基于Matlab的16QAM通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真

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課 程 設(shè) 計(jì) 報(bào) 告 專(zhuān) 用 紙 淮海工學(xué)院 課程設(shè)計(jì)報(bào)告書(shū) 課程名稱(chēng)： 通信系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)仿真設(shè)計(jì) 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(zhuān)業(yè)班級(jí)： 姓 名： 學(xué) 號(hào)： 評(píng)語(yǔ)： 成績(jī)： 簽名： 日期： 基于Matlab的16QAM通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(shí)間域、頻率域、相位域的仿真測(cè)量?jī)x器。許多新一代通信系統(tǒng)的系統(tǒng)級(jí)仿真程序出現(xiàn)在MATLAB軟件的演示實(shí)例中，這使得學(xué)習(xí)的效率大為提高，對(duì)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(tái)的著名仿真環(huán)境。Simulink作為一種專(zhuān)業(yè)和功能強(qiáng)大且操作簡(jiǎn)單的仿真工具，目前已被越來(lái)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(jiǎn)單又直觀，而且已經(jīng)在各個(gè)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(lái)被國(guó)際上移動(dòng)通信技術(shù)專(zhuān)家十分重視的一種信號(hào)調(diào)制方式。QAM是數(shù)字信號(hào)的一種調(diào)制方式，在調(diào)制過(guò)程中，同時(shí)以載波信號(hào)的幅度和相位來(lái)代表不同的數(shù)字比特編碼，把多進(jìn)制與正交載波技術(shù)結(jié)合起來(lái)，進(jìn)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(hào)匯合到一個(gè)信道的方法，因此會(huì)雙倍擴(kuò)展有效帶寬。正交調(diào)幅被用于脈沖調(diào)幅，特別是在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。 1.2 課程設(shè)計(jì)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(dòng)通信技術(shù)高速發(fā)展，頻帶利用率問(wèn)題越來(lái)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(mǎn)足當(dāng)前用戶(hù)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(shì)，成為寬帶無(wú)線接入和無(wú)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(jì)，對(duì)16QAM的星座圖和調(diào)制解調(diào)進(jìn)行了仿真，并對(duì)系統(tǒng)性能進(jìn)行了分析，進(jìn)而證明16QAM調(diào)制技術(shù)的優(yōu)越性。 課程設(shè)計(jì)的任務(wù)是： （1）掌握一般通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)的過(guò)程，步驟，要求，工作內(nèi)容及設(shè)計(jì)方法：掌握 用計(jì)算機(jī)仿真通信系統(tǒng)的方法。 （2）訓(xùn)練學(xué)生網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)能力。 （3）訓(xùn)練學(xué)生綜合運(yùn)用專(zhuān)業(yè)知識(shí)的能力，提高學(xué)生進(jìn)行通信工程設(shè)計(jì)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(hào)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(hào)源：模擬的正弦波語(yǔ)音信號(hào)4KHZ。 Sample：抽樣器，對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)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(hào)進(jìn)行PCM編碼，變成一個(gè)傳速為64Kbit/s的 數(shù)字信號(hào)。 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(guò)調(diào)制以后，通過(guò)信道。信道可以選擇高斯加性白噪聲信道，二進(jìn) 制對(duì)稱(chēng)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(duì)系統(tǒng)進(jìn)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(duì)應(yīng)解調(diào)方式。 譯碼：根據(jù)信道編碼方式，選擇對(duì)應(yīng)的信道解碼方式。 性能分析：信號(hào)經(jīng)過(guò)調(diào)制，信道，解調(diào)過(guò)程。在接收端，將得到的數(shù)據(jù)與原 始信號(hào)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(diǎn)信號(hào)圖及星座圖。 2.2 16QAM通信系統(tǒng)的性能指標(biāo) 數(shù)字通信系統(tǒng)的有效性可用傳輸速率來(lái)衡量,可靠性可用差錯(cuò)率來(lái)衡量。 2.2.1 有效性 碼元傳輸速率RB簡(jiǎn)稱(chēng)傳碼率，又稱(chēng)符號(hào)速率等。它表示單位時(shí)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(jiǎn)稱(chēng)傳信率，又稱(chēng)比特率等。它表示單位時(shí)間內(nèi)傳遞的平均信息量或比特?cái)?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(jìn)制碼元，因此碼元傳輸速率與信息傳輸速率相等，即： Rb=RB=64Kbit/s 2.2.2 可靠性 誤碼率（碼元差錯(cuò)率）Pe是指發(fā)生差錯(cuò)的碼元數(shù)在傳輸總碼元數(shù)中所占的比例，更確切地說(shuō)，誤碼率是碼元在傳輸系統(tǒng)中被傳錯(cuò)的概率，即 Pe=錯(cuò)誤碼元數(shù)/傳輸總碼元數(shù) 誤信率（信息差錯(cuò)率）Pb是指發(fā)生差錯(cuò)的比特?cái)?shù)在傳輸總比特?cái)?shù)中所占的比例，即 Pb=錯(cuò)誤比特?cái)?shù)/傳輸總比特?cái)?shù) 在二進(jìn)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(hào)源是模擬的4KHz正弦語(yǔ)音信號(hào)，sample抽樣器，對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)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(duì)其進(jìn)行量化，然后將量化后的信號(hào)紀(jì)念性PCM編碼，變成一個(gè)1個(gè)傳輸速率為64Kbit/s的數(shù)字信號(hào)。 3.1.2 信宿譯碼 A-law量化譯碼器是采用十三折線法進(jìn)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(hào)輸出。 3.2 基帶信號(hào)處理 本次試驗(yàn)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(qiáng)。它能夠糾正單個(gè)隨機(jī)錯(cuò)誤。設(shè)漢明碼編碼器的輸入信號(hào)的長(zhǎng)度為k，輸出信號(hào)的長(zhǎng)度為n,則產(chǎn)生的是一個(gè)（n,k）漢明碼，其中n=2m-1,m>3,并且滿(mǎn)足n=k+m。MATLAB提供了一個(gè)函數(shù)”“gfrimfd(m,min)”用來(lái)找到一個(gè)最小的本原多項(xiàng)式。 卷積碼是將發(fā)送的信息序列通過(guò)一個(gè)線性的、有狀態(tài)的移位寄存器的輸出完全取決于這段時(shí)間中的輸入信息；而在卷積碼中，任何一段規(guī)定時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的n個(gè)碼元不僅取決于這段時(shí)間內(nèi)的k個(gè)信息位，而且取決于前N-1段時(shí)間內(nèi)的信息位，這個(gè)N稱(chēng)為卷積碼的約束長(zhǎng)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(hào)（2ask和2psk）匯合到一個(gè)信道的方法，因此會(huì)雙倍擴(kuò)展有效帶寬。正交調(diào)幅被用于脈沖調(diào)幅，特別是在無(wú)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(hào)有兩個(gè)相同頻率的載波，但是相位相差90度（四分之一周期）。一個(gè)信號(hào)叫I信號(hào)，另一個(gè)信號(hào)叫Q信號(hào)。從數(shù)學(xué)角度將一個(gè)信號(hào)可以表示成正弦，另一個(gè)表示成余弦。兩種被調(diào)制的載波在發(fā)射時(shí)已被混和。到達(dá)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(dú)立的基帶信號(hào)對(duì)兩個(gè)相互正交的同頻載波進(jìn)行抑制載波雙邊帶調(diào)幅，利用這種已調(diào)信號(hào)的頻譜在同一帶寬內(nèi)的正交性，實(shí)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(hào)之間的相互正交，即滿(mǎn)足： 3.4 信道 信道可以選擇高斯加性白噪聲、二進(jìn)制對(duì)稱(chēng)信道、多徑瑞利（Rayleigh）衰落信道、賴(lài)斯（Racian）衰落信道等。 本次課程設(shè)計(jì)采用的是加性高斯白噪聲信道是信號(hào)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(hào)疊加通過(guò)它的信號(hào)上，使通過(guò)該信道的信號(hào)產(chǎn)生與噪聲均值相應(yīng)的偏移，并且圍繞平均值做隨機(jī)波動(dòng)。在該信道中，當(dāng)噪聲均值為零時(shí)，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(shí)間從輸入信號(hào)中繼承。當(dāng)輸入為實(shí)信號(hào)時(shí)，該模塊將實(shí)高斯白噪聲加入該實(shí)輸入信號(hào)，并產(chǎn)生實(shí)輸出信號(hào)；同理，當(dāng)輸入為復(fù)信號(hào)時(shí)，該模塊將復(fù)高斯白噪聲信號(hào)加入該復(fù)輸入信號(hào)，并產(chǎn)生復(fù)輸出信號(hào)。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(biāo)量，也可以是與輸入信號(hào)信道數(shù)量相匹配的向量形式。 4 MATLAB對(duì)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(xiàng)目 參數(shù)設(shè)置 Pulse type Time based Time Use simulation time Amplitude 1 Period 0.000125 Pulse Width(% of period) 50 Phase delay 0 Signal generator參數(shù)如表4-2所示： 設(shè)置項(xiàng)目 設(shè)置參數(shù) Wave form sine Time(t) Use simulation time Amplitude 1 Frequency 4000 Units Hertz 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(xiàng)目 設(shè)置參數(shù) A value 87.6 Peak signal magnitude 1 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(xiàng)目 設(shè)置參數(shù) Quantization interval 1 Sample 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(xiàng)目 設(shè)置參數(shù) A value 87.6 Peak signal magnitude 1 4.1.2 基帶信號(hào)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(xiàng)目 設(shè)置參數(shù) Codeword length N 7 Message length K Gfprimfd(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(xiàng)目 設(shè)置參數(shù) Trellis structure poly2trellis(7, [171 133]) Reset None Viterbi Decoder參數(shù)如表4-8所示： 表4-8 Viterbi Decoder參數(shù)表 設(shè)置項(xiàng)目 設(shè)置參數(shù) Trellis structure poly2trellis(7, [171 133]) Decision type Unquantized Number of soft decision bits 4 Traceback depth 16 Operation mode Continous 4.1.3 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(xiàng)目 設(shè)置參數(shù) M-ary number 16 Input type bit Constellation ordering Binary Normalization method Average power Average power 10 Phase offset(rad) pi Samples per symbol 4 4.1.4 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(xiàng)目 設(shè)置參數(shù) Initial seed 67 Mode Signal to noise ratio(SNR) SNR(dB) 10 Input signal power(watts) 1 4.2 16QAM通信系統(tǒng)的仿真圖和結(jié)果分析 無(wú)信道編碼總圖4.8如下所示： 圖4.8 無(wú)信道編碼總圖 無(wú)信道編碼仿真波形圖4.9如下圖所示： 圖4.9 無(wú)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(shí)系統(tǒng)性能指標(biāo)的變化分析 M文件： 無(wú)信道編碼與漢明碼，卷積碼誤碼率對(duì)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(wú)信道編碼時(shí)調(diào)制的誤碼率 z=x; %z表示有信道編碼時(shí)調(diào)制的誤碼率 w=x; %w表示有信道編碼時(shí)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(wú)信道編碼時(shí)仿真模型 y(i)=mean(BitErrorRate); %從中獲得調(diào)制信號(hào)的誤碼率 sim(juanji); %執(zhí)行有信道編碼時(shí)仿真模型 z(i)=mean(BitErrorRate1); %從中獲得調(diào)制信號(hào)的誤碼率 sim(hamming); %執(zhí)行有信道編碼時(shí)仿真模型 w(i)=mean(BitErrorRate2); %從中獲得調(diào)制信號(hào)的誤碼率 end hold off; semilogy(x,y,r-*,x,z,b-o,x,w,g-x); %繪制有無(wú)信道編碼信噪比與誤碼率關(guān)系對(duì)比曲線 xlabel(信噪比/dB); ylabel(誤碼率/pe); itle(有無(wú)信道編碼信噪比與誤碼率關(guān)系對(duì)比); legend(無(wú)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(wú)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(wú)信道編碼誤碼率曲線，綠色代表漢明編碼誤碼率曲線，藍(lán)色代表卷積編碼誤碼率曲線。 有無(wú)信道編碼誤碼率比較表4-11如下所示： 表4-11 有無(wú)信道編碼誤碼率比較表 SNR 無(wú)信道編碼 漢明碼 卷積碼 -50 0.5101 0.485 0.26783 -40 0.503 0.4737 0.29156 -30 0.4734 0.4121 0.31485 -20 0.3889 0.275 0.22324 -10 0.281 0.1159 0.14746 0 0.1887 0.07504 0.12574 10 0.09778 0.07504 0.12574 20 0.003247 0.07504 0.12574 30 0 0.07504 0.12574 40 0 0.07504 0.12574 50 0 0.07504 0.12574 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(wú)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(shí)候，卷積碼的誤碼率性能更好。 5 心得體會(huì) 持續(xù)好幾周的的課程設(shè)計(jì)結(jié)束了，在這次的課程設(shè)計(jì)中不僅檢驗(yàn)了我所學(xué)習(xí)的知識(shí)，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(jì)過(guò)程中，與同學(xué)分工設(shè)計(jì)，和同學(xué)們相互探討，相互學(xué)習(xí)，相互監(jiān)督。學(xué)會(huì)了合作，學(xué)會(huì)了寬容，學(xué)會(huì)了理解，也學(xué)會(huì)了做人與處世。課程設(shè)計(jì)是我們專(zhuān)業(yè)課程知識(shí)綜合應(yīng)用的實(shí)踐訓(xùn)練，著是我們邁向社會(huì)，從事職業(yè)工作前一個(gè)必不少的過(guò)程。 ”千里之行始于足下”，通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)，我深深體會(huì)到這句千古名言的真正含義。設(shè)計(jì)，本人在多方面都有所提高，綜合運(yùn)用本專(zhuān)業(yè)所學(xué)課程的理論和實(shí)際進(jìn)行一次通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作的實(shí)際訓(xùn)練，從而培養(yǎng)和提高我們的獨(dú)立工作能力，鞏固與擴(kuò)充了《通信原理》 ，《MATLAB》 等課程所學(xué)的內(nèi)容，掌握設(shè)計(jì)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(jì)算能力，繪圖能力，熟悉了規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)各科相關(guān)的課程都有了全面的復(fù)習(xí)，獨(dú)立思考的能力也有了提高。 所以我認(rèn)為這門(mén)課的開(kāi)展是非常有意義的，它鍛煉了我們的獨(dú)立思考能力，知識(shí)運(yùn)用能力，實(shí)際操作能力。在設(shè)計(jì)過(guò)程遇到困難是必然的，一帆風(fēng)順的過(guò)程永遠(yuǎn)不會(huì)讓人學(xué)到什么，只有在解決困難的過(guò)程中我們才會(huì)發(fā)現(xiàn)我們不會(huì)什么，缺少什么，這樣我們才能牢記，以后不會(huì)犯同樣的錯(cuò)。這樣的課一定要先思考再交流，一味的交流只會(huì)讓自己的思維跟著別人走，沒(méi)有了自己的思考。思考后的交流則不同，這樣的交流才會(huì)給予我們更多的心得體會(huì)。 參考文獻(xiàn) [1] 張德豐.MATLAB通信工程仿真.北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2010.1. 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