1、*實踐教學*蘭州理工大學計算機與通信學院2013年秋季學期通信系統綜合訓練 題 目：基于qam調制的無線衰落信道的性能分析與仿真 專業班級： 通信工程（1）班 姓 名： 趙曉瑾 學 號： 10250131 指導教師： 王惠琴 成 績： 摘要本次課程設計利用matlab軟件對16qam調制解調系統進行仿真,其中，信道采用瑞利衰落信道和高斯信道，調制方式為正交振幅調制方式，解調方式為相干解調方式。并以此分析16qam系統的信號經過的各個處理過程，由程序得到瑞利衰落信道下的系統誤碼率圖，并與高斯信道下的誤碼率圖進行對比。關鍵詞：16qam;調制解調;瑞利信道; 目錄 一 、前言1二、16qam調制解

2、調系統基本原理22.1 調制及解調的相關概念22.2 16qam調制系統22.2.1 16qam系統的原理22.2.2 16qam的誤碼率性能6三、系統分析8四、16qam調制解調的仿真及結果分析93.1 正交調制過程93.1.1隨機序列的產生93.1.2 序列的串并變換93.1.3 成型濾波（平方根升余弦濾波器）93.1.4 調制103.2 瑞利信道下系統性能的分析123.3 高斯信道下系統的性能分析15總結16參考文獻17附錄18致謝32一 、前言 近年來，信息通信領域中，發展最快、應用最廣的就是無線通信技術。無線通信技術給人們帶來的影響是無可爭議的。如今每一天大約有15萬人成為新的無線用

3、戶，全球范圍內的無線用戶數量目前已經超過2億。這些人包括大學教授、倉庫管理員、護士、商店負責人、辦公室經理和卡車司機。他們使用無線通信技術的方式和他們自身的工作一樣都在不斷地更新。但是在無線信道中存在著衰落現象，這將嚴重影響通信系統的性能。所以了解和掌握衰落信道中無線通信系統的性能成為一個關鍵問題。 由于matlab仿真分析平臺提供了良好的可視化開發環境，matlab 的應用范圍非常廣，包括信號和圖像處理、通訊、控制系統設計、測試和測量、財務建模和分析以及計算生物學等眾多應用領域。附加的工具箱（單獨提供的專用 matlab 函數集）擴展了 matlab 環境，以解決這些應用領域內特定類型的問題

4、。 qam調制能有效地提高頻譜利用率 ,調制效率高 ,但是信息傳輸速率越高 ,即 m越大 ,要求傳送途徑的信噪比就越高。所以高速率的 qam調制是以犧牲信噪比為代價的。對不同特性的具有符號間干擾的信道進行 qam調制解調時 ,得到的性能也不同.如果僅對信道進行均衡 ,判決反饋均衡一定優于線性均衡。對于特性好的信道來說 ,判決反饋均衡性能比線性均衡性能的優勢不明顯。無論采用線性均衡 ,還是判決反饋均衡 ,都是特性好的信道的性能好。但是在 qam系統中進行均衡則不同:特性好且無譜零點的信道用判決反饋均衡 ,性能反而不如線性均衡的性能。對于特性好的信道 ,采用復雜的均衡技術不一定得到好的效果 ,但是

5、特性好的信道的判決反饋均衡還是比特性差的信道好得多。對于特性差且具有譜零點的信道 ,信道特性不能完全決定 qam系統性能的優劣 ,與跟信道沖激響應長度等有關。要根據實際情況選取合適的均衡技術來改善信道 ,或者綜合 qam和均衡技術的性能選取合適的信道 ,總之 ,對于特性差的信道 ,必須采用復雜的均衡技術 ,系統才能得到良好的性能。二、16qam調制解調系統基本原理2.1 調制及解調的相關概念 調制1，就是把信號轉換成適合在信道中傳輸的形式的一種過程。廣義的調制分為基帶調制和帶通調制（也稱載波調制）。載波調制，就是用調制信號去控制載波的參數的過程，即使載波的某一個或某幾個參數按調制信號的規律而變

6、化。調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，也可以是數字的。未受調制的周期性震蕩信號稱為載波，它可以是正弦波，也可以使非正弦波（如周期性脈沖序列）。載波調制后稱為已調信號，它含有調制信號的全部特征。調制過程是一個頻譜搬移的過程，它是將低頻信號的頻譜搬移到載頻位置。而解調是將位于載頻的信號頻譜再搬回來，并且不失真地恢復出原始基帶信號。基帶信號對載波的調制是為了實現下列一個或多個目標： 第一，在無線傳輸中，信號是以電磁波的形式通過天線輻射到空間的。為了獲得較高的輻射效率，天線的尺寸必須與發射信號波長相比擬，而基帶信號包含的較低頻率分量的波長較長，只是天線過長而難以實現。但

7、若通過調制，把基帶信號的頻譜搬至較高的載波頻率上，是已調信號的頻譜與信道的帶通特性相匹配，這樣就可以提高傳輸性能，以較小的發送功率與較短的天線來輻射電磁波。 第二，把多個基帶信號分別搬移到不同的載頻處，以實現信道的多路復用，提高信道利用率。 第三，擴展信號帶寬，提高系統抗干擾、抗衰落能力，還可實現傳輸帶寬與信噪比之間的互換。因此，調制對通信系統的有效性和可靠性有著很大的影響和作用。解調（也稱檢波）則是調制的逆過程，其作用是將已調信號中的調制信號恢復出來。解調的方法可分為兩類：相干解調和非相干解調（包絡檢波）。相干解調時，為了無失真地恢復原基帶信號，接收端必須提供一個與接收的已調載波嚴格同步（同

8、頻同相）的本地載波。本次課程設計主要利用相干解調的方法用以實現。 2.2 16qam調制系統2.2.1 16qam系統的原理正交振幅調制2（quadrature amplitude modulation,qam）是一種矢量調制，也是一種振幅和相位聯合鍵控。它是將輸入比特先映射（一般采用格雷碼）到一個復平面（星座）上，形成復數調制符號。正交調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，來自積分術語）。一個信號叫i信號，另一個信號叫q信號。從數學角度將一個信號可以表示成正弦，另一個表示成余弦。兩種被調制的載波在發射時已被混和。到達目的地后，載波被分離，數據被分別提取然后和原始調制

9、信息相混和。 這樣與之作幅度調制（am）相比，其頻譜利用率高出一倍。 隨著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，發展出了qam體制。在qam體制中，信號的振幅和相位作為兩個獨立的參量同時受到調制。這種信號的一個碼元可以表示為 （2-1）式中：k=整數；和分別可以取多個離散值。 式（2-1）可以展開為 （2-2）令 ，則式（2-2）變為 （2-3）和也是可以取多個離散的變量。從式（2-3）看出，可以看作是兩個正交的振幅鍵控信號之和。在式（2-1）中，若qk值僅可以取p/4和-p/4，ak值僅可以取+a和-a，則此qam信號就成為qpsk

10、信號，如圖2-1所示： 圖2-1 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進制的，記為16qam，它的矢量圖示于下圖（2-2）中：ak圖2-2 16qam信號矢量圖圖（2-2）中用黑點表示每個碼元的位置，并且表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（2-3）、圖（2-4）所示。它們總稱為mqam調制。由于從其矢量圖看像是星座，故又稱星座調制。 圖2-3 64qam信號矢量圖 圖2-4 256qam信號矢量圖16qam信號的產生方法主要有兩種。第一種是正交調幅法，即用兩路獨立的正交4ask信號疊加，形成

11、16qam信號，如圖2-5所示。第二種方法是復合相移法，它用兩路獨立的qpsk信號疊加，形成16qam信號，如圖2-6所示。 am圖2-5 正交調幅法 amam圖2-6 復合相移法 圖中虛線大圓上的4個大黑點表示一個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個小黑點表示。 本次課程設計采用正交調幅法。在發送端調制器中串/并變換使得信息速率為rb的輸入二進制信號分成兩個速率為rb/2的二進制信號，2/4電平轉換將每個速率為rb/2的二進制信號變為速率為rb/8的電平信號，再分別與兩個正交載波相乘，再相加后即得16qam信號。如圖2-7所示 圖2

12、-7正交調制原理框圖 解調是調制的逆過程，在接收端解調器中可以采用正交的相干解調方法。接受到的信號分兩路進入兩個正交的載波的相干解調器，再分別進入判決器形成l進制信號并輸出二進制信號，最后經并/串變換后得到基帶信號。下圖（2-8）為16qam解調框圖：圖 2-8 相干解調原理框圖2.2.2 16qam的誤碼率性能矩形qam信號星座最突出的優點就是容易產生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。對于下的矩形信號星座圖（k為偶數），qam信號星座圖與正交載波上的兩個pam信號是等價的，這兩個信號中的每一個上都有個信號點。因為相位正交分量上的信號能被相干判決極好的分離，所以易于通

13、過pam的誤碼率確定qam的誤碼率。 m進制qam系統正確判決的概率是： （2-4）式中是進制pam系統的誤碼率，該pam系統具有等價qam系統的每一個正交信號中的一半平均功率。通過適當調整m進制qam系統的誤碼率，可得： （2-5）式中是每個符號的平均信噪比。因此，因此m進制qam的誤碼率為： （2-6）可以注意到，當k為偶數時，這個結果對情形時精確的，而當k為奇數時，就找不到等價的進制aam系統。如果使用最佳距離量度進行判決的最佳判決器，可以求出任意k=1誤碼率的的嚴格上限。 （2-7） 其中，是每比特的平均信噪比。2.3 瑞利衰落信道 瑞利衰落信道（rayleigh fading cha

14、nnel）是一種無線電信號傳播環境的統計模型。這種模型假設信號通過無線信道之后，其信號幅度是隨機的，即“衰落”，并且其包絡服從瑞利分布。 瑞利衰落能有效描述存在能夠大量散射無線電信號的障礙物的無線傳播環境。若傳播環境中存在足夠多的散射，則沖激信號到達接收機后表現為大量統計獨立的隨機變量的疊加，根據中心極限定理，則這一無線信道的沖激響應將是一個高斯過程。如果這一散射信道中不存在主要的信號分量，通常這一條件是指不存在直射信號（los），則這一過程的均值為0，且相位服從0 到2 的均勻分布。即，信道響應的能量或包絡r 服從瑞利分布，在02內服從均勻分布。 瑞利衰落模型適用于描述建筑物密集的城鎮中心地

15、帶的無線信道。密集的建筑和其他物體使得無線設備的發射機和接收機之間沒有直射路徑，而且使得無線信號被衰減、反射、折射、衍射。通過電離層和對流層反射的無線電信道也可以用瑞利衰落來描述，因為大氣中存在的各種粒子能夠將無線信號大量散射。 瑞利衰落屬于小尺度的衰落效應，它總是疊加于如陰影、衰減等大尺度衰落效應上。信道衰落的快慢與發射端和接收端的相對運動速度的大小有關。相對運動導致接收信號的多普勒頻移。在gsm1800mhz的載波頻率上，其相應的移動速度分別為約6千米每小時和60千米每小時。特別需要注意的是信號的“深衰落”現象，此時信號能量的衰減達到數千倍，即3040分貝。瑞利衰落的性質如下： （1）相關

16、性，瑞利衰落信道的自相關函數，其多普勒頻移為10hz。無線終端的發射端和接收端之間若以恒定的相對速度移動，則這一瑞利衰落信道的歸一化自相關函數為零階貝塞爾函數： （2）幅度穿越率，幅度穿越率（lcr，level crossing rate）是對衰落快慢的一種度量。lcr 給出衰落信號的幅度以怎樣的頻率穿越某一門限，通常按照正向穿越方向進行計算。 （3）平均衰落時間，平均衰落時間（afd，average fade duration）這一參數是指信號在門限以下持續的時間。 幅度穿越率和平均衰落時間這兩個參數給出了衰落在時間上嚴重程度的描述。對于一定的門限值，平均衰落時間和幅度穿越速率的積為常數。

17、三、系統分析16qam通信系統基本模型介紹如下: 信道道道正交調制信號發生 器相干解調 性能分析 圖2.1 16qam通信系統在瑞利信道下的基本模型信號發生器：隨機信號發生器，進制數設為16。調制：采用16qam調制方式。信道：信號經過調制以后，通過信道。信道選擇高斯加性白噪聲信道、瑞利衰落信道。 對比兩種衰落信道下的抗噪聲性能。解調：采用相干解調方式。 性能分析：信號經過調制、解調過程。在接收端，將得到的數據與原始信號源數據比較，得到在瑞利信道和高斯信道的誤碼率圖。 四、16qam調制解調的仿真及結果分析首先將系統的仿真分成以下幾個部分：隨機序列的產生，序列的串并，成型濾波，16qam調制，

18、分別通過瑞利信道和高斯信道，星座圖的繪制，16qam解調，誤碼率的測量及繪圖。 3.1 正交調制過程3.1.1隨機序列的產生利用matlab中的random_binary5函數來產生0、1等概分布的隨機信號。源代碼如下：%產生二進制信源隨機序列function info=random_binary(n)if nargin = 0, %如果沒有輸入參數，則指定信息序列為10000個碼元 n=10000;end;for i=1:n, temp=rand; if (temp0.5), info(i)=0; % 1/2的概率輸出為0 else info(i)=1; % 1/2的概率輸出為1 enden

19、d;3.1.2 序列的串并變換 對產生的二進制隨機序列進行串并轉換，分離出i分量、q分量，然后再分別進行電平映射。由于是調用matlab系統函數調制解調，在此將轉換后邊的序列進行四進制轉換，方便后面的調制，再將轉換好的序列通過調用qam()函數進行16qam調制。如圖3-1。3.1.3 成型濾波（平方根升余弦濾波器） 為了避免相鄰傳輸信號之間的串擾，多元符號需要有合適的信號波形。 根據奈奎斯特第一準則，在實際通信系統中一般均使接收波形為升余弦滾降信號。這一過程由發送端的基帶成形濾波器和接收端的匹配濾波器兩個環節共同實現，因此每個環節均為平方根升余弦滾降濾波，兩個環節合成就實現了一個升余弦滾降濾

20、波。實現平方根升余弦滾降信號的過程稱為“波形成形”，通過采用合適的濾波器對多元碼流進行濾波實現，由于生成的是基帶信號，因此這一過程又稱“基帶成形濾波”。其仿真圖如圖31。 代碼如下： bshape.m%基帶升余弦成形濾波器function y=bshape(x,fs,fb,n,alfa,delay);%設置默認參數if nargin6; delay=8; end;if nargin5; alfa=0.5; end;if nargin1 dd1111(n)=3; elseif 0dd111(n) & dd111(n)1 dd1111(n)=1; elseif -1dd111(n) & dd111

21、(n)1 dd2222(n)=3; elseif 0dd222(n) & dd222(n)1 dd2222(n)=1; elseif -1dd222(n) & dd222(n)0 dd2222(n)=-1; else dd2222(n)=-3; endenddd22222=sigexpand(dd2222,4*fc*n_sample); d_nrz23=conv(dd22222,gt2);figure(4);subplot(2,2,3);plot(t,d_nrz23(1:lt)axis(tx1,tx2,ty1,ty2);xlabel(時間(s);ylabel(幅度);title(下支路抽樣判決

22、后信號時域波形圖);grid;% 4-2電平轉換dd111111=;for p=1:n/4 if dd1111(p)=3 dd111111(2*p-1)=1; dd111111(2*p)=1; elseif dd1111(p)=1 dd111111(2*p-1)=1; dd111111(2*p)=-1; elseif dd1111(p)=-1 dd111111(2*p-1)=-1; dd111111(2*p)=1; elseif dd1111(p)=-3 dd111111(2*p-1)=-1; dd111111(2*p)=-1; endendddd11111=sigexpand(dd11111

23、1,2*fc*n_sample); d_nrz14=conv(ddd11111,gt1); figure(4);subplot(2,2,2);plot(t,d_nrz14(1:lt)axis(tx1,tx2,ty1,ty2);xlabel(時間(s);ylabel(幅度);title(上支路4-2變換后信號時域波形圖);grid;dd222222=;for q=1:n/4 if dd2222(q)=3 dd222222(2*q-1)=1; dd222222(2*q)=1; elseif dd2222(q)=1 dd222222(2*q-1)=1; dd222222(2*q)=-1; elsei

24、f dd2222(q)=-1 dd222222(2*q-1)=-1; dd222222(2*q)=1; elseif dd2222(q)=-3 dd222222(2*q-1)=-1; dd222222(2*q)=-1; endendddd22222=sigexpand(dd222222,2*fc*n_sample); d_nrz24=conv(ddd22222,gt1); figure(4);subplot(2,2,4);plot(t,d_nrz24(1:lt)axis(tx1,tx2,ty1,ty2);xlabel(時間(s);ylabel(幅度);title(下支路4-2電平變換后信號時域

25、波形圖);grid;% 并串轉換ddd=;for s=1:n/2 ddd(2*s-1)=dd111111(s); ddd(2*s)=dd222222(s);endrddd=sigexpand(ddd,fc*n_sample); %解調信號輸出r_16qam=conv(rddd,gt);figure(5);subplot(2,2,3);plot(t,r_16qam(1:lt);axis(tx1,tx2,ty1,ty2);xlabel(時間(s);ylabel(幅度);title(解調信號時域波形圖);grid; f8,r_16qamf=t2f(t,r_16qam(1:lt);figure(5);subplot(2,2,4);plot(f8,10*log10(ab