16QAM-调制解调技术分析与MATLAB仿真

仿真李瑞，明洋**作者简介：李瑞，（1987-），女，研究生，无线通信，公钥密码学。通信联系人：明洋，（1979-），男，副教授，公钥密码学，可证明安全理论，无线网络安全。E-mail:[e-mail]（长安大学信息工程学院，西安710064）5摘要：正交幅度调制QAM（QuadratureAmplitudeModulation）是一种功率和带宽相对高效的信道调制技术，广泛应用于数字电视，无线宽带等传输领域。本文针对16QAM系统调制解调系统，利用MATLAB工具对整个系统进行完整仿真，并通过星座图仿真对误码率进行分析。仿真结果表明该系统简单可行，对QAM相关产品研发和理论研究具有一定的理论和实践意义。10关键词：16QAM；正交振幅调制；MATLAB；误码率中图分类号：TN92无线通信Analysisandsimulationof16QAMmodulationandDemodulationTechnologyBasedontheMATLAB15LiRui,MingYang(DepartmentofInformationEngineering,Chang'anUniversity,Xi'an710064)Abstract:Quadratureamplitudemodulation(QAM)isachannelmodulationtechniqueswithrelativelyhighefficiencyofusagepowerandbandwidth,Itiswidelyusedindigitaltelevision,broadbandandwirelesstransmissionfields.Thisarticleinviewofthe16QAMsystem20demodulationsystem,Then,UseofMATLABtoolstocompletethewholesystemsimulation,Andthroughtheconstellationchartsimulationanalysisoftheber(biterrorrate).Simulationresultsindicatethatthissystemisbothsimpleandfeasible,IthasacertaintheoreticalandpracticalsignificancethatdoestheresearchaboutproductsrelatedtoQAM.Keywords:16QAM;QuadratureAmplitudeModulation;MATLAB;BitErrorRate250引言随着移动用户数量的增加和人们对多媒体通信业务要求的提高，需要在有限的带宽里要传输大量的多媒体数据，提高频带利用率成为至关重要的课题。如何在有限的频谱资源中提高容量而且满足数据的高速传输，确定一种高频带利用率的调制方案能在很大程度上解决上30述问题。正交振幅调制（QAM，QuadratureAmplitudeModulation）是一种具有高频带利用率，且可以根据传输环境和传输信源的不同，自适应的去调整其调制速率的调制技术，因此能更好的缓和可用频带紧张状况及实现多速率的多媒体综合业务传输[1～2]。目前QAM调制技术在国内外颇受关注，主要应用于数字电视这样的宽带系统中，在无线窄带系统的应用范围非常有限。而且研究的焦点集中在解调算法中的载波提取环节，几乎没有针对QAM系统35级的研究。本文设计的这款QAM调制器是针对整个QAM调制系统，分析了完整的调制解调过程，并使调制信号通过高斯随机信道，来仿真其通信系统。调制。其输出的单频信号是由两个相互正交的I信号和Q信号组成，其幅度和相位均受到了调制，星座图上每一点对应着一个合成矢量在每一瞬间的输出，即将二进制输出序列映射成了空间上不同的振幅，不同相位的信号波形，所以它是一种多进制的相位、振幅混合调制。它具有较高的信息传输率和频带利用率[3]。MQAM的时域表达式为)2cos()2sin()()()(ftBftAtQtItYmmππ+=+=(1)451.216QAM的调制解调原理16进制的正交振幅调制是一种振幅相位联合键控信号。它有正交调幅法和复合相移法有2种产生方法。这里采用正交调幅法，用串/并变换器将数据流分成两个半速率（1/2R）数据流，分别进入各自的进制转换器中，按预选设置的多进制转换中任意一种做进制的转化，变成符号速率降低了2倍的2进制单系列脉冲（此时，符号速率为N2NR/2logR=），将两50部分符号频率为NR的数字脉冲调制到一对正交的载波上，分别得到I信号（同相载波）和Q信号（异相载波）[4]。加法器对输入的I和Q已调波进行线性叠加后，送出Y(t)=I(t)+Q(t)合成信号。Y(t)即为已调的16QAM信号。MQAM存在四相相位模糊问题，这里使用2相差分编码克服4相相位模糊。对多电平信号进行检测并恢复成二进制码时采用了格雷编码技术因其电平逻辑比自然码电平逻辑具有更好的误码特性。解调实际是调制的逆过程，在理想情55况下，MQAM信号的频带利用率为log2M(b/s/Hz),当收发基带滤波器合成相应为滚降因子为α的升余弦滚降滤波器时，MQAM信号的频带利用率为log2M/(1+α)(b/s/Hz)。16QAM信号采取正交相干解调的方法解调，解调器首先对收到的16QAM信号进行正交相干解调，一路与wctcos相乘，一路与wctsin相乘。然后经过低通滤波器，低通滤波器LPF滤除乘法器产生的高频分量，获得有用信号，LPF输出经抽样判决可恢复出电平信号。60216QAM的仿真2.116QAM调制系统仿真仿真第一部分是信源的产生：信源为随机二进制序列，采用01单极性不归零波形。这是一种最常用的基带信号形式，其特点是极性单一，有直流分量，脉冲之间无间隔，另外位同步信息包含在电平的转换之中，当出现连零序列时没有位同步信息[5]。信源的仿真是利用65randint（1，N）随机产生N列二进制01序列，再通过阶跃函数产生波形（为了方便观察只列出16位码元），仿真结果如图1所示中国科技论文在线(a)输入序列的时域波形(b)输入信号的频域波形70(a)Inputsequencesoftimedomainwaveform(b)Inputsignalfrequencydomainwaveform图1输入的信源波形Fig.1Theinputsourcewaveform输入的二进制序列经过串并变换器输出速率减半的两路并行序列。如图1所示产生的信75源为{y}={1101100111011010}。那么经过串并变换器就形成两路信号，上支路{yi}={10101011}，下支路{yq}={11011100}。仿真过程是利用reshape()函数对矩阵重排实现串并变换。串并变换使信号分成上下两路并行，再分别进行2-4电平转换形成多电平信号。这时的信号速率再次减少，为以前的1/(log216)倍。具体变换以格雷码转换为标准：⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧+=+=−=−=3]10[1]11[1]01[3]00[如上上支路{yi}={10101011}，下支路{yq}={11011100}，电平转换结80果上支路{yi1}={3331}，下支路{yq1}={1-11-3}。具体仿真结果如图2所示(a)电平转换后I支路信号(b)电平转换后I支路频域信号(a)LevelafterconvertingIbranchsignal(b)LevelafterconvertingIbranchfrequencydomainsignals85(c)电平转换后Q支路信号(d)电平转换后Q支路频域波形(c)LevelafterconvertingQbranchsignal(d)LevelafterconvertingQbranchfrequencydomainwaveform图2电平变换后变换结果90Figure2leveltransformationresultsaftertransformation预调制低通滤波器的作用是抑制已调信号的带外辐射，此滤波器的设计采用升余弦低通滤波器，滚降系数设置为0.5，延迟为1个码元的时间。其中升余弦滤波器的仿真模型如图3所示95中国科技论文在线(a)升余弦低通滤波器时域波形(b)升余弦低通滤波器频域波形(a)Rosecosinelow-passfiltertimedomainwaveform(b)Rosecosinelow-passfilterfrequencydomainwaveform图3升余弦低通滤波器的设计Figure3literscosinelow-passfilterdesign100上下支路经过变换分别进行相干调制，各自通过调制器（相乘器）乘以正交的两个高频载波，载波的频率为信号的80倍。通过载波器后形成两路频带信号携带信源信息，其中各个支路的已调信号及其功率谱密度的仿真结果如图4所示105(a)上支路已调信号(b)下支路已调信号(a)upbranchmodulatedsignal(b)downbranchmodulatedsignal(c)上支路已调信号频域信号(d)下支路已调信号频域信号110(c)upbranchmodulatedsignalfrequencysignal(d)downbranchmodulatedsignalfrequencysignal图4各个支路的频带信号Figure4eachbranchofthebandsignal两路已调频带信号再经过相加器就形成了16QAM调制信号。16QAM仿真波形如图5115和图6所示（图中为不同时段的16QAM信号）:的调制信号，信号经过不同信道的传输发送到接收机上。其中Awgn信道的信噪比可以自由适应不同的要求（QAM=awgn(QAM,snr)），这也是MATLAB仿真的方便之处。本节中的解调过程不加任何信道，已调信号16QAM经过相乘器来完成相125干解调，载波信号由载波恢复来提取。相干解调后的仿真波形如图7所示(a)上支路经过相干解调波形(b)下支路经过相干解调波形(a)Afterthecoherentdemodulationwaveformonbranch(b)Afterthecoherentdemodulationunderbranchwaveform130图716QAM经过相乘器相干解调波形Figure716QAMafterthecoherentdemodulationmultiplythewaveform经过相干解调产生频带和基带信号，下一步设计滤波器滤掉高频信号产生基带信号，进一步还原原始信号。其中低通滤波器的设计如下：135%低通滤波器的设计b=fir1(32,0.2);I3=filter(b,1,I2)*2;Q3=filter(b,1,Q2)*2;低通滤波器的延时为1，信号经过低通滤波器产生的信号如图8所示140(a)经低通滤波器后上I支路的信号(b)经低通滤波器后Q上支路的信号(a)ThelowpassfilteronthesignalafterIbranch(b)thelow