1、基于 MATLAB 的 QAM 调制解调技术分析基于MATLAB 的QAM调制解调技术分析【摘要】当今频谱资源很大一部分已经被利用，随着用户数量的不断增加，对业务需求量不断地提高，在所剩无几的频谱资源如何才能够承载用户的需求，QAM凭借着自身高频谱利用率，低误码率，抗干扰性极强等优势已经被国际上众多移动专家所关注与研究。本次毕业设计所研究的课题是基于MATLAB的QAM的调制与解调技术分析，着重研究与分析QAM调制与解调过程中所涉及的各个模块，其中发射端包括二进制信号输入模块，电平转换模块，串并转换模块，信号调制模块，信号解调模块，每个模块都是通过MATLAB建立子函数来实现来模拟实现，其中加
2、进了星座图，眼图，频谱图，误码率曲线图来对比分析不同调制进制的QAM调制系统性能，同时在这个基础上给系统加上高斯白噪声，对加噪后系统进行如上的相同的分析 1。【关键词】：QAM，MATLAB，调制与解调，星座图，眼图，误码率基于 MATLAB 的 QAM 调制解调技术分析QAM Modulation and Demodulation Analysis Base on MATLAB【 Abstract 】Today, a large part of the spectrum resources has already been used, as the number of users and t
3、he demand for business constantly increasing, QAM relying on its high spectrum utilization ratio and low error rate, strong anti-interference advantages catch numerous mobile experts concern and do research on it. The graduation design research topic is QAM modulation and demodulation technology bas
4、e on MATLAB, this paper studies and analysis of QAM modulation and demodulation process involved each module, including the binary transmitting terminal input module, level conversion module, string and conversion module, signal modulation module, signal demodulation module, every module is establis
5、hed through MATLAB to realize, this process included a constellation diagram, eye diagram, the frequency spectrum graph, bit error rate curve to analysis different level modulation system of QAM performance, at the same time, add gaussian white noise on the previous signal , and do the same analysis
6、 like preceding 1.【keywords】QAM,MATLAB, modulation and demodulation, constellation diagram, bit error rate基于 MATLAB 的 QAM 调制解调技术分析【目录】第一章：绪论 11.1QAM背景、研究目的及意义 11.2 QAM的最新研究状况 21.3本文研究的内容及结构 3第二章：MATLAB的简介 42.1MATLAB的简述和基本功能 42.2MATLAB应用平台结构 42.3MATLAB的优势 42.4MATLAB的应用领域 5第三章：正交振幅系统 63.1调制与解调 63.1.1调
7、制简介 63.1.2解调简介 63.1.3数字通信系统构成及各模块的说明 73.2QAM系统的简介 83.2.1QAM调制和星座图简介 83.2.2串/并简介 103.2.3形成载波 103.2.4 QAM调制信号的形成 113.2.5正交调幅的解调和判决 113.3QAM的优缺点 123.4QAM的主要应用领域 133.5QAM的误码率性能分析 143.6QAM眼图 15第四章：16QAM仿真 174.1基于MATLAB的16QAM仿真 174.1.1信号源 174.1.2电平转换 174.1.3QAM调制 19基于 MATLAB 的 QAM 调制解调技术分析4.1.4 16QAM星座图 1
8、94.1.5 16QAM频谱 214.2对16QAM加入高斯白噪声系统仿真 224.2.116QAM系统加入高斯白噪声后的星座图 224.2.216QAM在不同信道噪声强度下的误码率 234.2.316QAM在高斯信道中的性能 244.3基于MATLAB的MQAM的仿真 254.3.1信号源 254.3.2电平转换 264.3.3MQAM星座图 264.3.4 MQAM在高斯信道中的性能 274.3.5不同进制调制的眼图对比 284.4 16QAM与MQAM 的性能对比 30总结与展望 31致谢 32参考文献 33附录 34基于 MATLAB 的 QAM 调制解调技术分析1第一章：绪论1.1Q
9、AM（Quadrature Amplitude Modulation）背景、研究目的及意义随着频带资源的日益减少，加上用户数量不断增加对业务需求量不断提高，在剩余的频带中，如何充分利用频带，成为迫在眉睫的话题。QAM以其高频谱利用率，抗噪性能强，高功率谱密度等优点被广泛地研究与应用。数字QAM有4QAM,8QAM,16QAM,32QAM，正常情况下，一个码元传递的是1bit的信息，但是多进制的QAM 调制技术随着M的增大，所传递的信息量也随之增大，例如16QAM一个码元就传递4bit信息量，64QAM一个码元传递6bit的信息量。 MQAM在提高QAM 频带利用率的同时对误码率的影响并不是特别
10、大。其中16QAM和 32QAM调制解调技术被广泛应用于有线电视系统中。QAM调制系统主要是应用于现代数字移动通信中，相比于以往的通信系统，数字通信系统具有不少优势。模拟信号是指信号在时间轴上是连续的，但是信号经过长距离的传输会导致信号的失真严重，抗噪性能差，同时模拟信号中有个致命的缺点是在有限的频带资源里，所能够容纳的用户数量极其有限。虽然数字信号的系统凭借自身的优势逐渐取代了模拟通信系统,其中的优势包括数字通信搞数据传输速率，信号易于加密，安全性较强，同时数字信号可以通过编码对信息差错起到一个可以控制的作用，频带资源可以复用，因此可以容纳大量的用户数量。数字通信系统优越性能，主要是能够提高
11、数据传输效率，能够抵抗较强的外界干扰，已调信号的解调简单，并且能适应由于外部环境造成的信道衰落。但是就目前来看，数字系统虽然发展速度让人吃惊，模拟系统依然拥有数字系统无法取代的特点。模拟通信技术发展到现在已经相当成熟，并且模拟信号十分平滑，而数字通信传输的数字信号永远都是脉冲响应，因此是无法达到平滑的程度。调制技术的好坏决定着整个通信系统的好坏。我们所熟悉的技术有仅有振幅调制的ASK,仅有频率调制的FSK, 仅有相位调制PSK,QPSK等,而QAM 作为一种特殊的调制技术是在ASK和PSK 这些单一的调制方式组合的基础上发展出来的,其性能优于仅进行单一变量的调制方式。本课题对QAM基于MATL
12、AB调制与解调技术的学习与研究对于QAM的理论有了进一步深刻的理解并且对相关产品的推陈出新具有一定的意义 2。1.2 QAM的最新研究状况QAM的调制实质上是利用两个基带信号分别对同频相位相差90度，正交的一对载波基于 MATLAB 的 QAM 调制解调技术分析2实行调制，将已调的信号合并起来送到发射机上。QAM调制技术有许多方面的应用，电视系统中的制式，像我国利用的就是PAL制式，该制式中的不同颜色的相关分量利用正交载波传递的。QAM不仅在模拟信号系统中有许多应用同时在数字信号系统中也有众多应用。QAM在数字电视中起着非常重要的作用，如今我国和欧洲各国在有线数字电视上都采用QAM调制技术。数
13、字电视使得了我们的生活更加丰富多彩，除了如同以往的观看电视节目之外，如今的数字电视提供不少人性化的服务比如：软件可供下载，购物，点播节目等。数字电视通常是将正交调幅调制器设置在电视台的发射端，信号在压缩之后，送到QAM调制器，调制器将接收到的信号进行RS编码之后就可以将已编的射频信号发送到电视网络上进行传送。在接收终端机顶盒起着极其重要的作用，机顶盒首先将收到的高频信号，高频信号无法被电视机所解读，因此必须转化为中频信号。转换之后的中频信号还是模拟信号，电视机只能识别数字信号，因此需要通过机顶盒中的A/D 模块对模拟信号进行采样，量化，编码等来实现数字化，再者通过机顶盒内设的QAM解调器模块能
14、够使数字信号能被接收端所读懂的数据流。未来的通信服务肯定朝着高速率，多业务量的趋势发展，如正在崛起的WIMAX技术中文叫全球微波互联网接入技术采用的就是QAM 调制技术，该种技术是新兴一种通信技术，它代表一种新兴的互联网标准。WIMAX基站台的发射功率比WiFi的大得多了，因此WAIMAX的传输距离比 WiFi远得多，WIMAX 能将无线信号传输至50公里远，这是无线局域网所不能相提并论的。当然这个优势的前提是在授权的频带范围内传输。市场上已推出的成熟新产品决定了现在WIMAX和WiFi的基站台的设置速率，WiFi的发展远远早于WIMAX，技术上和产品上都相对成熟很多。理论上WIMAX的传输速
15、度可高达324Mbyte/s,WiFi传输速度可高达108Mbyte/s，WIMAX所能提供的速率将是如今正被广泛应用的3G系统的30几倍，这对通信系统来说无疑是一个惊人的跨越，所以 WIMAX能够提供更优于WiFi互联网体验，其次WIMAX的调制技术的保密性是优于WiFi的，但是WIMAX说到底还只是一项局域网的技术，无法成为通信系统的技术，另外WIMAX还是无法实现用户移动时不中断切换，由于用户的移动进入不同的小区会引起通信的故障，这将给用户造成极大的困扰，而解决这一困扰WIMAX只能是依靠802.16m 标准，但是这个标准目前还存在着极大的不确定性。在WiFi已经成熟的背景下，因此WIM
16、AX的发展方向朝着跟WiFi不一样的发展方向即无线ISP企业。如今16QAM被应用于卫星通信系统中。卫星通信技术支持的最高速率可以达到20Mbps。所谓卫星通信就是利用卫星来实现用户对信息量的需求，1颗同步卫星所能辐射基于 MATLAB 的 QAM 调制解调技术分析3的面积高达地球表面的1/3，要实现全球通信只需要 3颗就能够实现全球覆盖，同步卫星一般是用来实现洲际通信或是在远洋船方面的通信。但是同步卫星通信系统还是无法应用于手机上，因此一般是利用中低轨道上的卫星来实现手机通信，这些卫星的覆盖面远远比不上同步卫星，但是其覆盖面还是大于蜂窝系统。同时QAM调制技术被用于卫星通信系统，相比较而言，
17、QAM是用码元错误的概率来换取较高的频带利用率，为了达到跟其他调制方案有相同的码元错误概率，QAM调制技术必须增大发射机的对外的辐射功率来维持。如今的卫星通信系统费用还是较昂贵，因此无法像地面上的蜂窝系统这样广为人用，但是QAM调制技术被越来越被移动通信技术专家所重视与研究 3。1.3本文研究的内容及结构本文探究的是借助MATLAB这个软件平台对QAM的调制与解调进行仿真，对模拟信号进行数字化，包括对信号的随机采样，将采完样的离散信号的值往系统中设定好的整数靠拢，再对信号编码和解码等过程。第一章介绍QAM的背景及最新的发展情况。第二章介绍的是MATLAB仿真软件其中包括QAM的优势，功能，应用
18、领域等方面。第三章介绍的是QAM并做详细的探究。第四章介绍的是基于MATLAB的QAM的调制与解调的仿真，主要研究是16QAM 和MQAM并加上高斯白噪声，分析对上述的调制方式。文章最后进行总结和展望。基于 MATLAB 的 QAM 调制解调技术分析4第二章：MATLAB简介2.1MATLAB的概述和基本功能MATLAB是由一家全球领先并专注于科学计算软件的企业研究并且发布的。MATLAB能够进行各种分析、并将分析结果通过图表，曲线图表示出来，使得分析结果简单易懂，同时也能够实现仿真等强大功能，MATLAB 将各种功能放于方便实现的窗口中，给专门的技术人员在进行科学研究、工程仿真等有了完善的解
19、决措施，同时MATLAB基本摆脱了传统的程序语言（如C、C+ ）的编写方法，因此QAM 在计算分析方面可作为当前国际最为前沿的水准。MATLAB的基本功能除了常规的几种功能之外甚至提供给了兼容与容错功能 4。2.2MATLAB的系统结构MATLAB是一款很专业的软件，提供简单易实现的程序语言， MATLAB主要包括三个层次。表2-1 MATLAB层次划分层次 具体内容基础层 软件主包MATLAB的构成，MATLAB的工具箱，MATLAB的编译器仿真应用层 模块集，MATLAB的实时仿真顶层 事件驱动逻辑/行为的建模、仿真2.3MATLAB的优势1.由于MATLAB在国际市场上所占份额持续增加，
20、 MATLAB本身的完善和发展也得到不断的发展，使得MATLAB也更加人性化，MATLAB的界面越来越简洁方便，将许多复杂的操作变成了简单的操作。正由于MATLAB的强大，使得用户与计算机之间的互动性大大增强，运行程序时比以往简便了许多，改变了以往运行必须先进行程序编译再运行的局限性，同时软件可以报错并对其进行分析使得使用者操作起来变得更加简单。2. MATLAB语言是由clever moler 博士研究并开发的。其简单易用的程序语言，吸引了不少MATLAB爱好者。新版的MATLAB语言是建立在C+上，使得编程更加简单同时相关专业的表达式更加贴近日常生活所表述的。基于 MATLAB 的 QAM
21、 调制解调技术分析53. MATLAB系统中库函数中带有众多的算法和函数，这些函数一般是程序开发者所开发的，存放于MATLAB中，供使用者直接使用，当用户调用库函数中的函数时，程序运行时就会自动运行库函数中被调用函数。MATLAB 对图形的处理的能力极强，同时在MATLAB中，开发者针对不同专业都设置了工具箱，每个工具箱里面包含各种工具，以便可供给不同使用者都能设计与仿真。4：MATLAB含有不同程序的接口和转换工具，通过这些工具使得 MATLAB上的程序可以直接在C,C+平台上直接运行，为不同程序语言爱好者有了一个沟通的平台同时大大提高系统功能实现的灵活性 5。2.4MATLAB的应用领域M
22、ATLAB在当今各种软件当中的价值是鹤立鸡群的。 MATLAB不仅可以进行矩阵和函数实现与分析、函数调用，同时MATLAB有多个不同功能的工具箱，不同的工具箱针对着不同的应用领域例如工程计算、控制设计、信号处理与通讯、图像处理、信号检测、金融建模设计与分析 6。基于 MATLAB 的 QAM 调制解调技术分析6第三章：QAM通信系统3.1 调制与解调3.1.1调制简介从信息源发出的信息，大部分是从零频开始，频带占用大量的低频分量，导致信号占用较大的带宽和能量，这样的信号就是基带信号。由于基带信息不便于传送，为了使信息能够传送顺畅，增强抵抗外界干预的能力，信号在发送之前都要将基带信号进行调制再送
23、到通信网络中。调制实质上即用基带信号乘以载波，这样调制信号就可以通过已调信号的某些参量来体现。 调制即将基带信号置于载波上，通过文字的表层并且形象的描述可知，载波就是一个载体好比我们日常中的交通工具，载波载着基带信号，使得基带信号能够传到远方。在实现这一过程当中，基带信号的频谱将从低频搬移到载波所在的频域中，即频谱搬移，将基带信号的频谱从低频移到能够在带宽中所给的范围内。因此基带信号经过调制后，已经调制后的信号通过相位，幅度或者频率来保留原来基带信号的信息之外，另外经过调制后的信号所占据的频谱都在较高的频率范围内，可以方便的通过信道传送出去 7。3.1.2解调简介将已调信号从频率较高的的区间内
24、搬回低频区间叫做解调。通信系统终端在收到已调信号后必须还原成初始信号。不同种类的调制方案对应着不同的解调方案，总体来说现在的解调方式大体上是可以划分：幅度、角度、共振的解调。幅度解调应用于进行幅度调制度的信号，该种方案的接收方进入滤波器之后所得的信号与已调信号的包络成一定的关系。广播系统中仍然使用该种技术，该种技术的信号发射端的发射功率较高，一般是需要几十万瓦特，这主要是因为现实中的环境复杂，除信号本身会衰落之外，环境中的众多障碍物比如山，建筑物等都会是很大程度上对信号造成衰减，但是由于接收端的设置较为简单就够解调出基带信号，使得接收端的成本较低，能够大规模被群众所使用，因此对于广播通信来说该
25、种技术方法仍然是一种可行的方法。而单双边带信号不能采用幅度解调方案来还原出原来的初始信息，因为该种已调信号的幅度不包括基带信号的相关消息，通常是利用相干解调技术来恢复基带信号。基于 MATLAB 的 QAM 调制解调技术分析7关于角度解调即基带信号的信息包含在已调信号的频率或者相位上。频率解调方案中需要鉴频器，鉴频器是由微分器和包络检波器构成的。共振解调技术就是外部已调信号的频率与系统本身固有频率相同时会出现共振现象，如果二者不同，系统本身可以通过调整自身的频率来跟踪已调信号的频率，从而使二者产生共振，从而获得已调信号所传递的信息 8。3.1.3数字通信系统构成及各模块的说明数字通信系统如图3
26、-11所示从发送方到接收者信号要经过的以下的过程图3-1数字通信系统如图3-1 可见，数字通信系统在发射端与接收端是呈对称并且功能相反的模块组成。虽然是数字通信系统有众多优势，但是刚进入系统的信号是在时间轴上连续的，该信号要变成数字信号须经过数字化的过程，随着信息的保密进一步深入人心，为了提防信息的遗失或者被窃听，一般在移动数字系统中设置加密模块，加密的本质就是故意在信号序列中加上伪噪声序列，这种伪噪声看似是用来干扰原信号序列，但实则这种伪噪声是发送者和接收者都知道的，因此系统终端能够辨别该伪噪声序列，因此能去除这一伪噪声所带来的影响，但是对于其他不相关的接收者来说，该种序列就是噪声，在这样的
27、噪声干扰下，使得外部接收者无法解调出原始信号，所以对于通信系统中的收发方来讲伪噪声序列是起到一定的保密作用，但是此时形成的数字信号抗外界的干扰能力差，易受外界的影响，在信道上进行编码，即可在数字信号的后面加上冗余码即监督码来提高信号的可靠性。由于基带信号一般占用大部分频率较低的成分，这些频率成分在通信系统是不利于传送出去，所以需将、信号进行调制，这样就有便于将信号通过信道传输到接收方。对应的，接收方在接收接收到的信号一般是处在高频段中，高频段的信号恢复成频谱资源在低频范围内的信号，此时的基带信号含有大量的监督码元，因此需要进行信道解码，将监督码元去除。由于接收方知道伪噪声序列，接收方在解密模块
28、能将伪噪声从接收信号上卸载掉，最后通过信息源的解码就能够使接收方接收到最初始的信息。信源编码 加密 信道编码 数字调制 信道 数字解调 信道解码 解密 信源解码噪声基于 MATLAB 的 QAM 调制解调技术分析83.2QAM系统简介3.2.1正交调幅和星座图简介正交振幅调制（QAM）技术优势日益明显，近年来在通信领域上的地位越来越重要。QAM调制技术比较于多种调制技术其频谱资源的利用效率占据绝对的优势，抵抗外界干扰的能力也相对来说较强。QAM的调制实质是一种矢量调制，实际上是通过两个基带信息来分别对具有一样的频率，和相位相差90度的一对载波来实现调制，然后将这对已经调制的所有信号合并起来最后
29、通过发射机来发送。这种方案的优势就在于，其相位和幅度都携带相关有用的信息，所以QAM调制技术的频带利用率比AM（只进行调幅）或是PSK（只进行调相）高出了一倍。电平越高就可以大大提高频带的利用率，这样就有利于缓解当前频带资源紧缺的现状但并不是采用的电平越高越好，电平越高就会带来较高的误码率。QAM采用的是格雷编码将输入比特映射到复平面上所形成星座图，采用格雷编码是因为相邻相位的两个比特只有其中一位比特不同，由于误差等原因照成误判，最大的误判可能将会误判成相邻相位上，采用格雷编码会使仅一个比特误差的概率最大（格雷编码可以使误码率降到最低，靠近的码元中只有一位有差别） 。多进制调制的矢量图即为星座
30、图，通过星座图可以很直接的看出电平数越高对系统的误码率带来的影响。a b图 3-2星座图a.4QAM星座图 b.16QAM星座图星座图上的样点之间的最短距离与解调误码率有着密切的关系。通过上述的两个星座图可以看到样点数越多，每个样点之间的距离变短，接收器在判决的时候，就容易判错。一般来说星座图可分为矩形QAM和非矩形QAM。但是矩形对比与非矩形QAM样点基于 MATLAB 的 QAM 调制解调技术分析9之间的最小欧几里得度量不能在一样的能量范围内下达到最佳的，所以系统没法实现最为理想的取得正确码元的概率。不同电平的QAM对应着不同形状的最佳QAM 星座图，例如8QAM对应的最佳星座图是环状QA
31、M,这能使它利用最小的能量就可以实现最为理想的欧几里得度量。形状多样并且不确定的QAM星座图很难广泛的被应用，不一样的样点排列对应不一样的码元错误概率。因此矩形QAM调制与解调相对于非矩形的QAM 容易得多，这也是矩形QAM被人们广泛应用的一个重要原因 9。二进制信号 cos2cftsin2cft图3-3 QAM调制器框图QAM是一种既调幅又调相的数字调制方式，其频带利用的效率相对于只进行调幅或是调相的调制方式会提高一倍。QAM调制进程可以分成下列的几样：表3-1 QAM调制进程划分种类 形成过程正交调幅法 利用一对独立而且正交ASK合并可得复合相移法 利用一对独立且正交PSK合并得到如图3-
32、3 所示的QAM调制器框图，通过信号发生器（又称信号源）产生一连串的二进制脉冲信号作为QAM调制器的信号源 10。3.2.2串/并简介如QAM的调制器框图中所示，基带信号输入串并转换器后即将基带信号分成两路分串/并发送滤波器g(t)发送滤波器g(t)平衡调制器相位变换平衡调制器本地振荡相加基于 MATLAB 的 QAM 调制解调技术分析10别是上支路和下支路，两支路独立的进行调制与及解调。串并转换的规则是根据序列编号为奇偶数来分，将编号为奇数的编成一路信号，将编号为偶数编成一路信号。这两路信号的传输速率将变成原来的一半 11。例如：信号输入是：1 1 1 -1-1 -1 1 -1 1 -1 1
33、串并转换之后：上支路：1 1 -1 1 1 1下支路：1 -1 -1 -1 -13.2.3载波的形成QAM调制需要两路正交的载波，由调制图可知第一路载波是通过本地振荡器震荡所产生，另外一路载波是通过第一路载波相位变换可以得到两路正交的载波。振荡器就是通过不断的振荡，通过示波器可以看到就是一条平直的直线波形，经过振荡之后，信号由于波动就不再稳定，因为振荡频率固定，经振荡器震荡之后的波形就会是幅度和周期都是固定的正弦波，由于通信系统中用到信号振荡器的振荡频率极高，这导致了振荡之后的正弦波的的频率都很高，符合通信系统中高频载波的要求。这里假设振荡完后信号的频率是f,并且基带信号（频率为f0）乘以振荡
34、器所产生的正弦波，就会得到拥有新频率为f+f0 ，f-f0两路的信号。如果振荡器的频率不稳就会使所产生的新信号不稳定，因此为了稳定调制系统的运作，在系统上里面加上平衡调制器来确保由于外界。3.2.4QAM调制信号的形成系统中两支信号进入滤波器后的输出信号，分别与经平衡调制器稳定后的两支路载波相乘便可得到一对正交的已调信号，接着经过系统中的合并器将这对信号合并一起，就得到我们常说的QAM已调信号。发送的 QAM信号可表示为 (1)()()cos2()sin2,mcmcutAgtftAgtftMm,.21再者通过三角变换便能到基于 MATLAB 的 QAM 调制解调技术分析11(2)()()cos
35、2),mcnutAgtft,.211Mm3.2.5正交调幅的解调和判决图3-4QAM信号的解调和判决如图3-4 所示是QAM信号的解调和判决框图,如图所示经过两路信号经过相关器后在进行抽样，最后送入判决器进行判决。QAM的解调即是调制的逆过程。假设信道中高斯白噪声和载波相位都有一定的失真，可得到 ()()cos2)()sin2)(mcmcrtAgtfAgtfnt其中 是载波相位偏移，且()cos2()cos2cscntftnft进行相关运算 1()cos(2)ctgtft2inctft经过两个相关器之后 sinco1mnArms2incoscrA基于 MATLAB 的 QAM 调制解调技术分析
36、12其中 dtgtnTTcc)(210ttTss )(0由于噪声是高斯白噪声，因此均值为0，方差为 两个变量的相关系数为0。2N最佳判决器计算距离量度2),(msrDM,.21通过比较D，两路中D较小的为最终的判决结果 12。3.3QAM的优缺点QAM改变的过去传统上认为最适合应用在卫星通信系统中技术是QPSK,如今的卫星通信上的转发器的发射功率很高，以往经常遇到功率不足的困扰变成频带资源不足的困扰。因此QAM凭借着高频带利用率成为卫星通信中较为优越的一种调制技术。当然QAM比QPSK具有较高的频带利用率，正交调幅技术需提高发射功率来维持同样的误码率，QAM需要更高的发射功率，因此在卫星转发器
37、处需要配置放大倍数较大的功率放大器，并且对于地面接收站和转发器HPA之间的非线性比 QAM较为敏感，因此必须选择合适的地面接收站和转发补偿器，这样一来会增加系统实现的复杂程度并且QAM调制使用的载波一般都工作在较高的C/N值，这样会导致其他的载波更易受到交调噪声和同频道干扰。由于QAM 的星座点相对于PSK 的星座点来说更加分散，从而使QAM的传输性能较为优越，但QAM 的星座点的幅度并不是完全一致的，因此解调器在解调时要进行相位和幅度的解调，相对于只需检测相位的PSK较为复杂。再者QAM 不能够应用于现在已经成熟的蜂窝系统中，因此要引进QAM技术的话，由于无法与原先成熟完善的蜂窝系统兼容，这
38、将会成为发展QAM技术的重大障碍必须投进大量的人力物力来研发新的兼容技术，或是需要重新建立新的通信系统。同样的QAM应用于现在的 ADSL存在的主要问题是如何才能在不同种类的电话线中进行信息的传输，为了取得较好的效果，QAM接收端设置了与发送端基于 MATLAB 的 QAM 调制解调技术分析13具有一样的频谱特点并且具有同样的频率和相位的相干载波用于解调。因此在ADSL系统中应用QAM的话，自适应均衡器将会大大增加系统实现难度 13。由上述可知QAM调制技术相对于其它调制技术来说频带利用率高，传输容量大，抗干扰能力强等优势。如下例子来证明QAM抗干扰能力优于其他调制方式。对比下列的最小欧氏距离
39、：AMd216QAMAMd116PSK图3-5 最小样点距离对比图3-5 为16QAM和16PSK星座图，从上图可计算得16PSK的相邻样点之间的d(欧氏距离)为式1Ad39.016sin21而16QAM的相邻样点的d为式2AMd47.01622 基于 MATLAB 的 QAM 调制解调技术分析14d2和d1即是所对应的调制方式的噪声容限。从运算结果可得d2是明显大于d1的，因此说明16QAM调制方式的噪声容限大于16PSK 。噪声容限是越大，即是两个样点相距的距离越大，这样在解调的时候就越容易区分出不同的样点，不易造成误判的系统，因此就更能抵抗干扰。通过以上的对比可知QAM调制方式的抗噪性能
40、好于PSK 14。3.4QAM的主要应用领域QAM以其高速率传输，安全可靠的性能，被广泛地应用。QAM 调制器目前主要是应用于符合DVB标准的数据流宽带接入，数字广播和视频或是采用DVB传输协议的系统如IP电话，会议电视等通信系统中。目前共有3套数字电视地面无线传输标准，实现方案有(1) 美国ATSC8-VSB系统(2) 欧洲DVBTCOFDM系统(3) 日本ISDBTOFDM系统QAM通信系统在接收端可以使计算机也可以是数字电视机顶盒。如采用64QAM 调制技术，改变过往一个通道只传输一套电视节目的局势。同时QAM还广泛被应用于ADSL系统中.ADSL是XDSL其中的一种，其上边带比下边带的
41、速度快上很多。正交调幅技术如果要在ADSL中实现的话，需要解决能够差异很大的不同线路之间相互的兼容，因此QAM接收器需要一个与发射端同频同相的载波用于解调，为了达到这一要求，QAM接收端需要加进一个自适应均衡器来弥补信号在传输过程中所产生的失真，这样一来整个系统的实现难度就是在于设置自适应均衡器 15。3.5QAM的误码率性能分析QAM的星座图的形状是矩形的话，PAM信号能够通过这种星座图简单地得到。该种星座图与一对正交载波上的PAM信号是一样的，每单独的信号上有 个信号点2/KM因此可以通过PAM误码率来获取 QAM系统的码元错误的概率。码元正确的概率：PMC12调整进制为M的错误码元概率：
42、 o/1/3/12avNQEM基于 MATLAB 的 QAM 调制解调技术分析15最后可得MQAM的误码率为：PMM1假设通过最小距离量度来进行判决，就能其实，得到最大所允许的错误率=o/E321av2NQPM o1/3K4QEavbNM其中， 是每比特的平均信噪比 16。NO/avb3.6QAM眼图眼图在通信系统信号的估计和完善中扮演着一个十分重要的角色，只要将示波器设置在适当的扫描速度，使得扫描速度能够和收到的码元周期成一定对应关系，就能够直接在示波器上直接观察眼图，所谓“眼图” 是因为此时在示波器上显示出来的波形图形似人的眼睛，产生这一效果是因为示波器对接收码元进行扫描，那么一连串的码元
43、进行完扫面后的图形的余晖重叠在一起，就会形成眼图。通过眼图的线迹就可以看出接收信号所噪声影响程度，如果线迹较窄那么信号受噪声影响就越小，反之就越大。同时我们也可以通过眼图来初步估计信号所受码间串扰的程度，当眼睛张得越大的话，码间串扰的程度就越小，相反当眼睛张得很小甚至都闭合，那么接收信号的码间串扰就显得特别严重。通过相关调整，调整到眼图清晰端正，这样能够较佳的接收信号。下图是眼图的一个简要概况，抽样效果最好的时刻应尽量取在眼睛最大时，此时取到的信号幅值最大，信号的强度对应的也是最强的。眼图最上面与最下面的黑线的宽度表示在抽样时刻信号的信号的最严重的失真程度，而这里信号的失真主要是由外界干扰所引
44、起的。噪声容限是指当前一码元输出是在最坏的情况当对信号进行的，为了不影响后一码元的抽样所能容纳的最大噪声，眼图中间的横轴是指门限电平，当抽样的值高于门限值判为1，低于门限值判为0。基于 MATLAB 的 QAM 调制解调技术分析16图3-6 眼图在MATLAB上实现QAM眼图功能，只需调用eyediagram(x,n)函数即可。其中x是指接收信号，n必须是大于一。 基于 MATLAB 的 QAM 调制解调技术分析17第四章 16 QAM仿真4.1.1信号源基于MATLAB的16QAM调制与解调，这里采取的是random_binary()函数，该函数不是MATLAB中的内置的子函数，不是通过直接
45、调用得到一连串比特流，而是通过输进代码来实现，每次仿真所产生的比特流一般是不一样的。通过random_binary()，首先是判断有没有输入参数，在没有输入参数的情况下，就指定信息序列为10000个码元，在这10000个码元中以各百分之五十的机会在1,0之间随机选择0,1的取值，因此在这10000个码元中将会由0,1元素随机组成的。如图4-1所示，可以看出该比特序列是由一连串的 0,1比特构成的。基于 MATLAB 的 QAM 调制解调技术分析18图4-1 二进制随机比特流4-1二进制随机比特流4.1.2电平转换在通信系统中为了提高系统信息的传输速率，采用二进制的调制是远远不够的，所以在通信系
46、统的信号发送端一般会对信号进行多进制调制，这样就能使一个码元带有多个比特。由上图可知信号源所产生的信号是二进制的随机序列，reshape（t,n,m）函数是指通过该函数生成n*m矩阵，将t中的数据依次填充到第一列，第二列，依次类推直到第 m列。这里通过reshpe()将原始的二进制比特序列每四个分成一组（ 2的4次幂等于16）并将这一组一组的数据排列成矩阵，再者利用bi2de()函数将矩阵转化成相应的 16进制序列。Bi2de()函数中的数组是从左往右看，由上reshape 函数可知数组是由每 4个比特构成一个分组，所以取值范围是由0000-1111由这样的二进制构成的取值范围转换成十进制的话
47、就是0-15，因此二进制的序列将被转换成16进制的随机信号。如图 4-2所示：基于 MATLAB 的 QAM 调制解调技术分析19图4-2 二进制比特流上述两图都是调用stem()函数，stem() 函数主要功能就是用来画图样，使得绘制完的图能更加清晰地表示信号所应处的取值范围内。由于该种图样长得形似火柴梗，因此命名为火柴梗图，像程序中的stem(x(1:50),filled) 即火柴梗图的起始端点是从x坐标轴开始，末尾是实心的点如上述的比特序列图所示，如果函数中没有标注filled的话那么所画的图的末尾就会是空心的点如上面的信号序列图所示。从火柴梗图就能够直接得到的模拟信号进行抽样之后并且量
48、化之后的信号。4.1.3QAM调制在MATLAB上实现QAM调制，在对于QAM调制原理有了深一层次的了解的基础上，通过建立一个qam调制的子函数，该函数就是将进行电平转换之后的码元序列，进行串并转换，将序列分成了正交分量Q和同相分量I，通过滤波之后，将两路信息通过相应的处理之后相加起来得到调制后的qam信号。简言之，函数qam ()即可对基带信号实现QAM既调幅又调频的调制方式。4-3QAM调制波形从仿真图中可以看到In是指信号的同相分量如图中的红色波形所示，Qn是指信号的基于 MATLAB 的 QAM 调制解调技术分析20正交分量如图中的绿色波形所示，这两路信号是正交的，将这两路信号分别乘以
49、相位相差90度，具有相同频率的载波相乘，最后将这两路信号合并起来，这样就可以得到QAM信号，如图中的蓝色波形所示。从图中就可以很容易看到QAM调制波形不是等幅调制，其幅度随着两路正交分量的变化而变化。4.1.4 16QAM星座图QAM调制之后，我们将样点用星座图表示出来，通过星座图，整个调制过程就会显得更加简单明了。星座图的I轴对应的是0相位的平面，Q 轴对应的是90度相位的平面，将已调制的信号映射到IQ平面上就能够在 IQ平面上显示出星座点。这里的星座图也是通过建立子函数来实现的，首先是判断程序中是否有输出，如果没有输出的话，就开始做星座图，通过该种星座图来查看传输网络的不足或是外界干扰等因素造成接收终端的不确定性。由发射端，信道，接收端均会引进噪声，噪声会使星座图上的样点不再固定在一个点上而是圆圈，圈的半径的大小决定了相干干扰的程度。系统中发射端和接收端的设备性能不佳的话会造成较为严重的相位失真，这种情况对星座图的影响表现在会有许多离散的点围绕着样点旋转。QAM 调制方式中，当载波泄露到输出单元，会造成严重的接收问题，样
