QPSKQAM的调制通信仿真毕业论文[实用论文]

QPSK, QAM的调制通信仿真毕业论文实用论文论文题目：QPSK, QAM的调制通信仿真专业班级:学生：签名：指导教师： 签名：摘要本文主要讨论了 QPSK,.QAM的调制解调原理，分析了它们的调制解调实现过 程。然后用MATLAB对QPSK, QAM的调制过程进行了通信系统仿真，具体分析了调 制过程的每一步是如何实现的，并运用Monte Carlo仿真得出了它们的误码率曲线 图并加以分析。最后对QPSK，QAM两种调制方式进行比较，得出它们各有优缺点。【关键词】QPSK QAM星座图 误码率【论文类型】软件设计理论研究1Title： QPSK, QAM modulation correspondence simulation Major：Electronic Information of Science and Technology Name： Signature：Supervisor： Signature：ABSTRACTThis article mainly discusses the modulation demodulation principle of the QPSK ,QAM. And it analyzes their modulation demodulation realization process. Then it carries on the communications system simulation with MATLAB to the QPSK, QAM modulation process, analyzes how each step of the modulation process specifically realizes. And obtains their error rate diagram of curves using Monte the Carlo simulation and analyzes. Finally carries on comparison to the QPSK, QAM two modulation ways, obtains their good and bad points respectively.【Key words】 QPSK, QAM, Scatter diagram，Error rate【Type of Thesis】 Theories Analysis Software Development2、八、前言通信技术融入计算机和数字信号处理技术以后发生了革命性的变化，它和计算 机技术，数字信号处理技术结合是现代通信技术的标志。广义上讲，用任何方法， 通过任何传输媒质将从一个地方传送到另一个地方，均可称为通信。通信的目的是 为了进行消息的有效传递与交换。直到19世纪初，人们开始利用电信号传输消 息。从1837年莫尔斯(F.B.Mores)发明电报算起，一个世纪以来，通信的发展大致经 历了三大阶段;从1837年发明电报(莫尔斯电码)为标志的通信初级阶段;以1948年 香农(Shannon)提出的信息论开始的近代通信阶段；以20世纪70年代出现的光纤通 信为代表的和以综合业务数字网迅速崛起为标志的现代通信阶段。光纤通信技术， 卫星通信技术和移动通信技术成为现代通信技术的三大主要发展方向。数字调制技术作为这些领域中极为重要的一个方面，也得到了迅速发展。随着 数字调制技术的出现，在有限的带宽内传输高速的数据已成为可能，并且与过去使 用的模拟调制，如调幅(AM)和调频(FM),频移键控(FSK),开关键控(OOK),脉宽调 制(PWM)，脉位调制(PPM)，脉幅调制(PAM)等技术相比有更高的可靠性和抗干扰 性。新型的数字调制与过去的一些离散数字/模拟调制技术有很多相同的地方。像 开关键控和频移键控，它们在离散的时间上有离散的状态无论这些状态是幅 度，相位还是幅度/相位。通过这些状态可以定义被传送的信息，同时这些状态的 数量可以决定链路能传输的数据量。然而，数字调制可以只被看作是正交幅度调制 (QAM)，正交相移键控(QPSK)，二进制相移键控(BPSK)以及由这些技术派生的调制 方法。因此，本课题选择正交相移键控(QPSK)和正交幅度调制(QAM)作为研究对 象，正是希望在此基础上可以深入的了解和学习现代通信技术。3目录1调制解调技术简介 11.1通信系统的一般模型 11.2调制的功能和分类 11.2.1调制的功能 11.2.2调制的分类 2 1.3常用数字调制方式 2 2 MATLAB 简介 42.1仿真用到的一些主要的MATLAB库函数43高斯型白噪 74 QPSK系统仿真 84.1QPSK 简介 84.1.1QPSK信号简介 84.1.2 QPSK相位解调与检测 94.1.3 QPSK调制解调原理 10 4.2运用MATLAB实现QPSK的仿真 124.2.1 仿真思路 124.2.2仿真过程及结125 QAM系统仿真 145.1正交幅度调制(QAM)的矢量表示 145.1.1 MQAM信号表示式 145.1.2MQAM的信号的矢量表示 14 5.2 QAM的星座图 155.2.1星座图的分类 155.2.2 星座图的选择参数 15 5.3矩形星座MQAM信号的产生 16 5.4 16QAM的调制信号 175.5 16QAM的仿真过程及结18 6 QPSK, QAM 的比较 20结束语 22致谢 错误未定义书签。231参考文献 23英文原文 24 中文译文 3321 调制解调技术简介自由振荡是一种常见的自然现象,电的振荡以电磁波方式在空间传播。为了利 用电磁波传输信息,需要将自由振荡的电磁波（通称为载波）加以调制,即用表示待 传输信息的信号（基带信号）对载波进行调制。调制可以通过改变一高频载波的幅 值,频率或相位来实现。与调制相反,解调就是从调制信号中抽取基带信号的过程，其目的是使基带信号可以被约定的接收者进行处理和解释。本章介绍在移动通信系统中使用的各种调制技术。1.1通信系统的一般模型I慣怠攥一t股锻说务一*常遗接瞳協刍I彳飾老 nr 一图1.1.1通信系统模型1.2调制的功能和分类1.2.1调制的功能1) (频谱变换为了信息有效与可靠传输，利用指定的信息类型，往往需要将低频信号的基带 频谱搬移到适当的或指定的频段。例如，对于音频信号或基带数字代码，因较大的 损耗不适于长距离传送，如果利用无线信道或分配的频段实施通信，需要基带频谱 通过某种调制方式搬移到高频波段。这样可以提高传输性能，以较小的发送功率与 较短的天线来辐射电磁波。如果天线高度为辐射信号波长的1/4，更便于发挥天线 的辐射能力。于是，分配民用广播的频段为5351605kHZ(中频段)，对应波长为 187560m,天线需要几十米到上百米;而移动通信手机天线只不过10cm,它使用了 900MHz频段。这些广播与移动通信都必须进行某种调制，而将话音或编码基带频 谱搬移到应用频段。2) (实现信道复用 为了使多个用户的信号共同利用同一个有较大带宽的信道，可以采用各种复用 技术。如模拟电话长途传输是利用不同频率的载波进行调制。将各用户话音相隔 4kHz搬移到高频段进行传输，这种载波电话系统采用的是频率复用。如将基带话 音进行数字化一一脉冲编码调制(PCM)，30个用户数字话音可由时间复用而利用同 一条基带信道。3) (提高抗干扰能力 不同的调制方式，在提高传输的有效性和可靠性方面各有优势。如调频广播系 统，采1 用频率调制技术，付出多倍带宽的代价，但抗干扰性能强，其音质比只占10kHz 带宽的调幅广播要好得多。作为提高可靠性的一个典型系统是扩频通信，它 是以大大扩展信号传输带宽，达到有效抗拒外部干扰和短波信道多径衰落的特殊调 制方式。1.2.2 调制的分类 大部分调制系统，通常是将待发送的信号和某种载波信号有机结合，产生宜传 送的已调信号，调制器可视为一个六端网络，其中一个端对输入待传送的含有信息 的信号调制信号m(t),另一端对输入载波c(t),输出端对为已调波s(t),使载波的某一二个参量成某种规律的受控于调制信号的变化规律。根据m(t)和c(t)的不 同类型和完成调制功能的调制器传递函数不同，调制分为以下多种方式。1(按调制信号m(t)的类型分(1) 模拟调制:调制信号m(t)是连续变化的模拟量，如话音与图象信号。(2) 数字调制:调制信号是数字化编码符号或脉冲编码波形。2(按载波信号c(t)的类型分(1) 连续波调制:载波信号为连续波形，通常以正弦作为载波。(2) 脉冲调制:载波信号是脉冲波形序列。3(按调制器的不同功能分(1) 幅度调制:以调制信号去控制载波的幅度变化，如模拟调幅，脉冲幅度调制 (PAM)，幅移键控(ASK)。(2) 频率调制：以调制信号去控制载波信号的频率变化，如模拟调制(FM),频移 键控(FSK),脉宽调制(PDM)。(3) 相位调制：以调制信号去控制载波信号的相位变化，如模拟调相(PM)，相移 键控(PSK)，脉位调制(PPM)。4) (按调制器的传输函数分(1) 线性调制：已调号的频谱与调制信号频谱是线性的频谱位移关系，如各种幅 度调制，幅移键控(ASK)。(2) 非线性调制：已调信号的频谱与调制信号频谱没有线性关系，即调制后派生 出大量不同于调制信号的新频率成分，如调频(FM),调相(PM)，频移键控(FSK)。 1.3常用数字调制方式在数字通信系统中，任何方案都必须满足以下两点：(1)在最低的传输功率和实 际带宽下实现可靠通信，(2)最大数据速率。事实上，带宽，功率，噪声和信息容 量是由香农信息理论相互联系起来的。香农信息理论说明传输的速度是由通信的带 宽和信噪比(SNR)CWSNR,，log( 1)所限制，有如下公式：2其中，C为数据通信链路的容量，单位为bit/s,W为信道的带宽，单位为Hz;SNR为信噪2比,单位为dB。表1.3.1显示了最普通的调制方案在理论上每符号所能传输的 最大比特数。因为硬件和传输损耗，在真正的无线电通信系统里这些最大数据速率 是永远达不到的。根据纠错技术理论，在不同的调制方式下维持需要的误比特率所 要求的信噪比也不同，见表1.3.2相同的误比特率而引起的SNR的增加。表1.3.3显示了不同的调制方式它们的h值及状态，幅度和相位的数目。表1.3.3通用调制方式及其各项属性32 MATLAB 简介在科学研究和工程应用中，往往要进行大量的数学计算，其中包括矩阵运算。 这些运算一般来说难以用手工精确和快捷地进行，而要借助计算机编制相应的程 序做近似计算。目前流行用Basic、Fortran和c语言编制计算程序，既需要对有 关算法有深刻的了解，还需要熟练地掌握所用语言的语法及编程技巧。对多数科学 工作者而言，同时具备这两方面技能有一定困难。通常，编制程序也是繁杂的，不 仅消耗人力与物力，而且影响工作进程和效率。为克服上述困难，美国Mathwork公 司于1967年推出了 “Matrix Laboratory(缩写为MATLAB)软件包，并不断更新 和扩充。目前最新的6.x版本(windows环境)是一种功能强、效率高便于进行科学 和工程计算的交互式软件包。其中包括:一般数值分析、矩阵运算、数字信号处 理、建模和系统控制和优化等应用程序，并集应用程序和图形于一便于使用的集成 环境中。在此环境下所解问题的MATLAB语言表述形式和其数学表达形式相同，不 需要按传统的方法编程。不过，MATLAB作为一种新的计算机语言，要想运用自 如，充分发挥它的威力，也需先系统地学习它。但由于使用MATLAB编程运算与人 进行科学计算的思路和表达方式完全一致，所以不象学习其它高级语言-如 Basic、Fortran和C等那样难于掌握。实践证明，你可在几十分钟的时间内学会 MATLAB的基础知识，在短短几个小时的使用中就能初步掌握它.从而使你能够进行 高效率和富有创造性的计算。MATLAB大大降低了对使用者的数学基础和计算机语 言知识的要求，而且编程效率和计算效率极高，还可在计算机上直接输出结果和精 美的图形拷贝，所以它的确为一高效的科研助手。自推出后即风行美国，流传世 界。2.1仿真用到的一些主要的MATLAB库函数1) randint 产生随机分布的整数矩阵。有以下几种用法:(1) OUT=randint产生一个0或1，两者出现概率相等；(2) OUT=randint(M)随机产生一个MXM的由0和1星座图成的矩阵，0和1出 现的概率相等；(3) OUT=randint(M,N)随机产生一个MXN的由0和1星座图成的矩阵，0和1 出现概率相等；(4) OUT=randint(M,N,RANGE)随机产生一个MXN的矩阵，RANGE可以是标量或 二维向量。2) lengthLength(M)求出序列M的长度，即所包含的序列点数。3) mod求余运算。Mod(x,y)求出以x为被除数，y为除数的余数。44) qammod正交幅度调制。Y = QAMMOD(X,M)用QAM调制X输出调制信号的复包络。M是MQAM中的M,是 二的整数次幂。输入信号X是有0M-1的整数星座图成的，信号窗是一个矩形 窗，5) scatterplot产生一个星座图。Seatterplot(x)产生一个x的星座图，x可以是一个向量，或者一个二维实矩 阵。6) fft离散傅立叶变换。Fft(x)是x的离散傅立叶变换，对于矩阵，FFT被用于每一行。7) absAbs(x)求出向量x的模。8) plot 最基本的二维图形绘制函数，也是最重要的函数之一。该函数有不同的输入参数以实现不同的功能:(1)plot(y)其中，y是一个向量。plot以该参数的值为纵坐标，横坐标从一开始自动赋值 为向量1 2 3，向量的方向和长度与参数y相同。(2) plot(x,y)这是最常见的形式。X为横坐标向量，y为纵坐标向量。(3) plot(x,y,选项) 这里的选项包括线形、颜色、数据点标记符号等特性的设置。9) stem用来绘制离散的二维图形，其用法与plot 一致。10) axis 用来指定所做图的边界，外观，控制缩放比例。其用法为 axis(XMIN XMAX YMIN YMAX )，可以控制X轴和Y轴上图象的缩放比例。11) Xlabel, ylabel分别用来对x轴、y轴进行标注。其所使用的格式为(以xlabel为例)： xlabel(text,property1propertyValuel,property1,property Valye2,)12) title为图形添加标题，其用法与xlabel用法一致。13) text5文本注释。Tex t(x,y,s tring)把注释加到坐标(x,y)的位置上。14) subplot把一幅图分成几部分。H二subplot(m,n,p)把当前图形分成mXn个小图，并在指定的第p个小图中画 图。63 高斯型白噪声假想一种理想化的噪声形式，认为它覆盖的频段不受限于实际通信系统的频 段，并包括电磁辐射全部可见频率，将这种噪声成为白噪声，从以下三方面描述其 特点及统计特性。n0( 1)功率谱呈均匀分布，并覆盖全频域()，S,n2n式中，一-白噪声(单边)功率谱密度，W/Hz。白噪声是带宽无限，功率谱为均 匀的特殊0随机过程。这也正是可见光白光的特性，故将这种理想化构思的噪声成为 “白”噪声。n,10n(2)白噪声的自相关函数是强度为/2的冲激函数，即由()，RFS，0nn，2，此看来，白噪声是自相关函数为“冲激”或不自相关的过程(只能为0)，它的 统计特性符合高斯型，它的时域波形在任何两时间截口处的随机变量不相关且统计 独立。(3) 进一步描述白噪声的时域波形特点:由于它的自相关函数是冲激函数，其时 域波形是由极大量的，互为统计独立，随机发生的(包括发生时间，大小与极性的 随机性)极窄脉冲的集合，其均值自然为0，必然符合中心极限定理，故呈高斯型 分布特征。74 QPSK系统仿真4.1QPSK简介4.1.1QPSK信号简介在数字相位调制中，M个信号波形可表示为jft2,jmM2(1)/,c，stgtee,Re，m，,2， ,，,gtftm()cos21,，c,M， 22,gtmftgtmft()cos1cos2()sin(1)sin2,，,ccMM(m=1,2,，M，) 0,tT,2(l)/m M式中，g( t)是信号脉冲形状，(m=l,2, M)是载波的M个可能的 相m位，用于传送发送信息。这些信号波形具有相等的能量，即TT1122 ,stdtgtdt()()mg,0022ft( )f t()而且这些信号波形可以表示为两个标准正交信号波形和的线性星座图 合，即 12stsftsft()()(),，式中 mmmll222 ftgtft, ()()cos21c,g2ftgtft, ()()sin22c,g，且二维向量sss,为mmm1,2，,22,ggsmm,cos(1),sin(1) (m=1,2,，M) ,mMM22,，其中当M=4时就是本文要讨论的4PSK(QPSK)，QPSK的载波相位有四种取值， 每种取值代表两比特的信号。随着信号的改变，幅度恒定的载波信号的相位在四种取值间 跳变。这四,/2,3/2个相位的取值为间隔相等的值，比如，0，每一个相位值对应于 唯一的一对,/4,QPSK消息比特。有一种变形，称为是通过在每一个符号间隔的载波相位中 引入附加的相移来使符号同步变得容易些。 ,/4QPSK信号可以表示为：2E,，s0,tT ，i=1，2，3，4 ,，,Stti()cos(1),SQPSKc,T2，s80, tT,式中E为单位符号的信号能量，即时间内的信号能量;为载波角频率， TScSs为符号持续时间。QPSK信号可以看成是对两个正交的载波进行多电平双边带调制后所得信号的叠 加，因此可以用正交调制的方法得到QPSK信号。QPSK信号的星座如图4.1.1所示：图4.1.1 QPSK信号星座图4.1.2 QPSK相位解调与检测从AWGN信道中，在一个信号区间内接收到的带宽信号可以表示为rtutnt,()()，m,，,utntftntft()()cos(2)()sin(2)mccscnt( )n t()这里和是加性噪声的两个正交分量。cs,()()cos(2)tgtft,gtft()sin(2),()t 可以将这个接收信号与，给出的和lTc2Tcl,()t作相关，两个相关器的输出产生受噪声污损的信号分量，它们可表 示为222,mm,，,， rsnnn(cossin),mscssMMnn式中和定义为cs,1 ngtntdt, ()()cTc,2,1 ngtntdt, ()()sTs,2nt( )n t()这两个正交噪声分量和是零均值，互不相关的高斯随机过程。这样， csEnEn()()O,Enn()O,nn 和。和的方差是 cscscs9N220 ()()EnEn,cs2s最佳检测器将接收信号向量r投射到M个可能的传输信号向量之一上去， 并选取m对应于最大投影的向量。据此，得到相关准则为Crsrs(,), ，m=0,1,，M-1 mm 由于全部信号都具有相等的能量，因此，对数字相位调制一种等效的检测器标 准是计算接rr收信号向量r=(,)的相位为csrs ,arctan rrcs,并从信号集中选取其相位最接近的信号。mr在AWGN信道中，因为二相相位调制与二进制PAM是相同的，所以差错概率为，2,b,PQ,，式中是每比特的能量。四相相位调制可以看作两个正交载波上 的二相相，b2N0，位调制系统，所以1个比特的差错概率与二相相位调制是一样的。对于M4的符号差错概P率不存在简单的闭式表达式。对的一种好的近似式是M，2,sPQ,2sin,MNM0，2k,b,2sinQ,NM0，kM,log式中比特/符号。24.1.3 QPSK调制解调原理四相相位键控（QPSK）也称之为正交PSK,其调制原理如图4.1.2所示。FFGA1图4.1.2 QPSK调制原理图如果输入的二进制信息码流（假设+1V为逻辑1, -1V为逻辑0）串行进入比特分 离器，产生2个码流以并行方式输出，分别被送入1（正交支路）通道及Q （同相支路） 通道，又各自经过一个平衡调制器，与一个和参考振荡器同频的正交的载波（和）调 sin, tcos,t制形成了四相相移键控信号即得到平衡器的输出信号后，经过一个带 通滤波器，然后再进10入行信号叠加，可以得到已经调制的QPSK信号。QPSK的4种（I, Q星座图合 为4种0 0，0 1，1 0，1 1）输出相位有相等的幅度，而且2个相邻的相 位相差值为90度，但2,m是输出相位并不满足（m=0,1,M-1）,信号相位移可以偏移45度和-45度， 接,mM受端仍可以得到正确的解码，实际中数字输入电压必须比峰值载波电压高出很多，以确保平衡器的正常工作。经过调制的信号通过信道传输到达用户端，需要进行解调，这样一过程是与调制相类似的逆过程。首先，QPSK信号经过功率分离器 形成两路相同的信号，进入乘积检验波，用两个正交的载波信号(和)实现相干解 调，然后各自通过一个sin, tcos,t低通滤波器滤波得到低频和直流的成分，再经过一个并行-串行变换器，得到 解调信号。QPSK的解调原理如图4.1.3所示。图4.1.3 QPSK解调原理图目前QPSK调制的实现主要是利用数字电路和专用芯片来完成，通常利用可编 程数字电路对基带信号进行码元变换，差分编码，成型滤波等处理后得到同相分量 和正交分量，然后将两路信号分量经过数模转换获得模拟信号送入一个正交相乘器 与中频载波调制得到中频QPSK调制信号。该方法适合高码率数字信号的传输，但 系统的开放性和灵活性较差。在解调过程中，若不考虑信道失真及噪声的影响,加到解调器输入端的接收信 号在一stgtkTt ()()cos(),，,Sck个码元持续时间内可表示为：k,，gtt()cos(),ck式中，g(t)为信号的包络；, 为码元中的载波相位; k,为载波角频率； c该信号同时加到两个鉴相(相乘)器上，在上支路积分器输出电压为：11TsUgtttdt,，()cos()cos,1ckc,0 TTss11,， gttdtgtdt()cos(2)cos(),kk,2200TUT取样器在七=时刻对进行取样，所得到的是两个电压的叠加，即前一积分在 时刻的sisTT积分值加上后一积分在时刻的积分值。当持续时间内包含整数个载波周期 时，前一积ssTT分在t二时刻的积分值为0,这时测到取样值完全由后一个积分所决定。后一 积分在t=ssl/2cos,时刻的积分值是与包络g(t)的面积的乘积。因此I支路取样器的输出 电压与kcos,成正比，即kU,cos, 1ksin,同理可得Q支路的输出电压与成正比，即kU,sin, kk 若判决器按极性判决，正的取样值为“1”，负的取样值为“0”，则可将调相 信号解调为相应的数字信号，再经并串变换即可恢复出与发送端完全相同的数字信 号。4.2运用MATLAB实现QPSK的仿真4.2.1 仿真思路整体思路1) 全面、深刻地理解QPSK调制系统的基本原理，弄清系统中每个子模块的本 质原理，为后面的设计提供正确的理论指导，少走弯路。2) 熟悉MATLAB的基本工作环境和基本操作，重点掌握界面制作、有关函数功 能作用。3)更深入的学习MATLAB中的M-File编程，函数编写，各种指令的功能 和用法，为下一步的设计打基础。4) 确定设计过程中要解决的主要问题:(1) 如何实现输入的二进制序列。(2) 如何实现串并变换功能。(3) 如何对串并变换后的序列进行调制。(4) 如何由支路信号的调制合成QPSK信号。(5) 如何绘出最终的调制波形。(6) 如何绘制信号的误码率曲线图5) 在主要功能都设计好的情况下，修改完善整个系统，美化界面。 4.2.2仿真 过程及结果下面是用MATLAB做出的对信号波形及误码率曲线图的仿真实现过程。12 具体思路是这样的:1) 首先设定一个由0和1星座图成的随机序列作为假定的输入序列;2) 把它分成I路和Q路两条支路信号，这两路信号一路为奇信号，一路为偶 信号，传输比特速率为原信号的一半;3) 分别对两路信号进行BPSK调制并输出调治波形，调制的载波一路为 sin(2*pi*Fc*t)，另一路为cos(2 *pi *Fc *t)，是两个正交的载波；4) 把两路信号相加，输出的就是QPSK信号，把信号波形画出；5) 运用Monte Carlo仿真得出误码率曲线图。以下为运用Monte Carlo仿真得出误码率曲线图要仿真产生随机向量r，它是信号相关器的输出和检测器的输入。先产生一个4种符号（2比特）的序列，将它映射到相应的四相信号点。为了完成这个任务，利 用一个随机数发生器，它产生（0，1）范围内的均匀随机数。再将这个范围分成4个 相等的区间（0，0.25）,（0.25,0.5）,（0.5,0.75）,（0.75,1.0） 这些子区间分别对应 于00,01,11和10信息比特对,再用这些比特对来选择信号相位向量2snn。加性噪声分量和都是统计独立零均值，方差为的高斯随机变量。为方便计，,mcs2,可以将方差归一化到，而通过给信号能量参数加控制接收信号中的SNR,反之亦然。 ,1srsn,，检测器观察到接收信号向量，并计算r在4种可能的信号向量上的投影 （点m乘）。根据选取对应于最大投影的信号点作判决，从检测器的输出判决与传输符号作比较，/N最后对符号差错和比特差错记数。图4.2.1给出的是对于不同的SNR参数（这里b0,/2是比特能量），传输10000个符号的仿真结果。bs图4.2.1仿真误码率曲线图5 QAM系统仿真我们在单独使用振幅或相位携带信息时，不能充分地利用信号平面。采用多进 制振幅调制时，矢量端点在一条轴上分布，采用多进制相位调制时，矢量端点在一 个圆上分布。随着进制数M的增大，这些矢量断点之间的最小距离也随之减小。为了充分地利用整个平面。将矢量端点重新合理地分布，在不减小最小距离的 情况下，增加信号矢量的端点数目。我们可以采用振幅与相位相结合的调制方式， 这种方式常称为数字复合调制方式。一般的复合调制称为幅相键控(APK)。两个正 交载波幅相键控称为正交幅度调治(MQAM)。MQAM有4QAM, 8QAM，16QAM，64QAM等多种，我们主要讨论16QAM。5.1正交 幅度调制(QAM)的矢量表示ft sin(2,f t)QA M信号使用两个正交载波cos(2)和，其中每一个都被一个独立 的cc信息比特序列所调制，然后把两路调幅信号合路，构成正交幅度调制信号。它 的特点是各码元之间不仅幅度不同，相位也不同，属于幅度和相位相结合的调制方 式。5.1.1 MQAM信号表示式设同相和正交支路的基带数字信号分别是x(t)和y(t)，则MQAM信号为：S,x(t)cos2,ft，y(t)sin2,ft QAMccx( t),xg( t,kT)其中，kbky(t),yg(t,kT) ,kbkyTx为码元间隔，和为同相和正交支路的多电平码元，一般取幅度间隔相等的 双极kbk性码，如,1,3，MQAM信号也可表示成jwtc stajagtVe()Re()()Re,，,QAMiiTics0, tTi=l,2,3,.，M s,arctan(/)ab ii由上式可看出,MQAM信号也可看为联合控制正弦载波的幅度及相位的数字调制 信号。5.1.2MQAM的信号的矢量表示MQAM信号波形可表示为两个归一化正交基函数的线性星座图合，即stsft sf t()( )(),0, tT i=l,2,3,：.，M iiill22s 其中，两个归一化正交基 函数为1420,tT ftgtwt,()()coss1TcEg20,tT ftgtwt,()()sins2TcEgTEsg i=l,2,3,.，M ()()ss tftdt a,liii,lc02TEsg i=l,2,3,.，M ()()sstftdta,22iii,c02MQAM信号波形的二维矢量，EEggsssaa, ，i=l,2,3,.，M ,iiiiil2cs22,，5.2 QAM的星座图5.2.1星座图的分类信号矢量端点的分布图称为星座图通常，可以用星座图来描述MQAM信号的信 号空间分布状态.通过对MQAM信号星座图的优化设计,可以得到性能各异的MQAM调制方案。MQAM信号星座图有圆形星座图、不均匀圆形星座图和矩形星座图三大类型。图1.1-a、b、c分别示出了 16QAM(M=4)以上三种类型的星座图。图5.2.1 MQAM典型星座图5.2.2 星座图的选择参数在采用MQAM误码率及频带利用率外,还需要考虑其它一些有关该调制方式的参 数，如:MQAM调制信号的峰值 均值比Y,星座点间最小的欧几里德距离dmin和信号 最小相位偏移Gmin。对于不同的传输系统，对这些参数的要求各不相同。(1) MQAM信号的峰值均值比Ym QAM信号的峰值 均值比Y的大小反映了 MQAM信号的抗非线性失 真能力，尤其是由非线性功率放大器所造成的非线性失真。Y值越大，其抗非线性 失真性能越差。15(2) MQAM信号的最小欧几里德距离dmin最小欧几里德距离dmin是MQAM信号星座图上星座点间的最小距离，该参数反 映了 MQAM信号抗高斯白噪声能力。可以通过优化MQAM信号的星座点分布来得到最 大的dmin，从而获得抗干扰性能更好的MQAM调制方案。(3) MQAM信号的最小相位偏移Qmin最小相位偏移是MQAM信号星座点相位的最小偏移，该参数反映MQAM信号抗相 位抖动能力和对时钟恢复精确度的敏感性，同样可以通过优化MQAM信号的星座点分 布来获得最大的&min,从而获得更好的传输性能。表5.2.2给出了三中类型星座图的参数比较。，d，类型 minmin0 451.7 圆形星座图 0.43E001.3 不均匀圆形星座 30 0.59E0图01.8 方形星座图 18 0.63E0表5.2.2 三种类型星座图的参数比较由表可见，当信号平均功率E0 一定时，矩形星座图的最小欧几里德距离dmin最大,不均匀圆形星座图次之,而圆形星座图最差。即方形星座图抗高斯白噪声能力最 强，最适宜在典型的高斯白噪声信道中使用。但是，在抗相位抖动及抗非线性失真等 性能上，方形星座图则不如圆形星座图和不均匀圆形星座图，这是因为其最小相位偏 移Gmin最小，且峰值-均值比Y都大于后两者。因此，圆形星座图更适宜用于瑞利 衰落的无线信道中。 调制技术时，除了要考虑具有通常 意义的系统在实际通信应 用中，常采用矩形MQAM信号星座图。此矩形MQAM信号星座图虽不是最优的星座结 构，但在满足一给定的最小欧氏距离的条件下，即在满足一定误符率的条件下，矩 形星座的MQAM信号所需平均发送功率仅比最优MQAM星座结构的信号平均发送功率 稍大，而矩形星座的MQAM信号的产生及解调在实际实现时比较容易，所以矩形 MQAM信号在实际通信中得到广泛应用。5.3矩形星座MQAM信号的产生产生矩形MQAM信号的原理框图如图5.3.1所示：图5.3 .1 16QAM调制解调系统星座图成a在此图中，输入二进制序列经串并变换后成为速率减半的双比特并行码元，称为InR路和Q路，此双比特并行码元在时间上是对齐的。在同相及正交支路又将速率为/2的每K/2b个比特码元变换后变换为相应的电平幅值序列再经成型滤波限带后得到1(t)及Q(t)的MM电平的PAM基带信号(数学期望为0)，然后将分1(t)及Q(t)别对正交载波进行进制传输ASK调制，二者之和即为矩形星座的QAM信号。I1I-1g!DCLILIDIDOIDDOi 11Q0-D0O10101-1DD1-1101 -*10101110 -00111011-1111 -1 11 11 11图5.3.2 16QAM星座图5.4 16QAM的调制信号调制原理在系统带宽一定的条件下，多进制调制的信息传输速率比二进制高。也就是 说，多进制调制系统的频带利用率高。但是，多进制调制系统频带利用率的提高是 通过牺牲功率利用率来换取的。因为随着M值的增加，在信号空间中各信号点间的 最小距离减小，相应的信号判决区域也随之减小。因此，当信号受到噪声和干扰的 损害时，接收信号错误概率也将随之增大。振幅相位联合键控(APK)方式就是为了 克服上述问题而提出来的。在这种调制方式下，当M值较大时，可以获得较好的功 率利用率。16进制的正交振幅调制(16QAM),就是一种振幅相位联合键控信号。所谓的正 交调制(QAM)就是用两个独立的基带波形对两个相互正交的同频载波进行抑制载波 的双边带调制,利用这种已调信号在同一带宽内频谱的正交性来实现两路并行的数 字信息的传输。16QAM系统方框图为:X莊$)1saft (SV井扈空制2-4 电干砖血2-7 电平砖换图5.4.1 16QAM调制解调系统星座图成MQAM的信号表达式如下所示：S,x(t)cos2,ft,y(t)sin2,ft QAMccx( t),xg( t,kT)其中,kbky(t),yg(t,kT) ,kbkyTx为码元间隔，和为同相和正交支路的多电平码元，一般取幅度间隔相等的 双极性kbk码，如,1,3，g(t,kT)x,y对于16QAM，可取，1,3。为宽和周期相等的窗函数，它们都等于 载bkk波周期的a倍(a为大于零的数)。5.5 16QAM的仿真过程及结果16QAM的产生有两种方法：1) 正交调幅法:它是用两路正交的四电平振幅键控信号叠加而成。2) 复合相移法:它是用两路独立的四相移相键控信号叠加而成。本实验采用正交调幅法。仿真具体的实现过程是这样的: 1）随机给出一个由0和1星座图成的二进制序列，此序列的长度为4的整数倍，因为16QAM传输的是4bit的码元。在本程序中这个序列设定为Str=1 0 0 11 1 0 1 0 1 0 0 0 1 11 1 1 0 1;2）对给出的序列进行分路，对应调制时的原信号经过串并转换器分为I, Q两 条支路，分路后的信号比特速率为原来的1/2。分路时根据这样的原则:原信号序 列数为奇数的星座图成I路信号，原信号序列数为偶数的星座图成Q路信号。对应 上边给出的信号，分路后18的信号应为 str1=1 0 1 0 0 0 0 1 1 0，str2=0 1 1 1 1 0 1 1 1 1 。 进行串并变换，就能显示出原信号及分路后的两路信号。3）对分路后的两路信号分别进行BPSK调制，即分别用两个正交的余弦载波对 信号进行调制，程序中取载波幅度为A为1，频率Fc为1，对每个比特采样点数 Fs设为50。4）把用BPSK调制后的两路信号经过一个加法器相加就得到QAM调制信号。运用Monte Carlo仿真得出误码率曲线图bbbb用均匀随机数发生器产生对应于16种可能的由，4比特星座图成的 信息1234符号序列。将这个信息符号映射到对应的信号点，它们具有坐标。用两个高斯 随AA,mcms机数发生器产生噪声分量。为方便计，信道相移置为0。这样，接收 到的信号加，nn,cs噪声向量是，检测器计算距离测度，并用最接近接收信号向量r的信rAnAn,，,mccmss 号点作出判定。差错计数器对检测序列中的符号差错计数。图5.5.1给出的是在不同的SNR,/4是比特能量。参数值下，传输N=10000个符号的仿真结果，这里bs图5.5.1 16QAM误码率曲线图196 QPSK，QAM的比较信道频带利用率bi t/(s?Hz)是表示单位频带的信息传输速率，起表达式为， 比特速率, 占用带宽实际上数字微波信道是由微波设备与复用设备之间的基带传输信道和高频信道 两部分星座图成,因此对复用设备而言,数字微波信道的频带利用率是这两部分共同 作用的结果。一般基当信道的传输特性具有理想低通滤波器特性时,对传输二进制基带码带信号往 往用电缆传输,的基带传输信道，其频带利用率理想值为2 bit/(s?Hz)。当基带传输来的信道 码对载波调相后,已调波为双边带信号,传输特性为带通型.对二进制相移键控调制 方式，其信道频带利用率1为bit/(s?Hz),这意味着在单位频带，单位时间内高频信 道可达到的传输速率是基带信道的2一半。其中，QPSK和QAM的基带传输信道频带利用率同为2 bit/(s?Hz),高 频信道的频带利P用率QPSK为1, 16QAM为2。在数字微波通信系统中常用比特误码率来表示 误码性能，记作eb或BER。在误码率相同的条件下，QPSK所要求的归一化信噪比 比QAM的要低。从两种调制方式比较，各有以下特点和不同之处：1) QPSK为恒包络信号，因此，它的星点均在一个同心圆上，而MQAM则为方行 (也有其他行，但并非圆行)。因此，前者信息只载荷到载波的相位上，而MQAM则 为幅相调制，由幅度和相位共同载荷一个符号信息，它的已调波当M,4时不是等幅 包络。2) MQAM(当M,4)抗干扰能力优于MPSK信号。从M=16时两种调制方式的星座图 可以计算出来，相邻最近星点的欧式距离为,MPSK:当 M=4 时，dAA,2sin2p4,当 M=16 时，dAA,2sinO.39p162AdA,2 MQAM :当 M=4 时，QL,122AdAA,0.47 当 M=16 时，QL,13结果表明，当M,4时，如M=16, QAM系统的邻近星点距离较16PSK系统大，因 此它比同样M时的MPSK抗干扰性强。23)由上式可以看出，QPSK星座图上相邻最近星点的欧氏距离为A,大于16QAM的0.47A,所以其判断域大,故此判错的概率很小，所以QPSK的误码率比 16QAM的误码率低.,4）由于MPSK是以M来等分2作为已调波相位，当M值大时，各信号状间20非但不正交，而且/M的相邻信号的相位差也太小，因此对干扰显得很脆弱。它 只适于M16,2,的应用。一般常用QPSK，有时用8PSK。总结通过运用MATLAB软件仿真出了 QPSK，QAM的误码率曲线图，对两种调制方式 的原理有了比较深刻的认识。将QPSK，QAM在性能，误码率，抗干扰等方面进行对 比分析了两种调制方式的优劣，得出两种调制方式各自适用的范围。21结束语 经过几个月的努力，我的毕业设计终于得以完成。在这段时间中，我不断查找 资料，学习了许多新东西。我学会了通信系统的分析与设计，弄懂了 QPSK, QAM调 制的基本原理和具体实现过程。使我明白从理论研究到具体实现不是一蹴而就的， 要经过深思熟虑和反复试验，对实现过程中可能出现的问题，具体的实现方法进行 深入分析才能把理论的东西转化成实际的东西。我对QPSK，QAM的调制过程进行了 MATLAB仿真，使我明白了每一步是如何实 现的;还运用Monte Carlo仿真得出了 QPSK，QAM信号的误码率曲线图，是我对调 制解调的误码率有了很深的体会。，对MATLAB在通信仿真中的应用有了一个大概的了解，学会我还认真学习了 MATLAB了用MATLAB编写一些基本的仿真程序，对信号调制中的许多函数和使用方法 都有了很深的理解并能灵活使用他们来服务自己的程序。经过这次设计，使我学会了从全体去考虑事情，全面分析事件中可能出现的各 种问题和困难，从全局去看待问题，用来指导自己的行动。在写论文的时候，如果 不能做到这样，写出的论文将会一团糟，没有结构性，前后不连。这对我以后的工 作也将具有重要的指导意义，能让我更好地做好每一件事。在设计过程中我遇到了许多困难，在同学和老师的帮助下我都能认真地解决并 最终完成整个设计。由于时间和我个人的能力有限，在设计中并不能做到面面具到，只对QPSK,QAM的调制原理和误码率进行了分析设计，没有再进行更深层次地研究，这是这次 设计的不足之处。22参考文献期刊类:1曹士柯.数字调制信号功率谱的求法.南京邮电学院学报，1994，Vol.l4(No.l) 2黄元，陆庆天数字图象m-QAM传输的研究中国图象图形学报， 1997, Vol.2(No.ll) 3朱旭明，易清明，黄元.m-QAM调制技术及其在移动通信 中的应用.专题-第三带移动通信技术4黄谷波，张兆杨，白文亮.16QAM调制原理及其在HDTV中的应用.数字视频5刘琼发，彭悦浩，全景才.FSK、PSK、QAM信号直接波形的合成的实现方法通 讯与电视6樊平毅，冯重熙.M-QAM系统中载波相位估计量的统计特性分析电子 学报，1996, Vol.24(No.10)7张豫伟，王新梅.QAM modulations with q-ary turbo codes.SCIENCE INCHINA,1997,Vol.40(No.1)8涂翔宇，汤定潘，张洪珊.QAM原理及其在HFC系统中的应用中国有线电 视，2002 著作类:1樊昌信，张甫翊，吴成柯，徐炳祥.通信原理.北京.国防工业出版社，20012刘敏，魏玲.MATLAB通信仿真与应用北京国防工业出版社，2001 3约翰.G.普罗克斯，马苏德.萨勒赫著，刘树棠译.现代通信系统.西安.西安交通大学出版 社，20014李建新，刘乃安，刘继平.西安.现代通信系统分析与仿真.西安电子科技大学出版社，200023英文原文5.3 Amplitude and Phase ModulationIn amplitude and phase modulation the information bit stream is encoded in the amplitude and/or,phase of the transmitted signal. Specifically, over a time interval of , ,logMbits are s2s(t),0,t,Tencoded into the amplitude and/or phase of the transmitted signal . The ss(t),s(t)cos(2,ft),s(t)sin(2,ft)transmitted signal over this period can be written in IcQcs(t),s,(t)，s,(t)terms of its signal space representation as with basis functions i11i22,(t),g(t)cos(2,ft，,),(t),g(t)sin(2,ft，,)and ,where is a shaping pulse. To g(t)1c02c0s(t),sg(t)send the th message over the time interval , we set kT,(k，1)TiIi1s(t),sg(t)and. These in-phase and quadrature signal components are baseband signals with Qi2spectral characteristics determined by the pulse shapeg(t). In particular, their bandwidthequals the bandwidth of g(t), and the transmitted signal s(t)is a passband signal with center BKB,KTffrequency and passband bandwidth. In practice we take where depends 2BgsgcK.5,K,1on the pulse shape: for rectangular pulses= .5 and for raised cosine pulses , as gg.5Tdiscussed in Section 5.5. Thus, for rectangular pulses the bandwidth ofg(t) is and the S1Tbandwidth ofs(t)g(t) is . Since the pulse shape is fixed, the signal constellation for Samplitude and phase modulation is defined based on the constellation 2(s,s),R,i,1,.,Ms(t)point:. The complex baseband representation of is ii12j,j(2,ft)0c,s(t),Rx(t)ee (5.51) x(t),s(t)，j