趙陽

遼寧錦州渤海大學(xué)

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基于MATLAB的QAM信號的調(diào)制與解調(diào)仿真分析

趙陽

遼寧錦州渤海大學(xué)

通過Matlab軟件中的仿真工具Simulink對QAM系統(tǒng)建立仿真模型，并且論文中還介紹到了仿真的具體實(shí)現(xiàn)步驟，通過基于Matlab的QAM信號仿真可以對QAM的調(diào)制與解調(diào)更進(jìn)一步地認(rèn)識與掌握。

Matlab Simulink 仿真模型

1　引言

隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，QAM技術(shù)越來越受到通信領(lǐng)域的專家們的歡迎，QAM技術(shù)指的是正交振幅調(diào)制技術(shù)。QAM實(shí)現(xiàn)信息的傳遞是依據(jù)載波中相位的不同以及幅度的不同進(jìn)行的。QAM調(diào)制的特點(diǎn)是充分利用了頻帶，并且在噪聲的抗干擾力方面具有很大的作用，QAM技術(shù)在很多的領(lǐng)域中都得到了普遍的使用，其中主要以有線電視傳輸電纜方面以及衛(wèi)星移動方面應(yīng)用十分普遍。

調(diào)制中通信系統(tǒng)中占據(jù)著重要的成分，充當(dāng)著關(guān)鍵的角色，通過調(diào)制可以進(jìn)行搬移頻譜，從而經(jīng)過了頻譜的搬移后就可以實(shí)現(xiàn)了調(diào)制信號到已調(diào)信號之間的一個(gè)轉(zhuǎn)換的過程，所謂的已調(diào)信號跟調(diào)制信號一樣同樣能夠著信道中進(jìn)行傳輸，除此之外調(diào)制還與信號傳輸時(shí)的有效性以及可靠性相關(guān)，采用何種調(diào)制方式這對于通信系統(tǒng)的性能起到了決定性的作用。

以往通常采用的調(diào)制值數(shù)字頻率調(diào)制以及幅度，相位調(diào)制，隨著移動通信技術(shù)的發(fā)展，QAM技術(shù)出現(xiàn)了，QAM技術(shù)彌補(bǔ)了頻帶的利用率以及輻射嚴(yán)重的缺點(diǎn)。QAM充分利用了頻譜，而且通過結(jié)合振幅以及相位實(shí)現(xiàn)的一門技術(shù)，QAM對于通信系統(tǒng)中起著很大的作用。

2　QAM調(diào)制的原理

圖1　調(diào)制解調(diào)原理框架圖

基帶信號是無法在信道中被傳輸，所以在這種情況下就需要對數(shù)字基帶信號進(jìn)行調(diào)制，使其可以適應(yīng)信道中傳輸，這是由于很多的信道都是帶通型，并且很多信號的所具有的頻譜是低通的，所以只有將數(shù)字基帶信號經(jīng)過了調(diào)制后才能夠?qū)崿F(xiàn)傳輸。然而調(diào)制的實(shí)現(xiàn)原理實(shí)際上指的是把數(shù)字基帶信號的頻譜進(jìn)行搬移的過程，而搬移的目的地就是搬到帶通信道中。調(diào)制解調(diào)原理框架圖如圖1所示。QAM技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是充分利用了頻帶，但是缺點(diǎn)是功率的利用率不高，因此針對M進(jìn)制的信號進(jìn)行調(diào)制時(shí)，信號中所存在的距離最小值是和進(jìn)制數(shù)成反比的，這樣引起的后果就是受到的噪聲干擾性很大，而且誤碼率也很大。誤碼率問題的解決可以通過結(jié)合調(diào)相和調(diào)幅起來調(diào)制，QAM的調(diào)制的另一個(gè)名稱是幅相鍵控，采用QAM調(diào)制的優(yōu)點(diǎn)是頻帶的利用率很高，而且功率的利用率也很高，無論是高進(jìn)制還是低進(jìn)制。QAM調(diào)制的公式表示如下：

3　QAM解調(diào)原理

對于QAM信號的解調(diào)采用的方法有很多種，通常情況下應(yīng)用的是正交相干法進(jìn)行解調(diào)，相干解調(diào)的原理圖如圖1所示。解調(diào)端的輸入信號選擇的是已經(jīng)經(jīng)過調(diào)制的MQAM信號，然后將其和兩個(gè)正交的載波相乘，將相乘后的輸出結(jié)果經(jīng)過匹配濾波器，結(jié)果產(chǎn)生的信號就是記為X（t）和Y（t），這兩個(gè)信號都是多電平的信號。接下來多電平判決器就會對這兩個(gè)信號信號判決處理。

QAM解調(diào)中的一個(gè)有著很重要意義的模塊之一就是同步模塊，解調(diào)的性能效果是好與壞這是由同步算法決定的。頻率的同步會對無線通信系統(tǒng)的性能起到很重大的影響，載波的同步指的就是頻率同步的取值。在進(jìn)行同步解調(diào)的時(shí)候，相干載波的頻率是和通信系統(tǒng)中的發(fā)射端的載波的頻率是一樣的。

其中引起載波不同步的因素總結(jié)為載波的發(fā)生器并不是同步的；假如當(dāng)載波的發(fā)生器是同步的時(shí)候，電磁波的存在也可能會造成相位的改變，相位的改變接收機(jī)是不會接收到的，所以這種情況下頻率很容易會發(fā)生變化。

4　QAM調(diào)制器框圖

QAM的調(diào)制器組成部分包括了序列發(fā)生器，濾波器，載波信號發(fā)生器以及星座映射等等。實(shí)現(xiàn)的原理是首先將M序列的發(fā)生器中生成的數(shù)字序列進(jìn)行串并變換，然后再通過星座映射，此時(shí)就會產(chǎn)生同相和正交的數(shù)據(jù)流，分別將數(shù)據(jù)流經(jīng)過對應(yīng)的濾波器，再將產(chǎn)生的結(jié)果與載波的信號發(fā)生器進(jìn)行相乘，最后將兩種結(jié)果相加所得到的結(jié)果就是調(diào)制后的QAM信號。

現(xiàn)今，對于QAM的解調(diào)方法有很多種，總結(jié)為以下三種：

①模擬相干解調(diào)。模擬相干解調(diào)方法中的傳輸信號的恢復(fù)原理首先是通過模擬信號吧載波以及定時(shí)的信號恢復(fù)出來，然后將正交以及同相的載波信號與解調(diào)器中接收到的信號相乘，接著就將產(chǎn)生的信號通過低通濾波器接著進(jìn)行信號的判決；

②數(shù)字相干解調(diào)。QAM解調(diào)器第一步就是度模擬信號進(jìn)行采樣與進(jìn)行數(shù)字化，接著就將定時(shí)信號以及載波信號恢復(fù)出來，然后再把載波信號與調(diào)制的信號相乘。

QAM基帶調(diào)制模塊中的隨機(jī)數(shù)最小是0最大是15，而主要用來生成QAM信號的QAM的基帶調(diào)制模塊與QAM中用來調(diào)制的模塊中的參數(shù)中設(shè)置的時(shí)候需要保持一致，關(guān)于噪聲的信道的模擬，本文采用的是通信模塊，而星座圖的模塊是用Discrete-Time Scatter Plot Scope模塊進(jìn)行模擬的，誤碼率的計(jì)算是用Error Rate Calculation進(jìn)行實(shí)現(xiàn)的。QAM仿真系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1　QAM仿真系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置

5　QAM 系統(tǒng)仿真

Simulink作為仿真工具中的一種，該工具里面有很多關(guān)于通信模塊的功能，基于Matlab的仿真的實(shí)現(xiàn)是組合了Simulink中的多個(gè)模塊實(shí)現(xiàn)的。仿真模型的設(shè)計(jì)只需要中Matlab軟件界面中將模型庫中的各個(gè)模塊拖出來即可，然后把每個(gè)模塊之間用線條連接起來就可以，根據(jù)具體的情況可以對模塊中的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置修改，最終完成仿真模型的設(shè)計(jì)。

16QAM中誤碼率與高斯白噪聲信道信噪比的關(guān)系圖如圖2所示。通過圖2可以知道當(dāng)信噪比增加時(shí)，誤碼率會降低，同時(shí)誤碼率變化也越大。

圖2　高斯白噪聲信道中誤碼率隨信噪比的變化趨勢圖

Matlab中的數(shù)字調(diào)制解調(diào)模塊很多，而且這些模塊之間還區(qū)分了基帶以及通帶，其中模型的發(fā)射部分就保存著通帶仿真時(shí)所需要使用的載波信號，而且與此同時(shí)，載波的頻率大大超過了信號頻率的最大限，當(dāng)信號頻率出現(xiàn)很高的情況下，仿真的實(shí)現(xiàn)就會比較慢或者通過計(jì)算機(jī)工具實(shí)現(xiàn)模擬是根本不可能的。

通過MQAM的調(diào)制解調(diào)可以發(fā)現(xiàn)這種方式所包含的信息量是很多的，而且采用QAM的調(diào)制解調(diào)可以實(shí)現(xiàn)大大地提高頻率利用率，正交幅度調(diào)制解調(diào)在很多的通信領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用。

6　結(jié)語

QAM調(diào)制是非恒包絡(luò)的，但是缺點(diǎn)就是非線性失真比較嚴(yán)重，但是可以在充分應(yīng)用高頻帶的情況下得到改善，在進(jìn)行調(diào)制的時(shí)候，信道的寬度和碼元的速率要相當(dāng)，不能相差太大，要想恢復(fù)定時(shí)，就必須要添加15%帶寬。相比較于大多數(shù)的調(diào)制技術(shù)，QAM調(diào)制技術(shù)具有帶寬利用率高以及抗干擾力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。

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