基于matlab程序的16qam基带信号处理编程

摘要:正交振幅调制技术(QAM)由于其高的频带利用率和相对低的误码率而被定为很多数字通信系统的数字传输标准。该论文讨论了16QAM调制原理，用软件MATLAB产生16QAM信号的算法。关键词:正交振幅调制;噪声;多径衰落;内插滤波一、引言正交振幅调制技术(QAM)是幅度、相位联合调制的技术，它同时利用了载波的幅度和相位来传递信息比特，因此在相邻星座点最小距离相同的条件下，QAM星座图中可以容纳更多的星座点，即可实现更高的频带利用率。多进制正交振幅调制技术由于其高的频带利用率和相对低的误码率而被定为很多数字通信系统的数字传输标准。软件无线电是以可编程的DSP或CPU为中心，将模块化、标准化的硬件单元以总线方式连接件起来，构成通用的基本硬件平台，并通过软件加载来实现各种无线通信功能的开放式的体系结构。本文讨论了16QAM调制原理并给出了基于Matlab的16QAM数字调制的软件算法及其编程实现。二、正交振幅调制（QAM）原理正交振幅调制的一般表达式为：2()Re[()()]()cos(2)()sin(2)cjftMQAMmcmsmccmscStAjAgteAgtftAgtft上式中，mcA、msA为离散的振幅值，m=1，2…，M，M为mcA和msA的个数。对于16QAM，M=4。()gt是发送信号脉冲波形。本报告中16QAM的调制原理方框图如下图所示：PN串并变换映射映射内插成形成形HBF内插HBF多径衰落加入噪声加入噪声多径衰落输入数据经过串并变换分成两路，再分别经过映射变换成mcA和msA，mcA和msA决定了已调QAM信号在信号星座中的星座点的位置。为减少码间干扰和已调数字信号的带宽，mcA和msA分别通过脉冲成形低通滤波器，脉冲成形低通滤波器是一个平方根升余弦滤波器。滤波后的输出分别经过半带滤波器、CIC滤波器实现内插，改变速率，最后经过NCO(数控频率振荡器)产生正交上变频用的正/余弦信号。将两路信号相加就可以得到已调QAM输出信号。三、Matlab代码分析1、伪随机序列发生器利用Matlab中的函数产生一组长度为N的伪随机信号，为了在后面有正确的串并变换，需要在原随机序列后面补零。%-----------------------------产生伪随机信号----------------%N=1000;%二进制数据长度x=randint(1,N,2);%产生伪随机二进制作为输入数据x(1:4)=[1111];%滤波器取出延时首位设为最大N=N+N*0.1;%防止系统延时丢数据x=[xzeros(1,N*0.5)];%尾部填零2、串并变换串并变换是把一串二进制数据流分裂成并行的两串，每串数据的速率是原数据的一半。%--------------------串并变换-------------------%x1=x(1:2);%数据按2bit分组x2=x(3:4);fori=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);%二进制转换成十进制Q=x2(1)*2+x2(2);n=length(x1);fori=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、映射作为调制信号的输入二进制数据流经过串–并变换后变成四路并行数据流。这四路数据两两结合，分别进入两个电平转换器，转换成两路4电平数据。例如，00转换成-3，01转换成-1，10转换成1，11转换成3。QAM发射的信号集可以用星座图方便地表示，星座图上每一个星座点对应发射信号集中的那一点。星座点数越多，每个符号能传输的信息量就越大。但是，如果在星座图的平均能量保持不变的情况下增加星座点，会使星座点之间的距离变小，进而导致误码率上升。%------------------电平变换(0123--3-113)--------%fori=1:n/2switch(I(i))case0I(i)=-3;case1I(i)=-1;case2I(i)=1;case3I(i)=3;endswitch(Q(i))case0Q(i)=-3;case1Q(i)=-1;case2Q(i)=1;case3Q(i)=3;endendfigure(1);plot(I,Q,'*'),title('»ù´øÐÇ×ùͼ');axis([-4,4,-4,4]);仿真得到的16QAM星座图为：-4-3-2-101234-4-3-2-101234基带星座图4、脉冲成形滤波器在信道中，信号传输的频带宽度是有限的，根据信道的传输函数不同，数字信号通过信道之后，在进行抽样判决的时候可能产生符号间干扰，称为码间串扰。但是当信道的传递函数满足奈奎斯特第一准则时，数字信号通过带限信道之后将不会产生码间串扰。理想的基带传输系统总的传递函数为理想低通特性，但是在实际的通信系统中，常常将带限信道的总传输函数设计为具有余弦频谱特性的，称为滚降滤波器。滚降滤波器的频率响应如下：1,0||2111[1cos(||)],||()222210,||2TfTTTffXfTTTfT其中称为滚降因子，01。相应的时域波形为222sin(/)cos(/)()/14/tTtTxttTtT。利用matlab库中的函数产生一个升余弦频谱信号。符号率为1Msymbol/s，所以符号时间间隔为0.000001s，采样频率为2MHz。%------------------脉冲成形滤波器-----------------%Fs=2000000;%SamplingfrequencyFsHzT=0.000001;%Symboltimeinterval[s]a=0.35;p=rcosfir(a,[-3,3],2,0.0000001,'sqrt');%成形滤波函数figure(2);rcosfir(0);%plotresfir图像升余弦信号的时域和频域波形为：00.511.522.5300.51timeImpulseResponseoftheRaisedCosineFilter(withtimeshift)00.511.500.511.5frequencyAmplitudeFrequencyResponseoftheRaisedCosineFilter5、基带成形滤波对I、Q路信号进行成形滤波，可以防止码间串扰。%-------------------基带成形滤波-----------------%%I路成形yi=conv(p,upsample(I,2));%upsamplePulsesequence{a10a20a30a40...}%Q路成形yq=conv(p,upsample(Q,2));%upsamplePulsesequence{a10a20a30a40...}figure(3);subplot(2,1,1);stem(yi);title('I路信号');subplot(2,1,2)stem(yq);title('Q路信号');仿真得到的I、Q路信号信号为：0100200300400500600-4-3-2-101234I路信号0100200300400500600-4-3-2-101234Q路信号6、半带滤波器半带滤波器实现信道内插功能，其抽取因子为2^M。本实验中采用15阶半带滤波器进行内插。%------------------半带滤波÷---------------%b=firhalfband(14,0.0001,'dev');%15阶半带滤波器figure(4);subplot(2,1,1);freqz(b);%半带滤波器的频谱subplot(2,1,2);stem(b);%半带滤波器的时域响应figure(5);%I路滤波YI=conv(b,yi);subplot(2,1,1);freqz(YI);title('I路信号半带滤波频域响应');%I路信号时域与频域响应subplot(2,1,2);stem(YI);title('I路信号半带滤波时域响应');%Q路滤波YQ=conv(b,yq);figure(6);subplot(2,1,1);freqz(YQ);title('Q路信号半带滤波频域响应');%Q路信号时域与频域响应subplot(2,1,2);stem(YQ);title('Q路信号半带滤波时域响应');半带滤波器时域、频域响应：051015-0.100.10.20.30.40.50.6半带滤波器的时域响应00.10.20.30.40.50.60.70.80.91-120-100-80-60-40-20020NormalizedFrequency(rad/sample)Magnitude(dB)半带滤波器的频谱I路信号频域、时域响应0100200300400500600-4-2024I路信号半带滤波时域响应00.10.20.30.40.50.60.70.80.91-200-1000100NormalizedFrequency(rad/sample)Magnitude(dB)I路信号半带滤波频域响应Q路信号频域、时域响应0100200300400500600-4-2024Q路信号半带滤波时域响应00.10.20.30.40.50.60.70.80.91-200-1000100NormalizedFrequency(rad/sample)Magnitude(dB)Q路信号半带滤波频域响应7、加入噪声对其加入AWGN噪音（SNR=16dB）：%------------------加入噪声¨---------------%snr=8;YIAwgn=awgn(YI,snr);figure(7);subplot(2,1,1);freqz(YIAwgn);title('加噪声I路信号频域相应');subplot(2,1,2);stem(YIAwgn);title('加噪声I路信号时域相应');YQAwgn=awgn(YQ,snr);figure(8);subplot(2,1,1);freqz(YQAwgn);title('加噪声Q路信号频域相应');%¼ÓÔëÉùQ·ÐźÅʱÓòÓëƵÓòÏìÓ¦subplot(2,1,2);stem(YQAwgn);title('加噪声Q路信号时域相应');8、经过多径衰减信道加入1路多径衰落信号（旁径衰减因子为-12dB、延迟-5us）ts=1/Fs;chan=rayleighchan(ts,0,0.000005,-12);YIRay=filter(chan,YI);figure(9);subplot(2,1,1);freqz(YIRay);title('¾­¹ýrayleighÐŵÀI·ÐźÅƵÓòÏìÓ¦');%¾­¹ýrayleighÐŵÀI·ÐźÅʱÓòÓëƵÓòÏìÓ¦subplot(2,1,2);stem(YIRay);title('¾­¹ýrayleighÐŵÀI·ÐźÅʱÓòÏìÓ¦');YQRay=filter(chan,YQ);figure(10);subplot(2,1,1);freqz(YQRay);title('¾­¹ýrayleighÐŵÀQ·ÐźÅƵÓòÏìÓ¦');%¾­¹ýrayleighÐŵÀQ·ÐźÅʱÓòÓëƵÓòÏìÓ¦subplot(2,1,2);stem(YQRay);title('¾­¹ýrayleighÐŵÀQ·ÐźÅʱÓòÏìÓ¦');9、CIC滤波CIC是IIR和FIR滤波器的组合，它能用简单的结构、较少的资源灵活地实现输入、输出信号的速率变换。CIC与HBF滤波器相结合，可以实现大范围、高倍数的信道内插。%------------------CIC滤波¨------------