1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上淮海工學(xué)院課程設(shè)計(jì)報(bào)告書 課程名稱： 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

2、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）：正交調(diào)制。正交振幅，這是近年來(lái)被上專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)制過程中，同時(shí)以的幅度和相位來(lái)代表不同的數(shù)字比特，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。正交調(diào)幅是一種將兩種調(diào)幅信號(hào)匯合到一個(gè)的方法，因此會(huì)雙倍擴(kuò)展

3、有效。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)不能滿足當(dāng)前用戶的要求。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)

4、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

5、-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)過調(diào)制以后，通過信道。信道可以選擇高斯加性白噪聲信道，二進(jìn) 制對(duì)稱信道，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)過調(diào)制，信道，解調(diào)過程。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，

6、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)稱傳碼率，又稱符號(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)稱傳信率，又稱比特率等。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/s2.2.2 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

7、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

8、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)

9、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)的方法，因此會(huì)雙倍擴(kuò)展有效。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，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)

10、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)稱信道、多徑瑞利（Rayleigh）衰落信道、賴斯（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)疊加通過它的信號(hào)上，使通過該信道的信號(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)

11、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Pu

12、lse typeTime basedTimeUse simulation timeAmplitude1Period0.Pulse Width(% of period)50Phase delay0Signal generator參數(shù)如表4-2所示：設(shè)置項(xiàng)目設(shè)置參數(shù)Wave formsineTime(t)Use simulation timeAmplitude1Frequency4000UnitsHertz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 value87.6Peak signal magnitude1表4-3 A

13、-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 interval1Sample 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 value87.6Peak signal magnitude14.1.2 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

14、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 N7Message length KGfprimfd(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 structurepoly2trellis(7, 171 133)ResetNoneViterbi 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 struct

15、urepoly2trellis(7, 171 133)Decision typeUnquantized Number of soft decision bits4Traceback depth16Operation modeContinous4.1.3 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 number16Input type bitConstellation orderingBinaryNormalization methodAverage powerAv

16、erage power10Phase offset(rad)piSamples per symbol44.1.4 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 seed67ModeSignal to noise ratio(SNR)SNR(dB)10Input signal power(watts)14.2 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

17、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=-

18、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'

19、;); %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endhold 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

20、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-500.51010.4850.26783-400.5030.47370.29156-300.47340.41210.31485-200.38890.2750.22324-100.2810.11590.1474600.18870.075040.12574100.097780.075040.12574200.0.075040.125743000.075040.125744000.075040.125745000.075040.12574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