基于MATLAB的通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真畢業(yè)論文.doc

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1、- 1 - 摘摘 要要 通信系統(tǒng)是用以完成信息傳輸過程的技術(shù)系統(tǒng)的總稱，作用是將信息從信 源發(fā)送到一個或多個目的地。調(diào)制與解調(diào)在信息的傳輸過程中占據(jù)著重要的地 位，是不可或缺的，因此研究系統(tǒng)的調(diào)制和解調(diào)過程就極為重要。MATLAB 是集 數(shù)值計(jì)算、圖形繪制、圖像處理及系統(tǒng)仿真等強(qiáng)大功能于一體的科學(xué)計(jì)算語 言，它強(qiáng)大的矩陣運(yùn)算和圖形可視化的功能以及豐富的工具箱，為通信系 統(tǒng)的調(diào)制和解調(diào)過程 的分析提供了極大的方便 。 本論文首先介紹了通信系統(tǒng)的概念，進(jìn)而引出調(diào)制和解調(diào)，然后介紹了 我們常用的幾種調(diào)制和解調(diào)的方法。 由于 MATLAB 具有的強(qiáng)大功能所以詳細(xì) 介紹了 MATLAB 通信系統(tǒng)工具箱，

2、并給出了基于 MATLAB 的通信系統(tǒng)的調(diào)制與 解調(diào)的實(shí)現(xiàn)， 運(yùn)用 MATLAB 仿真軟件進(jìn)行仿真。 【關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞】： 通信系統(tǒng) 調(diào)制與解調(diào) MATLAB 1 ABSTRACT Communication system is used to complete the information transmission process of the floorboard of the technology system, is used to send information from the source to one or more destinations. Modulation and

3、demodulation in the process of information transmission occupies the important position, is indispensable, so the system of modulation and demodulation process is extremely important. MATLAB numerical computation, graphics rendering, image processing and system simulation, and powerful functions in

4、the integration of scientific computing language, its powerful function of matrix and graph visualization and rich toolkit, for the analysis of the communication system of modulation and demodulation process provides a great convenience. This paper firstly introduces the concept of communication sys

5、tem, which lead to modulation and demodulation, and then introduces our commonly used several kinds of modulation and demodulation method. 【Key words】：Communication system Modulation and demodulation MATLAB 2 目目 錄錄 前 言4 第一章 通信系統(tǒng)的調(diào)制與解調(diào)5 第一節(jié) 通信系統(tǒng)的概念.5 一、模擬通信系統(tǒng).5 二、數(shù)字通信系統(tǒng).6 三、QAM調(diào)制解調(diào)原理.14 第二節(jié) 多進(jìn)制正交幅度調(diào)制

6、及相干解調(diào)原理框圖.17 一、正交調(diào)制原理框圖.17 二、相干解調(diào)原理框圖.18 第二章 MATLAB 通信系統(tǒng)工具箱19 第三章 MATLAB 的模擬調(diào)制和解調(diào)實(shí)例21 第一節(jié) 用 MATLAB 分析雙邊帶幅度調(diào)制（DSM-AM） .21 第二節(jié) 用 MATLAB 分析相干解調(diào)過程.24 第三節(jié) 基于 MATLAB 的多進(jìn)制正交幅度調(diào)制及相干解調(diào)設(shè)計(jì)與仿真26 一、對系統(tǒng)進(jìn)行分析與設(shè)計(jì).26 二、隨機(jī)信號的生成.26 三、星座圖映射.27 四、波形成形（平方根升余弦濾波器）.29 五、調(diào)制.30 六、加入高斯白噪聲之后解調(diào).31 七、誤碼率曲線.33 八、16-QAM載波調(diào)制信號在AWGN信

7、道下的性能.33 第四節(jié) 仿真結(jié)果及分析.35 結(jié) 論39 致 謝40 3 參考文獻(xiàn)41 4 前前 言言 通信按照傳統(tǒng)的理解就是信息的傳輸，在當(dāng)今高度信息化得社會，信息和 通信已經(jīng)成為現(xiàn)代社會的“命脈” 。信息作為一種資源，只有通過廣泛的傳播與 交流，才能產(chǎn)生利用價值，促進(jìn)社會成員之間的合作，推動社會生產(chǎn)力的發(fā)展， 創(chuàng)造出巨大的經(jīng)濟(jì)效益。而通信作為傳輸信息的手段或方式，與傳感技術(shù)、計(jì) 算機(jī)技術(shù)相互融合，已經(jīng)成為 21 世紀(jì)國際社會和世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展的強(qiáng)大推動力， 所以未來的通信對人們的生活方式和社會的發(fā)展將會產(chǎn)生更加重大和意義深遠(yuǎn) 的影響。 在信息傳輸過程中，要求天線的尺寸要和信號的波長相比擬，信

8、號才能有 效的被輻射。對于語音信號來說，相應(yīng)的天線尺寸要在幾十公里以上，實(shí)際上 不可能實(shí)現(xiàn)，所以需要經(jīng)過調(diào)制將信號頻譜搬移到較高的頻率范圍，如果不進(jìn) 行調(diào)制就把信號直接輻射出去，那么各電臺所發(fā)出信號的頻率就會相同。調(diào)制 作用的實(shí)質(zhì)就是使相同頻率范圍的信號分別依托于不同頻率的載波上，接收機(jī) 就可以分離出所需的頻率信號，不致互相干擾。 有時信號過于復(fù)雜，人工計(jì)算其調(diào)制和解調(diào)過程較難實(shí)現(xiàn)，對其結(jié)果的分 析又缺乏可視化的直觀表現(xiàn)，影響了所得結(jié)果在實(shí)際生活中的應(yīng)用，美國 MathWorks 公司開發(fā)的 MATLAB 解決了這一問題。它應(yīng)用于自動控制、數(shù)學(xué)計(jì)算、 信號分析、信號處理等諸多領(lǐng)域,也是國內(nèi)高校

9、和研究部門進(jìn)行許多科學(xué)研究的 重要工具。MATLAB 的出現(xiàn)給通信系統(tǒng)的分析提供了極大的方便。 5 第一章第一章 通信系統(tǒng)的調(diào)制與解調(diào)通信系統(tǒng)的調(diào)制與解調(diào) 第一節(jié)第一節(jié) 通信系統(tǒng)的概念通信系統(tǒng)的概念 通信是為了傳輸信息，通信系統(tǒng)就是將信息從信源發(fā)送到一個或多個目的 地，對于電通信來說，首先要把消息轉(zhuǎn)變成電信號，然后經(jīng)過發(fā)送設(shè)備，將信 號送入信道，在接收端利用接受設(shè)備對接收信號作相應(yīng)的處理后，送給信宿再 轉(zhuǎn)換為原來的消息，這一過程可利用圖 1.1 所示的通信系統(tǒng)一般模型來概括。 （發(fā)送端） （接收端） 圖 1.1 通信系統(tǒng)的一般模型 通信(Communication)傳輸?shù)南⑹嵌喾N多樣的，可以

10、分成兩大類：一類稱 為連續(xù)消息；另一類稱為離散消息。消息的傳遞是通過它的物理載體電信號來 實(shí)現(xiàn)的，按信號參量的取值不同，可以把信號分為兩類：模擬信號和數(shù)字信號。 通常按照信道中傳輸?shù)氖悄M信號還是數(shù)字信號，相應(yīng)的可以把通信系統(tǒng)分為 模擬通信系統(tǒng)和數(shù)字通信系統(tǒng)。 一、模擬通信系統(tǒng)一、模擬通信系統(tǒng) 模擬通信系統(tǒng)是利用模擬信號來傳遞信息的通信系統(tǒng)，其模型如圖 1.2 所 示，其中包含兩種重要變換。第一種變換是，在發(fā)送端把連續(xù)消息變換成原始 電信號，在接收端進(jìn)行相反的變換，這種變換由信源和信宿來完成，通常稱為 原始電信號為基帶信號，基帶的意思是指信號的頻譜從零頻附近開始。有些信 道可以直接傳輸基帶信號

11、，而以自由空間作為信道的無線電傳輸卻無法直接傳 輸這些信號。因此，模擬通信系統(tǒng)中常常需要進(jìn)行第二種變換：把基帶信號變 換成適合在信道中傳輸?shù)男盘?，并在接收端進(jìn)行反變換。完成這種變換和反變 信息源 發(fā)送設(shè)備信道接收設(shè)備 噪聲源 受信者 6 換的通常是調(diào)制器和解調(diào)器。 圖 1.2 模擬通信系統(tǒng)模型 二、數(shù)字通信系統(tǒng)二、數(shù)字通信系統(tǒng) 數(shù)字通信系統(tǒng)（Digital Communication System,DCS）是利用數(shù)字信號來傳 遞信息的通信系統(tǒng)，如圖 1.3 所示。數(shù)字通信所涉及的技術(shù)問題很多，其中主 要有信源編碼與譯碼、信道編碼與譯碼、數(shù)字調(diào)制與解調(diào)、同步以及加密與解 密等。 圖 1.3 數(shù)字

12、通信系統(tǒng)模型 與模擬通信相比，數(shù)字通信具有許多優(yōu)良的特性： （1） 、抗干擾能力強(qiáng)，且噪聲不積累。數(shù)字通信系統(tǒng)中傳輸?shù)氖请x散取值 的數(shù)字波形，接收端的目標(biāo)不是精確的還原被傳輸?shù)牟ㄐ危菑氖盏皆肼暩?擾的信號中判決出發(fā)送端所發(fā)送的是哪一個波形。 受信者 模擬信息源 解調(diào)器 調(diào)制器 噪 聲 源 信 道 信 息 源 信 源 編 碼 加 密 信 道 編 碼 數(shù) 字 調(diào) 制 信道噪聲源 數(shù) 字 解 調(diào) 信 道 譯 碼 解 密 信 源 譯 碼 受 信 者 7 （2） 、傳輸差錯可控。在數(shù)字同喜系統(tǒng)中，可以通過信道編碼技術(shù)進(jìn)行檢 錯與糾錯，降低誤碼率，提高傳輸質(zhì)量。 （3） 、便于用現(xiàn)代數(shù)字信號處理技術(shù)對

13、數(shù)字信息進(jìn)行處理、變換、存儲。 這種數(shù)字處理的靈活性表現(xiàn)為可以將來自不同信源的信號綜合到一起傳輸。 （4） 、易于集成，使通信設(shè)備微型化，重量輕。 （5） 、易于加密處理，且保密性好。 數(shù)字通信的缺點(diǎn)是，一般需要較大的傳輸帶寬，設(shè)備復(fù)雜。近年來，隨著 大規(guī)模集成電路的出現(xiàn)，數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)備復(fù)雜程度和技術(shù)難度大大降低了，數(shù) 字傳輸方式日益受到歡迎。數(shù)字處理的靈活性使得數(shù)字傳輸系統(tǒng)中傳輸?shù)臄?shù)字 信息既可以來自計(jì)算機(jī)、電傳機(jī)等數(shù)據(jù)終端的各種數(shù)字代碼，也可以來自模擬 信號經(jīng)過數(shù)字化處理后的脈沖編碼（PCM）信號等。原理上，數(shù)字信息可以直 接用數(shù)字代碼序列表示和傳輸，但在世紀(jì)傳輸中，視系統(tǒng)的要求和信道情況

14、， 一般需要進(jìn)行不同形式的編碼，并且選用一組取值有限的離散波形來表示，這 些取值離散的波形可以是未經(jīng)調(diào)制的電信號，也可以是調(diào)制后的信號。未經(jīng)調(diào) 制的數(shù)字信號所占據(jù)的頻譜是從零頻或很低頻率開始，稱為數(shù)字基帶信號。 1 1、調(diào)制和解調(diào)的概念、調(diào)制和解調(diào)的概念 調(diào)制：把信號轉(zhuǎn)換成適合在信道中傳輸?shù)男问降囊环N過程，廣義的調(diào)制分 為基帶調(diào)制和帶通調(diào)制（也稱為載波調(diào)制） 。在無線通信中和其他大多數(shù)場合， 調(diào)制均指載波調(diào)制。 載波調(diào)制，就是用調(diào)制信號去控制載波的參數(shù)的過程，使載波的某一個或 某幾個參數(shù)按照調(diào)制信號的規(guī)律而變化。調(diào)制信號是指來自信源的消息信號 （基帶信號） ，這些信號可以是模擬的，也可以是數(shù)字

15、的。未受調(diào)制的周期性振 蕩信號稱為載波，它可以是正弦波，也可以是非正弦波（如周期性脈沖序列） 。 載波調(diào)制后稱為已調(diào)信號，它含有調(diào)制信號的全部特征。 解調(diào)：將已調(diào)信號中的調(diào)制信號恢復(fù)出來，是調(diào)制的逆過程。調(diào)制方式不 同，解調(diào)方法也不一樣。解調(diào)可以分為正弦波解調(diào)（有時也稱為連續(xù)波解調(diào)） 。 正弦波解調(diào)還可再分為幅度解調(diào)、頻率解調(diào)和相位解調(diào)，此外還有一些變種如 單邊帶信號解調(diào)、殘留邊帶信號解調(diào)等。同樣，脈沖波解調(diào)也可分為脈沖幅度 解調(diào)、脈沖相位解調(diào)、脈沖寬度解調(diào)和脈沖編碼解調(diào)等。 8 調(diào)制方式有很多，根據(jù)調(diào)制信號是模擬信號還是數(shù)字信號，載波是連續(xù)波 （通常是正弦波）還是脈沖序列，相應(yīng)的調(diào)制方式有模

16、擬連續(xù)波調(diào)制（簡稱模 擬調(diào)制） 、數(shù)字連續(xù)波調(diào)制（簡稱數(shù)字調(diào)制） 、模擬脈沖調(diào)制和數(shù)字脈沖調(diào)制等。 最重要和最常用的模擬調(diào)制方式是用正弦波作為載波的幅度調(diào)制和角度調(diào)制。 常見的調(diào)幅、雙邊帶、單邊帶和殘留邊帶等調(diào)制就是幅度調(diào)制的幾個典型實(shí)例。 解調(diào)的方法可以分為兩類：相干解調(diào)和非相干解調(diào)（包絡(luò)檢波） 。解調(diào)過程 與采用何種解調(diào)方式有關(guān)，對于常規(guī)幅度調(diào)制，一般用包絡(luò)檢波進(jìn)行解調(diào)，由 于在這種解調(diào)方式中，接收機(jī)對載波頻率和相應(yīng)精度的了解是無關(guān)緊要的，所 以解調(diào)過程相對簡單。對于 DSB-AM 調(diào)制和 SSB-AM 調(diào)制，用相干解調(diào)的方法， 它要求在接收機(jī)中有一個與載波同頻同相的信號，接收機(jī)中產(chǎn)生所需

17、要的正弦 波振蕩器，為本地振蕩器。 數(shù)字通信系統(tǒng)中，發(fā)送信號某一參數(shù)的離散取值（如正弦波的振幅、頻率、 相位等）于所承載消息的數(shù)字信號（即離散符號）之間通常是一種一一對應(yīng)關(guān) 系。如同模擬信號的頻帶傳輸時一樣，傳輸數(shù)字信號時也有三種基本的調(diào)制方 式：振幅鍵控（ASK） 、頻移鍵控（FSK）和相移鍵控（PSK） 。它們分別對應(yīng) 于利用載波（正弦波）的振幅、頻率和相位來承載數(shù)字基帶信號，可以是模擬 線性調(diào)制和角度調(diào)制的特殊情況。 理論上數(shù)字調(diào)制與模擬調(diào)制在本質(zhì)上沒有什么不同，它們都屬于正弦波調(diào) 制。但是，數(shù)字調(diào)制是源信號為離散型的正弦波調(diào)制，而模擬調(diào)制則是源信號 為連續(xù)型的正弦波調(diào)制，因而，數(shù)字調(diào)制

18、具有由數(shù)字信號帶來的一些特點(diǎn)。這 些特點(diǎn)主要包括兩個方面：第一，數(shù)字調(diào)制信號的產(chǎn)生，除把數(shù)字的調(diào)制信號 當(dāng)做模擬信號的特例而直接采用模擬調(diào)制方式產(chǎn)生數(shù)字調(diào)制信號外，還可以采 用鍵控載波的方法。第二，對于數(shù)字調(diào)制信號的解調(diào)，為提高系統(tǒng)的抗噪聲性 能，通常采用與模擬調(diào)制系統(tǒng)中不同的解調(diào)方式。 數(shù)字信息由二進(jìn)制和多進(jìn)制之分，因此，數(shù)字調(diào)制可分為二進(jìn)制調(diào)制和多 進(jìn)制調(diào)制。在二進(jìn)制調(diào)制中，信號參量只有兩種可能取值；而在多進(jìn)制調(diào)制中， 信號參量可能有 M（M2）中取值。 2 2、幅度調(diào)制和相干解調(diào)的原理、幅度調(diào)制和相干解調(diào)的原理 9 1）幅度調(diào)制（線性調(diào)制）的原理 幅度調(diào)制是由調(diào)制信號去控制高頻載波的幅度

19、，使之隨調(diào)制信號作線性變 化的過程，設(shè)正弦型載波為 c(t)=Acos() (2-1)ct 式中：A 為載波幅度；為載波角頻率；為載波初始相位（以后可以c0 假定為為 0，而不失討論的一般性） 。0 根據(jù)調(diào)制定義，幅度調(diào)制信號（已調(diào)信號）一般可表示成 Sm(t)=Am(t)cos () (2-2)ct 式中：m(t)為基帶調(diào)制信號。 設(shè)調(diào)制信號 m(t)的頻譜為,則由上式（2.3-2）不難得到已調(diào)信號 Sm(t)(M 的頻譜)(S = (2-3)(S)()(cMcM 由以上表示式可見，在波形上，幅度已調(diào)信號的幅度隨基帶信號的規(guī)律而 呈正比地變化；在頻譜結(jié)構(gòu)上，它的頻譜完全是基信號頻譜在頻域內(nèi)的

20、簡單搬 移（精確到常數(shù)因子） 。由于這種搬移是線性的，因此，幅度調(diào)制通常又稱為線 性調(diào)制，這里的“線性”并不意味著已調(diào)信號與調(diào)制信號之間符合線性變換關(guān)系， 實(shí)際上，任何調(diào)制過程都是一種非線性的變換過程。 標(biāo)準(zhǔn)調(diào)幅就是常規(guī)雙邊帶調(diào)制，簡稱調(diào)幅（AM） 。假設(shè)調(diào)制信號 m(t)的平 均值為 0，將其疊加一個直流偏量 A0 后與載波相乘（如圖 1.4 所示） ，即可形 成調(diào)幅信號。 m(t)Sm(t) A0 ctcos 圖 1.4 AM 調(diào)制模型 其時域表示式為 SAM(t)=A0+m(t) =A0 +m(t) (2-4)ctcosctcosctcos 式中：A0 為外加的直流分量；m(t)可以是確

21、知信號，也可以是隨機(jī)信號。 若 m(t)是確知信號，則 AM 信號的頻譜為 10 SAM()=A0+1/2(2-5) )()(cc)()(cMcM 2) 相干解調(diào) 相干解調(diào)也叫同步檢波，解調(diào)與調(diào)制的實(shí)質(zhì)一樣，均是頻譜搬移。調(diào)制是 把基帶信號的頻譜搬到了載波位置，這一過程可以通過一個相乘器與載波相乘 來實(shí)現(xiàn)。解調(diào)則是調(diào)制的反過程，即把在載頻位置的已調(diào)信號的頻譜搬回到原 始基帶位置，因此同樣可以用相乘器與載波相乘來實(shí)現(xiàn)，相干解調(diào)的一般模型 如圖 1.5 所示。 Sm(t) Sp(t) Sd(t) c(t)= ctcos 圖 1.5 相干解調(diào)器的一般模型 相干解調(diào)時，為了無失真的恢復(fù)原基帶信號，接收

22、端必須提供一個與接收 的已調(diào)載波嚴(yán)格同步（同頻同相）的本地載波（稱為相干載波） ，它與接收的已 調(diào)信號相乘后，經(jīng)低通濾波器取出低頻分量，即可得到原始的基帶調(diào)制信號。 相干解調(diào)器適用于所有的線性調(diào)制信號的解調(diào)。送入解調(diào)器的已調(diào)信號的 一般表達(dá)式為 Sm(t)=SI(t) +SQ(t) (2-6)ctcosctsin 與同頻同相的相干載波 c(t)相乘后，得 Sp(t)= Sm(t) =1/2 SI(t)+1/2 SI(t) +1/2 ctcost2cos SQ(t) (2-7)ct2sin 經(jīng)低通濾波器（LPF）后，得 Sd(t)=1/2 SI(t) （2-8） 其中，SI(t)是 m(t)通過

23、一全通濾波器 H1（）后的結(jié)果。因此，Sd(t)就是 解調(diào)輸出，即 Sd(t)=1/2 SI(t) m(t) 由此可見，相干解調(diào)器適用于所有線性調(diào)制信號的解調(diào)，即對于 AM、DSB、SSB 和 VSB 都是適用的。只是 AM 信號的解調(diào)結(jié)果中含有直流成 分 A0，這時在解調(diào)后加上一個簡單的隔直流電容即可。 LPF 11 3 3、正交幅度調(diào)制解調(diào)原理、正交幅度調(diào)制解調(diào)原理 1) 正交幅度調(diào)制技術(shù) 正交振幅調(diào)制（Quadrature Amplitude Modulation,QAM）是一種振幅和相位 聯(lián)合鍵控。雖然 MPSK 和 MDPSK 等相移鍵控的帶寬和功率方面都具有優(yōu)勢， 即帶寬占用小和比

24、特噪聲比要求低。但是由圖 1.6 可見，在 MPSK 體制中，隨 著 8/15 圖 1.6 8PSK 信號相位 M 的增大，相鄰相位的距離逐漸減小，使噪聲容限隨之減小，誤碼率難于 保證。為了改善在 M 大時的噪聲容限，發(fā)展出了 QAM 體制。在 QAM 體制中， 信號的振幅和相位作為兩個獨(dú)立的參量同時受到調(diào)制。這種信號的一個碼元可 以表示為 （21） 0 ( )cos() (1) kkk s tAtkTtkT 式中：k=整數(shù)； 和 分別可以取多個離散值。 k A k 式（21）可以展開為 （22） 00 ( )coscossinsin kkkkk s tAtAt 令 Xk = Akcosk，

25、Yk = -Aksink 則式（21）變?yōu)?（23） 00 ( )cossin kkk s tXtYt 和 也是可以取多個離散的變量。從式（23）看出，可以看作是兩 k X k Y( ) k s t 個正交的振幅鍵控信號之和。 8/5 8/3 8/ 8/7 8/9 8/11 8/13 12 在式（21）中，若 k 值僅可以取 /4 和-/4，Ak 值僅可以取+A 和-A， 則此 QAM 信號就成為 QPSK 信號，如圖 1.7 所示： 圖 1.7 4QAM 信號矢量圖 所以，QPSK 信號就是一種最簡單的 QAM 信號。有代表性的 QAM 信號是 16 進(jìn)制的，記為 16QAM，它的矢量圖示于

26、下圖 1.8 中： Ak 圖 1.8 16QAM 信號矢量圖 13 圖中用黑點(diǎn)表示每個碼元的位置，并且示出它是由兩個正交矢量合成的。 類似地，有 64QAM 和 256QAM 等 QAM 信號，如圖 1.9、圖 1.10 所示。它們 總稱為 MQAM 調(diào)制。由于從其矢量圖看像是星座，故又稱星座調(diào)制。 圖 1.9 64QAM 信號矢量圖 圖 1.10 256QAM 信號矢量圖 16QAM 信號的產(chǎn)生方法主要有兩種。第一種是正交調(diào)幅法，即用兩路獨(dú)立 的正交 4ASK 信號疊加，形成 16QAM 信號，如圖 1.11 所示。 AM 14 圖 1.11 正交調(diào)幅法 第二種方法是復(fù)合相移法，它用兩路獨(dú)立

27、的 QPSK 信號疊加，形成 16QAM 信號，如圖 1.12 所示。圖中 AM AM 圖 1.12 復(fù)合相移法 虛線大圓上的 4 個大黑點(diǎn)表示一個 QPSK 信號矢量的位置。在這 4 個位置 上可以疊加上第二個 QPSK 矢量，后者的位置用虛線小圓上的 4 個小黑點(diǎn)表示。 三、三、QAM 調(diào)制解調(diào)原理調(diào)制解調(diào)原理 1、QAM 調(diào)制調(diào)制 正交幅度調(diào)制 QAM 是數(shù)字通信中一種經(jīng)常利用的數(shù)字調(diào)制技術(shù)，尤其是 多進(jìn)制 QAM 具有很高的頻帶利用率，在通信業(yè)務(wù)日益增多使得頻帶利用率成 為主要矛盾的情況下，正交幅度調(diào)制方式是一種比較好的選擇。 正交幅度調(diào)制（QAM）信號采用了兩個正交載波，每一 tft

28、f cc 2sin2cos、 15 個載波都被一個獨(dú)立的信息比特序列所調(diào)制。發(fā)送信號波形如圖 1.13 所示 ,2sin)(2cos)()(tftgAtftgAtu cTmscTmcm Mm,.,2 , 1 圖 1.13 M=16QAM 信號星座圖 式中和是電平集合，這些電平是通過將 k 比特序列映射為信號 mc A ms A 振幅而獲得的。例如一個 16 位正交幅度調(diào)制信號的星座圖如下圖所示，該星座 是通過用 M4PAM 信號對每個正交載波進(jìn)行振幅調(diào)制得到的。利用 PAM 分 別調(diào)制兩個正交載波可得到矩形信號星座。 QAM 可以看成是振幅調(diào)制和相位調(diào)制的結(jié)合。因此發(fā)送的 QAM 信號波 形可

29、表示為 ),2cos()()( ncTmmn tftgAtu ,2 , 1 1 Mm ,2 , 1 2 Mn 如果那么 QAM 方法就可以達(dá)到以符號速率 ,2 1 1 k M ,2 2 2 k M 同時發(fā)送個二進(jìn)制數(shù)據(jù)。圖 1.14 給出了 QAM )( 21 kkRB 12221 logMMkk 調(diào)制器的框圖。 圖 1.14 QAM 調(diào)制器框圖 16 2 2、QAM 的解調(diào)和判決的解調(diào)和判決 假設(shè)在信號傳輸中存在載波相位偏移和加性高斯噪聲。因此 r(t)可以表示為 )()2sin()()2cos()()(tnftgAftgAtr cTmscTmc 其中是載波相位偏移，且 tftntftntn

30、 cscc 2)(2cos)()( 將接收信號與下述兩個相移函數(shù)進(jìn)行相關(guān) )2cos()()( 1 tftgt cT )2sin()()( 2 tftgt cT 如圖 1.15 所示，相關(guān)器的輸出抽樣后輸入判決器。使用圖 1-15 中所示的鎖 相環(huán)估算接收信號的載波相位偏移，相移和對該相位偏移進(jìn)行補(bǔ))( 1 t)( 2 t 償。 圖 1.15 QAM 信號的解調(diào)和判決 假設(shè)圖中 1.15 所示的時鐘與接收信號同步，以使相關(guān)器的輸出在適當(dāng)?shù)臅r 刻及時被抽樣。在這些條件下兩個相關(guān)器的輸出分別為 sincos 1scmc nnAr cossin 2scmc nnAr 其中 dttgtnn T T c

31、c )()( 2 1 0 dttgtnn T T ss )()( 2 1 0 17 噪聲分量是均值為 0，方差為的互不相關(guān)的高斯隨機(jī)變量。2 0 N 最佳判決器計(jì)算距離量度 2 ),( mm srsrD Mm,.2 , 1 3 3、QAM 的誤碼率性能的誤碼率性能 矩形 QAM 信號星座最突出的優(yōu)點(diǎn)就是容易產(chǎn)生 PAM 信號可直接加到兩個 正交載波相位上，此外它們還便于解調(diào)。 對于下的矩形信號星座圖（K 為偶數(shù)） ，QAM 信號星座圖與正交 2 K M 載波上的兩個 PAM 信號是等價的，這兩個信號中的每一個上都有 個信號點(diǎn)。因?yàn)橄辔徽环至可系男盘柲鼙幌喔膳袥Q極好的分離， 2 2/K M 所

32、以易于通過 PAM 的誤碼率確定 QAM 的誤碼率。 M 進(jìn)制 QAM 系統(tǒng)正確判決的概率是： 。 PP M C 1 2 式中是進(jìn)制 PAM 系統(tǒng)的誤碼率，該 PAM 系統(tǒng)具有等價 QAM 系 PM M 統(tǒng)的每一個正交信號中的一半平均功率。通過適當(dāng)調(diào)整 M 進(jìn)制 PAM 系統(tǒng)的誤 碼率，可得： o/1/3/112 av NMQM EPM 式中是每個符號的平均信噪比。因此，因此 M 進(jìn)制 QAM 的誤碼率 /No Eav 為： PPMM 11 可以注意到，當(dāng) K 為偶數(shù)時，這個結(jié)果對情形時精確的，而當(dāng) K 2 K M 為奇數(shù)時，就找不到等價的進(jìn)制 PAM 系統(tǒng)。如果使用最佳距離量度進(jìn)行 M 判決

33、的最佳判決器，可以求出任意 K=1 誤碼率的的嚴(yán)格上限。 =0.5 yn(I3)=ones(size(I3)*3; %一位四進(jìn)制碼元轉(zhuǎn)換為兩位二進(jìn)制碼元 T=0 0;0 1;1 1;1 0; n=length(yn); for i=1:n; xn(i,:)=T(yn(i)+1,:); end; xn=xn; xn=xn(:); xn=xn; 33 七、誤碼率曲線七、誤碼率曲線 誤碼率代碼如下： numoferr=0; for i=1:N if (y_output(i)=info(i), numoferr=numoferr+1; end; end; Pe(j)=numoferr/N; %統(tǒng)計(jì)誤碼

34、 率 end; figure; semilogy(SNR_in_dB,Pe,red*-); grid on; xlabel(SNR in dB); ylabel(Pe); title(16QAM 調(diào)制在不同信道噪聲強(qiáng)度下的誤碼率); 八、八、16-QAM 載波調(diào)制信號在載波調(diào)制信號在 AWGN 信道下的性能信道下的性能 16-QAM 載波調(diào)制信號在 AWGN 信道下的性能代碼如下： clear all nsymbol=100000; %每種信噪比下的發(fā)送符號數(shù) M=16; %16-QAM graycode=0 1 3 2 4 5 7 6 12 13 15 14 8 9 11 10; %Gray

35、 編碼規(guī)則 EsN0=5:20; %信噪比，Es/N0 snr1=10.(EsN0/10); 34 %信噪比轉(zhuǎn)換為線性值 msg=randint(1,nsymbol,M); %消息數(shù)據(jù) msg1=graycode(msg+1); %Gray 映射 msgmod=qammod(msg1,M); %基帶 16- QAM 調(diào)制 spow=norm(msgmod).2/nsymbol; %求每個符號 的平均功率 for indx=1:length(EsN0) sigma=sqrt(spow/(2*snr1(indx); %根據(jù)符號功率求噪聲功率 rx=msgmod+sigma*(randn(1,len

36、gth(msgmod)+j*randn(1,length(msgmod); y=qamdemod(rx,M); decmsg=graycode(y+1); err,ber(indx)=biterr(msg,decmsg,log2(M); %誤比特率 err,ser(indx)=symerr(msg,decmsg); %誤符號率 end P4=2*(1-1/sqrt(M)*qfunc(sqrt(3*snr1/(M-1); ser1=1-(1-P4).2; %理論誤符號率 ber1=1/log2(M)*ser1; %理論誤比特率 semilogy(EsN0,ber,-ko,EsN0,ser,-k*

37、,EsN0,ser1,EsN0,ber1,-k.); title(16-QAM 載波調(diào)制信號在 AWGN 信道下的性能) xlabel(Es/N0); ylabel(誤比特率和誤符號率) legend(誤比特率,誤符號率,理論誤符號率,理論誤比特率) 35 第四節(jié)第四節(jié) 仿真結(jié)果及分析仿真結(jié)果及分析 05101520253035 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 下 下 下 下 (In:red,Qn:green) 圖 3.3 已調(diào)信號圖形 36 0246810121416 -80 -75 -70 -65 -60 -55 -50 -45 -40 -35 -30

38、下 下 下 下 下 下 f/fb 圖 3.4 已調(diào)信號頻譜 -1.5-1-0.500.511.5 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 下 下 下 圖 3.5 16QAM 星座圖 37 810121416182022 10 -4 10 -3 10 -2 10 -1 10 0 SNR in dB Pe 16QAM下 下 下 下 下 下 下 下 下 下 下 下 下 下 下 下 圖 3.6 16QAM 調(diào)制在不同信道噪聲強(qiáng)度下的誤碼率 5101520 10 -6 10 -5 10 -4 10 -3 10 -2 10 -1 10 0 16-QAM下 下 下 下 下 下 下 AWGN下 下

39、下 下 下 下 Es/N0 下 下 下 下 下 下 下 下 下 下 下 下 下 下 下 下 下 下 下 下 下 下 下 下 下 下 下 下 下 圖 3.7 16-QAM 載波調(diào)制信號在 AWGN 信道下的性能 由圖 3.6 圖 3.7 可看到當(dāng)信噪比小的情況下，仿真曲線和理論曲線差距略 38 大，而隨著信噪比的增大，仿真曲線越來越逼進(jìn)理論曲線。在同樣信噪比時， 誤符號率比誤比特率（誤碼率）要大。簡單分析不難看出，由于理論誤碼率曲 線是建立在誤符號率除以 4 的基礎(chǔ)上的，而這一條件的前提是出現(xiàn)誤符號的時 候，一個符號中只有一個 bit 位發(fā)生了錯誤，這表明誤碼率比較低，也就是說明 信噪比比較大。

40、所以，當(dāng)信噪比比較小的時候，理論計(jì)算的誤碼率的值要小于 仿真得到的值。 39 結(jié)結(jié) 論論 通過對本次應(yīng)用 MATLAB 語言對通信系統(tǒng)的分析，使我系統(tǒng)的理解了調(diào) 制和解調(diào)的功能，對掌握信息的傳輸有了進(jìn)一步提高。本文介紹了通信系統(tǒng)的 含義，進(jìn)而引出模擬調(diào)制和解調(diào)的概念。人工計(jì)算調(diào)制和解調(diào)過程比較困難， 而 MATLAB 具有的強(qiáng)大功能可以很容易的解決這一問難題，所以又本文詳細(xì) 介紹了 MATLAB 通信系統(tǒng)工具箱；并給出了基于 MATLAB 的通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 和仿真的實(shí)現(xiàn)，運(yùn)用 MATLAB 仿真軟件進(jìn)行仿真。針對通信系統(tǒng)中的仿真本 文設(shè)計(jì)了調(diào)制與解調(diào)的仿真系統(tǒng)，在調(diào)制部分提高頻譜利用率，采用的

41、方法是 正交幅度調(diào)制、多進(jìn)制正交幅度調(diào)制，本文利用它對 M 進(jìn)制正交幅度調(diào)制系統(tǒng) 進(jìn)行了仿真,從理論上驗(yàn)證 M 進(jìn)制正交幅度調(diào)制系統(tǒng)工作原理和優(yōu)越性,為實(shí)際 應(yīng)用和科學(xué)合理地設(shè)計(jì)正交幅度調(diào)制系統(tǒng),提供了便捷、高效、直觀的重要方法 ，在解調(diào)部分，我們搭建了解調(diào)系統(tǒng)，采用相干解調(diào)的思想進(jìn)行代碼開發(fā)實(shí)現(xiàn) 了解調(diào)，并且針對上述搭建的仿真進(jìn)行了仿真測試，測試結(jié)果表明我們所搭建 的仿真平臺是確實(shí)有效的。從上面的我們可以看出用 MATLAB 輔助分析信號 頻譜，具有編程簡單、計(jì)算準(zhǔn)確、繪圖方便、結(jié)果直觀等特點(diǎn)。用 MATLAB 的計(jì)算功能，不僅使大量的手工計(jì)算得以簡化, 也使得離散系統(tǒng)的分析更為簡 便和高效

42、。利用 MATLAB 的繪圖功能，有利于分析結(jié)果的直觀理解，也有利 于深入掌握所學(xué)的內(nèi)容。 40 致致 謝謝 在我做論文期間，我的指導(dǎo)老師劉占軍老師給予我極大的幫助，正是在劉 老師的悉心指導(dǎo)和無微不至的關(guān)懷下完成的，在論文即將結(jié)束之際，我衷心的 感謝我的指導(dǎo)老師，謝謝他的幫助和支持！另外在論文期間，我周圍的同學(xué)特 別是我宿舍里的室友也給了我很大的幫助，再次對我的室友說一聲謝謝，也對 我周圍的朋友、同學(xué)以及我的家人表示感激，謝謝你們的支持! 41 參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn) 1樊昌信，曹麗娜.通信原理（第六版）M,國防工業(yè)出版社，2009 2程相君，陳生潭.信號與系統(tǒng) M,西安電子科技大學(xué)出版社,1990 3曹志剛，錢壓生.現(xiàn)代通信原理M,清華大學(xué)出版社，1992 4劉敏，魏玲.MATLAB 通信仿真與應(yīng)用M，國防工業(yè)出版社，2001 5唐向宏，岳恒立，鄭學(xué)峰.MATLAB 及在電子信息類課程中的應(yīng)用M，北京 電子工業(yè)出版社，2006 6陳杰.MATLAB 寶典M，電子工業(yè)出版社 7張德豐.MATLAB/Simulink 建模與仿真M，北京電子工業(yè)出版社