基于Matlab/Simulink的QAM通信系統(tǒng)的仿真

陳 毓， 程 鈴

（1.92724部隊(duì) 山東 青島 266109；2.南京信息工程大學(xué) 江蘇 南京 210044）

在眾多系統(tǒng)仿真平臺(tái)中，Matlab及其Simulink工具箱較之于其它仿真軟件，有著獨(dú)到的優(yōu)勢(shì)，它使通信技術(shù)人員擺脫系統(tǒng)仿真中繁瑣的編程過(guò)程，有效地提高了仿真的效率，而且易學(xué)易用。Simulink是Matlab中的一個(gè)基于方框圖的系統(tǒng)仿真環(huán)境，是一個(gè)對(duì)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行建模、仿真和仿真結(jié)果可視化分析的軟件包。用戶只需要通過(guò)簡(jiǎn)單的鼠標(biāo)操作就可以將一系列圖形化的系統(tǒng)模塊連接起來(lái)，從而建立一個(gè)非常直觀的、功能上卻相當(dāng)復(fù)雜的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)模型。

Simulink還提供了許多專業(yè)模塊庫(kù)：如CDMA參考模塊庫(kù)、通信模塊庫(kù)、DSP模塊庫(kù)等等[1]，大大地提高了通信系統(tǒng)研究和設(shè)計(jì)開發(fā)的效率。Simulink作為Matlab的重要組成部分，它具有以下特點(diǎn)[2]：

1）調(diào)用模塊連成框圖來(lái)表示系統(tǒng)，使得仿真系統(tǒng)建模與工程中的方框圖統(tǒng)一起來(lái)，能較全面地研究通信系統(tǒng)，直觀性很強(qiáng)，且具有很高的開放性；2）用戶可以隨意修改模塊參數(shù)，以便于觀察不同參數(shù)下的仿真結(jié)果，有利于用戶比較和選取；3）仿真結(jié)果可以近乎“實(shí)時(shí)”地以圖形或數(shù)據(jù)顯示出來(lái)，這與實(shí)驗(yàn)室操作是一樣的。

1 QAM簡(jiǎn)介

QAM （Quadrature Amplitude Modulation）正交幅度調(diào)制技術(shù)是用兩路獨(dú)立的基帶信號(hào)對(duì)兩個(gè)相互正交的同頻載波進(jìn)行抑制載波的雙邊帶調(diào)幅，利用這種已調(diào)信號(hào)的頻譜在同一帶寬內(nèi)的正交性，實(shí)現(xiàn)兩路并行的數(shù)字信息的傳輸。該調(diào)制方式通常有4QAM、l6QAM、64QAM等，對(duì)應(yīng)的空間信號(hào)矢量端點(diǎn)分布圖稱為星座圖，分別有4、16、64等個(gè)矢量端點(diǎn)。QAM調(diào)制實(shí)際上就是幅度調(diào)制和相位調(diào)制的組合，信號(hào)的振幅和相位作為兩個(gè)獨(dú)立的參量同時(shí)受到調(diào)制[2]，與其他調(diào)制方式相比，QAM具有能充分利用帶寬、抗噪聲性能強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在移動(dòng)通信、有線電視傳輸和ADSL中均有廣泛的應(yīng)用。利用Matlab通信仿真軟件對(duì)QAM系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真具有重要的現(xiàn)實(shí)意義，為科學(xué)合理地設(shè)計(jì)和應(yīng)用QAM技術(shù)提供了便捷、高效和直觀的仿真平臺(tái)。

2 QAM系統(tǒng)仿真

Simulink的通信模塊中有各種數(shù)字調(diào)制/解調(diào)器模塊。其有通帶（passband）模塊和基帶（baseband）之分。通帶仿真的載波信號(hào)包含在模型的發(fā)射部分，載波頻率通常遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于信號(hào)的最高頻率。由Nyquist抽樣定理可知，為了能在接收端恢復(fù)原信號(hào)，仿真中的抽樣頻率應(yīng)至少為載波頻率最大值的兩倍。如果信號(hào)頻率很高，則仿真會(huì)變得非常慢或無(wú)法直接進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬。基帶仿真一般稱為低通等效法仿真，將帶通信號(hào)等效為基帶信號(hào)，使得調(diào)制和解調(diào)性能分析與載波頻率和信道頻段無(wú)關(guān)，從而減少系統(tǒng)資源的占用[3]。

下面以基帶模塊為例，對(duì)16QAM系統(tǒng)進(jìn)行了仿真，給出了一種比較簡(jiǎn)單的仿真方法，并說(shuō)明如何運(yùn)用Simulink對(duì)通信系統(tǒng)進(jìn)行仿真。

QAM通信系統(tǒng)仿真模型如圖1所示。

圖1 QAM系統(tǒng)仿真模型Fig.1 Simulation model of the QAM system

信源Random Integer Generator模塊產(chǎn)生隨機(jī)整數(shù)0-15，送入QAM基帶調(diào)制模塊。QAM基帶解調(diào)模塊（用于解調(diào)QAM信號(hào)）與QAM基帶調(diào)制模塊（用于產(chǎn)生QAM信號(hào)）的參數(shù)設(shè)置必須一致。采用Communication Blockets（通信模塊）中提供類似實(shí)際的噪聲信道——高斯白噪聲信道模塊以便觀察系統(tǒng)的正常響應(yīng)。Discrete-Time Scatter Plot Scope模塊用來(lái)顯示調(diào)制信號(hào)及其經(jīng)信道傳輸后的星座圖，Discrete-Time Scatter Plot Scope模塊以點(diǎn)形式繪制信號(hào)點(diǎn)。Error Rate Calculation模塊用于計(jì)算誤碼率，并將結(jié)果通過(guò)Display模塊顯示出來(lái)[4-5]。主要參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 QAM仿真系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置Tab.1 Parameters setting of QAM simulation system

信噪比為 20 dB時(shí)，QAM調(diào)制輸出信號(hào)和通過(guò)信道后的QAM信號(hào)星座圖分別如圖2和圖3所示。

從圖2的星座圖可以看出，16QAM調(diào)制信號(hào)有16個(gè)信號(hào)點(diǎn)（圖中米子形），信號(hào)點(diǎn)表示每個(gè)碼元的位置，它是由兩個(gè)正交矢量合成的。而其經(jīng)過(guò)高斯信道后，接收信號(hào)點(diǎn)受到干擾以高斯分布概率密度函數(shù)規(guī)律，并以各點(diǎn)發(fā)送信號(hào)為期望值散布于發(fā)送信號(hào)點(diǎn)附近如圖3所示。調(diào)整信噪比SNR可以觀察經(jīng)信道后QAM信號(hào)星座圖的變化，仿真發(fā)現(xiàn)信噪比SNR越大，接收信號(hào)點(diǎn)的集中程度越高；反之，信號(hào)點(diǎn)的分散程度越高。

圖2 QAM信號(hào)星座圖Fig.2 Constellation diagram of QAM signal

圖3 經(jīng)高斯信道后的QAM信號(hào)星座圖（SNR為20 dB）Fig.3 Constellation diagram of QAM signal through gass channel

誤碼率是反映數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)特性的指標(biāo)。在仿真過(guò)程中，誤碼率大小會(huì)隨著高斯白噪聲基帶信道信噪比、調(diào)制方式等而改變，因此誤碼率的測(cè)試結(jié)果是評(píng)價(jià)試驗(yàn)系統(tǒng)的重要標(biāo)準(zhǔn)[6]。圖1中的Display模塊顯示的是信噪比為20 dB時(shí)的誤碼情況，有3個(gè)窗：第1個(gè)窗顯示的是誤碼率0.000 999；第2個(gè)窗顯示的是誤碼數(shù)1個(gè)；第3個(gè)窗顯示的是碼元總數(shù)1 001個(gè)。可以通過(guò)調(diào)整信噪比，觀察誤碼率的變化，仿真發(fā)現(xiàn)信噪比越小，誤碼率就越大，與理論一致。

3 結(jié)束語(yǔ)

利用Matlab仿真通信系統(tǒng)，具有廣泛的適應(yīng)性和極高的靈活性。在硬件實(shí)驗(yàn)中改變系統(tǒng)參數(shù)也許意味著重做硬件，而在軟件中只需對(duì)特定參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)設(shè)置[7]，節(jié)省了時(shí)間和費(fèi)用。文中利用Matlab的Simulink功能模塊成功地對(duì)QAM通信系統(tǒng)進(jìn)行了可視化仿真，并給出了較詳細(xì)的實(shí)現(xiàn)方法和仿真結(jié)果，仿真結(jié)果與理論結(jié)果一致，充分地證明了Simulink在通信系統(tǒng)仿真中的實(shí)用性。通過(guò)調(diào)整本系統(tǒng)的模塊或參數(shù)，可以得到其他通信系統(tǒng)的仿真模型，如64QAM等，為相關(guān)領(lǐng)域的仿真研究指出了一個(gè)方法。

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