1、第 17 頁 共 17 頁 張平凡 基于MATLAB的QAM調制解調實現 基于MATLAB的QAM調制解調實現 學生姓名：張平凡 指導老師：吳志敏摘 要 : 此次課程設計的主要內容為利用MATLAB集成環境下的M文件，編寫程序來實現QAM的調制解調，并繪制出解調前后的時域和頻域波形及疊加噪聲時解調前后的時頻波形，根據運行結果和波形來分析該解調過程的正確性及信道對信號傳輸的影響。通過此次課設，我加深了關于正交調幅方面的理論知識，加強了MATLAB軟件的操作能力，對以后的實驗操作打下了基礎。此次課程設計，旨在提高自己的MATLAB軟件編程能力，自學能力，對資料的收集.理解以及總結的能力。在此次課程

2、設計中，我依托MATLAB為平臺，編程實現QAM調制解調的實現，并將相關圖形繪制出來，進一步鞏固了對課本知識的理解。 關鍵詞 : MATLAB; 正交振幅調制; 頻譜利用率; 調制與解調;1. 引 言 在現代通信中，提高頻譜利用率一直是人們關注的焦點之一。近年來，隨著通信業務需求的迅速增長，尋找頻譜利用率高的數字調制方式已成為數字通信系統設計、研究的主要目標之一。為了提高其性能，人們對這些數字調制體制不斷加以改進提出了多種新的調制解調機體。這些新的調制解調體制，各有所長分別在不同的方面有其優勢。正交振幅調制QAM(Quadrature Amplitude Modulatio

3、n)就是一種頻譜利用率很高的調制方式，正交振幅調制是二進制的PSK、四進制的QPSK調制的進一步推廣，通過相位和振幅的聯合控制，可以得到更高頻譜效率的調制方式，從而可在限定的頻帶內傳輸更高速率的數據【1】。 通信原理通信工程的一門重要的專業課，調制與解調又是通信的精髓，調制就是用基帶信號去控制載波信號的某個或幾個參量的變化，將信息荷載在其上形成已調信號傳輸，而解調是調制的反過程，通過具體的方法從已調信號的參量變化中將恢復原始的基帶信號，QAM(正交振幅調制)是一種振幅和相位聯合鍵控，在MPSK體制中，隨著M的增大，相位相鄰相位的距離逐漸縮小，使噪聲容限隨之減小，使誤碼率難于保證，為了改善在M大

4、的噪聲容限，發展出了QAM體制【2】。 正交振幅調制在大容量數字微波通信系統、有線電視網絡高速數據傳輸、衛星通信系統等領域得到了廣泛應用。在移動通信中，隨著微蜂窩和微微蜂窩的出現，使得信道傳輸特性發生了很大變化【3】。1.1課程設計目的此次課程設計的主要內容為利用MATLAB集成環境下的M文件，編寫程序來實現QAM的調制解調，并繪制出解調前后的時域和頻域波形及疊加噪聲時解調前后的時頻波形，根據運行結果和波形來分析該解調過程的正確性及信道對信號傳輸的影響。通過此次課設，我加深了關于正交調幅方面的理論知識，加強了MATLAB軟件的操作能力，對以后的實驗操作打下了基礎。1.2課程設計要求（1） 熟悉

5、MATLAB軟件的使用并編寫程序。（2） 繪制并觀察出QAM信號解調前后在時域和頻域中的波形及其變化，理解調制解調原理。（3） 疊加噪聲繪制圖形，分析噪聲對信號傳輸造成的影響。1.3課程設計步驟（1） 運用randint()函數產生一個四進制基帶信號。（2） 運用qammod()函數，進行4qam調制。（3） 調用scatterplot()函數，繪制散點圖。（4） 疊加噪聲后，再解調輸出。（5） 繪制時域和頻域內的波形，分析結果。2 .QAM調制解調原理2.1 QAM調制原理 QAM（Quadrature Amplitude Modulation）：正交振幅調制。其映射過程為：將輸入的比特信號

6、按所需的QAM 信號來進行M 階映射，分別映射為IQ 兩路，成為復數符號信息4。QAM 調制技術采用振幅和相位進行聯合調制，因此單獨的使用其中的一種調制，就會演變成其他的調制方式。對于振幅調制而言5，其主要作用是控制載波的振幅大小，因此信號的矢量端點在一條軸線上分布；對于相位調制而言，其主要作用是控制載波相位的變化，因此其信號的矢量端點在圓上分布。QAM 信號階數不斷提高，信號矢量點之間的距離就會變小，因此噪聲容限也會變小，在判決的時候就很容易發生錯誤。 圖2.1正交振幅調制原理框圖2.2QAM解調原理及方法 利用正交相干解調器，解調器輸入端的已調信號與本地恢復的兩個正交載波相乘，經過低通濾波

7、器輸出兩路多電平基帶信號X(t)和Y(t),用門限電平為(L-1)的判決器判決后，分別恢復出兩路速率為Rb/2的二進制序列，最后經過并/串變換器將兩路二進制序列組合為一個速率為Rb的二進制序列【6】。 下圖為正交振幅調制解調原理框圖:圖2.2正交振幅調制解調原理框圖3. 仿真實現過程以數字信號為例3.1設計產生四進制基帶信號x=randint(1,N,M);產生一個四進制基帶信號，運用stairs函數畫出該序列的時域波形。 圖3.1四進制基帶信號圖如圖，繪制出橫軸(020),縱軸(-15)的四進制基帶信號。由圖易知,四進制基帶信號取值為0,1,2,3。3.2 編程實現4QAM調制調用函數:y=

8、qammod(x,M);qammod函數實現QAM調制,M等于4,其中qammod為matlab的自帶函數,對輸入的數字基帶信號進行M階的QAM調制，其輸出是一個復數，其實部表示調制后的同相分量（I信號），虛部表示調制后的正交分量（Q分量）。 圖3.2 4QAM信號的實部和虛部圖像由所畫的圖形可知,調制后的信號實部有兩個取值( -1 1 ),虛部兩個取值(-1 1),此次設計是進行4QAM調制,所以總共有4種狀態。3.3 繪制散點圖調用函數scatterplot(y)，繪制信號的散點圖，也可稱星座圖。圖3.3 無噪聲下的4QAM散點圖4QAM調制輸出的是一個復數，該函數實現的調制輸出的星座圖是

9、一個矩形，輸出有4種狀態。3.4編程實現4QAM解調調用函數:z=qamdemod(y,M);與qammod用法格式相似，但功能是實現QAM解調。其中y是QAM信號，M是與調制階數相同的解調階數，z為解調輸出的四進制基帶信號。 圖3.4 4QAM解調后四進制基帶信號圖3.5疊加噪聲后，信號的解調 實際生活中的傳輸信道不可能完全是理想信道，存在加性干擾，噪聲將疊加在調制信號上，通過對不同信噪比解調輸出信號的分析，可比較不同調制方式的性能。（2）編程實現>>y1=awgn(y,20);%在已調信號中加入信噪比為20的高斯白噪聲>>y2=awgn(y,-20);%在已調信號中

10、加入信噪比為-20的高斯白噪聲Awgn：y = awgn(x,SNR) 在信號x中加入高斯白噪聲。信噪比SNR以dB為單位。x的強度假定為0dBW。 圖3.5不同信噪比解調恢復后的四進制基帶圖像通過大信噪比解調后恢復的四進制基帶信號和小信噪比解調后恢復的四進制基帶信號與原四進制基帶信號相比較，可以得出:大信噪比情況下能無差錯的恢復原信號，說明4QAM對該種信噪比下的信道具有較強的適應能力，小信噪比情況下已不能恢復原信號。從圖中可看出，出現了許多的誤判情況。 圖3.6 大信噪比下的散點圖圖3.7小信噪比下的散點圖由圖3.6和圖3.7對比不難看出，當信噪比越小時，散點圖越混亂，混亂而模糊的圖形是由

11、噪聲干擾而形成的。理想信道調制后信號的星座圖是一個矩形，大信噪比下調制后輸出信號出現偏差，但由大信噪比調制輸出的星座圖可以看出其偏差還在噪聲容限范圍內，所以大信噪比下能夠無差錯得到恢復原信號；小信噪比的調制輸出信號的散點圖已經不在噪聲容限范圍內，故不能恢復原信號。3.6繪制頻譜圖，進行分析調用函數:xw=fft(x,100000);用fft()函數來求序列的傅里葉變換。fs=1000HZ,為采樣頻率數據點數N=100000。 通過plot函數繪制四進制基帶信號頻域波形。 圖3.8 基帶信號和無噪聲解調后的基帶信號頻譜圖 圖3.9 不同信噪比解調后恢復四進制的基帶信號頻譜圖由圖3.8可知，在無噪

12、聲下，解調后信號與調制信號頻域波形一致，輸入的為四進制基帶信號，由理論知識可知頻率集中在0(低頻)處。由圖3.9可知，大信噪比下的解調信號頻譜與原基帶信號頻譜基本一致，而小信噪比下的解調信號頻譜與原基帶信號頻譜波形上有較大的區別。這也印證了之前的結論：大信噪比情況下能無差錯的恢復原信號，說明4QAM對該種信噪比下的信道具有較強的適應能力，小信噪比的情況下已不能恢復原信號。故小信噪比下的頻譜圖已與原頻譜圖和大信噪比下的頻譜圖，波形有了很大差別。3.7誤碼率分析調用函數： br, Pe(i)=symerr(x,z3);得到信噪比與誤碼率之間的關系。 semilogy(SNR,Pe);調用semil

13、ogy函數繪制信噪比與誤碼率的關系曲線。下圖為信噪比與誤碼率的關系曲線圖： 圖3.10 信噪比與誤碼率的關系曲線圖由信噪比與誤碼率的關系曲線可知，信噪比與誤碼率呈反比例的關系，隨著信噪比的增大，誤碼率減小。并且從該關系圖中我們可以得到隨著信噪比的增大，誤碼率減小的速率將加快。4. 遇到的問題及解決辦法剛開始時，我翻閱教材，查閱關于QAM的有關內容，但書本較簡略，我難以形成深刻的理解，這是我的第一個問題。所以，我選擇上網查閱相關資料和源程序，加深理解。而后就是具體的函數理解和編程了，通過學習任務指導書中的函數介紹，我了解了各種函數的用法和格式，比如qammod,qamdemod,awgn等函數，

14、并將其運用。在此過程中，我從同學那里學來，可以直接輸入“help qammod”,MATLAB自動生成qammod函數的簡介，我可以直接得知其用法，這給我的編程提供了很大的便利。在數字信號的調制解調中，我先嘗試編程產生一個二進制序列，然而我在reshape函數的使用上，出現了編程錯誤，錯誤如下圖: 圖4.1編程錯誤圖所以，在老師的指導下，我選擇直接產生一個四進制基帶信號，這樣不僅避開了錯誤，更使程序設計更為簡單。在論文的編寫中，我的行文思路也有很大的問題，條理不清晰。在老師和同學的幫助指導下，我改變了論文結構，適當增加了截圖文件，改進了自己的文字表述，使論述更加清晰。在論文排版和字體上，我也有

15、不少問題，大多是沒按要求來。而后，我嚴格按照任務指導書的要求，規范字體大小，行距，使論文看起來美觀。5. 結束語對該課設作一總結，并寫出在整個過程中所做的具體工作以及完成之后的心得！通過此次課設，我加深了關于正交調幅方面的理論知識，加強了MATLAB軟件的操作能力，對以后的實驗操作打下了基礎。首先，我查閱書本資料，粗略了解QAM調制解調的原理和方法。而后，我查詢網絡資料，詳細地了解QAM的應用背景和相關技術。隨后，我著手設計程序，通過網絡上的程序，我自己編寫了一套程序，期間，我不斷向老師同學請教，不斷完善自己的程序。期間出現很多問題，我也進行了更正和反思。但是，我無法做到十全十美，如果有紕漏，

16、也在所難免。在整個課程設計任務中，我嚴格按照任務指導書要求，學習并操練相關知識和技能。在此過程中，我遇到了不少問題，程序也是反復修改。所以，我一直向老師和同學請教，不斷查詢書籍和網絡資料，收獲頗多。第一次做課程設計，難免會有很多紕漏，但我會不斷學習完善，不斷加強自身技能，才能迎接更多挑戰。只有努力學好專業知識與技能才能在通信領域施展才華，嶄露頭角，開創屬于自己的天地！現在我們學習了專業基礎課，了解了通信工程研究的內容和發展方向，我們需要結合自己的實際選定一個方向然后不懈努力才能在畢業后有所專長，有所創造，才能進入自己理想的企事業單位實習工作高升，才能發展自己的事業！短短兩周的實習，堅定了我們學

17、好本專業的信心，強化了我們手腦并用的能力，開闊了我們的理論思維。也感謝同學老師在學習過程中對我的指導和批評，只有相互學習，我們才能攀登更高峰！參考文獻1 黃文梅, 熊桂林, 楊勇.信號分析與處理MATLAB語言及應用. 長沙: 國防科技大學出版社, 2000.2唐向宏, 岳恒立, 鄭雪峰. MATLAB及在電子信息類課程中的應用.北京: 電子工業出版社, 2006, 8.3 鄧華. MATLAB通信仿真及應用實例詳解. 人民郵電出版社, 2003.4 張輝，曹麗娜.通信原理學習指導M.西安電子科技大學，2002:111-1215 徐明遠，邵玉斌等.MATLAB 仿真在通信與電子工程中的應用M.

18、西安電子科技大學出版社，2005:24-25.6 張磊，郭蓮英.MATLAB實用教程M.人民郵電出版社，2008:53-58.7 宋烈武. 通信原理課程設計J.電子工業出版社，2009.5.4-55.8 郭仕劍.數字信號處理M，人民郵電出版社，2006:105-107.9 調制解調的MATLAB實現M.電子工業出版社，2007:72-75.10 存用MATLAB產生正態分布隨機噪聲來測量直擴系統抗噪性J,2010:10-12.附錄：QAM調制解調程序清單%程序名稱：QAM.m %程序功能：調用函數qammod,qamdemod實現QAM調制與解調%程序作者：張平凡%最后修改時間：2016-12

19、-30%=程序代碼 N=100000;%定義基本參數M=4;fs=1000;x=randint(1,N,M);y=qammod(x,M)z=qamdemod(y,M);y1=awgn(y,20);z1=qamdemod(y1,M);%yl=awgn(y,SNR-10*log10(0.5)-10*log10(N),'measured','dB');y2=awgn(y,-20);z2=qamdemod(y2,M);%畫實域頻域頻譜xw=fft(x,100000);mag_xw=abs(xw);zw=fft(z,100000);mag_zw=abs(zw);z1w=f

20、ft(z1,100000);mag_z1w=abs(z1w);z2w=fft(z2,100000);mag_z2w=abs(z2w);fs=1000;N=100000;n=0:N-1;f=n*fs/N;%疊加噪聲和誤碼分析SNR=-10:10for i=1:length(SNR); y3=awgn(y,SNR(i);%加入高斯小噪聲，信噪比從-10dB到10dBz3=qamdemod(y3,M);%調用數字帶通解調函數ddemod對加噪聲信號進行解調br, Pe(i)=symerr(x,z3)%對解調后加大噪聲信號誤碼分析，br為符號誤差數，Pe(i)為符號誤差率endfigure(1)sta

21、irs(x);title('四進制基帶信號');xlabel('時間 t');ylabel('序列值');axis(1 20 -1 5);grid onfigure(2)subplot(211);stairs(real(y);title('QAM信號實部');axis(1 20 -3 3);grid onsubplot(212);stairs(imag(y);title('QAM信號虛部');axis(1 20 -3 3);grid onfigure(3);stairs(z);title('QAM解調后四進

22、制基帶信號');xlabel('時間 t');ylabel('序列值');axis(1 20 -1 5);grid onfigure(4);subplot(3,1,1);stairs(x);title('四進制基帶信號');xlabel('時間 t');ylabel('序列值');axis(1 20 -1 4);grid onsubplot(3,1,2);stairs(z1);title('大信噪比解調恢復四進制基帶信號');xlabel('時間 t');ylabel('序列值');axis(1 20 -1 4);grid onsubplot(3,1,3);stairs(z2);title('小信噪比解調恢復四進制基帶信號');xlabel('時間 t');ylabel('序列值');axis(1 20 -1 4);grid onfigure(5);subplot(211);plo