1、*实践教学*兰州理工大学计算机与通信学院2013 年秋季学期通信系统仿真训练题 目：基于 QAM 调制的无线衰落信道的性能分析与仿真专业班级： 通信工程（1）班 姓 名： 学 号： 指导教师： 成 绩： 摘 要本课程设计主要是为了研究无线衰落信道的特性，通过深入分析了无线衰落信道的衰落特征以及衰落信道对信号传输产生的影响，设计了一种基于QAM调制的无线衰落信道的仿真，主要是针对16QAM调制下的瑞利衰落信道、高斯衰落信道的模型在MATLAB环境下进行模拟仿真，然后观察数字信号经过这两类信道后的时域波形、频谱以及误码率，通过仿真，对比分析无线衰落信道对信号的影响,有助于对无线信道的进一步理解和掌
2、握以及工程实践提供一定的指导。关键词：QAM 调制；瑞利衰落；高斯噪声；目 录摘 要 .2目 录 .3前 言 .1一、QAM 调制解调 .21.1 调制简介 .21.2 QAM 调制 .21.3 16QAM 调制 .11.3.1 16QAM 调制解调原理 .11.3.2 16QAM 星座图映射 .31.3.3 16QAM 抽样判决 .31.3.4 16QAM 误码率曲线 .41.3.5 16QAM 信号与其它调制信号的性能比较 .4二、衰落信道 .62.1 通信系统信道模型及其分类 .62.1.1 恒参信道 .62.1.2 随参信道 .72.2 瑞利衰落信道的统计模型 .82.3 通信系统中噪
3、声概述及高斯白噪声 .92.3.1 噪声概述 .92.3.2 高斯白噪声 .92.4 通信系统的主要性能 .11三、无线衰落信道仿真程序设计 .123.1 仿真设备 .123.2 系统整体框图 .123.3 QAM 调制解调 .133.4 瑞利信道仿真模块 .13四、设计与仿真 .144.1 16QAM 调制模块的建立与仿真 .144.1.1 信号源 .144.1.2 串并转换 .144.1.3 2-4 电平转换 .154.1.4 增加载波 .164.1.5 调制信号形成 .174.2 16QAM 调制信号的噪声叠加 .184.3 16QAM 解调模块的建立与仿真 .194.3.1 滤波器 .
4、194.3.2 4-2 电平转换 .204.3.3 并串转换 .2044.4 QAM 性能分析 .224.4.1 16QAM 抗噪声性能仿真 .22总结 .23参考文献 .24附 录 .25致谢 .401前 言无线通信是当今社会最重要的通信方式之一。在进行无线通信系统的设计时，首先需要考虑的是信道的传输特性，因此无线衰落信道的建模与仿真研究对于无线通信有着重要的意义。针对无线衰落信道已经提出了许多的仿真模型，其中针对宽带短波信道ITS模型和陆地移动卫星信道的多状态模型在两种通信方式下得到了广泛的应用。影响无线通信性能的主要因素有:多径效应、多普勒效应和阴影效应，无线衰落信道进行建模时主要考虑这
5、几方面的影响，并通过现有的数学理论与实测数据尽可能精确的进行曲线拟合，得到想要的信道模型。在卫星移动通信系统、陆地移动通信系统中其电波传播方式主要以视距传播为主。由于多径和接收端运动等因素的影响，使得无线信道对接收信号在时间、频率和角度上造成了色散，这种色散表现在接收信号幅度上就是所谓的信号衰落。因此，多径效应对通信质量有着至关重要的影响，根据不同的无线环境，接收信号包络一般服从几种典型分布，如瑞利分布、莱斯分布等。在本文中，专门针对接收信号包络服从瑞利分布的信道进行建模仿真，为实际的通信系统设计提供理论参考和支持。2一、QAM 调制解调1.1 调制简介调制在通信系统中的作用至关重要。所谓调制
6、，就是把信号转换成适合在信道中传输的形式的一种过程。广义的调制分为基带调制和带通调制（也称载波调制） 。载波调制，就是用调制信号去控制载波的参数的过程，即使载波的某一个或某几个参数暗中啊调制信号的规律而变化。调制信号是指来自信源的消息信号（基带信号） ，这些信号可以是模拟的，也可以是数字的。未受调制的周期性震荡信号称为载波，它可以是正弦波，也可以使非正弦波（如周期性脉冲序列） 。载波调制后称为已调信号，它含有调制信号的全部特征。解调（也称检波） 则是调制的逆过程，其作用是将已调信号中的调制信号恢复出来。解调的方法可分为两类：相干解调和非相干解调（包络检波） 。相干解调时，为了无失真地恢复原基带
7、信号，接收端必须提供一个与接收的已调载波严格同步（同频同相）的本地载波。本课题采用的是相干解调。数字调制具有 3 种基本方式：数字振幅调制、数字频率调制、数字相位调制，这3 种数字调制方式都存在不足之处，如：频谱利用率低、抗多径抗衰弱能力差、功率谱衰减慢、带外辐射严重等。为了改善这些不足，在恒参信道中，提出了正交振幅调制（QAM）方式，它具有高的频谱利用率，因此在卫星通信和有线电视网络高速数据传输等领域得到广泛应用。1.2 QAM 调制正交振幅调制（QAM）是一种矢量调制，它是将输入比特先映射（一般采用格雷码）到一个复平面（星座）上，形成复数调制符号。正交调幅信号有两个相同频率的载波，但是相位
8、相差 90 度（四分之一周期，来自积分术语） 。一个信号叫 I 信号，另一个信号叫 Q 信号。从数学角度将一个信号可以表示成正弦，另一个表示成余弦。两种被调制的载波在发射时已被混和。到达目的地后，载波被分离，数据被分别提取然后和原始调制信息相混和。 这样与之作幅度调制（AM）相比，其频谱利用率高出一倍。3QAM 是用两路独立的基带信号对两个相互正交的同频载波进行抑制载波双边带调幅，利用这种已调信号的频谱在同一带宽内的正交性，实现两路并行的数字信息的传输。该调制方式通常有二进制 QAM（4QAM） 、四进制 QAM（l6QAM） 、八进制 QAM（64QAM） 、，对应的空间信号矢量端点分布图称
9、为星座图，分别有 4、16、64、个矢量端点。目前 QAM 最高已达到 1024QAM。样点数目越多，其传输效率越高。但并不是样点数目越多越好，随着样点数目的增加，QAM 系统的误码率会逐渐增大，所以在对可靠性要求较高的环境，不能使用较多样点数目的 QAM。对于 4QAM，当两路信号幅度相等时，其产生、解调、性能及相位矢量均与 4PSK 相同。a 4QAM 星座图b 16QAM 星座图 图 1-1 QAM 星座图QAM 采用格雷编码，采用格雷码的好处在于相邻相位所代表的两个比特只有一位不同，由于因相位误差造成错判至相邻相位上的概率最大，故这样编码使之仅造成一个比特误码的概率最大。下图以 16Q
10、AM 为例，显示了编码图 1-2 16QAM 编11.3 16QAM 调制1.3.1 16QAM 调制解调原理16QAM 是两路 4ASK 信号的叠加，其演变方式可以有以下两种：（1）正交调幅法，由两路独立的正交 4ASK 信号叠加而成；图 1-3 正交调幅（2）复合相移法，由两路独立的 QPSK 信号叠加而成。图中虚线大圆上的4 个大黑点表示第一个 QPSK 信号矢量的位置，在这 4 个位置上可以叠加上第二个 QPSK 矢量，后者的位置用虚线小圆上的 4 个小黑点表示。图 1-4 复合相移法2在 QAM 体制中，信号的振幅和相位作为两个独立的参量同时受到调制。这种信号的一个码元可以表示为Sk
11、(t)=Akcos( 0t+ k) kTt(k+1)T （1-1）式中，k 取整数；Ak 和 k 分别可以取多个离散值。上式可以展开为Sk(t)=Akcos kcos 0tAksin ksin 0t （1-2）令 Xk=Akcosk Yk=-Aksink则信号表示式变为Sk(t)= Xkcos 0t+Yk sin 0t （1-3）Xk 和 Yk 也是可以取多个离散值的变量。从上式看出，k(t)可以看作是两个正交的振幅键控信号之和。本课题采用了正交调幅法。在发送端调制器中串/并变换使得信息速率为Rb 的输入二进制信号分成两个速率为 Rb/2 的二进制信号，2/4 电平转换将每个速率为 Rb/2
12、的二进制信号变为速率为 Rb/8 的电平信号，然后分别与两个正交载波相乘，再相加后即得 16QAM 信号下图是 16QAM 的调制框图。图 1-5 16QAM 调制框图解调是调制的逆过程，在接收端解调器中可以采用正交的相干解调方法。接受到的信号分两路进入两个正交的载波的相干解调器，再分别进入判决器形成 L 进制信号并输出二进制信号，最后经并/串变换后得到基带信号。下图为16QAM 解调框图：基带信号 XQ串并变换2-4 电平变换2-4 电平变换LPFLPF载波发生器90相移Icoswct-sinwct已调信号 Y3图 1-6 16 QAM 解调框图1.3.2 16QAM 星座图映射将等概分布的
13、 0、1 信号映射到 16QAM 星座图上。每四个 bit 构成一个码子，具体实现的方法是，将输入的信号进行串并转换分成两路，分别叫做 I 路和 Q 路。再把每一路的信号分别按照两位格雷码的规则进行映射，这样实际上最终得到了四位格雷码。为了清楚说明，参看表 1-1表 1-1 两位格雷码的映射规律两位 0、1 码 映射后（按格雷码）0 0 -30 1 -11 1 11 0 31.3.3 16QAM 抽样判决经过前边的匹配滤波器解调或者称为相关解调产生了一组向量，在这里就是一个一维的向量，根据最大后验概率（MAP）准则（由于各个信号的先验概率相等，所以页可以认为是最大似然准则） ，得到了最小距离检测。具体在本仿真并串变换4-2 电平变换4-2 电平变换LPFLPF载波恢复90相移QIcoswct-sinwctEPF抽样判决抽样判决解调输出定时脉冲接收信号
