【正文】 統(tǒng) ............................................. 24 模擬信源數(shù)字通信系統(tǒng)模型 ................................ 24 QAM 傳輸 系統(tǒng)的模型 ...................................... 26 QAM 傳輸系統(tǒng)的仿真 ............................................ 26 應(yīng)用實(shí)例的仿真 ............................................... 29 QAM 傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) II 本章小結(jié) ...................................................... 30 結(jié)論及尚存在的問(wèn)題 ................................................... 30 參考文獻(xiàn) ............................................................. 31 致謝 ................................................................. 32 QAM 傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 1 1 引言 信號(hào)傳輸?shù)倪^(guò)程中需要都要占用一定的帶寬，數(shù)字信號(hào)的傳輸比模擬信號(hào)對(duì)對(duì)帶寬的需求更高。 數(shù)字調(diào)制解調(diào)技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展 因?yàn)橐郧暗耐ㄐ畔到y(tǒng)為模擬通信系統(tǒng)，所以調(diào)制技術(shù)是由模擬信號(hào)的調(diào)制與解調(diào)技術(shù)最初開(kāi)始發(fā)展的。 移動(dòng)通信系統(tǒng)中的另一研究熱點(diǎn)即數(shù)字集群移動(dòng)通信系統(tǒng)，也采用 QAM 數(shù)字調(diào)制技術(shù) [45]。從而得出多進(jìn)制調(diào)制情況下頻帶利用率、功率利用率、誤碼率與調(diào)制方式、傳輸環(huán)境之間的定量關(guān)系，為后面系 統(tǒng)設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。已調(diào) QAM 信號(hào)在信號(hào)空間中的坐標(biāo)點(diǎn)由 nc 、 nd 決定。 （ 2）最小歐幾里得距離 mind 最小歐幾里得距離 mind 是指 QAM 信號(hào)星座圖上星座點(diǎn)間的最小距離，該參數(shù)衡量了 QAM 信號(hào)抗高斯噪聲的能力，最小距離 mind 與抗高斯白噪聲的性能呈正比關(guān)系。所以在下面各個(gè)仿真模型中，主要通過(guò)星座圖模塊、眼圖模塊及誤碼率統(tǒng)計(jì)模塊來(lái)進(jìn) 行仿真驗(yàn)證和系統(tǒng)性能分析。解調(diào)的符號(hào)（整數(shù)）與發(fā)送端數(shù)據(jù)進(jìn)行比較得出錯(cuò)誤符號(hào)率統(tǒng)計(jì)。所以真正衡量數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的有效性指標(biāo)是頻帶利用率，即 /bbRB? ? (212) 表 23 MQAM 調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)的頻帶利用率 MQAM 4QAM 16 QAM 64 QAM 256 QAM 1024QAM 4096QAM b? /bRB 2 /bRB 3 /bRB 4 /bRB 5 /bRB 5 /bRB 綜上分析，可得到 MQAM 調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)的頻帶利用率如表 23 所示。那模擬信源提供的模擬信號(hào)如何在數(shù)字通信系統(tǒng)中傳輸呢？模擬信號(hào)要想在數(shù)字通信系統(tǒng)進(jìn)行傳輸，首先需要在QAM 傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 16 發(fā)送端把模擬信號(hào)數(shù)字化，即進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，然后在數(shù)字通信系統(tǒng)進(jìn)行傳輸；在接收端需把數(shù)字信號(hào)還原成模擬信號(hào)，即進(jìn)行數(shù)模變換。量化結(jié)果 ne 與預(yù)測(cè)器輸出結(jié)果 ?nx 相加后 作為預(yù)測(cè)器新的輸入nx ，即 nnn xex ?~~~ ?? (32) nnnn xex ?~)(~ ??? ? (33) nnnnn xxxx ?~)?~(~ ???? ? (34) nnn xx ???~ (35) 因此，預(yù)測(cè)器的輸入 nx 也就是輸入樣值 nx 被量化的結(jié)果，也稱為編碼器的本地解碼樣值輸出。 圖 34 系統(tǒng)的輸出波形圖 由圖 34可知，對(duì)應(yīng)于信道產(chǎn)生誤碼的位置，解碼輸出波形中出現(xiàn)的干擾脈沖，干擾脈沖的大小取決于信道中錯(cuò)誤比特位于一個(gè) DPCM 編碼字串中的位置，位于高位時(shí)將導(dǎo)致解碼值極性錯(cuò)誤，這時(shí)引起的干擾最大，而位于低位的誤碼引起的干擾最輕微。 % 計(jì)算最佳抽頭系數(shù) W=[0。若將誤碼率設(shè)置在 ，解碼輸出信號(hào)中“咯咯”的噪聲雖很?chē)?yán)重但話音基本可懂，誤碼率在 數(shù)量級(jí)上解碼噪聲仍比較明顯，但音質(zhì)已經(jīng)大為改善；誤碼率在 數(shù)量級(jí)上，解碼噪聲就不明顯了。 （ 3）數(shù)字調(diào)制與解調(diào) 數(shù)字調(diào)制就是把數(shù)字基帶信號(hào)的頻譜搬移到高頻處，形成適合在信道中傳輸?shù)膸ㄐ盘?hào)。 Gain 模塊用于調(diào)整輸入信號(hào)的幅度。要求仿真時(shí)間長(zhǎng)度為 20s，步進(jìn)為 1/32021s。仿真結(jié)果表明：在允許一定失真的情況 下，模擬信號(hào)可在此系統(tǒng)中進(jìn)行良好的傳輸。 QAM 傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 29 應(yīng)用實(shí)例的仿真 在現(xiàn)代的數(shù)字通信中，和人們生活聯(lián)系最為緊密的就是聲音信號(hào)和圖像信號(hào)的傳輸。 圖 42 QAM傳輸系統(tǒng)模型 此 QAM 傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求： （ 1）模擬信號(hào)源輸出模擬信號(hào)，此模擬信號(hào)可以是聲音信號(hào) 或圖像信號(hào)； （ 2）在發(fā)送端，模擬信號(hào)經(jīng)過(guò) DPCM 編碼，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)壓縮及模擬信號(hào)數(shù)字化，再經(jīng)過(guò) QAM 調(diào)制后發(fā)射出去； （ 3）通過(guò)信道傳輸，信道一方面提供通路，另一方面不可避免地得來(lái)噪聲，主要考慮加性噪聲，如高斯白噪聲； （ 4）在接收端，先經(jīng)過(guò) QAM 解調(diào)，再對(duì)其進(jìn)行 DPCM 解碼，允許一定失真情況下最終恢復(fù)出原始信號(hào)。 （ 2）信源編碼與譯碼 信源編碼有兩個(gè)基本功能：一是提高信息傳輸?shù)挠行?，即通過(guò)某種數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)設(shè)法減少碼元數(shù)目和降低碼元速率。在 DPCM 電話系統(tǒng)中，對(duì)話音解碼通常要求誤碼率在 103或 104 以下，本仿真驗(yàn)證了該指標(biāo)的合理性。 % 歸一化 r=r(length(x):length(x)+p)。 圖 33 DPCM串行傳輸系統(tǒng)仿真模型 信號(hào)源輸出 200Hz 正弦波，經(jīng)放大、 DPCM 編碼輸出，再經(jīng)過(guò)并串轉(zhuǎn)換得到二進(jìn)QAM 傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 21 制碼流送入二進(jìn)制對(duì)稱信道。當(dāng)信號(hào)樣值序列中鄰近樣值之間存在明顯的關(guān)聯(lián)時(shí)，那么樣值的差值方差就會(huì)比較樣值本身的方差要小。對(duì)于移動(dòng)設(shè)備等場(chǎng)合提高功率又是難以實(shí)現(xiàn)的。 頻帶利用率分析 帶通二進(jìn)制鍵控系統(tǒng)中，每個(gè)碼元只傳輸 1b 信息，其頻帶利用率不高。 當(dāng)信道噪聲方差為 時(shí)，發(fā)送 10s 數(shù)據(jù)，經(jīng)誤碼率統(tǒng)計(jì)模塊 Error rate calculation 計(jì)算及數(shù)據(jù)顯示模塊 Display 顯示，可以觀察到錯(cuò)誤符號(hào)數(shù)為 27 個(gè)，相應(yīng)的錯(cuò)誤錯(cuò)誤率為 。多電平判決器對(duì)多電平基帶信號(hào)進(jìn)行判決和檢測(cè)，再經(jīng) L電平到 2電平轉(zhuǎn)換和并 /串變換器最 終輸出二進(jìn)制碼流。同理，方型星座圖中信號(hào)點(diǎn)的分布呈方形，如圖 22(b)所示。但它在隨參信道無(wú)線寬帶通信領(lǐng)域中的研究尚未發(fā)展成熟。為了創(chuàng)建動(dòng)態(tài)系統(tǒng)模型， Simulink 提供了一個(gè)建立模型方塊圖的圖形用戶接口 (GUI) ，這個(gè)創(chuàng)建過(guò)程只需單擊和拖動(dòng)鼠標(biāo)操作就能完成，它提供了一種更快捷、直接明了的方式，而且用戶可以立即看到系統(tǒng)的仿真結(jié)果 [69]。同樣，作為寬帶無(wú)線接入技術(shù)，韓國(guó)QAM 傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 3 引入了 WIBro 技術(shù)，它可采用三種調(diào)制方式，包括 QPSK、 16QAM、 64QAM 等。 QAM 在當(dāng)今通信領(lǐng)域扮演著重要的角色，因此對(duì) QAM進(jìn)行深入研究具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。仿真結(jié)果表明，所構(gòu)建的 QAM 數(shù)字傳輸系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)良好的傳輸。其中幅度和相位聯(lián)合調(diào)制方式，即 QAM（ Quadrature Amplitude Modulation）調(diào)制方式綜合 ASK(Amplitude Shift Keying)與 PSK(Phase Shift Keying)的優(yōu)點(diǎn)，并通過(guò)采用多進(jìn)制調(diào)制方式來(lái)提高頻帶利用率 (提高信息傳輸速率 )，因此它在頻帶利用率和接收端誤譯碼率等指標(biāo)上，比單一調(diào)制正弦波的一個(gè)參數(shù)的調(diào)制方式都要優(yōu)越，但它的設(shè)備復(fù)雜程度也是比較高的 [13]。在數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)中的頻譜利用率主要是指?jìng)鬏數(shù)男蕟?wèn)題，也就是說(shuō)，通信系統(tǒng)的傳輸速率不是唯一需要關(guān)注的指標(biāo)，同時(shí) 還要看在一定的傳輸速率下信道頻帶所占的寬度為多少。 仿真軟件介紹 MATLAB 是 MATrix LABoratory 的縮寫(xiě)，是一款由美國(guó) MathWorks 公司出品的商業(yè)數(shù)學(xué)軟件。 第四部分基于前面所研究分析的內(nèi)容，構(gòu)畫(huà)了模擬信源的 QAM 數(shù)字傳輸系統(tǒng)， 實(shí)現(xiàn)了模擬信號(hào)在 QAM 數(shù)字通信系 統(tǒng)中的傳輸，并基于 MATLAB/Simulink 建立仿真模型，進(jìn)行性能驗(yàn)證。 QAM 傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 6 圖 21 QAM信號(hào)調(diào)制原理圖 QAM 調(diào)制性能 QAM 信號(hào)的波形可表示成兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)正交信號(hào)波形 )(1tf 和 )(2tf 的線型組合 [1011]，即： )()()()()( 2211 tftStftStS ?? (26) 式中 )2c os ()(2)(1 tftgtf cg ??? (27) )2s i n()(2)(2 tftgtf cg ??? (28) 且 ][ 21SSS? = ??????gsgc AA ?? 2121 (29) 式中 g? 是信號(hào)脈沖 g(t)的能量。 c) 星座點(diǎn)間最小相位偏移要保證盡量大，以增強(qiáng)調(diào)制信號(hào)的抗相位抖動(dòng)性能，包 括抗定時(shí)恢復(fù)的時(shí)鐘抖動(dòng)和抗信道相位抖動(dòng)性能。當(dāng)信道中加入的高斯噪聲方差為 時(shí)，發(fā)送和接收信號(hào)的星座圖仿真結(jié)果如圖 26所示。 當(dāng)信道噪聲方差為 時(shí)，發(fā)送 10s 數(shù)據(jù)，經(jīng)誤碼率統(tǒng)計(jì)模塊 Error rate calculation 計(jì)算及數(shù)據(jù)顯示模塊 Display 顯示，可以觀察到 64QAM 調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)錯(cuò)誤符號(hào)數(shù)為 29 個(gè)，相應(yīng)的錯(cuò)誤符號(hào)率率為 。因此，我們可得出結(jié)論：對(duì)于多進(jìn)制 MQAM 數(shù)字調(diào)制技術(shù)，制式數(shù) M大，系統(tǒng)誤碼率越大，即系統(tǒng)的抗噪聲性能越差。 圖 31 脈沖編碼調(diào)制（ PCM）系統(tǒng)原理框圖 差分脈沖編碼調(diào)制 PCM 體制需要用 64kb 的速率傳輸 1 路數(shù)字信號(hào)，而傳輸一路模擬電話僅占用4kHZ 帶寬。矩陣 C是由歸一化自相關(guān)函數(shù)序列構(gòu)成的 Toeplitz 矩陣。編寫(xiě)的計(jì)算程序如下： 關(guān)鍵代碼： % clear。 DPCM 解碼模塊的設(shè)置參數(shù)要和編碼模塊相對(duì)應(yīng)。 4 QAM 傳輸系統(tǒng)的構(gòu)建與仿真 本章基于前面所分析研究的基本理論及仿真結(jié)果，構(gòu)建了模擬信源 QAM 傳輸系統(tǒng)，并利用 MATLAB/Simulink 進(jìn)行建模仿真及性能驗(yàn)證。在無(wú)線通道中，信道可以是自由空間；在有線信道中，可以是明線、電纜和光纖。設(shè)置 AWGN 信道噪聲方差為 啟動(dòng)仿真。同時(shí)，通過(guò)示波器觀察發(fā)送端原始的輸入信號(hào)和接收端恢復(fù)出的信號(hào)，如圖 48 所示。 本章小結(jié) 本章基于前面所分析研究的基本理論及仿真結(jié)果，構(gòu)建了模擬信源 QAM 傳輸系統(tǒng)，并利用 MATLABLE/Simulink 進(jìn)行建模仿真及性能驗(yàn)證。 圖 44 QAM調(diào)制信號(hào)的星座圖和眼圖 仿真結(jié)果通過(guò)示波器觀察發(fā)送端原始的輸入信號(hào)和接收端恢復(fù)出的信號(hào)。信道既給信號(hào)以通路，也會(huì)對(duì)信號(hào)產(chǎn)生各種干擾和噪聲。 模擬信源數(shù)字通信系統(tǒng)模型 數(shù)字通信系統(tǒng)是利用數(shù)字信號(hào)來(lái)傳遞信息的通信系統(tǒng) ，數(shù)字通信涉及的技術(shù)問(wèn)題很多，其中主要有信源編碼與譯碼、數(shù)字調(diào)制與解調(diào)等，系統(tǒng)框圖如下圖 41所示 [3]。 DPCM 編碼模塊的輸入為被編碼的樣值序列，輸出為量化電平序號(hào)以及相應(yīng)的量化信號(hào)值，設(shè)置參數(shù)如下：預(yù)測(cè)器濾波分子分母系數(shù)響亮，一般采用 FIR 濾波器，分母系數(shù)設(shè)置為 1，分子系數(shù)可由實(shí)例所示的有話方法進(jìn)行確定；量化分割電平集合；量化輸出電平集合；當(dāng)給定被量化的樣本信號(hào)時(shí)，可以通過(guò)函數(shù) dpcmopt 來(lái)計(jì)算最優(yōu)化的預(yù)測(cè)器抽頭系數(shù)，最佳量化分割電平以及最佳量化輸出電平。 % 預(yù)測(cè)器階數(shù) [x,Fs,bits] = wavread(39。其中 ?? 為量化級(jí)之間的間隔。例如，對(duì)于頻帶為 1MHz的可視電話信號(hào)進(jìn)行編碼，根據(jù)采樣定理，采樣速率 MHzfs 2? ，若每樣值采用 8位編碼，則數(shù)碼率為 16Mbit/s。因?yàn)楦髡{(diào)制解調(diào)最大峰值功率相同，所以功率利用減小。 進(jìn)一步仿真，可以得到在信道噪聲方差為 時(shí)發(fā)送 10s 數(shù)據(jù)的條件下， MQAM調(diào)制解調(diào)系統(tǒng) 誤碼率如表 22 所示。 圖 25給出了系統(tǒng)發(fā)送端和接收端的星座圖，這里基帶成形濾波器的滾降系數(shù)為 0，即滿足理想低