Matlab及Simulink的QAM調(diào)制解調(diào)仿真

1、天津理工大學(xué)計算機(jī)與通信工程學(xué)院通信工程專業(yè)設(shè)計說明書基于Matlab/Simulink 的16QAM調(diào)制解調(diào)仿真設(shè)計與研究 姓 名 學(xué) 號 班 級 指導(dǎo)老師 日 期 目 錄摘 要2第一章 前 言31.1 Matlab簡介31.2 Matlab下的simulink簡介31.3 Simulink 與通信仿真.4第二章 16QAM62.1 QAM介紹62.2 QAM調(diào)制解調(diào)原理62.3 QAM調(diào)制解調(diào)框圖62.4 正交振幅調(diào)制系統(tǒng)7第三章 16QAM的Matlab仿真93.1 Matlab仿真93.2 Matlab仿真結(jié)果9第四章 16QAM的Matlab-simulin仿真.13 4.1 sim

2、ulink仿真框圖.134.2 simulink仿真參數(shù)設(shè)置.134.3 simulink仿真結(jié)果.164.4 16QAM通信系統(tǒng)性能分析.18第五章 結(jié)論. . 19參考文獻(xiàn)20附錄21摘要MATLAB（矩陣實驗室）是MATrix LABoratory的縮寫，是一款由美國The MathWorks公司出品的商業(yè)數(shù)學(xué)軟件。MATLAB是一種用于算法開發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值計算的高級技術(shù)計算語言和交互式環(huán)境。Simulink是MATLAB軟件的擴(kuò)展，它是實現(xiàn)動態(tài)系統(tǒng)建模和仿真的一個軟件包，與MATLAB語言的主要區(qū)別在于，其與用戶交互接口是基于Windows的模型化圖形輸入，結(jié)果是使得

3、用戶可以把更多的精力投入到系統(tǒng)模型的構(gòu)建，而非語言的編程上。正交振幅調(diào)制QAM(Quadrature Amplitude Modulation)就是一種頻譜利用率很高的調(diào)制方式，其在中、大容量數(shù)字微波通信系統(tǒng)、有線電視網(wǎng)絡(luò)高速數(shù)據(jù)傳輸、衛(wèi)星通信系統(tǒng)等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。數(shù)字調(diào)制具有3種基本方式：數(shù)字振幅調(diào)制、數(shù)字頻率調(diào)制、數(shù)字相位調(diào)制，這3種數(shù)字調(diào)制方式都存在不足之處，如：頻譜利用率低、抗多徑抗衰弱能力差、功率譜衰減慢、帶外輻射嚴(yán)重等。關(guān)鍵詞：Matlab、simulink、調(diào)制、解調(diào)第一章 前言1.1 Matlab簡介MATLAB（矩陣實驗室）是MATrix LABoratory的縮寫，是一

4、款由美國The MathWorks公司出品的商業(yè)數(shù)學(xué)軟件。MATLAB是一種用于算法開發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值計算的高級技術(shù)計算語言和交互式環(huán)境。除了矩陣運(yùn)算、繪制函數(shù)/數(shù)據(jù)圖像等常用功能外，MATLAB還可以用來創(chuàng)建用戶界面及與調(diào)用其它語言（包括C，C+和FORTRAN）編寫的程序。盡管MATLAB主要用于數(shù)值運(yùn)算，但利用為數(shù)眾多的附加工具箱（Toolbox）它也適合不同領(lǐng)域的應(yīng)用，例如控制系統(tǒng)設(shè)計與分析、圖像處理、信號處理與通訊、金融建模和分析等。另外還有一個配套軟件包Simulink，提供了一個可視化開發(fā)環(huán)境，常用于系統(tǒng)模擬、動態(tài)/嵌入式系統(tǒng)開發(fā)等方面。MATLAB和Mathem

5、atica、Maple并稱為三大數(shù)學(xué)軟件。它在數(shù)學(xué)類科技應(yīng)用軟件中在數(shù)值計算方面首屈一指。MATLAB可以進(jìn)行矩陣運(yùn)算、繪制函數(shù)和數(shù)據(jù)、實現(xiàn)算法、創(chuàng)建用戶界面、連接其他編程語言的程序等，主要應(yīng)用于工程計算、控制設(shè)計、信號處理與通訊、圖像處理、信號檢測、金融建模設(shè)計與分析等領(lǐng)域。MATLAB的基本數(shù)據(jù)單位是矩陣，它的指令表達(dá)式與數(shù)學(xué)、工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB來解算問題要比用C，F(xiàn)ORTRAN等語言完成相同的事情簡捷得多，并且MATLAB也吸收了像Maple等軟件的優(yōu)點(diǎn)，使MATLAB成為一個強(qiáng)大的數(shù)學(xué)軟件。在版本中也加入了對C，F(xiàn)ORTRAN，C+，JAVA的支持。可以直接調(diào)用

6、,用戶也可以將自己編寫的實用程序?qū)氲組ATLAB函數(shù)庫中方便自己以后調(diào)用。 1.2 Matlab下的simulink簡介Simulink是MATLAB軟件的擴(kuò)展，它是實現(xiàn)動態(tài)系統(tǒng)建模和仿真的一個軟件包，與MATLAB語言的主要區(qū)別在于，其與用戶交互接口是基于Windows的模型化圖形輸入，結(jié)果是使得用戶可以把更多的精力投入到系統(tǒng)模型的構(gòu)建，而非語言的編程上。所謂模型化圖形輸入是指Simulink提供了一些按功能分類的基本的系統(tǒng)模塊，用戶只需要知道這些模塊的輸入輸出及模塊的功能，而不必考察模塊內(nèi)部是如何實現(xiàn)的，通過對這些基本模塊的調(diào)用，再將它們連接起來就可以構(gòu)成所需要的系統(tǒng)模型（以.mdl文件

7、進(jìn)行存取），從而進(jìn)行仿真與分析。 使用Simulink來建模、分析和仿真各種動態(tài)系統(tǒng)(包括連續(xù)系統(tǒng)、離散系統(tǒng)和混合系統(tǒng))，將是一件非常輕松的事情。它提供的圖形化的交互環(huán)境，只需用鼠標(biāo)拖動的方法便能迅速地建立起系統(tǒng)框圖模型，甚至不需要編寫一行代碼。利用Simulink進(jìn)行系統(tǒng)的建模仿真，其最大的優(yōu)點(diǎn)是易學(xué)、易用，并能依托MATLAB提供的豐富的仿真資源。 Simulink的功能：1. 交互式、圖形化的建模環(huán)境。Simulink提供了豐富的模塊庫以幫助用戶快速地建立動態(tài)系統(tǒng)模型。建模時只需使用鼠標(biāo)拖放不同模塊庫中的系統(tǒng)模塊并將它們連接起來。 2. 交互式的仿真環(huán)境。 Simulink框圖提供了交互

8、性很強(qiáng)的仿真環(huán)境，既可以通過下拉菜單執(zhí)行仿真，也可以通過命令行進(jìn)行仿真。菜單方式對于交互工作非常方便，而命令行方式對于運(yùn)行一大類仿真如蒙特卡羅仿真非常有用。 3. 專用模塊庫(Blocksets)。作為Simulink建模系統(tǒng)的補(bǔ)充，MathWorks公司還開發(fā)了專用功能塊程序包，如DSP Blockset和Communication Blockset等。通過使用這些程序包用戶可以迅速地對系統(tǒng)進(jìn)行建模、仿真與分析。更重要的是用戶還可以對系統(tǒng)模型進(jìn)行代碼生成，并將生成的代碼下載到不同的目標(biāo)機(jī)上。4. 提供了仿真庫的擴(kuò)充和定制機(jī)制。Simulink的開放式結(jié)構(gòu)允許用戶擴(kuò)展仿真環(huán)境的功能：采用MAT

9、LAB、FORTRAN和C代碼生成自定義模塊庫，并擁有自己的圖標(biāo)和界面。因此用戶可以將使用FORTRAN或C編寫的代碼鏈接進(jìn)來，或者購買使用第三方開發(fā)提供的模塊庫進(jìn)行更高級的系統(tǒng)設(shè)計、仿真與分析。 Simulink具有以下特點(diǎn)： 1. 基于矩陣的數(shù)值計算 2. 高級編程語言 3. 圖形與可視化 4. 工具箱提供面向具體應(yīng)用領(lǐng)的功能 5. 豐富的數(shù)據(jù) I/O 工具 6. 提供與其它高級語言的接口 7. 開放與可擴(kuò)展的體系結(jié)構(gòu)1.3 Simulink與通信仿真 仿真是衡量系統(tǒng)性能的工具，它通過仿真模型的仿真結(jié)果來推斷原系統(tǒng)的性能，從而為新系統(tǒng)的建立或原系統(tǒng)的改造提供可靠的參考。仿真是科學(xué)研究和工程

10、建設(shè)中不可缺少的方法。實際的通信系統(tǒng)是一個功能結(jié)構(gòu)相當(dāng)復(fù)雜的系統(tǒng)，對于這個系統(tǒng)作出的任何改變都可能影響到整個系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定。而Simulink作為Matlab提供的用于對動態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行建模、仿真和分析的工具包，提供了仿真所需的信源編碼、糾錯編碼、信道、調(diào)制解調(diào)以及其它所用的全部庫函數(shù)和模塊?？梢姡还軐θ魏螐?fù)雜的通信系統(tǒng)，用Simulink對其仿真都是一個不錯的選擇。第二章 16QAM2.1 QAM介紹 在現(xiàn)代通信中，提高頻譜利用率一直是人們關(guān)注的焦點(diǎn)之一。近年來，隨著通信業(yè)務(wù)需求的迅速增長，尋找頻譜利用率高的數(shù)字調(diào)制方式已成為數(shù)字通信系統(tǒng)設(shè)計、研究的主要目標(biāo)之一。正交振幅調(diào)制QAM(Quad

11、rature Amplitude Modulation)就是一種頻譜利用率很高的調(diào)制方式，其在中、大容量數(shù)字微波通信系統(tǒng)、有線電視網(wǎng)絡(luò)高速數(shù)據(jù)傳輸、衛(wèi)星通信系統(tǒng)等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。在移動通信中，隨著微蜂窩和微微蜂窩的出現(xiàn)，使得信道傳輸特性發(fā)生了很大變化。 過去在傳統(tǒng)蜂窩系統(tǒng)中不能應(yīng)用的正交振幅調(diào)制也引起人們的重視。QAM數(shù)字調(diào)制器作為DVB系統(tǒng)的前端設(shè)備，接收來自編碼器、復(fù)用器、DVB網(wǎng)關(guān)、視頻服務(wù)器等設(shè)備的TS流，進(jìn)行RS編碼、卷積編碼和QAM數(shù)字調(diào)制，輸出的射頻信號可以直接在有線電視網(wǎng)上傳送，同時也可根據(jù)需要選擇中頻輸出。它以其靈活的配置和優(yōu)越的性能指標(biāo)，廣泛的應(yīng)用于數(shù)字有線電視傳輸領(lǐng)域

12、和數(shù)字MMDS系統(tǒng)。 作為國際上移動通信技術(shù)專家十分重視的一種信號調(diào)制方式之一，隨著微蜂窩（Microcell）和微微蜂窩（Picocell）系統(tǒng)的出現(xiàn)，使得信道的傳輸特性發(fā)生了很大變化，接收機(jī)和發(fā)射機(jī)之間通常具有很強(qiáng)的支達(dá)分量，以往在蜂窩系統(tǒng)中不能應(yīng)用的但頻譜利用率很高的WAM已引起人們的重視，許多學(xué)者已對16QAM及其它變型的QAM在PCN中的應(yīng)用進(jìn)行了廣泛深入地研究。2.2 QAM調(diào)制解調(diào)原理在發(fā)送端調(diào)制器中串/并變換使得信息速率為Rb的輸入二進(jìn)制信號分成兩個速率為Rb/2的二進(jìn)制信號，2/L電平轉(zhuǎn)換將每個速率為Rb/2的二進(jìn)制信號變?yōu)樗俾蕿镽b/（2lbL）的電平信號，然后分別與兩個正

13、交載波相乘，再相加后即得MQAM信號。在接收端解調(diào)器中可以采用正交的相干解調(diào)方法。接受到的信號分兩路進(jìn)入兩個正交的載波的相干解調(diào)器，再分別進(jìn)入判決器形成L進(jìn)制信號并輸出二進(jìn)制信號，最后經(jīng)并/串變換后得到基帶信號。2.3 QAM調(diào)制解調(diào)原理框圖 QAM的調(diào)制解調(diào)框圖如圖1和2所示。2/4 電平變換串/并變換 2/4電平變換 LPFLPF圖1 調(diào)制多電平判決多電平判決4/2電平轉(zhuǎn)換4/2電平轉(zhuǎn)換并/串轉(zhuǎn)換 LPFLPF圖2 解調(diào)2.4 正交振幅調(diào)制系統(tǒng)數(shù)字調(diào)制具有3種基本方式：數(shù)字振幅調(diào)制、數(shù)字頻率調(diào)制、數(shù)字相位調(diào)制，這3種數(shù)字調(diào)制方式都存在不足之處，如：頻譜利用率低、抗多徑抗衰弱能力差、功率譜衰

14、減慢、帶外輻射嚴(yán)重等。為了改善這些不足，近幾十年來人們不斷提出一些新的數(shù)字調(diào)制解調(diào)技術(shù)，以適應(yīng)各種通信系統(tǒng)的要求。其主要研究內(nèi)容圍繞著減小信號帶寬以提高信號頻譜利用率；提高功率利用率以增強(qiáng)抗噪聲性能；適應(yīng)各種隨參信道以增強(qiáng)抗多徑抗衰落能力等。例如，在恒參信道中，正交振幅調(diào)制（QAM）方式具有高的頻譜利用率，因此正交振幅調(diào)制（QAM）在衛(wèi)星通信和有線電視網(wǎng)絡(luò)高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)阮I(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。所謂正交振幅調(diào)制是用兩個獨(dú)立的基帶波形對兩個互相正交的同頻載波進(jìn)行抑制載波的雙邊帶調(diào)制。在這種調(diào)制中，已調(diào)載波的振幅和相位都隨兩個獨(dú)立的基帶信號變化。采用多進(jìn)制正交振幅調(diào)制，可記為MQAM（M>2）。增大

15、M可提高頻率利用率，也即提高傳輸有效性。 第三章16QAM的Matlab仿真3.1 Matlab仿真(1)生成一個隨機(jī)且長度為10000的二進(jìn)制比特流，畫出了前50個比特的信號圖。(2)在MATLAB中16QAM調(diào)制器要求輸入的信號為0-15這16個值，所以需要用函數(shù)reshape和bi2de將二進(jìn)制的比特流轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的十六進(jìn)制信號。(3)利用MATLAB中的modem.qammod函數(shù)生成16QAM調(diào)制器，再通過其對信號進(jìn)行調(diào)制并畫出信號的星座圖。(4)通過awgn 信道在16QAM信號中加入高斯白噪聲（假設(shè)Eb/No=15db）。(5)利用MATLAB中的scatterplot函數(shù)畫出通過

16、信道后接受到的信號的星座圖。(6)利用MATLAB中的eyediagram函數(shù)生成經(jīng)過信道后的眼圖。(7)利用MATLAB中的demodulate和modem.qamdemod函數(shù)生成解調(diào)器對16QAM信號的解調(diào)，并將十六進(jìn)制信號轉(zhuǎn)化成二進(jìn)制比特流信息。(8)用得到比特流信息除以原始發(fā)送的比特流信息來計算誤碼率。3.2 Matlab仿真結(jié)果運(yùn)用函數(shù)編寫程序，分別出現(xiàn)8個圖如下：圖1 前50個比特的信號圖（二進(jìn)制的比特流）圖2 前50個比特的信號圖（十六進(jìn)制的比特流）圖3 16QAM調(diào)制器調(diào)制后的信號星座圖圖4 含白噪聲的信號星座圖圖5 不含白噪聲的信號星座圖圖6 眼圖圖7 16進(jìn)制的比特流圖8

17、 二進(jìn)制的比特流第四章 16QAM的Matlab-simulink仿真4.1 simulink仿真框圖通過選擇的器件組成仿真圖，分別出現(xiàn)2個圖如下：圖1 simulink仿真框圖（星座圖）圖2 simulink仿真框圖（波形）4.2 simulink仿真參數(shù)設(shè)置如下參數(shù)設(shè)置，可以正常的運(yùn)行。圖3 Random Integer Generator（隨機(jī)整數(shù)產(chǎn)生器）參數(shù)設(shè)置圖4 Rectangular QAM Modulator Baseband（矩形QAM調(diào)制器基帶）參數(shù)設(shè)置圖5 Awgn Channel（AWGN信道）參數(shù)設(shè)置圖6 Rectangular QAM Demodulator Bas

18、eband（矩形QAM解調(diào)基帶）參數(shù)設(shè)置圖7 Error Rate Calculation（錯誤率的計算）參數(shù)設(shè)置圖8 Display（顯示器）參數(shù)設(shè)置圖9 Discrete-Time Scatter Plot Scope（離散時間散點(diǎn)圖的范圍）參數(shù)設(shè)置4.3 simulink仿真結(jié)果通過連接器件及設(shè)置參數(shù)完成仿真圖，運(yùn)行分別出現(xiàn)3個圖如下：圖10 調(diào)制星座圖圖11 解調(diào)星座圖圖12 調(diào)制前與解調(diào)后對比波形圖 當(dāng)信噪比較大時,誤碼率接近為0。調(diào)制前與解調(diào)后圖形幾乎一致。4.4 16QAM通信系統(tǒng)性能分析 在仿真過程中有許多的因素決定著16QAM調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)的抗噪聲性能，例如濾波器的性能以及它的

19、通頻帶的設(shè)計、抽樣判決的位置、判決門限的設(shè)定和時間延遲等都或大或小的影響著它的結(jié)果。通過MATLAB仿真出16qam的誤碼率曲線。從曲線中可以看出隨著信噪比的增大，誤碼率在緩慢減小。當(dāng)信噪比增大到一定程度時，誤碼率減小較快。圖13 16QAM誤碼率曲線第五章 結(jié)論 本文研究的重點(diǎn)是對基于MATLAB/SIMULINK的16QAM 調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計與仿真，得到以下的結(jié)論：1. 對16QAM調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)基本原理進(jìn)行了較為深入地理解與分析，并且根據(jù)其原理構(gòu)建了Simulink的仿真模型。2. 熟悉地掌握Matlab/Simulink軟件在通信系統(tǒng)設(shè)計與仿真的基本步驟與方法。3. 利用Matlab

20、/Simulink 實現(xiàn)了16QAM調(diào)制與解調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計，實現(xiàn)與仿真，并得到相應(yīng)的調(diào)制解調(diào)波形，發(fā)現(xiàn)解調(diào)信號波形與輸入信號波形存在一定時延，所以該系統(tǒng)的實時性有不足，但并不影響對誤碼率的檢測，以及系統(tǒng)能夠的抗噪聲性能。4. 對16QAM調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)的抗噪聲性能進(jìn)行分析，通過仿真得到了16QAM系統(tǒng)的誤碼率曲線，曲線趨勢與理論曲線基本一致。 在本文所涉及的設(shè)計仿真工作存在一些不完善的地方，需要進(jìn)行改進(jìn)和完善，主要包括以下幾個方面：1、Matlab/Simulink軟件雖然功能齊全，但不適用于對復(fù)雜通信系統(tǒng)的模塊化設(shè)計，主要體現(xiàn)在仿真速度緩慢，設(shè)計模型的方式不夠靈活。2、系統(tǒng)設(shè)計中解調(diào)輸出波形與輸

21、入信號波形有較長時延，不利于通信的實時性。需要進(jìn)行改進(jìn)模型，減小時延。最后，感謝老師和同學(xué)的幫助，使我學(xué)到了很多知識。 參考文獻(xiàn)1 樊昌信 曹麗娜，通信原理 國防工業(yè)出版社 2001年2 張輝 等，現(xiàn)代通信原理與技術(shù) 西安電子科技大學(xué)出版社 2002年 3 曹志剛 等，現(xiàn)代通信原理 淸華大學(xué)出版社4 李賀冰 等，Simulink通信仿真教程 國防工業(yè)出版社 2006年附錄1、 程序如下：M=16;k=log2(M);n=100000; %比特序列長度samp=1; %過采樣率x=randint(n,1); %生成隨機(jī)二進(jìn)制比特流stem(x(1:50),'filled'); %

22、畫出相應(yīng)的二進(jìn)制比特流信號title('二進(jìn)制隨機(jī)比特流');xlabel('比特序列');ylabel('信號幅度');x4=reshape(x,k,length(x)/k); %將原始的二進(jìn)制比特序列每四個一組分組，并排列成k行l(wèi)ength(x)/k列的矩陣xsym=bi2de(x4.','left-msb'); %將矩陣轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的16進(jìn)制信號序列figure;stem(xsym(1:50); %畫出相應(yīng)的16進(jìn)制信號序列title('16進(jìn)制隨機(jī)信號');xlabel('信號序列')

23、;ylabel('信號幅度');y=modulate(modem.qammod(M),xsym); %用16QAM調(diào)制器對信號進(jìn)行調(diào)制scatterplot(y); %畫出16QAM信號的星座圖text(real(y)+0.1,imag(y),dec2bin(xsym);axis(-5 5 -5 5);EbNo=15;snr=EbNo+10*log10(k)-10*log10(samp); %信噪比yn=awgn(y,snr,'measured'); %加入高斯白噪聲h=scatterplot(yn,samp,0,'b.'); %經(jīng)過信道后接收到

24、的含白噪聲的信號星座圖hold on;scatterplot(y,1,0,'k+',h); %加入不含白噪聲的信號星座圖title('接收信號星座圖');legend('含噪聲接收信號','不含噪聲信號');axis(-5 5 -5 5);hold on;eyediagram(yn,2); %眼圖yd=demodulate(modem.qamdemod(M),yn); %此時解調(diào)出來的是16進(jìn)制信號figure;stem(yd(1:50); %畫出相應(yīng)的16進(jìn)制信號序列title('16進(jìn)制信號');xlabel(

25、'信號序列');ylabel('信號幅度');z=de2bi(yd,'left-msb'); %轉(zhuǎn)化為對應(yīng)的二進(jìn)制比特流z=reshape(z.',numel(z),1');figure;stem(z(1:50); %畫出相應(yīng)的16進(jìn)制信號序列title('二進(jìn)制信號');xlabel('信號序列');ylabel('信號幅度');number_of_errors,bit_error_rate=biterr(x,z)number_of_errors = 0bit_error_rate

26、 = 0誤碼率曲線程序：clear all;Fd = 1; Fs = 1;N= 70000 ; % Number of simulated pointsmethod='qask' % Quadrature amplitude modulationset(1) = 4; set(2) = 16; set(3) = 64; % Sizes of constellationsj=2;M = set(j); % Size of M-QAM constellation l=1:1:M; aux = sum(abs(modmap(l-1,Fd,Fs,method,M).2)/M; energy(j) = aux(1)+aux(2); i=1; for esno=0:2:26; si