课程设计1---正交幅度调制(QAM)的设计与仿真

课程设计I

设计说明书

正交幅度调制（QAM）的设计与仿真

学生姓名

学号

班级

成绩

指导教师

数学与计算机科学学院2014年9月12日

课程设计任务书

2014 —2015学年第1学期

课程设计名称：课程设计I

课程设计题目：正交幅度调制（QAM）的设计与仿真

完成期限：自2014 年9 月1 日至2014 年9 月12 日共2 周

设计内容：

1.任务说明：

设计一种数字频带调制解调系统。

使用Matlab/Simulink仿真软件，设计一个选择的数字频带传输系统中的调制与解调系统。用示波器观察调制前后的信号波形；用频谱分析模块观察调制前后信号频谱的变化；用误码测试模块测量误码率；最后根据运行结果和波形来分析该系统性能。

2.要求：

（1）设计出规定的数字通信系统的结构，包括信源，调制，发送滤波器模块，信道，接受滤波器模块以及信宿；

（2）根据通信原理，设计出各个模块的参数（例如码速率，滤波器的截止频率等）；

（3）熟悉MATLAB环境下的Simulink仿真平台，用Matlab/Simulink 实现该数字通信系统；

（4）观察仿真并进行波形分析（波形图、眼图和频谱图等）；

（5）用示波器观察调制与解调各个阶段的波形图，并给出波形的解释说明；

（6）在老师的指导下，要求独立完成课程设计的全部内容，并按要求书写课程设计说明书，能正确阐述和分析设计和设计结果。

3.参考资料：

[1]邵玉斌. Matlab/Simulink通信系统建模与仿真实例分析. 北京:清华大学出版社, 2008

[2]张化光, 刘鑫蕊, 孙秋野. MATLAB/SIMULINK实用教程. 北京:人民邮电出版社, 2009

[3]樊昌信, 曹丽娜. 通信原理. 北京:国防工业出版社,2008

[4]刘卫国. MATLAB程序设计教程. 北京:中国水利水电出版社, 2005 指导教师：教研室负责人：

课程设计评阅

摘要

正交幅度调制技术(QAM)是一种功率和带宽相对高效的信道调制技术,因此在自适应信道调制技术中得到了较多应用.利用MATLAB/Simulink对QAM调制系统进行仿真,并给出了16QAM在加性高斯白噪声条件下的误码率。实验及仿真的结果证明，多进制正交幅度调制解调易于实现，且性能良好，是未来通信技术的主要研究方向之一，并有广阔的应用前景。

关键词：正交幅度调制系统；MATLAB ；仿真

目录

1 课题描述 (1)

2 多进制正交幅度（M-QAM）调制及相干解调原理框图 (7)

3 基于MATLAB的多进制正交幅度（M-QAM）调制及相干解调设计与仿真 (8)

4 仿真结果及分析 (15)

5 总结与体会 (19)

参考文献 (20)

1 课题描述

1.1 正交幅度调制技术

正交振幅调制（Quadrature Amplitude Modulation,QAM ）是一种振幅和相位联合键控。虽然MPSK 和MDPSK 等相移键控的带宽和功率方面都具有优势，即带宽占用小和比特噪声比要求低。但是由图1.1可见，在MPSK 体制中，随着

图 1.1 8PSK 信号相位

M 的增大，相邻相位的距离逐渐减小，使噪声容限随之减小，误码率难于保证。为了改善在M 大时的噪声容限，发展出了QAM 体制。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

0()cos() (1)k k k s t A t kT t k T

ωθ=+<≤+ （1—1）

式中：k=整数；k A 和k θ分别可以取多个离散值。

式（1—1）可以展开为 00()cos cos sin sin k k k k k s t A t A t θωθω=- （1—2）

8/5π8/3π8/π8/7π8

/9π8/11π8

/13π

令 X k = A k cos θk ， Y k = -A k sin θk

则式（1—1）变为

00()cos sin k k k s t X t Y t ωω=+ （1—3）

和k X k Y 也是可以取多个离散的变量。从式（1—3）看出，()k s t 可以看作是两个正交的振幅键控信号之和。

在式（1—1）中，若θk 值仅可以取π/4和-π/4，A k 值仅可以取+A 和-A ，则此QAM 信号就成为QPSK 信号，如图1.2所示：

图1.2 4QAM 信号矢量图

所以，QPSK 信号就是一种最简单的QAM 信号。有代表性的QAM 信号是16进制的，记为16QAM ，它的矢量图示于下图中：

图1.3 16QAM 信号矢量图

图中用黑点表示每个码元的位置，并且示出它是由两个正交矢量合成的。类似地，有64QAM 和256QAM 等QAM 信号，如图1.4、图1.5所示。它们总称为MQAM 调制。由于从其矢量图看像是星座，故又称星座调制。

16QAM 信号的产生方法主要有两种。第一种是正交调幅法，即用两路独立的正交4ASK 信号叠加，形成16QAM 信号，如图1.6所示。第二种方法是复合相

图1.6 正交调幅法

法，它移用两路独立的QPSK 信号叠加，形成16QAM 信号，如图1.7所示。图中

图1.7 复合相移法

图1.4 64QAM 信号矢量图 图1.5 256QAM 信号矢量图

虚线大圆上的4个大黑点表示一个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。

1.2 QAM 调制解调原理

1.2.1 QAM 调制

正交幅度调制QAM 是数字通信中一种经常利用的数字调制技术，尤其是多进

制QAM 具有很高的频带利用率，在通信业务日益增多使得频带利用率成为主要矛盾的情况下，正交幅度调制方式是一种比较好的选择。

正交幅度调制（QAM ）信号采用了两个正交载波t f t f c c ππ2sin 2cos 、

，每一个载波都被一个独立的信息比特序列所调制。发送信号波形如图1.2.1所示

,2sin )(2cos )()(t f t g A t f t g A t u c T ms c T mc m ππ+= M m ,...,2,1=

图1.2.1 M=16QAM 信号星座图

式中{mc A }和{ms A }是电平集合，这些电平是通过将k 比特序列映射为信号振幅而获得的。例如一个16位正交幅度调制信号的星座图如下图所示，该星座是通过用M ＝4PAM 信号对每个正交载波进行振

幅调制得到的。利用PAM 分别调制两个正交载波可得到矩形信号星座。

QAM 可以看成是振幅调制和相位调制的结合。因此发送的QAM 信号波形可表示为 ),2cos()()(n c T m mn t f t g A t u θπ+= ,,....,2,11M m = ,,....,2,12M n =

如果

,211k M =,222k M =那么QAM 方法就可以达到以符号速率)(21k k R B +同时发送12221log M M k k =+个二进制数据。图1.2.2给出了QAM 调制器的框图。