16QAM的调制与解调

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通信专业课程设计二

太原科技大学

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

学院（直属系）：电子信息工程学院时间： 2012年12月19日学生姓名设计（论文）题目 16QAM的调制与解调指导教师主要研究内容基于MatlabSimulink的16QAM的调制与解调研究方法 MatlabSimulink 主要技术利用Simulink对16QAM调制系统进行仿真,得到了信号在加噪前指标(或研后的星座图、眼图，而且在信噪比变化条件下,得到了16QAM系统的误究目标) 码率。教研室意见教研室主任（专业负责人）签字：年月日

16QAM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16QAM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

16QAM的调制与解调

摘要 ....................................................................... I 第1章绪论 ................................................................. 1

1.1 QAM简介 ............................................................. 1 1.2 SIMULINK ............................................................ 1 1.3 SIMULINK与通信仿真 .................................................. 2 第2章正交振幅调制 ........................................................ 3

2.1 MQAM信号的星座图 .................................................... 3 2.2 16QAM的调制解调原理 ................................................. 5 2.3 16QAM的改进方案 ..................................................... 6 第3章 16QAM调制解调系统实现与仿真 ........................................ 8

3.1 16QAM 调制模块的模型建立与仿真 ..................................... 10

3.1.1 信号源 ........................................................ 10 3.1.2 串并转换模块 .................................................. 10 3.1.3 2/4电平转换模块 ............................................. 11 3.1.4 其余模块 ..................................................... 13 3.1.5 调制系统的实现 ................................................ 14 3.2 16QAM解调模块的模型建立与仿真 ...................................... 15

3.2.1 相干解调 ...................................................... 15 3.2.2 4/2电平判决 ................................................. 16 3.2.3 并串转换 ...................................................... 18

参考文献 ................................................................... 21

16QAM的调制与解调

第1章绪论

1.1 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。

1.2 SIMULINK

Simulink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。

16QAM的调制与解调

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=1时让它输出一个幅度为2的信号，当a=0时输出幅度为-2的信号。同理当b=1是让它输出一个幅度为1的信号，当b=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=00时输出： y=-2 + -1=-3； ab=01时 y=-2 + 1=-1； ab=10时 y=2 + -1 =1； ab=11时 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：

图3.5 2/4 电平转换模块

以上模块中各点的信号图如下所示：

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图3.6 2/4电平转换模块各点波形

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 0 0 1 0 0 1 0 1 1 0 1 1 1 0 并行1： 0 0 0 1 0 0 1 1 1 并行2： 0 1 0 0 1 1 0 1 0 输出： -3 -1 -3 1 -1 -1 1 3 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。 3.1.4 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76.8KHZ，所以两载波信号发生器的参数设置如下所示：

coswct：Amlitude: 1 sinwct：Amlitude:1 Bias: 0 Bias: 0

Frequency（rad/sec）:76800*2*pi Frequency(rad/sec)：76800*2*pi Phase(rad): pi/2 Phase(rad): 0 Sample time：1/768000 Sample 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：

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图3.7 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。 3.1.5 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3.8和图3.9所示。

图3.8 16QAM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。

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图3.9 16QAM的星座图

3.2 16QAM解调模块的模型建立与仿真

16QAM解调原理框图如图3.1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。 3.2.1 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4.10所示。

Desige method : Bessel Filter type : Lowpass Filter order: 8 Pass edge frequency (rad/s) : 15360*2*pi

16QAM的调制与解调

图3.10 输出波形图

上图中，一三行为调制波与载波相乘的结果，二四行分别为它们经过低通滤波器后所得的波形。

3.2.2 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：

图 3.11 4/2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：

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2 Quantization partition: [-2.0 0 2.0] Quantization codebook: [-3 -1 1 3] 3 Quantization partition: [-2.0 0 2.0] Quantization codebook: [0 0 1 1] 4 Quantization partition: [-2.0 0 2.0] Quantization codebook: [0 1 0 1]

假设上述模块输入为x，输出分别为为y、z1、z2，则它完成的功能是：

??3;x??2??1;?2?x?0?y???1;0?x?2??3;x?2

?0;y??3?0;y??3?0;y??1?1;y??1??z1??z2???1;y?1?0;y?1???1;y?3 ?1;y?3

这样两路二进制信号经并串转换后，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 -3 -1 1 3 上边子系统中各点波形如下所示：

00 01 10 11 17

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图3.12 4/2电平转换中各点波形

3.2.3 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0.5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>=Threshold Threshold: 0.5