基于matlab程序的16qam基帶信號處理編程.

1、摘要:正交振幅調(diào)制技術(shù)(QAM)由于其高的頻帶利用率和相對低的誤碼率而被 定為很多數(shù)字通信系統(tǒng)的數(shù)字傳輸標(biāo)準(zhǔn)。該論文討論了16QAM調(diào)制原理，用軟件MATLAB產(chǎn)生16QAM信號的算法。關(guān)鍵詞:正交振幅調(diào)制;噪聲；多徑衰落；內(nèi)插濾波一、引言正交振幅調(diào)制技術(shù)(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，因此在相鄰星座點(diǎn)最小距離相同的條件下，QAM星座圖中可以容納更多的星座點(diǎn)，即可實(shí)現(xiàn)更高的頻帶利用率。多進(jìn)制 正交振幅調(diào)制技術(shù)由于其高的頻帶利用率和相對低的誤碼率而被定為很多數(shù) 字通信系統(tǒng)的數(shù)字傳輸標(biāo)準(zhǔn)。軟件無線電是以可編程的DSP或CPU為中心，將模塊化、標(biāo)準(zhǔn)

2、化的硬件單元以總線方式連接件起來，構(gòu)成通用的基本硬件平 臺，并通過軟件加載來實(shí)現(xiàn)各種無線通信功能的開放式的體系結(jié)構(gòu)。本文討論 了16QAM調(diào)制原理并給出了基于Matlab的16QAM數(shù)字調(diào)制的軟件算法及其 編程實(shí)現(xiàn)。二、正交振幅調(diào)制(QAM)原理正交振幅調(diào)制的一般表達(dá)式為：SMQAM(t) =Re(AmcjAms)g(t)ejLfct二Amcg(t)cos(2二fct) -Amsg(t)sin(2二f)上式中，Amc、Ams為離散的振幅值，m = 1，2，M, M為Amc和Ams的個數(shù)。對于16QAM，M=4。g(t)是發(fā)送信號脈沖波形。本報(bào)告中16QAM的調(diào)制原理方框圖如下圖所示：加入噪聲多

3、徑衰落加入噪聲多徑衰落輸入數(shù)據(jù)經(jīng)過串并變換分成兩路，再分別經(jīng)過映射變換成Amc和Ams,Amc和Ams決定了已調(diào)QAM信號在信號星座中的星座點(diǎn)的位置。為減少碼間干擾和已 調(diào)數(shù)字信號的帶寬，Amc和Ams分別通過脈沖成形低通濾波器，脈沖成形低通濾 波器是一個平方根升余弦濾波器。濾波后的輸出分別經(jīng)過半帶濾波器、CIC濾波 器實(shí)現(xiàn)內(nèi)插，改變速率，最后經(jīng)過NCO(數(shù)控頻率振蕩器)產(chǎn)生正交上變頻用的正/余弦信號。將兩路信號相加就可以得到已調(diào)QAM輸出信號。三、Matlab代碼分析1、偽隨機(jī)序列發(fā)生器利用Matlab中的函數(shù)產(chǎn)生一組長度為N的偽隨機(jī)信號，為了在后面有正 確的串并變換，需要在原隨機(jī)序列后面補(bǔ)

4、零。%- 產(chǎn)生偽隨機(jī)信號 -%N=1000;%二進(jìn)制數(shù)據(jù)長度x=randint(1,N,2);%產(chǎn)生偽隨機(jī)二進(jìn)制作為輸入數(shù)據(jù)x(1:4)=1 1 1 1;%濾波器取出延時首位設(shè)為最大N=N+N*0.1;%防止系統(tǒng)延時丟數(shù)據(jù)x=x zeros(1,N*0.5);%尾部填零2、串并變換串并變換是把一串二進(jìn)制數(shù)據(jù)流分裂成并行的兩串，每串?dāng)?shù)據(jù)的速率是原數(shù) 據(jù)的一半。%- 串并變換 -%x1=x(1:2);%數(shù)據(jù)按 2bit 分組x2=x(3:4);for i=1:(N/4-1)x1=x1 (x(i*4+1:i*4+2);x2=x2 (x(i*4+3):(i*4+4);endI=x1(1)*2+x1(2

5、); %二進(jìn)制轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制Q=x2(1)*2+x2(2);n=length(x1);for i=1:n/2-1I=I (x1(i*2+1)*2+x1(i*2+2);Q=Q (x2(i*2+1)*2+x2(i*2+2); end3、映射作為調(diào)制信號的輸入二進(jìn)制數(shù)據(jù)流經(jīng)過串- 并變換后變成四路并行數(shù)據(jù)流。這四路數(shù)據(jù)兩兩結(jié)合，分別進(jìn)入兩個電平轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換成兩路4電平數(shù)據(jù)。例如，00轉(zhuǎn)換成-3，01轉(zhuǎn)換成-1，10轉(zhuǎn)換成1，11轉(zhuǎn)換成3。QAM發(fā)射的信號集可以用星座圖方便地表示，星座圖上每一個星座點(diǎn)對應(yīng)發(fā)射 信號集中的那一點(diǎn)。星座點(diǎn)數(shù)越多，每個符號能傳輸?shù)男畔⒘烤驮酱?。?是，如果在星座圖的平均能量保

6、持不變的情況下增加星座點(diǎn)，會使星座點(diǎn) 之間的距離變小，進(jìn)而導(dǎo)致誤碼率上升。%- 電平變換 (0 1 2 3 - -3 -1 1 3)- %for i=1:n/2switch (I(i)case 0I(i)=-3;case 1I(i)=-1;case 2I(i)=1;case 3I(i)=3;endswitch (Q(i)case 0Q(i)=-3;case 1Q(i)=-1;case 2Q(i)=1;case 3Q(i)=3;endendfigure(1);plot(l,Q, * ),title(?uz?D?xni)?axis(-4,4,-4,4);仿真得到的16QAM星座圖為:基帶星座圖4

7、-1-1-r-1-2 -3 -*-411-4-3-24、脈沖成形濾波器在信道中，信號傳輸?shù)念l帶寬度是有限的，根據(jù)信道的傳輸函數(shù)不同，數(shù)字 信號通過信道之后，在進(jìn)行抽樣判決的時候可能產(chǎn)生符號間干擾， 稱為碼間串?dāng)_。 但是當(dāng)信道的傳遞函數(shù)滿足奈奎斯特第一準(zhǔn)則時， 數(shù)字信號通過帶限信道之后將 不會產(chǎn)生碼間串?dāng)_。理想的基帶傳輸系統(tǒng)總的傳遞函數(shù)為理想低通特性，但是在 實(shí)際的通信系統(tǒng)中，常常將帶限信道的總傳輸函數(shù)設(shè)計(jì)為具有余弦頻譜特性的， 稱為滾降濾波器。滾降濾波器的頻率響應(yīng)如下：T,2TX(f)才T二T尹c(diǎn)os|f|1 - : 1 - : 1 :0,2T其中稱為滾降因子，0_1。相應(yīng)的時域波形為x(t)

8、 =sin( t/T) cs(；2727。利用matlab庫中的函數(shù)產(chǎn)生一個升余弦頻譜信nt/T14o( (t /T號。符號率為1M symbol/s，所以符號時間間隔為0.000001s,采樣頻率為2MHz%. 脈沖成形濾波器 .%Fs=2000000;% Sampli ng freque ncy Fs HzT=0.000001;% Symbol time in terval sa=0.35;p = rcosfir(a,-3,3,2,0.0000001,sqrt ); % 成形濾波函數(shù)figure(2);rcosfir(0);%plot resfir圖像升余弦信號的時域和頻域波形為：Impu

9、lse Response of the Raised Cosine Filter (with time shift)ITITI1 - -0.5 -/-0f-IIIII00.511.522.53time5、基帶成形濾波對I、Q路信號進(jìn)行成形濾波，可以防止碼間串?dāng)_%. 基帶成形濾波.%I 路成形yi=c on v(p,upsample(I,2);% upsample Pulse seque nee a1 0 a2 0 a3 0 a4 0 .%Q 各成形yq=c on v(p,upsample(Q,2);% upsample Pulse seque nee a1 0 a2 0 a3 0 a4 0 .

10、figure(3);subplot(2,1,1);stem(yi);title(I 路信號)；subplot(2,1,2)stem(yq);title(Q 路信號);仿真得到的I、Q路信號信號為:i 路信號6半帶濾波器半帶濾波器實(shí)現(xiàn)信道內(nèi)插功能，其抽取因子為2AM。本實(shí)驗(yàn)中采用15階半帶濾波器進(jìn)行內(nèi)插。%半帶濾波-%b = firhalfband(14,0.0001,figure(4);dev );%15 階半帶濾波器subplot(2,1,1);freqz(b); % 半帶濾波器的頻譜subplot(2,1,2);%半帶濾波器的時域響應(yīng)stem(b);figure(5);%I 路濾波YI=c

11、onv(b,yi);subplot(2,1,1);freqz(YI);title( subplot(2,1,2);stem(YI);title( %Q 各濾波YQ=conv(b,yq);figure(6);I 路信號半帶濾波頻域響應(yīng) ); % I 路信號時域與頻域響應(yīng)I 路信號半帶濾波時域響應(yīng) );subplot(2,1,1);freqz(YQ);title( subplot(2,1,2);Q 路信號半帶濾波頻域響應(yīng))；% Q 路信號時域與頻域響應(yīng)stem(YQ);title(Q 路信號半帶濾波時域響應(yīng));%半帶濾波-%半帶濾波器時域、頻域響應(yīng)：20-20-40-60-80-100-1200.

12、40.50.6Normalized Frequency (.Ajad/sample)1/1f半帶濾波器的頻譜I路信號頻域、時域響應(yīng)路信號半帶濾波頻域響應(yīng)100-100-2000.10.20.30.40.50.60.70.80.9jJkji1 1rd. iT A卜申丁廠，f* 川產(chǎn)1 .，沖Vi11Normalized Frequency（；門 rad/sample）路信號半帶濾波時域響應(yīng)Q路信號頻域、時域響應(yīng)Q 路信號半帶濾波頻域響應(yīng)Q 路信號半帶濾波時域響應(yīng)7、加入噪聲對其加入AWG噪音（SNR=16dB：%.sn r=8;YIAwg n=awg n( Yl,s nr);figure(7);

13、subplot(2,1,1);freqz(YIAwgn);title( subplot(2,1,2);stem(YIAwgn);title( YQAwg n=awgn(YQ,s nr); figure(8);subplot(2,1,1);freqz(YQAwg n); title(加入噪聲-.%加噪聲 I 路信號頻域相應(yīng)）;加噪聲 I 路信號時域相應(yīng)）；加噪聲 Q 路信號頻域相應(yīng)）；o?euQ?D?o?eodo?oo?io|subplot(2,1,2);stem(YQAwg n); title(加噪聲 Q 路信號時域相應(yīng)）;加噪聲加噪聲I路信號頻域響應(yīng)路信號頻域響應(yīng)6040200-208、經(jīng)過

14、多徑衰減信道加入1路多徑衰落信號(旁徑衰減因子為-12dB、延遲-5us)ts=1/Fs;cha n=rayleighcha n(ts,0,0.000005,-12);YIRay=filter(cha n,YI);加噪聲加噪聲Q路倍號頻域響應(yīng)路倍號頻域響應(yīng)6000.10.2030 40506 D7 08091Normalized Frequency (xn rad/sample)加噪蘆慮信嗒廿域響應(yīng)加噪蘆慮信嗒廿域響應(yīng)40200-2000,10.20.30.40.50.60.70.80.91Normalized Frequency (x rad/sample)加噪聲加噪聲Q路信號時域路信號時域

15、響應(yīng)響應(yīng)?-1yrayleighD?I?D?o?od?io|); %?-1yrayleighD?I?D?o?e6do?oo?io|subplot(2,1,2);stem(YIRay);title(?-1yrayleighD?I?D?o?e6o?io)；YQRay=filter(cha n,YQ);figure(10);subplot(2,1,1);?-1yrayleighD?Q? - D?o?od?io|); %?-1yrayleighD?Q? - D?o?e6o6?oo?io|subplot(2,1,2);stem(YQRay);title(?-1yrayleighD?Q? - D?o?eo

16、o?io)；經(jīng)經(jīng)過過rayleigh道道I路信號路信號頻域響應(yīng)頻域響應(yīng)figure(9);subplot(2,1,1);freqz(YIRay); tltle(freqz(YQRay); title(5oJI0.10.20.30,405060.703091Norinalized Frequency (XILrad/sample)經(jīng)經(jīng)過列恒過列恒igh信道信道I路信號時域響應(yīng)路信號時域響應(yīng)經(jīng)經(jīng)過怡過怡ylmigh信道信道Q路信巧路信巧頻頻域響應(yīng)域響應(yīng)0.10.20.3 D4 06060708091Normalized Frequency (xn rad/sample)經(jīng)過剛經(jīng)過剛Imigh信信道

17、道信號時域信號時域甬應(yīng)甬應(yīng)9、CIC濾波CIC是IIR和FIR濾波器的組合，它能用簡單的結(jié)構(gòu)、較少的資源靈活地實(shí)現(xiàn) 輸入、輸出信號的速率變換。CIC與HBF濾波器相結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)大范圍、高倍數(shù)的信道內(nèi)插。%. CIChm = mfilt.cic in terp(4,1,3);%I 路信號YII_fi=filter(hm,YI);YII = double(YII_fi);figure(7);subplot(2,1,1);freqz(YII);subplot(2,1,2);stem( nnn(1:22)/Fs,YI(1:22),濾波-. %產(chǎn)生 CIC 濾波器%得到內(nèi)插后的采樣點(diǎn)subplot(2

18、,1,2);stem(nnn(1:88)/(Fs*4),YII(4:91),r ); title(I 濾波前后比較);%Q 各信號YQQ_fi=filter(hm,YQ);%得到內(nèi)插后的采樣點(diǎn)YQQ=double(YQQ_fi);figure(8);subplot(2,1,2);stem( nnn (1:22)/Fs,YQ(1:22),filled ); hold on;subplot(2,1,2);5o50200300400500600filled ); hold on|IiII9IIIII100CIC濾波器的頻譜特性:403020I路信號經(jīng)過CIC濾波器輸出的時域和頻域特性及輸入輸出對比為

19、:Q路信號經(jīng)過CIC濾波器輸出的時域和頻域特性及輸入輸出對比為:stem( nnn(1:88)/(Fs*4),YQQ(4:91),r); title(Q 濾波前后對比);1mp) apn匕匚祭-1000201.2x 10T5-Fier #1: Ouanbzed-Fler #1：Reference00.1020.30.40.50.60.70.80.9NgrinatzBd Frequsriqy (x-nrad/sirnfsle)0.10.20.30 40 50 60 70.80.9Normallized Frequency (xn rad/sample)I濾波前后比較濾波前后比較15O510O-10-200.20.40.6 0.0-10000.10.203040.50,6070,80,9Normalized Fnequency (XJIrad/sample)Q濾波前后比較濾波前后比較20100-1010、加載波用正/余弦信號進(jìn)行上變頻，中頻信號為21MHz%. 加載波 2.%nn=1:le ngth(YII);fc=21000000;f0=20000000*64;%I 路信號YIC=YII.*cos(2*pi* nn *fc/f0);% 上變頻f