基于MATLAB的QAM信號的調制與解調仿真分析

趙陽

遼寧錦州渤海大學

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基于MATLAB的QAM信號的調制與解調仿真分析

趙陽

遼寧錦州渤海大學

通過Matlab軟件中的仿真工具Simulink對QAM系統建立仿真模型，并且論文中還介紹到了仿真的具體實現步驟，通過基于Matlab的QAM信號仿真可以對QAM的調制與解調更進一步地認識與掌握。

Matlab Simulink 仿真模型

1　引言

隨著信息技術的不斷發展，QAM技術越來越受到通信領域的專家們的歡迎，QAM技術指的是正交振幅調制技術。QAM實現信息的傳遞是依據載波中相位的不同以及幅度的不同進行的。QAM調制的特點是充分利用了頻帶，并且在噪聲的抗干擾力方面具有很大的作用，QAM技術在很多的領域中都得到了普遍的使用，其中主要以有線電視傳輸電纜方面以及衛星移動方面應用十分普遍。

調制中通信系統中占據著重要的成分，充當著關鍵的角色，通過調制可以進行搬移頻譜，從而經過了頻譜的搬移后就可以實現了調制信號到已調信號之間的一個轉換的過程，所謂的已調信號跟調制信號一樣同樣能夠著信道中進行傳輸，除此之外調制還與信號傳輸時的有效性以及可靠性相關，采用何種調制方式這對于通信系統的性能起到了決定性的作用。

以往通常采用的調制值數字頻率調制以及幅度，相位調制，隨著移動通信技術的發展，QAM技術出現了，QAM技術彌補了頻帶的利用率以及輻射嚴重的缺點。QAM充分利用了頻譜，而且通過結合振幅以及相位實現的一門技術，QAM對于通信系統中起著很大的作用。

2　QAM調制的原理

圖1　調制解調原理框架圖

基帶信號是無法在信道中被傳輸，所以在這種情況下就需要對數字基帶信號進行調制，使其可以適應信道中傳輸，這是由于很多的信道都是帶通型，并且很多信號的所具有的頻譜是低通的，所以只有將數字基帶信號經過了調制后才能夠實現傳輸。然而調制的實現原理實際上指的是把數字基帶信號的頻譜進行搬移的過程，而搬移的目的地就是搬到帶通信道中。調制解調原理框架圖如圖1所示。QAM技術的優點是充分利用了頻帶，但是缺點是功率的利用率不高，因此針對M進制的信號進行調制時，信號中所存在的距離最小值是和進制數成反比的，這樣引起的后果就是受到的噪聲干擾性很大，而且誤碼率也很大。誤碼率問題的解決可以通過結合調相和調幅起來調制，QAM的調制的另一個名稱是幅相鍵控，采用QAM調制的優點是頻帶的利用率很高，而且功率的利用率也很高，無論是高進制還是低進制。QAM調制的公式表示如下：

3　QAM解調原理

對于QAM信號的解調采用的方法有很多種，通常情況下應用的是正交相干法進行解調，相干解調的原理圖如圖1所示。解調端的輸入信號選擇的是已經經過調制的MQAM信號，然后將其和兩個正交的載波相乘，將相乘后的輸出結果經過匹配濾波器，結果產生的信號就是記為X（t）和Y（t），這兩個信號都是多電平的信號。接下來多電平判決器就會對這兩個信號信號判決處理。

QAM解調中的一個有著很重要意義的模塊之一就是同步模塊，解調的性能效果是好與壞這是由同步算法決定的。頻率的同步會對無線通信系統的性能起到很重大的影響，載波的同步指的就是頻率同步的取值。在進行同步解調的時候，相干載波的頻率是和通信系統中的發射端的載波的頻率是一樣的。

其中引起載波不同步的因素總結為載波的發生器并不是同步的；假如當載波的發生器是同步的時候，電磁波的存在也可能會造成相位的改變，相位的改變接收機是不會接收到的，所以這種情況下頻率很容易會發生變化。

4　QAM調制器框圖

QAM的調制器組成部分包括了序列發生器，濾波器，載波信號發生器以及星座映射等等。實現的原理是首先將M序列的發生器中生成的數字序列進行串并變換，然后再通過星座映射，此時就會產生同相和正交的數據流，分別將數據流經過對應的濾波器，再將產生的結果與載波的信號發生器進行相乘，最后將兩種結果相加所得到的結果就是調制后的QAM信號。

現今，對于QAM的解調方法有很多種，總結為以下三種：

①模擬相干解調。模擬相干解調方法中的傳輸信號的恢復原理首先是通過模擬信號吧載波以及定時的信號恢復出來，然后將正交以及同相的載波信號與解調器中接收到的信號相乘，接著就將產生的信號通過低通濾波器接著進行信號的判決；

②數字相干解調。QAM解調器第一步就是度模擬信號進行采樣與進行數字化，接著就將定時信號以及載波信號恢復出來，然后再把載波信號與調制的信號相乘。

QAM基帶調制模塊中的隨機數最小是0最大是15，而主要用來生成QAM信號的QAM的基帶調制模塊與QAM中用來調制的模塊中的參數中設置的時候需要保持一致，關于噪聲的信道的模擬，本文采用的是通信模塊，而星座圖的模塊是用Discrete-Time Scatter Plot Scope模塊進行模擬的，誤碼率的計算是用Error Rate Calculation進行實現的。QAM仿真系統的參數設置如表1所示。

表1　QAM仿真系統參數設置

5　QAM 系統仿真

Simulink作為仿真工具中的一種，該工具里面有很多關于通信模塊的功能，基于Matlab的仿真的實現是組合了Simulink中的多個模塊實現的。仿真模型的設計只需要中Matlab軟件界面中將模型庫中的各個模塊拖出來即可，然后把每個模塊之間用線條連接起來就可以，根據具體的情況可以對模塊中的參數進行設置修改，最終完成仿真模型的設計。

16QAM中誤碼率與高斯白噪聲信道信噪比的關系圖如圖2所示。通過圖2可以知道當信噪比增加時，誤碼率會降低，同時誤碼率變化也越大。

圖2　高斯白噪聲信道中誤碼率隨信噪比的變化趨勢圖

Matlab中的數字調制解調模塊很多，而且這些模塊之間還區分了基帶以及通帶，其中模型的發射部分就保存著通帶仿真時所需要使用的載波信號，而且與此同時，載波的頻率大大超過了信號頻率的最大限，當信號頻率出現很高的情況下，仿真的實現就會比較慢或者通過計算機工具實現模擬是根本不可能的。

通過MQAM的調制解調可以發現這種方式所包含的信息量是很多的，而且采用QAM的調制解調可以實現大大地提高頻率利用率，正交幅度調制解調在很多的通信領域中有著廣泛的應用。

6　結語

QAM調制是非恒包絡的，但是缺點就是非線性失真比較嚴重，但是可以在充分應用高頻帶的情況下得到改善，在進行調制的時候，信道的寬度和碼元的速率要相當，不能相差太大，要想恢復定時，就必須要添加15%帶寬。相比較于大多數的調制技術，QAM調制技術具有帶寬利用率高以及抗干擾力強的優點。

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