1、沈阳理工大学通信原理课程设计报告11.课程设计目的随着现代通信技术的发展，特别是移动通信技术高速发展，频带利用率问题越来越被人们关注。在频谱资源非常有限的今天，传统通信系统的容量已经不能满足当前用户的要求。正交幅度调制 QAM(Quadrature Amplitude Modulation)以其高频谱利用率、高功率谱密度等优势，成为宽带无线接入和无线视频通信的重要技术方案。首先介绍了 QAM 调制解调原理，提出了一种基于 MATLAB 的 16QAM 系统调制解调方案，包括串并转换，2-4 电平转换，抽样判决，4-2 电平转换和并串转换子系统的设计，对 16QAM 的星座图和调制解调进行了仿真
2、，并对系统性能进行了分析，进而证明 16QAM 调制技术的优越性。2.课程设计要求（1）设计一个 16QAM 调制与解调系统。（2）设计程序时必须使得程序尽可能的简单。（3）利用 MATLAB 进行程序编写并对系统进行仿真分析。3.相关知识随着现代通信技术的发展，特别是移动通信技术高速发展，新的需求层出不穷，促使新的业务不断产生，因而导致频率资源越来越紧张。在有限的带宽里要传输大量的多媒体数据，频谱利用率成为当前至关重要的课题，由于具有高频谱利用率、高功率谱密度等优势，16QAM 技术被广泛应用于高速数据传输系统.在很多宽带应用领域，比如数字电视广播，Internet 宽带接入，QAM 系统都
3、得到了广泛的应用。QAM 也可用于数字调制。数字 QAM 有4QAM、8QAM、16QAM、32QAM 等调制方式。其中，16QAM 和 32QAM 广泛用于数字有线电视系统。当今国际市场上出现了采用 16QAM 调制技术的卫通调制解调器，如美国 COMTECH EF DATA 公司新推出的 CDM-600。该卫通调制解调器支持速率高达 20Mbps1。沈阳理工大学通信原理课程设计报告2无线通信技术的迅猛发展对数据传输速率、传输效率和频带利用率提出了更高的要求。选择高效可行调制解调手段，对提高信号的有效性和可靠性起着至关重要的作用。由于 QAM 已经成为宽带无线接入和无线视频通信的重要技术方案
4、。关于调制解调技术的仿真研究对于 QAM 理论研究和相关产品开发具有重要意义。在简单分析 QAM 原理的基础上，以 16QAM 为例，提出了基 MATLAB 的 16QAM编解码系统仿真方案，设计了实际仿真模型。仿真结果和分析表明，提出的方案可行，为 QAM 通信系统性能的研究提供了一种行之有效的分析方法。本文旨在在熟悉 QAM 调制解调原理的基础上，完成通信系统的设计并实现 16QAM 调试过程的 MATLAB 仿真。设计其中的各种实现模块的参数，对整个系统进行仿真，并绘出各个模块的输出信号的波形，设计出 16QAM 调试过程中的串并转换子系统，2-4 电平转换子系统，抽样判决子系统，4-2
5、 电平转换子系统及并串转换子系统。在此基础上， 对 QAM 调制的性能进行分析。4.课程设计分析4.1 调 制 简 介调制在通信系统中的作用至关重要。所谓调制，就是把信号转换成适合在信道中传输的形式的一种过程。广义的调制分为基带调制和带通调制（也称载波调制） 。载波调制，就是用调制信号去控制载波的参数的过程，即使载波的某一个或某几个参数暗中啊调制信号的规律而变化。调制信号是指来自信源的消息信号（基带信号） ，这些信号可以是模拟的，也可以是数字的。未受调制的周期性震荡信号称为载波，它可以是正弦波，也可以使非正弦波（如周期性脉冲序列） 。载波调制后称为已调信号，它含有调制信号的全部特征。基带信号对
6、载波的调制是为了实现下列一个或多个目标：第一，在无线传输中，信号是以电磁波的形式通过天线辐射到空间的。为了获得较高的辐射效率，天线的尺寸必须与发射信号波长相比拟，而基带信号包含的较低频率分量的波长较长，只是天线过长而难以实现。但若通过调制，把基带信号的频谱搬至较高的载波频率上，是已调信号的频谱与信道的带通特性相匹配，这样就可以提高传输性能，以较沈阳理工大学通信原理课程设计报告3小的发送功率与较短的天线来辐射电磁波。第二，把多个基带信号分别搬移到不同的载频处，以实现信道的多路复用，提高信道利用率。第三，扩展信号带宽，提高系统抗干扰、抗衰落能力，还可实现传输带宽与信噪比之间的互换。因此，调制对通信
7、系统的有效性和可靠性有着很大的影响和作用。解调（也称检波）则是调制的逆过程，其作用是将已调信号中的调制信号恢复出来。解调的方法可分为两类：相干解调和非相干解调（包络检波） 。相干解调时，为了无失真地恢复原基带信号，接收端必须提供一个与接收的已调载波严格同步（同频同相）的本地载波。本课题采用的是相干解调4.2 正交振幅调制系统它是把 2ASK 和 2PSK 两种调制结合起来的调制技术，使得带宽得到双倍扩展。QAM 调制技术用两路独立的基带信号对频率相同、相位正交的两个载波进行抑制载波双边带调幅，并将已调信号加在一起进行传输。nQAM 代表 n 个状态的正交调幅，一般有二进制（4QAM） 、四进制
8、（16QAM） 、八进制（64QAM） 。我们需要得到多进制的 QAM 信号，需将二进制信号转换为 m 电平的多进制信号，然后进行正交调制，最后相加输出。输入2 / m 电平变化器)(tx串 / 并变换2 / m 电平变化器 )(ty2/载波发 生器 )(tSQAMtcostcsinAB1 1 0 1 图 4-1 QAM 信号产生原理图QAM 信号用正交相干解调方法进行解调，通过解调器将 QAM 信号进行正交相干解调后，用低通滤波器 LPF 滤除乘法器产生的高频分量，输出抽样判决后可恢复出的两路独立电平信号，最后将多电平码元与二进制码元间的关系进行转换，将电平信号转换为二进制信号，经并/ 串变
9、换后恢复出原二进制基2m沈阳理工大学通信原理课程设计报告4带信号。16QAM 调制框图：二进制二进制变换为四进制串 / 并变换成型滤波器 tcostcsin2na12nak成型滤波器四进制幅度序列四进制幅度序列二进制变换为四进制)(tL)(tQ信 号QAM16图 4-2 6QAM 信号调制框图16QAM 最佳接收框图：串 / 并变换)(xr)(1tf0(_)dtTs0(_)dtTs2 判决器判决器输出sTs1r2r图 4-3 16QAM 最佳接收框图（1）首先生成一个随机且长度为 10000 的二进制比特流，并画出了前 50个比特的信号图（如图 17 所示） 。（2）在 MATLAB 中 16
10、QAM 调制器要求输入的信号为 0-15 这 16 个值，所以需要用函数 reshape 和 bi2de 将二进制的比特流转换为对应的十六进制信号。（3）利用 MATLAB 中的 modem.qammod 函数生成 16QAM 调制器，再通过其对信号进行调制并画出信号的星座图。（4）通过 awgn 信道在 16QAM 信号中加入高斯白噪声（假设 Eb/No=15db） 。沈阳理工大学通信原理课程设计报告5（5）利用 MATLAB 中的 scatterplot 函数画出通过信道后接受到的信号的星座图。（6）利用 MATLAB 中的 eyediagram 函数生成经过信道后的眼图。（7）利用 MA
11、TLAB 中的 demodulate 和 modem.qamdemod 函数生成解调器对16QAM 信号的解调，并将十六进制信号转化成二进制比特流信息。（8）用得到比特流信息除以原始发送的比特流信息来计算误码率。5.仿真程序如下：M=16;k=log2(M);n=100000; %比特序列长度samp=1; %过采样率x=randint(n,1); %生成随机二进制比特流stem(x(1:50),filled); %画出相应的二进制比特流信号title(二进制随机比特流);xlabel(比特序列);ylabel(信号幅度);x4=reshape(x,k,length(x)/k); %将原始的二
12、进制比特序列每四个一组分组，并排列成 k 行 length(x)/k 列的矩阵xsym=bi2de(x4.,left-msb); %将矩阵转化为相应的 16 进制信号序列figure;stem(xsym(1:50); %画出相应的 16 进制信号序列title(16 进制随机信号);xlabel(信号序列);ylabel(信号幅度);y=modulate(modem.qammod(M),xsym); %用 16QAM 调制器对信号进行调制scatterplot(y); %画出 16QAM 信号的星座图text(real(y)+0.1,imag(y),dec2bin(xsym);axis(-5
13、5 -5 5);沈阳理工大学通信原理课程设计报告6EbNo=15;snr=EbNo+10*log10(k)-10*log10(samp); %信噪比yn=awgn(y,snr,measured); %加入高斯白噪声h=scatterplot(yn,samp,0,b.); %经过信道后接收到的含白噪声的信号星座图hold on;scatterplot(y,1,0,k+,h); %加入不含白噪声的信号星座图title(接收信号星座图);legend(含噪声接收信号,不含噪声信号);axis(-5 5 -5 5);hold on;eyediagram(yn,2); %眼图yd=demodulate(
14、modem.qamdemod(M),yn); %此时解调出来的是 16 进制信号z=de2bi(yd,left-msb); %转化为对应的二进制比特流z=reshape(z.,numel(z),1);number_of_errors,bit_error_rate=biterr(x,z)运行结果：number_of_errors =0bit_error_rate =06.仿真结果：沈阳理工大学通信原理课程设计报告7图 6-1 二进制随机比特流图 6-2 16QAM 信号序列沈阳理工大学通信原理课程设计报告8图 6-3 16QAM 信号的星座图图 6-4 含白噪声的信号星座图沈阳理工大学通信原理课
15、程设计报告9图 6-5 不含白噪声的信号星座图图 6-6 眼图沈阳理工大学通信原理课程设计报告106.主要仪器与设备装有 MATLAB 的 PC 机一台。7. 设计体会课程设计做完了，总结一下，我想我还是收获了不少。从一开始选题时的不自信（怕自己做不出）到最后我比较圆满的完成这次课程设计，正好应征了一句老话：“功夫不负有心人” 。选完题后，我并不知道该如何动手，所以我只有看书。通过看书，我掌握了 16QAM 调制与解调的原理并决定从星座图开始入手。从而最终将系统程序编写出来。除了掌握了课本上的知识外，通过这次课程设计我更加熟练了 MATLAB 的使用方法。从以前一看到 MATLAB 就郁闷到现在渐渐地喜欢上 MATLAB 编写程序，我知道了学习的乐趣。 “功夫不负有心人” ，即使你遇到了世上再难的事情，只要你有心，你就都会迎刃而解。8.参考文献1、樊昌信，曹丽娜。通信原理（第六版） 。国防工业出版社。2、孙祥，徐流美，吴清。MATLAB 7.0 基础教程。北京：清华大学出版社。3、唐向宏，岳恒立，邓雪峰。MATLAB 及在电子信息类课程中的应用。电子工业出版社。
