64QAM調(diào)制器原理分析與建模仿真

1、西南科技大學(xué)通信系統(tǒng)課程設(shè)計報告課程名稱： 通信系統(tǒng)課程設(shè)計 設(shè)計名稱： 64QAM調(diào)制器原理分析與建模仿真 姓 名： 學(xué) 號: 班 級： 指導(dǎo)教師： 起止日期： 2014.6.26-2014.7.4 西南科技大學(xué)信息工程學(xué)院制11方 向 設(shè) 計 任 務(wù) 書學(xué)生班級： 學(xué)生姓名： 學(xué)號： 20115575 設(shè)計名稱： 64QAM調(diào)制器原理分析與建模仿真 起止日期： 2014.6.26-2014.7.4 指導(dǎo)教師： 設(shè)計要求：（1）分析64QAM調(diào)制器原理；（2）給定數(shù)據(jù)率及載波頻率，完成相關(guān)參數(shù)計算；（3）按參數(shù)要求進行系統(tǒng)仿真，分析驗證系統(tǒng)正確性；（4）給出調(diào)制輸出信號頻譜、星座圖等，并進行

2、分析；方 向 設(shè) 計 學(xué) 生 日 志時間設(shè)計內(nèi)容2014.6.26查閱資料，分析設(shè)計題目2014.6.27明確設(shè)計的要求，需要做哪些工作2014.6.28分析64QAM調(diào)制的原理，并熟悉如何使用MATLAB2014.6.29編寫64QAM產(chǎn)生的代碼2014.6.30查閱資料，分析星座圖如何產(chǎn)生2014.7.1編寫產(chǎn)生星座圖的代碼，并用MATLAB仿真2014.7.2查閱資料,分析如何用MATLAB實現(xiàn)頻譜圖,并編寫代碼2014.7.3完善代碼,分析其中的錯誤并糾正.2014.7.4完成設(shè)計的報告，準(zhǔn)備答辯64QAM調(diào)制器原理分析與建模仿真一、 摘要（150-250字） 隨著世界通信產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)

3、展，多媒體通信比傳統(tǒng)的語音通信需要更大的信道容量。高效、可靠、確定的數(shù)字傳輸系統(tǒng)對于數(shù)字多媒體通信的實現(xiàn)起著至關(guān)重要的作用。在頻譜資源越來越稀缺的今天，傳統(tǒng)通信系統(tǒng)的容量已經(jīng)不能滿足當(dāng)前用戶的需求。另外人們亦不能滿足單一的語音通信業(yè)務(wù)，希望能利用移動電話進行各種各樣多媒體信息的通信。正交幅度調(diào)制QAM是數(shù)字通信系統(tǒng)中一種常用的調(diào)制技術(shù)。尤其是多進制QAM，比如64QAM有著非常高的頻譜利用率。二、 設(shè)計目的和意義設(shè)計的目的在于64QAM調(diào)制器的原理，如何調(diào)制產(chǎn)生64QAM信號，如何解調(diào)已調(diào)的信號，分析調(diào)制輸出信號頻譜、星座圖等。同時熟悉和掌握如何使用MATLAB這個強有力的仿真軟件，通過在MA

4、TLAB上仿真系統(tǒng)和建模，我們可以更清楚明白的知道系統(tǒng)的工作原理和工作方式。設(shè)計的意義在于了解和熟悉通信系統(tǒng)設(shè)計的一般步驟和過程，為以后做更多的通信系統(tǒng)設(shè)計奠定基礎(chǔ)。三、 設(shè)計原理 在QAM（正交幅度調(diào)制）中，數(shù)據(jù)信號由相互正交的兩個載波的幅度變化表示。模擬信號的相位調(diào)制和數(shù)字信號的PSK（相移鍵控）可以被認為是幅度不變、僅有相位變化的特殊的正交幅度調(diào)制。因此，模擬信號頻率調(diào)制和數(shù)字信號的FSK（頻移鍵控）也可以被認為是QAM的特例，因為它們本質(zhì)上就是相位調(diào)制。QAM是一種矢量調(diào)制，將輸入比特先映射（一般采用格雷碼）到一個復(fù)平面（星座）上，形成復(fù)數(shù)調(diào)制符號，然后將符號的I、Q分量（對應(yīng)復(fù)平面的

5、實部和虛部，也就是水平和垂直方向）采用幅度調(diào)制，分別對應(yīng)調(diào)制在相互正交（時域正交）的兩個載波（cos wt和sin wt）上。這樣與幅度調(diào)制（AM）相比，其頻譜利用率將提高1倍。QAM是幅度、相位聯(lián)合調(diào)制的技術(shù)，它同時利用了載波的幅度和相位來傳遞信息比特，因此在最小距離相同的條件下可實現(xiàn)更高的頻帶利用率，目前QAM最高已達到1 024-QAM（1 024個樣點）。樣點數(shù)目越多，其傳輸效率越高。 Q調(diào)制和星座圖 數(shù)據(jù)經(jīng)過信道編碼之后，被映射到星座圖上。下面討論星座圖的概念。圖1就是QAM調(diào)制器的基本原理框圖，這里包含幾個主要的概念：什么是I、Q調(diào)制；數(shù)字信號怎樣映射到極坐標(biāo)上面。1. 什么是I、

6、Q調(diào)制，為什么要采用I-Q調(diào)制 一個信號有三個特性隨時間變化：幅度、相位或頻率。然而，相位和頻率僅僅是從不同的角度去觀察或測量同一信號的變化。人們可以同時進行幅度和相位的調(diào)制，也可以分開進行調(diào)制，但是這既難于產(chǎn)生更難于檢測。但是在特制的系統(tǒng)中信號可以分解為一組相對獨立的分量：同相（I）和正交（Q）分量。這兩個分量是正交的，且互不相干的。 圖1中的QAM調(diào)制器中I和Q信號來自一個信號源，幅度和頻率都相同，唯一不同的是Q信號的相位與I信號相差90°。具體關(guān)系如圖2所示，當(dāng)I的幅度為1的時候，Q的幅度為0，而當(dāng)I的幅度為0的時候，Q的幅度為1，兩個信號互不相干，相位相差90°，是

7、正交的。圖1極坐標(biāo)圖是觀察幅度和相位的最好方法，載波是頻率和相位的基準(zhǔn)，信號表示為對載波的關(guān)系。信號可以以幅度和相位表示為極坐標(biāo)的形式。相位是對基準(zhǔn)信號而言的，基準(zhǔn)信號一般是載波，幅度為絕對值或相對值。圖2 QAM調(diào)制實際上是幅度調(diào)制和相位調(diào)制的組合。相位 + 幅度狀態(tài)定義了一個數(shù)字或數(shù)字的組合。QAM的優(yōu)點是具有更大的符號率，從而可獲得更高的系統(tǒng)效率。通常由符號率確定占用帶寬。因此每個符號的比特（基本信息單位）越多，效率就越高（由于M進制數(shù)字調(diào)制中,每個符號可以攜帶log2M比特的信息，因此當(dāng)信道頻帶受限時可以使信息傳輸率增加，提高了頻帶利用率）。對于給定的系統(tǒng)，所需要的符號數(shù)為2n,這里n

8、是每個符號的比特數(shù)。對于16QAM，n = 4，因此有16個符號，每個符號代表4 bit：0000, 0001,0010等。對于64QAM，n = 6，因此有64個符號，每個符號代表6bit：000000，000001，000010等。以上就是QAM調(diào)制的基本原理。經(jīng)過信道編碼的二進制的MPEG-2比特流進入QAM調(diào)制器，信號被分為兩路，一路給I，另一路給Q，每一路一次給3比特的數(shù)據(jù)，這3比特的二進制數(shù)一共有8種不同的狀態(tài)，分別對應(yīng)8種不同的電平幅度，這樣I有8個不同幅度的電平，Q有8個不同幅度的電平，而且I和Q兩路信號正交。這樣任意一個I的幅度和任意一個Q的幅度組合都會在極坐標(biāo)圖上映射一個相

9、應(yīng)的星座點，這樣每個星座點代表由6個比特的數(shù)據(jù)組成的一個映射，I和Q一共有8×8共64種組合狀態(tài)，各種可能出現(xiàn)過的數(shù)據(jù)狀態(tài)組合最后映射到星座圖上為圖3所顯示的64QAM星座圖。 圖3四、 詳細設(shè)計步驟1. 首先產(chǎn)生一個整數(shù)隨機序列。M=64;K=log2(M);N=10000;number = randint(1,N,M);2. 進行串并變換，分成兩個并行支路。m1=zeros(1,5000);m2=zeros(1,5000);for i=1:3e5 m1(i)=m(2*i-1); m2(i)=m(2*i);end3. 兩支路分別乘以互為正交的正弦型載波，然后相加，構(gòu)成64QAM信號

10、。dataI=data_I(floor(t*fd/fs+1-0.0001);dataQ=data_Q(floor(t*fd/fs+1-0.0001);carr_cos=cos(2*pi*fc*(1:N*fs/fd)/fs);carr_sin=sin(2*pi*fc*(1:N*fs/fd)/fs);Trdata=dataI.*carr_cos+dataQ.*carr_sin+0.05*randn(1,T);4. 生成星座圖data = qammod(number,M);data_I=real(data)+0.05*randn(1,N);data_Q=imag(data)+0.05*randn(1

11、,N);figure(2)scatter(data_I,data_Q),grid on;title('64QAM星座圖')5. 調(diào)制輸出信號頻譜對64QAM信號的時域表達式進行FFT快速傅里葉變換，就可以得到調(diào)制輸出信號的頻譜figure(3)z=fftshift(1*(abs(fft(Trdata,8192);plot(-0.5:1/8192:0.5-1/8192)*fs,z);title('已調(diào)信號頻譜')五、 設(shè)計結(jié)果及分析64QAM的星座圖信道編碼的二進制的MPEG-2比特流進入QAM調(diào)制器，信號被分為兩路，一路給I，另一路給Q，每一路一次給3比特的數(shù)據(jù)

12、，這3比特的二進制數(shù)一共有8種不同的狀態(tài)，分別對應(yīng)8種不同的電平幅度，這樣I有8個不同幅度的電平，Q有8個不同幅度的電平，而且I和Q兩路信號正交。總共有8*8=64點，64種組合狀態(tài)。調(diào)制輸出信號的頻譜六、 總結(jié)正交振幅鍵控是一種將兩種調(diào)幅信號（2ask和2psk）匯合到一個信道的方法，因此會雙倍擴展有效帶寬。正交調(diào)幅被用于脈沖調(diào)幅，特別是在無線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。正交調(diào)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(shù)語）。一個信號叫I信號，另一個信號叫Q信號。從數(shù)學(xué)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(diào)制的載波在發(fā)射時已被混和。到達目的地后，載波被分離，數(shù)據(jù)被

13、分別提取然后和原始調(diào)制信息相混和。QAM是用兩路獨立的基帶信號對兩個相互正交的同頻載波進行抑制載波雙邊帶調(diào)幅，利用這種已調(diào)信號的頻譜在同一帶寬內(nèi)的正交性，實現(xiàn)兩路并行的數(shù)字信息的傳輸。該調(diào)制方式通常有二進制QAM（4QAM）、四進制QAM（l6QAM）、八進制QAM（64QAM）、，對應(yīng)的空間信號矢量端點分布圖稱為星座圖，分別有4、16、64、個矢量端點。電平數(shù)m和信號狀態(tài)M之間的關(guān)系是對于4QAM，當(dāng)兩路信號幅度相等時，其產(chǎn)生、解調(diào)、性能及相位矢量均與4PSK相同。64QAM(Quadrature Amplitude Modulation，相正交振幅調(diào)制)，在使用同軸電纜的網(wǎng)絡(luò)中，這種數(shù)字頻

14、率調(diào)制技術(shù)通常用于發(fā)送下行數(shù)據(jù)。64QAM在一個6MHz信道中，64QAM傳輸速率很高，最高可以支持38.015Mbps的峰值傳輸速率。但是，對干擾信號很敏感，使得它很難適應(yīng)嘈雜的上行傳輸（從電纜用戶到因特網(wǎng)）。七、 體會通過做本次課程設(shè)計，我熟悉和掌握了仿真軟件MATLAB的使用,同時做課程設(shè)計需要斷的去查閱很多資料,相當(dāng)于把剛剛才學(xué)的現(xiàn)代通信原理的知識又復(fù)習(xí)了一遍. 本次課程設(shè)計還是有一定的難度，在做本次課程設(shè)計的時候遇到了很多問題,請教同學(xué)和老師,自己上網(wǎng)查閱資料,等方式逐漸的解決了。課程設(shè)計和平時的理論課程不同，課程設(shè)計在復(fù)習(xí)平時理論課程知識的同時鍛煉了我們的動手能力。我在網(wǎng)上找了很久

15、，關(guān)于64QAM調(diào)制的資料不多，或者說大多數(shù)資料對于MQAM是一筆帶過，很少有詳細講解調(diào)制原理的。我也下了不少功夫，去圖書館借了本通信系統(tǒng)原理，這本書以16QAM為例講解了星座圖的形成，和MQAM的調(diào)制原理。我覺得本次課程設(shè)計最大的難度的就是生成64QAM信號的時域表達式,和如何理解星座圖。MATLAB是一個全新的軟件,從來都沒有用過,本次課程設(shè)計用MATLAB仿真，可以很直觀的看到調(diào)制生成的已調(diào)信號的頻譜圖，來對調(diào)制原理進行深入的理解。通過本次課程設(shè)計我了解了通信系統(tǒng)設(shè)計的一般步驟，了解了通信系統(tǒng)的框架，這對以后學(xué)習(xí)和進一步掌握通信系統(tǒng)設(shè)計很有幫助，而且也熟悉了MATLAB的使用方法,知道用

16、MATLAB如何生成信號,如何仿真信號,對系統(tǒng)建模。 八、 參考文獻1 曹志剛、錢亞生現(xiàn)代通信原理，2013.11：295-2982 張輝、曹麗娜現(xiàn)代通信原理與技術(shù)（第二版），2008.7：:267-2713 馮玉珉通信系統(tǒng)原理，2003.6：218-223實驗程序clear all;M=16;fc=14;fs=56;fd=2;k=log2(M);N=10000;%N=input('please input N:');number = randint(1,N,M);% figure(1)% x=fft(number);% t1=(0:N-1)/fs; % t1=abs(x);%

17、 plot(t1,x);% stem(t1);% axis(1 10000 0 63);display('the data need to be modulated :')number% figure(1)% y=modulate(modem.qammod(M),number);%ynoisy=awgn(y,27,'measured');% scatterplot(y),grid on;% title('未加噪聲的64QAM星座圖')% hold on;% scatterplot(ynoisy),grid on;% title('64QA

18、M星座圖')data = qammod(number,M);data_I=real(data)+0.05*randn(1,N);data_Q=imag(data)+0.05*randn(1,N);% figure(1)% plot(real(data),imag(data),'.'),title('星座圖'); figure(2)scatter(data_I,data_Q),grid on;title('64QAM星座圖')T=N*fs/fd;t=1:T;nn=fs/fd/2:fs/fd:fs/fd*N-fs/fd/2;dataI=dat

19、a_I(floor(t*fd/fs+1-0.0001);dataQ=data_Q(floor(t*fd/fs+1-0.0001);carr_cos=cos(2*pi*fc*(1:N*fs/fd)/fs);carr_sin=sin(2*pi*fc*(1:N*fs/fd)/fs);Trdata=dataI.*carr_cos+dataQ.*carr_sin+0.05*randn(1,T);figure(3)%subplot(211)%plot(Trdata);%title('已調(diào)制信號')%subplot(212)z=fftshift(1*(abs(fft(Trdata,8192);%plot(-0.5:1/8192:0.5-1/8192)*fs,fftshift(1*(abs(fft(Trdata,8192);plot(-0.5:1/8192:0.5-1