及星座圖。2.2 16QAM通信系統(tǒng)的性能指標數(shù)字通信系統(tǒng)的有效性可用傳輸速率來衡量,可靠性可用差錯率來衡量。 2.2.1 有效性碼元傳輸速率RB簡稱傳碼率，又稱符號速率等。它表示單位時間內(nèi)傳輸碼元的數(shù)目，單位是波特（Baud），記為B。 RB =1/T(B)=64KB信息傳輸速率Rb簡稱傳信率，又稱比特率等。它表示單位時間內(nèi)傳遞的平均信息量或比特數(shù)，單位是比特/秒，可記為bit/s ，或 b/s ，或bps。 由于傳輸?shù)氖嵌M制碼元，因此碼元傳輸速率與信息傳輸速率相等，即：Rb=RB=64Kbit/s2.2.2 可靠性誤碼率（碼元差錯率）Pe是指發(fā)生差錯的碼元數(shù)在傳輸總碼元數(shù)中所占的比例，更確切地說，誤碼率是碼元在傳輸系統(tǒng)中被傳錯的概率，即Pe=錯誤碼元數(shù)/傳輸總碼元數(shù)誤信率（信息差錯率）Pb是指發(fā)生差錯的比特數(shù)在傳輸總比特數(shù)中所占的比例，即Pb=錯誤比特數(shù)/傳輸總比特數(shù)在二進制中有Pe，具體數(shù)值將在仿真中體現(xiàn)。 3 16QAM通信系統(tǒng)主要模塊3.1 信源/信宿及其編譯碼3.1.1 信源編碼 信號源是模擬的4KHz正弦語音信號，sample抽樣器，對模擬信號進行抽樣，抽樣頻率是8KHz。A-law量化編碼器是采用十三折線法對其進行量化，然后將量化后的信號紀念性PCM編碼，變成一個1個傳輸速率為64Kbit/s的數(shù)字信號。3.1.2 信宿譯碼 A-law量化譯碼器是采用十三折線法進行相應(yīng)的量化譯碼，信宿可以是scope示波器，也可以是其他的信號輸出。3.2 基帶信號處理本次試驗我們采用卷積碼和漢明碼。漢明碼屬于線性分組碼。漢明碼的抗干擾能力較強。它能夠糾正單個隨機錯誤。設(shè)漢明碼編碼器的輸入信號的長度為k，輸出信號的長度為n,則產(chǎn)生的是一個（n,k）漢明碼，其中n=2m-1,m>3,并且滿足n=k+m。MATLAB提供了一個函數(shù)”“gfrimfd(m,min)”用來找到一個最小的本原多項式。卷積碼是將發(fā)送的信息序列通過一個線性的、有狀態(tài)的移位寄存器的輸出完全取決于這段時間中的輸入信息；而在卷積碼中，任何一段規(guī)定時間內(nèi)產(chǎn)生的n個碼元不僅取決于這段時間內(nèi)的k個信息位，而且取決于前N-1段時間內(nèi)的信息位，這個N稱為卷積碼的約束長度。3.3 調(diào)制/解調(diào)正交振幅鍵控是一種將兩種調(diào)幅信號（2ask和2psk）匯合到一個信道的方法，因此會雙倍擴展有效帶寬。正交調(diào)幅被用于脈沖調(diào)幅，特別是在無線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。 如圖3-3所示的是16QAM所謂調(diào)制與解調(diào)的示意圖。正交調(diào)幅信號有兩個相同頻率的載波，但是相位相差90度（四分之一周期）。一個信號叫I信號，另一個信號叫Q信號。從數(shù)學(xué)角度將一個信號可以表示成正弦，另一個表示成余弦。兩種被調(diào)制的載波在發(fā)射時已被混和。到達目的地后，載波被分離，數(shù)據(jù)被分別提取然后和原始調(diào)制信息相混和。QAM是用兩路獨立的基帶信號對兩個相互正交的同頻載波進行抑制載波雙邊帶調(diào)幅，利用這種已調(diào)信號的頻譜在同一帶寬內(nèi)的正交性，實現(xiàn)兩路并行的數(shù)字信息的傳輸。這里的正交是指兩路載波信號之間的相互正交，即滿足：3.4 信道信道可以選擇高斯加性白噪聲、二進制對稱信道、多徑瑞利（Rayleigh）衰落信道、賴斯（Racian）衰落信道等。本次課程設(shè)計采用的是加性高斯白噪聲信道是信號傳輸中的最基本的一種信道，加性高斯白噪聲（AWGN）信道用高斯分布的噪聲信號疊加通過它的信號上，使通過該信道的信號產(chǎn)生與噪聲均值相應(yīng)的偏移，并且圍繞平均值做隨機波動。在該信道中，當噪聲均值為零時，方差表現(xiàn)為噪聲的功率大小。加性高斯白噪聲模塊其采樣時間從輸入信號中繼承。當輸入為實信號時，該模塊將實高斯白噪聲加入該實輸入信號，并產(chǎn)生實輸出信號；同理，當輸入為復(fù)信號時，該模塊將復(fù)高斯白噪聲信號加入該復(fù)輸入信號，并產(chǎn)生復(fù)輸出信號。模塊參數(shù)設(shè)置中，Initial seed（初始化種子）參數(shù)用于初始化噪聲的產(chǎn)生，該參數(shù)可以是標量，也可以是與輸入信號信道數(shù)量相匹配的向量形式。4 MATLAB對16QAM通信系統(tǒng)的仿真4.1 MATLAB主要模塊及參數(shù)設(shè)置4.1.1 信源/信宿及其編譯碼信源編碼如圖4.1所示: 圖4.1 信源編碼的MATLAB模塊Pulse generator參數(shù)如表4-1所示： 表4-1 Pulse generator參數(shù)表設(shè)置項目參數(shù)設(shè)置Pulse typeTime basedTimeUse simulation timeAmplitude1Period0.000125Pulse Width(% of period)50Phase delay0Signal generator參數(shù)如表4-2所示：設(shè)置項目設(shè)置參數(shù)Wave formsineTime(t)Use simulation timeAmplitude1Frequency4000UnitsHertz表4-2 Signal generator參數(shù)表A-Law Compressor參數(shù)如表4-3所示：設(shè)置項目設(shè)置參數(shù)A value87.6Peak signal magnitude1表4-3 A-Law Compressor參數(shù)表Quantizer參數(shù)如表4-4所示：表4-4 Quantizer參數(shù)表設(shè)置項目設(shè)置參數(shù)Quantization interval1Sample time(-1 for inherited)0.00001信宿解碼如圖4.2所示:圖4.2 信宿解碼的MATALAB模塊A-Law Expander參數(shù)如表4-5所示：表4-5 A-Law Expander參數(shù)表設(shè)置項目設(shè)置參數(shù)A value87.6Peak signal magnitude14.1.2 基帶信號處理漢明碼編碼譯碼模塊如圖4.3和圖4.4所示： 圖4.3 漢明碼編碼模塊 圖4.4 漢明碼解碼模塊漢明碼模塊參數(shù)如表4-6所示： 表4-6 漢明碼模塊參數(shù)表設(shè)置項目設(shè)置參數(shù)Codeword length N7Message length KGfprimfd(3,min)卷積碼編碼譯碼模塊如圖4.5和圖4.6所示： 圖4.5 卷積碼編碼 圖4.6 卷積碼譯碼卷積碼編碼模塊參數(shù)如表4-7所示： 表4-7 卷積碼編碼模塊碼參數(shù)表設(shè)置項目設(shè)置參數(shù)Trellis structurepoly2trellis(7, 171 133)ResetNoneViterbi Decoder參數(shù)如表4-8所示：表4-8 Viterbi Decoder參數(shù)表設(shè)置項目設(shè)置參數(shù)Trellis structurepoly2trellis(7, 171 133)Decision typeUnquantized Number of soft decision bits4Traceback depth16Operation modeContinous4.1.3 調(diào)制/解調(diào)調(diào)制解調(diào)模塊如圖4.7所示： 圖4.7 調(diào)制/解調(diào)的MATLAB模塊調(diào)制解調(diào)模塊參數(shù)設(shè)置如表4-9所示： 表4-9 調(diào)制解調(diào)模塊參數(shù)設(shè)置表設(shè)置項目設(shè)置參數(shù)M-ary number16Input type bitConstellation orderingBinaryNormalization methodAverage powerAverage power10Phase offset(rad)piSamples per symbol44.1.4 信道信道模塊參數(shù)如表4-10所示：表4-10 信道模塊參數(shù)表設(shè)置項目設(shè)置參數(shù)Initial seed67ModeSignal to noise ratio(SNR)SNR(dB)10Input signal power(watts)14.2 16QAM通信系統(tǒng)的仿真圖和結(jié)果分析無信道編碼總圖4.8如下所示：圖4.8 無信道編碼總圖無信道編碼仿真波形圖4.9如下圖所示： 圖4.9 無信道編碼總圖仿真圖卷積編碼總圖如圖4.10所示： 圖4.10 卷積碼總圖卷積碼仿真波形圖4.11如下所示： 圖4.11 卷積碼仿真波形圖卷積碼功率譜圖4.12如下所示：圖4.12 卷積碼功率譜圖卷積碼星座圖4.13如下圖所示： 圖 4.13卷積碼星座圖卷積碼眼圖4.14如下所示： 圖4.14 卷積碼眼圖漢明碼總圖4.15如下所示： 圖4.15 漢明碼總圖漢明碼仿真波形圖4.16如下所示： 圖4.16 漢明碼仿真波形圖漢明碼功率譜圖4.17如下所示： 圖4.17 漢明碼功率譜圖漢明碼星座圖如圖4.18所示： 圖4.18 漢明碼星座圖漢明碼眼圖如圖4.19所示： 圖4.19 漢明碼眼圖4.3 加入噪聲及干擾時系統(tǒng)性能指標的變化分析M文件：無信道編碼與漢明碼，卷積碼誤碼率對比程序：clear;x=-50:10:50; %x表示信噪比的取值范圍 y=x; %y表示無信道編碼時調(diào)制的誤碼率z=x; %z表示有信道編碼時調(diào)制的誤碼率w=x; %w表示有信道編碼時調(diào)制的誤碼率for i=1:length(x) SNR=x(i); %信噪比依次取向量x的數(shù)值 sim(wxdbm); %執(zhí)行無信道編碼時仿真模型 y(i)=mean(BitErrorRate); %從中獲得調(diào)制信號的誤碼率 sim(juanji); %執(zhí)行有信道編碼時仿真模型 z(i)=mean(BitErrorRate1); %從中獲得調(diào)制信號的誤碼率 sim(hamming); %執(zhí)行有信道編碼時仿真模型 w(i)=mean(BitErrorRate2); %從中獲得調(diào)制信號的誤碼率endhold off;semilogy(x,y,r-*,x,z,b-o,x,w,g-x); %繪制有無信道編碼信噪比與誤碼率關(guān)系對比曲線xlabel(信噪比/dB);ylabel(誤碼率/pe);itle(有無信道編碼信噪比與誤碼率關(guān)系對比);legend(無信道編碼,卷積編碼,漢明碼編碼); %不同曲線代表的編碼方式grid on;漢明信道編碼、卷積信道編碼、無信道編碼誤碼率比較，如下圖4.20所示： 圖4.20 誤碼率曲線比較 圖中紅色曲線代表無信道編碼誤碼率曲線，綠色代表漢明編碼誤碼率曲線，藍色代表卷積編碼誤碼率曲線。有無信道編碼誤碼率比較表4-11如下所示：表4-11 有無信道編碼誤碼率比較表SNR無信道編碼漢明碼卷積碼-500.51010.4850.26783-400.5030.47370.29156-300.47340.41210.31485-200.38890.2750.22324-100.2810.11590.1474600.18870.075040.12574100.097780.075040.12574200.0032470.075040.125743000.075040.125744000.075040.125745000.075040.12574由上圖可看出，在高信噪比的情況下，漢明編碼與卷積編碼比無信道編碼的誤碼率都低，而且卷積碼的誤碼率較低。而在信噪比比較小的時候，卷積碼的誤碼率性能更好。5 心得體會持續(xù)好幾周的的課程設(shè)計結(jié)束了，在這次的課程設(shè)計中不僅檢驗了我所學(xué)習(xí)的知識，也培養(yǎng)了我如何去把握一件事情，如何去做一件事情，又如何完成一件事情的能力。在設(shè)計過程中，與同學(xué)分工設(shè)計，和同學(xué)們相互探討，相互學(xué)習(xí)，相互監(jiān)督。學(xué)會了合作，學(xué)會了寬容，學(xué)會了理解，也學(xué)會了做人與處世。課程設(shè)計是我們專業(yè)課程知識綜合應(yīng)用的實踐訓(xùn)練，著是我們邁向社會，從事職業(yè)工作前一個必不少的過程?！鼻Ю镏惺加谧阆隆?，通過這次課程設(shè)計，我深深體會到這句千古名言的真正含義。設(shè)計，本人在多方面都有所提高，綜合運用本專業(yè)所學(xué)課程的理論和實際進行一次通信系統(tǒng)設(shè)計工作的實際訓(xùn)練，從而培養(yǎng)和提高我們的獨立工作能力，鞏固與擴充了通信原理 ，MATLAB 等課程所學(xué)的內(nèi)容，掌握設(shè)計的方法和步驟，怎樣確定方案，了解了基本結(jié)構(gòu)，提高了計算能力，繪圖能力，熟悉了規(guī)范和標準，同時各科相關(guān)的課程都有了全面的復(fù)習(xí)，獨立思考的能力也有了提高。所以我認為這門課的開展是非常有意義的，它鍛煉了我們的獨立思考能力，知識運用能力，實際操作能力。在設(shè)計過程遇到困難是必然的，一帆風(fēng)順的過程永遠不會讓人學(xué)到什么，只有在解決困難的過程中我們才會發(fā)現(xiàn)我們不會什么，缺少什么，這樣我們才能牢記，以后不會犯同樣的錯。這樣的課一定要先思考再交流，一味的交流只會讓自己的思維跟著別人走，沒有了自己的思考。思考后的交流則不同，這樣的交流才會給予我們更多的心得體會。參考文獻1 張德豐.MATLAB通信工程仿真.北京：機械工業(yè)出版社,2010.1.2 John G.Proakis.現(xiàn)代通信系統(tǒng).北京：國防工業(yè)出版社,2001.3.3 樊昌信，曹麗娜.信號與系統(tǒng).北京：國防工業(yè)出版社，2006.5.4 徐明遠，邵玉斌.MATLAB仿真在現(xiàn)代通信中的應(yīng)用.西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2011.4.5高明亮.通信系統(tǒng)原理簡明教程.北京：國防工業(yè)出版社,2012.6. 第 17 頁 共 17頁