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1、-基于MATLAB的16QAM通信系统仿真毕业设计说明书-第 18 页2014届毕业设计说明书基于MATLAB的16QAM通信系统仿真院、 部： 电气与信息工程学院 学生姓名： 李 和 指导教师： 贾雅琼 职称 副教授 专 业： 通信工程 班 级： 通信1001班 完成时间： 2014-5-20 摘 要随着现在的通信技术的飞速发展，特别是移动通信技术，因频谱资源的限制， 传统的通信系统容量开始不能满足目前用户需求，因此通信技术专家越来越关注频带利用率的问题。如何提高频谱利用率以及高功率谱密度是我们追求的目标。而正交振幅调制(Quadrature Amplitude Modulation，QAM
2、)是一种振幅和相位联合键控，由于高频谱利用率和高功率谱密度等优点，它已成为了大容量数字微波、宽带无线接入和无线视频通信的一种重要技术方案。本论文先介绍了16进制的正交振幅调制信号（16QAM）的调制解调原理，再利用MATLAB平台构建完整的16QAM通信系统，实现16QAM的调制解调系统的仿真，以及分析该系统性能。以此证明16QAM调制技术相对其他调制方式的优点。关键词：调制解调；正交振幅调制；MATLAB仿真ABSTRACT With the rapid development of modern communication technology, especially mobile com
3、munications technology, the capacity of traditional communication systems can not meet the requirements of the current user. And because of the limited spectrum resource, the problem of bandwidth efficiency is growing concerned of experts in the field of communications. So finding the way that how t
4、o improve the spectrum efficiency and high power spectral density is our goal. Quadrature amplitude modulation (QAM) with its high spectral efficiency and high power spectral density and other advantages, becomes important to those communication application that include the large-capacity digital mi
5、crowave technology solutions, broadband wireless access and wireless video communications, and so on.This article describes the principle of modulation and demodulation of 16QAM, then builds a complete communication system of 16QAM based on MATLAB, which is to realize the simulation of 16QAM modem s
6、ystem and to analyse the performance of the system.It can prove that 16QAM modulation technology is more superior than the other. Key words:modem system; qam;matlab目 录1 绪论11.1 课题研究的意义11.2 国内外研究状况11.3 研究内容与章节安排22 课题理论基础32.1 调制解调的定义32.2 正交振幅调制42.2.1 QAM简介42.2.2 16QAM调制解调原理63 基于MATLAB的16QAM通信系统仿真93.1 M
7、ATLAB简介93.1.1 MATLAB介绍93.1.2 MATLAB语言特点93.2 16QAM调制解调仿真程序流程框图103.3 调制仿真模块113.3.1 信号源113.3.2 串/并变换113.3.3 2-4电平转换113.3.4 成形滤波器123.3.5 调制143.3.6 画星座图153.4 已调信号的噪声叠加163.5 解调仿真模块163.5.1 低通滤波器163.5.2 4-2电平转换163.5.3 并/串变换173.5.4 解调173.6 仿真结果184 16QAM通信系统的性能分析214.1 16QAM抗噪声性能214.2 16QAM频带利用率224.3 16QAM信号在A
8、WGN信道下的性能224.4. 16QAM和16PSK的性能比较235 总结与展望255.1 总结255.2 未来展望26参考文献27致 谢29附 录：主程序301 绪论1.1 课题研究的意义 随着现代的通信技术的飞速发展，特别是移动通信技术，因为频谱资源的限制， 传统的通信系统的容量开始不能满足目前用户的需求，因此通信技术专家越来越关注频带利用率的问题。如何提高频谱利用率以及高功率谱密度是我们追求的目标。QAM调制技术由于高频谱利用率和高功率谱密度等优点，广泛的应用在大容量数字微波、宽带无线接入和无线视频通信中。 MATLAB是矩阵实验室（MATrix LABoratory）的缩写，是一款由
9、The MathWorks公司推出的，并由MATLAB和Simulink两大部分组成的数学软件。通过MATLAB进行仿真设计，可以降低设计的成本，提高设计的效率1。本论文在分析正交幅度调制原理的基础上，以16进制的QAM信号为例，实现了基于MATLAB的16QAM信号的通信系统仿真，这为16QAM信号的调制解调系统的性能分析与研究提供了基础。1.2 国内外研究状况由于对频谱利用率的日益关注，频谱利用率高的16QAM调制技术成为了通信各个方面专家研究的热点。国外，最先在1983年，Nossek等人设计和实现了一个140Mb/sde 16QAM的数字无线电系统，实现了3.5bit/s/Hz的频谱效
10、率2。而后有Nakhjiri等人研究了在瑞利衰落信道下16QAM的相干检测3。国内，2003年常力等人在MATLAB上对16QAM通信系统进行了仿真，并重点介绍了其中关键的定时同步和载波恢复部分。再有2010年杨辉媛等人研究了QAM的性能。采用正交振幅调制，信道带宽至少应该等于码元数率，为了便于定时恢复基带信号，还需要额外的带宽，一般要增加15%左右。相对于其他调制技术，QAM的编码拥有能充分利用带宽、抗噪能力强等优势4。根据星座图的特点，刘继红等人在基于16QAM相干光纤通信的系统中研究了星座图的优化与选择。通过比较Square与Star两种16QAM调制格式星座图的特点，证明Square
11、16QAM具有调制简单的特点而被广泛采用，但对相位噪声敏感，而Star 16-QAM星座图中两圈上的星点的相位分布是均匀的5。近期对16QAM调制系统的研究倾向于卫星通信。因为相对于传统的QPSK调制方式，频谱利用率高的QAM更加满足卫星通信对于数据高速传输的需求。王坦等人通过使用Simulink这一工具，搭建了16QAM信号的基带传输模型，并且通过观察仿真出来的信号频谱图、眼图、星座图以及传输误比特率等，更深一步研究了16QAM的基带传输的特性，并指出16QAM调制技术应用于卫星通信中的优点以及不足之处6。刘光谱等人也进一步研究了MATLAB应用在通信理论上的优势特点，他们通过利用MATLA
12、B友好的用户界面以及直观的图形方式等特点，来了解MATLAB中各种复杂的计算过程，这其中包括了调制解调和信道编码7。综合以上国内外研究状况，可以看到越来越多的人关注正交振幅调制技术，而且这一技术逐渐深入移动通信各个行业。而且其中的频谱利用率高这一优点，成为了关注的焦点。本文是利用MATLAB进行16QAM信号的通信系统仿真，并分析该调制技术的星座图和系统性能，以此证明16QAM调制技术的优势特点。1.3 研究内容与章节安排正交振幅调制因具有较高的频带利用率因而广泛的受到了使用，本课题以16QAM为例，首先理解16QAM调制与解调的基本原理，然后借助MATLAB平台，对16QAM的通信系统进行仿
13、真，最后分析该通信系统的性能。本论文的第1章为绪论，主要介绍了本课题研究的意义，国内外的研究现状，以及研究的主要内容和章节安排。第2章介绍了这个课题的一些理论基础，如以16QAM为例，说明了它的调制解调的基本原理。第3章以MATLAB为平台，进行16QAM的调制解调系统的仿真，并对仿真的结果进行了分析。第4章对16QAM系统进行性能分析并且通过与其他调制方式比较，说明其优越性。第5章是对该课题研究内容做了简要的总结分析。2 课题理论基础2.1 调制解调的定义 所谓调制，便是用调制信号（基带信号）去调控载波参数的经过，因而让载波的参数根据调制信号的规律而变化着；从频域的角度来看，便是让基带信号的
14、频谱搬移到更高的载波频率附近的过程8。通过调制，可以降低传输的损耗，以实现远距离通信的目的。从广大意义上来看，调制分成基带调制和载波调制（也叫帯通调制）。帯通调制即使用调制信号去调控载波参数的过程，以致载波的某一个或者某几个参数根据调制信号的变化而变化；其中的调制信号意思是表示来自信号源的消息信号（基带信号），而载波是表示没有受到调制的周期性振荡信号9。 调制的目的主要有如下三点：第一，将基带信号转换成能够在信道中传输的已调信号（如可以有效传输、配置信道、缩短天线的尺寸）；第二，能够实现信道多路复用的功能，以便于提高信道的频带利用率；第三，改善通信系统的抗噪声性能（与制式相关）。根据不同种类的
15、调制信号、载波和调制器等，调制的分类也有所不同。例如，根据载波可以分为连续波调制和脉冲调制；按照已调信号的频谱结构能够分成线性调制以及非线性调制；根据调制信号之间的差异能够将调制分成模拟调制和数字调制等。其中最常用的也是最关键的模拟调制技术是以正弦波为载波的幅度调制与角度调制；幅度调制的意思是表示高频率载波的幅度按照基带信号幅度的瞬时值的变换方式而改变的调制方式，其包括有调幅（AM）、双边带（DSB）、单边带（SSB）以及残留边带（VSB）；而角度调制表示高频率的载波的频率或者相位根据基带信号的规则变化而改变的一种调制方法，这其中包括了频率调制（FM）和相位调制（PM）等9。 对数字基带信号而
16、言，因其有丰富的低频分量这一特点，所以必须要让数字基带信号对载波信号进行调制，以便信号和信道的特性相符合。数字调制，即把数字基带信号转换为数字已调信号。数字调制可以分成二进制调制与多进制调制两种方式。为了提高性能，人们不断对数字调制体制加以改进，在多进制键控体制中，相位键控在频带宽度与功率占用上都占优势，就是频带宽度占用低以及比特信噪比要求低。然而跟随着M的逐渐变大，相邻相位的距离便慢慢缩小，使得噪声容限跟随着变小，因此使误码率难以得到保证。为了使噪声容限在M大时得到改善，QAM体制得到了发展和扩大。解调（也称检波）则是调制的逆过程，意思是从接收到的已调信号中将原始的基带信号（即调制信号）恢复
17、出来的过程。解调可以分成相干解调（同步检波）以及非相干解调（包络检波）两种方法。其中的相干解调方法，适合各种线性调制信号的解调。它的关键点是在接收的一端必须提供一个与接收到的已调载波严格同步也就是说与已调载波同频率同相位的相干载波信号。不然，相干解调之后，原来的基带信号会被减弱，甚至导致严重的失真，特别是在数字信号传输的时候。因此载波性能的恢复程度是好还是坏，与解调性能的好坏有着最直接的联系。对包络检波方法而言，则是直接从已调信号的幅度中提取原来的基带信号。2.2 正交振幅调制2.2.1 QAM简介一种可以通过两个相互正交的载波进行振幅调制的调制方法称为正交振幅调制（Quadrature Am
18、plitude Modulation，QAM）。而作为相互正交的两载波一般情况下是相位差为90度（/2）的正弦波信号，其中一个信号称为I信号，另一个信号称为Q信号。从数学角度上来讲，一个信号能够表示为正弦信号，另一个可以表示为余弦信号。在发射时这两种被调制的载波信号已经被混和在一起。到达目的地后，分离载波，提取数据，然后与原来的调制信号混和在一起。QAM调制让两个互相正交并且有相同频率的载波通过使用两路相互独立的基带信号进行抑制载波双边带调幅，根据这种已调信号的频谱在同一个频带宽度内的正交性特点，来完成两路并行的数字信号的传输。它是一种频带利用率很高的多进制（M4）振幅和相位联合键控（APK）
19、体制。而且，当M4的时候，正交振幅调制信号比多进制相移键控（MPSK）、多进制振幅键控（MASK）等体制的相邻点欧式距离要大，于是它的抗干扰性能力得以提升。（1） 信号表示。在正交振幅调制体制中，信号的幅度与相位作为两个独立的参量同时受到调制。因此，QAM信号的一个码元能够表示成 （1）公式（1）可以展开为如下所示： （2） 令 则公式（2）变为 （3）其中：和表示分别能够取到多个离散的值；和表示的是离散的振幅值，=1,2，L；L表示和的个数9。 由公式（3）能够看出，QAM能够视为两个正交的幅度键控信号的和。（2）星座图。与其他的数字调制方法相类似，QAM发射的信号集能够用星座图的方式来表示
20、。星座图上每个星座点都对应于发射信号集中的信号。星座图中的点数越多，说明它的每一个符号传输的信息量就越来越大。然而，如果在星座图的平均能量保持不变的条件下来增加星座图中的点数，就会让星座图中点之间的距离缩小，继而将致使误码率升高。因而，高阶的星座图比低阶的可靠性差。它是用来描述QAM信号的空间分布状态。图中的黑点表示的是每个码元的位置，并显示它是由两个正交向量合成。 在图1中，展示出了M=L2=4,16,64,256时的QAM信号的矢量图。Ak （a） 4QAM信号矢量图 （b） 16QAM信号矢量图 （c） 64QAM信号矢量图 （d） 64QAM信号矢量图图1 QAM信号矢量图通过图1能够
21、看出，其中的4进制QAM信号与正交相移键控（QPSK）的矢量图相同。因此，QPSK（也称4PSK）信号便是最简单的一种QAM信号。QAM的代表信号是16进制的QAM。（3） 信号编码。QAM采用格雷编码，它的好处在于所代表相位的两位比特，对于两个相邻相位只有一位不同，而因为相位误差造成的两相邻相位错判的概率是最大的，所以采用这种编码的方式只是最大造成一位比特码误码。图2以16QAM为例，显示了QAM信号的编码方式。图2 16QAM编码2.2.2 16QAM调制解调原理（1）16QAM信号的产生方法。QAM信号中最具代表性的信号是16QAM信号，它是幅度与相位结合的一种键控信号，其主要有下面两种
22、方法可以产生。正交调幅法。即通过两路相互独立的正交四电平振幅键控（4ASK）信号叠加，如图3所示，产生16QAM信号。图3 正交调幅法复合相移法。即由两路相互独立的四相位移相键控（QPSK）信号叠加，如图4所示，产生16QAM信号。图4 复合相移法 由图4看来，虚线大圆上面的4个点代表的是第一个四相位移相键控信号的矢量的位置。在这4个位置上能够将第二个QPSK矢量叠加上，并且用虚线小圆上的4个小黑点来表示第二个信号矢量的位置9。（2）16QAM信号的调制原理。本课题设计采用了正交调幅的调制方法，其调制原理的基本框图如图5所示。图5 16QAM信号的调制原理图通过图5可看出16QAM信号的基本调
23、制原理：它是先将每4个输入的二进制码分成一小组，并通过串/并变换器将它分成两个双比特码元，而后分别进入上支路（In）和下支路（Qn），再通过2-4电平的转换，从而产生两个四电平信号分别为Xk与Yk。两路信号经过升余弦成形滤波器之后再与互相正交的两路载波信号相乘，产生两路互为正交的4ASK信号Xkcos0t和Yksin0t。最后，把两路相乘以后的信号相叠加而得到16QAM信号。（3）16QAM解调原理。解调是调制的逆过程，能够使用相干解调方法在接收信号一端的解调器中进行解调。其基本原理的框图如图6所示。图6 相干解调原理框图接收到的已调信号分成两路进入两正交载波的相干解调器，而后通过低通滤波器，
24、对调制与解调这一整个过程当中的较高频率成分进行滤除。4电平抽判是对4电平的基带信号进行判决和检测，再通过4-2电平变换，即把四进制的信号转变成为二进制的信号。最终经过并/串转换，将原来的基带信号恢复出来。3 基于MATLAB的16QAM通信系统仿真3.1 MATLAB简介3.1.1 MATLAB介绍MATLAB是矩阵实验室（MATrix LABoratory）的简称，是一款由The MathWorks公司推出的，并由基本部分和专业扩展两大部分组成的数学计算与系统仿真软件10。它除具备优异的数值计算能力，创建用户界面以及能够调用其它语言（包括C，C+和FORTRAN）编写的程序等功能以外，还能够
25、提供专业的符号计算、文字信息处理、可视化建模仿真、实时控制、绘制函数/数据图像与矩阵运算等常用功能。 如今盛行的MATLAB库中包含数百个的内部函数包以及三十多种工具包。对于工具包而言，它能够分成功能性与学科性两种类型。学科性的工具包是一种专业性能非常强大的工具包,其中包含了信号处理与通信等学科方面。功能性的工具包的作用是扩大MATLAB的符号计算,可视化的建模仿真,以及文字处理等。MATLAB的应用十分的广泛，它涉及了信号与图像处理、测试与测量、控制系统设计、建模和分析等各种领域。它提供了很多专业的工具箱与内置函数，以方便用户解决各种类型问题。MATLAB一直发展到现在，通过MathWork
26、s公司的持续改进，它已成为了适用于多学科，多工作平台的功能十分强大的数学软件。3.1.2 MATLAB语言特点 MATLAB与其他语言相比较而言有些不同的优势，其中语言简洁就是最显著的优点。MATLAB语言不同于了其他语言的繁杂，而是使用更加直接的，以及更加适合人们思维习惯的代码。它给用户提供的是最直接，最简洁的程序开发平台11。（1） 语言简练紧凑，使用起来方便，容易变通，而且库函数十分丰富。它的程序代码书写形式比较自由，通过调用十分丰富的库函数来避免冗长的子程序编程，这样便减少了所有没有必要的编程任务。因为库函数都是经由这个领域的专家所编写的，所以用户没必要担忧函数可靠性这一问题。（2）
27、运算符丰富。因为MATLAB函数是利用C语言编写的，所以MATLAB提供了与C语言同样多的运算符。因此能够灵活地使用MATLAB中的运算符会让所写程序变得极其简洁。（3） MATLAB拥有结构化的控制语句（例如for语句，while循环语句，break语句与if语句等）的同时，也具有面向目标编程的特点。（4） 对于程序来说，限制的不够严格，因此设计的空间自由度较大。例如在MATLAB中，用户不需要对矩阵进行预定义就可以使用。（5） 程序的可移植性非常好，理论上可以不做修改就能够在各类型号的计算机与操作系统上执行。（6） MATLAB具有强大的图形功能。在FORTRAN等语言中，绘制图像比较麻烦
28、，但如果使用MATLAB，其中的数据可视化功能十分简单。并且它还拥有比较强大的图形界面编辑的能力。（7） MATLAB也有缺点，它的缺点是与其他较高级的程序相比较，它的程序运行速度比较缓慢。这是因为MATLAB中的程序可以不经过预处理，也可以不用生成可执行的文件，因此程序为解释运行，因而速率比较慢。（8） 源程序的开放性。除了内部函数之外，MATLAB中其他的关键文件和工具箱文件都是能够读能够改的源程序文件，使用者能够通过对源程序文件进行修改，也可以添加自己的程序文件进去从而变成一个新的工具箱，这种开放性，使MATLAB深受广大用户喜爱。3.2 16QAM调制解调仿真程序流程框图根据调制以及解
29、调原理框图，得到仿真程序的流程框图如图7所示。图7 程序流程框图 由图7可知，将基于MATLAB的16QAM通信系统仿真的设计，主要包括调制模块系统、添加高斯白噪声以及解调系统。其中调制系统中分成几个小的模块，包括串/并转换、二-四电平变换、成形滤波，信号调制；解调系统中包括载波提取、低通滤波、电平判决、四-二电平转换和并/串变换等。3.3 调制仿真模块3.3.1 信号源本毕业设计中，采用随机二进制序列信源。通过定义randomBinary函数来表示产生的二进制随机序列，信号源程序代码如下。function info=randomBinary(N)if nargin = 0, N=10000;
30、 %如果没有输入参数，那么指定信息序列为10000个码元end;for i=1:N, temp=rand; %rand代表0,1上均匀分布的随机序列 if (temp0.5), info(i)=0; %输出为0else info(i)=1; %输出为1 endend;3.3.2 串/并变换 所谓的串/并变换，是将一个连续的信号序列转换成表示相同的信息的一组相应的并行信号元的过程（其中所有的信号码元的出现都是同一时刻的）。16QAM信号是16进制正交振幅调制，因此该信号的一个码元可以表示成4种形式的数字调制状态，所以，得到的二进制随机序列需要通过串/并变换将其分成奇序列和偶序列两条之路。同时，串
31、行/并行转换之后，将输进去的二进制序列信号源的信息速率Rb平分为了两个都是信息速率为Rb/2的信号。3.3.3 2-4电平转换 2-4电平变换即将输入信号的4种状态（00，01，10，11）通过编码之后转换成相对应的4电平信号。此处选择的对应的转换映射关系如表1所示。表1 2-4电平映射关系表编码映射前数据双极性码元电平/V00-1 -1-301-1 +1-110+1 -1111+1 +13通过2-4电平变换之后，原来的二进制信号的信息速率由Rb/2转化成了Rb/8。根据2-4电平转换规律得到的二-四进制转换代码如下。3.3.4 成形滤波器 由于系统传输总特性（包括收、发滤波器和信道的特性）的
32、不理想，因而致使前后码元的波形畸变、变宽，并导致前面的波形出现很长的拖尾，并且蔓延到目前码元的抽样时刻上，因此对目前码元的判决造成一定的干扰8。由奈奎斯特第一准则可知：如果信号通过传输之后整个波形都产生了变化，但是只要在特定时刻的抽样值不变化，那么使用再次抽样的办法，依旧能够准确的将原始信码恢复出来。若要达到无码间干扰的状态，那么系统的总传输特性应当满足 有 （4）为了消除码间串扰，以及满足奈奎斯特第一准则，最容易的方法是使用理想低通滤波器，虽然它的理论中的传输特性满足了基带系统的极限传输速率（2波特）和极限频带利用率（2B/Hz），但它是物理不可实现的。又因为理想的特性冲激响应的波形的“尾巴
33、”衰减振荡幅度比较大；如果采样时刻稍有偏差，就会有严重的码间串扰情况出现12。从各个方面考虑，利用拥有升余弦频谱特性的比较合适。它的传输函数可表示为 （5）其相应的为 （6）其中：称为码元周期；称为滚降系数，用来描述滚降的程度13，它可以定义成 （7）其中：称为奈奎斯特带宽；表示的是超过的奈奎斯特带宽的扩展量。明显的，。对应于不同的有着不一样的滚降特性。图8画出了滚降系数=0,0.5,0.75,1时的几种传输特性以及冲激响应的波形图。 （a） 传输特性 （b） 冲激响应图8 余弦滚降特性示例由图8可见，滚降系数越大，说明的拖尾衰减就越快，对位定时精度要求就越低。但是，滚降使得带宽增大为，因此频
34、带的利用率就会下降。于是，得到余弦滚降系统的最高的频带利用率为 （8） 因此实际过程中采用升余弦成形滤波器来减少码间干扰以及提高频谱利用率。并且其中利用了filter函数来实现滤波的功能。根据要求编写的程序代码如下。3.3.5 调制y=I.*cos(2*pi*fc*t)-Q.*sin(2*pi*fc*t); %进行16QAM信号调制3.3.6 画星座图 画出16QAM信号的星座图的程序代码如下。%如果没有输出，那么画图3.4 已调信号的噪声叠加 通信系统中最常见到的热噪声与白噪声近似，而且热噪声的取值刚好服从高斯分布这一规律，因此高斯白噪声被用作最常用的一种噪声模型。在已调信号中加入高斯白噪声
35、，可采用awgn函数，具体的程序代码如下。 SNR_in_dB=8:2:24; %高斯白噪声信道的信噪比 for j=1:length(SNR_in_dB) y_add_noise=awgn(y2,SNR_in_dB(j); %加入不同强度的高斯白噪声3.5 解调仿真模块3.5.1 低通滤波器由图6的解调原理框图可以得知解调过程需要使用低通滤波器来完成滤波功能，因此本设计中采用巴特沃斯低通滤波器。而设计一个巴特沃斯低通滤波器需要采用以下语句：b,a=butter(n,wc)；式中的b、a分别表示的是所设计出来的滤波器的分子与分母多项式的系数向量；n代表滤波器的阶数；wc为滤波器的截止频率15。
36、3.5.2 4-2电平转换4-2电平转换是将4电平信号转变成2电平信号，是2-4电平转换的逆过程。经过4-2电平变换之后，原来的二进制信号的信息速率由Rb/8变成了Rb/2。其对应的转换关系如表2所示。表2 4-2电平转换表转换前数据双极性码元电平/V-3-1 -100-1-1 +1011+1 -1103+1 +111根据4-2电平转换原理，得到四进制转换成二进制的代码如下。T=0 0;0 1;1 1;1 0;n=length(yn); for i=1:n; xn(i,:)=T(yn(i)+1,:); end; xn=xn; xn=xn(:); xn=xn;3.5.3 并/串变换 两路二进制信
37、号通过并行/串行变换而转换成一路二进制信号，即恢复出原始的基带信号。两路二进制信号经过并行/串行转换之后把信息速率为Rb/2的合并为一路信息速率为Rb的原始信号。3.5.4 解调为了使程序简化以及获得可靠的误码率（BER），在解调过程中是通过直接产生与调制时相同频率以及相同相位的载波来进行信号解调，而不是从已调信号中恢复载波。解调过程中先通过设计的巴特沃斯低通滤波器，之后让In分量与Qn分量经过并行/串行的变换，恢复出码元序列，最后进行解调。16QAM信号定义qamdet函数表示解调，程序代码如下。n=fix(n);In=I(n); Qn=Q(n);xn=xn(1:nn/2);xn(nn/2+
38、1:nn); xn=xn(:); xn=xn;3.6 仿真结果图9 已调信号波形 经过调制以后的波形图如图9所示，其中实线表示的波形是In分量信号，虚线表示的波形代表的是Qn分量信号。图10 已调信号频谱图11 16QAM信号星座图图12 16QAM调制在不同信道噪声强度下的误码率 由图12所示，16QAM信号调制方式在不同的信道噪声强度下，它的误码率不同。其规律是，随着信噪比（SNR）的增大，它的噪声减小，因此误码率（Pe）也随之减小。4 16QAM通信系统的性能分析4.1 16QAM抗噪声性能本设计中的16QAM信号是采用正交调幅法产生的。因而16QAM信号，也可以看做为两路相互独立的四进
39、制振幅键控信号叠加成的。因而，使用多电平误码率的分析办法，能够获得M进制正交振幅调制信号的误码率 (9)式中，表示的是每比特码元的能量，代表的是噪声单边功率谱密度。经过调整高斯白噪声信道的信噪比（/），能够获得图13所表示的MQAM误码率曲线图。图13 MQAM误码率曲线 根据图13所示的误码率曲线图，可见M进制的QAM信号的误码率跟着信噪比的增加而渐渐变小，这一状况和理论分析上是十分相同的。4.2 16QAM频带利用率根据16QAM信号如图5所示的调制原理框图，可知若输入的二进制代码的信息速率为Rb，则经过串/并转换后每条路的信号码速率都成为Rb/2，但仍是二电平信号。经过2电平转换成4电平
40、之后，四电平信号的码速率均变为Rb/4。正交调制以后，Xkcos0t和Yksin0t这两个信号的谱零点带宽都等于基带信号的码速率的2倍，即为Rb/2。所以16QAM信号的谱零点频带宽度也等于Rb/2，频带利用率是。 由此推广，MQAM信号的带宽 (10)频带利用率 （11）4.3 16QAM信号在AWGN信道下的性能16QAM载波调制信号在AWGN信道下的性能代码如下。clear allnsymbol=100000; %每种信噪比下的发送符号数M=16; %16-QAM仿真得到的结果如图14所示。图14 16QAM载波调制信号在AWGN信道下的性能 根据图14可以看出，实际中的值与理论值大致上
41、保持一致。4.4. 16QAM和16PSK的性能比较忽略16QAM以及16PSK两种体制的平均功率差别，根据最大振幅相等这一特点，得到16QAM信号与16PSK信号的矢量图如图15所示。假设其中最大的振幅是，那么16QAM信号的相毗邻矢量端点之间的欧氏距离等于9 （12）16PSK信号的相邻两端点的欧氏距离为 （13）矢量图中相邻两点的欧氏距离的大小意味着噪声容限的大小。因此，和的比值就意味着这两种信号体制的噪声容限的比值。（a）16QAM （b）16PSK图15 信号矢量图 根据公式（12）和（13）得到超过大概1.57dB。其中16PSK信号的平均功率直接等于它的最大功率。而16QAM信号
42、，在相等概率出现的条件之下，能够计算出它的最大功率与平均功率的比值是1.8倍，也是说2.55 dB；所以，在平均功率相等的条件之下，16QAM信号的噪声容限比16PSK信号的要大4.12 dB9。这表示16QAM信号比16PSK信号的抗干扰能力要强。5 总结与展望5.1 总结 为期一个多学期的毕业设计已经进入了收尾阶段。我在这一学期中通过不断的查资料，阅读文献，让自己充实地渡过了这忙碌的时光。通过这一次的毕业设计，一方面提高了自己的能力，另一方面是对四年来所学理论知识的总结与实践，利用实践来检验理论，深化理论，以及充实理论。通过这次的毕业设计，我深刻意识到自己知识的欠缺，也深刻体会到了实践与理
43、论的差距，明白了实践在实际中的作用，不过还是得站在理论的肩膀上，因为只有在具备丰富的理论知识的前提下，我们才能在实践中更好的使用。 本设计研究的课题是基于MATLAB的16QAM通信系统仿真，这是在MATLAB的平台上，实现16QAM调制解调的仿真。经过对该调制解调系统的各个模块的学习和探讨，我对整个QAM通信系统有了更加深入的了解，先将所学到的总结如下：（1）、了解了MATLAB这一软件，以及其发展过程和语言特点等。并掌握了相对其它软件，MATLAB的优势特点。（2）、深入的了解以及分析了16QAM调制解调系统基本原理，并且根据其原理编写了程序代码，并得以实现其原理的仿真。 （3）、使用MA
44、TLAB实现16QAM通信系统的仿真，并得到相应的调制与解调波形以及星座图。结果表明解调出的信号波形跟输入的基带信号波形相比较会有一定意义上的时延，但是这其实不会对误码率的检测和系统的抗噪声性能有影响。 （4）、通过对16QAM通信系统进行性能分析，以及仿真得到的16QAM系统的误码率图，可以看出实际的曲线跟理论大体上保持一致。 （5）、把16QAM系统的性能和其它系统进行比对，通过它们的误码率曲线的区别，看到16QAM不如2DPSK的抗噪声性能好，却优于64QAM。这跟理论值是相同的，因此，在相同的信噪比情况之下，M值越大，误码率也随之增大。通过本次设计，更加清楚的说明，作为一种新型的数字帯通调制技术，相比较传统调制技术，QAM有许多优点，例如它较高的频谱利用率以及较高的功率谱密度并且还有抗干扰性强等优点。因而使得它大规模应用于数字微波通信系统，无线接入