基于Matiab的QAM通信系統的仿真

在眾多系統仿真平臺中，Matlab及其Simulink工具箱較之于其它仿真軟件，有著(zhù)獨到的優(yōu)勢，它使通信技術(shù)人員擺脫系統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)基于方框圖的系統仿真環(huán)境，是一個(gè)對動(dòng)態(tài)系統進(jìn)行建模、仿真和仿真結果可視化分析的軟件包。用戶(hù)只需要通過(guò)簡(jiǎn)單的鼠標操作就可以將一系列圖形化的系統模塊連接起來(lái)，從而建立一個(gè)非常直觀(guān)的、功能上卻相當復雜的動(dòng)態(tài)系統模型。

Simulink還提供了許多專(zhuān)業(yè)模塊庫：如CDMA參考模塊庫、通信模塊庫、DSP模塊庫等等，大大地提高了通信系統研究和設計開(kāi)發(fā)的效率。Simulink作為Matlab的重要組成部分，它具有以下特點(diǎn)：

1)調用模塊連成框圖來(lái)表示系統，使得仿真系統建模與工程中的方框圖統一起來(lái)，能較全面地研究通信系統，直觀(guān)性很強，且具有很高的開(kāi)放性；2)用戶(hù)可以隨意修改模塊參數，以便于觀(guān)察不同參數下的仿真結果，有利于用戶(hù)比較和選??；3)仿真結果可以近乎“實(shí)時(shí)”地以圖形或數據顯示出來(lái)，這與實(shí)驗室操作是一樣的。

1 QAM簡(jiǎn)介

QAM(Quadrature Amplitude Modulation)正交幅度調制技術(shù)是用兩路獨立的基帶信號對兩個(gè)相互正交的同頻載波進(jìn)行抑制載波的雙邊帶調幅，利用這種已調信號的頻譜在同一帶寬內的正交性，實(shí)現兩路并行的數字信息的傳輸。該調制方式通常有4QAM、16QAM、64QAM等，對應的空間信號矢量端點(diǎn)分布圖稱(chēng)為星座圖，分別有4、16、64等個(gè)矢量端點(diǎn)。QAM調制實(shí)際上就是幅度調制和相位調制的組合，信號的振幅和相位作為兩個(gè)獨立的參量同時(shí)受到調制，與其他調制方式相比，QAM具有能充分利用帶寬、抗噪聲性能強等優(yōu)點(diǎn)，在移動(dòng)通信、有線(xiàn)電視傳輸和ADSL中均有廣泛的應用。利用Matlab通信仿真軟件對QAM系統進(jìn)行計算機仿真具有重要的現實(shí)意義，為科學(xué)合理地設計和應用QAM技術(shù)提供了便捷、高效和直觀(guān)的仿真平臺。

2 QAM系統仿真

Simulink的通信模塊中有各種數字調制／解調器模塊。其有通帶(passband)模塊和基帶(baseband)之分。通帶仿真的載波信號包含在模型的發(fā)射部分，載波頻率通常遠遠高于信號的最高頻率。由Nyquist抽樣定理可知，為了能在接收端恢復原信號，仿真中的抽樣頻率應至少為載波頻率最大值的兩倍。如果信號頻率很高，則仿真會(huì )變得非常慢或無(wú)法直接進(jìn)行計算機模擬?；鶐Х抡嬉话惴Q(chēng)為低通等效法仿真，將帶通信號等效為基帶信號，使得調制和解調性能分析與載波頻率和信道頻段無(wú)關(guān)，從而減少系統資源的占用。

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

QAM通信系統仿真模型如圖1所示。

信源Random Integer Generator模塊產(chǎn)生隨機整數0-15，送入QAM基帶調制模塊。QAM基帶解調模塊(用于解調QAM信號)與QAM基帶調制模塊(用于產(chǎn)生QAM信號)的參數設置必須一致。采用Communication Blockets(通信模塊)中提供類(lèi)似實(shí)際的噪聲信道——高斯白噪聲信道模塊以便觀(guān)察系統的正常響應。Discrete-Time Scatter Plot Scope模塊用來(lái)顯示調制信號及其經(jīng)信道傳輸后的星座圖，Discrete-Time Scatter Plot Scope模塊以點(diǎn)形式繪制信號點(diǎn)。Error Rate Calculation模塊用于計算誤碼率，并將結果通過(guò)Display模塊顯示出來(lái)。主要參數設置如表1所示。

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

從圖2的星座圖可以看出，16QAM調制信號有16個(gè)信號點(diǎn)(圖中米子形)，信號點(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，接收信號點(diǎn)受到干擾以高斯分布概率密度函數規律，并以各點(diǎn)發(fā)送信號為期望值散布于發(fā)送信號點(diǎn)附近如圖3所示。調整信噪比SNR可以觀(guān)察經(jīng)信道后QAM信號星座圖的變化，仿真發(fā)現信噪比SNR越大，接收信號點(diǎn)的集中程度越高；反之，信號點(diǎn)的分散程度越高。

誤碼率是反映數據通信系統特性的指標。在仿真過(guò)程中，誤碼率大小會(huì )隨著(zhù)高斯白噪聲基帶信道信噪比、調制方式等而改變，因此誤碼率的測試結果是評價(jià)試驗系統的重要標準。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1個(gè)；第3個(gè)窗顯示的是碼元總數1 001個(gè)?？梢酝ㄟ^(guò)調整信噪比，觀(guān)察誤碼率的變化，仿真發(fā)現信噪比越小，誤碼率就越大，與理論一致。

3 結束語(yǔ)

利用Matlab仿真通信系統，具有廣泛的適應性和極高的靈活性。在硬件實(shí)驗中改變系統參數也許意味著(zhù)重做硬件，而在軟件中只需對特定參數進(jìn)行相應設置，節省了時(shí)間和費用。文中利用Matlab的Simulink功能模塊成功地對QAM通信系統進(jìn)行了可視化仿真，并給出了較詳細的實(shí)現方法和仿真結果，仿真結果與理論結果一致，充分地證明了Simulink在通信系統仿真中的實(shí)用性。通過(guò)調整本系統的模塊或參數，可以得到其他通信系統的仿真模型，如64QAM等，為相關(guān)領(lǐng)域的仿真研究指出了一個(gè)方法。