【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)用實例的仿真 ............................................... 29 QAM 傳輸系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn) II 本章小結(jié) ...................................................... 30 結(jié)論及尚存在的問題 ................................................... 30 參考文獻 ............................................................. 31 致謝 ................................................................. 32 QAM 傳輸系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn) 1 1 引言 信號傳輸?shù)倪^程中需要都要占用一定的帶寬，數(shù)字信號的傳輸比模擬信號對對帶寬的需求更高。 數(shù)字調(diào)制解調(diào)技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展 因為以前的通信系統(tǒng)為模擬通信系統(tǒng)，所以調(diào)制技術(shù)是由模擬信號的調(diào)制與解調(diào)技術(shù)最初開始發(fā)展的。 移動通信系統(tǒng)中的另一研究熱點即數(shù)字集群移動通信系統(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)計奠定基礎(chǔ)。已調(diào) QAM 信號在信號空間中的坐標點由 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 信號星座圖上星座點間的最小距離，該參數(shù)衡量了 QAM 信號抗高斯噪聲的能力，最小距離 mind 與抗高斯白噪聲的性能呈正比關(guān)系。所以在下面各個仿真模型中，主要通過星座圖模塊、眼圖模塊及誤碼率統(tǒng)計模塊來進 行仿真驗證和系統(tǒng)性能分析。解調(diào)的符號（整數(shù)）與發(fā)送端數(shù)據(jù)進行比較得出錯誤符號率統(tǒng)計。所以真正衡量數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的有效性指標是頻帶利用率，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如何在數(shù)字通信系統(tǒng)中傳輸呢？模擬信號要想在數(shù)字通信系統(tǒng)進行傳輸，首先需要在QAM 傳輸系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn) 16 發(fā)送端把模擬信號數(shù)字化，即進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，然后在數(shù)字通信系統(tǒng)進行傳輸；在接收端需把數(shù)字信號還原成模擬信號，即進行數(shù)模變換。量化結(jié)果 ne 與預測器輸出結(jié)果 ?nx 相加后 作為預測器新的輸入nx ，即 nnn xex ?~~~ ?? (32) nnnn xex ?~)(~ ??? ? (33) nnnnn xxxx ?~)?~(~ ???? ? (34) nnn xx ???~ (35) 因此，預測器的輸入 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誤比特位于一個 DPCM 編碼字串中的位置，位于高位時將導致解碼值極性錯誤，這時引起的干擾最大，而位于低位的誤碼引起的干擾最輕微。 % 計算最佳抽頭系數(shù) W=[0。若將誤碼率設(shè)置在 ，解碼輸出信號中“咯咯”的噪聲雖很嚴重但話音基本可懂，誤碼率在 數(shù)量級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)字基帶信號的頻譜搬移到高頻處，形成適合在信道中傳輸?shù)膸ㄐ盘枴?Gain 模塊用于調(diào)整輸入信號的幅度。要求仿真時間長度為 20s，步進為 1/32021s。仿真結(jié)果表明：在允許一定失真的情況 下，模擬信號可在此系統(tǒng)中進行良好的傳輸。 QAM 傳輸系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn) 29 應(yīng)用實例的仿真 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和圖像信號的傳輸。 圖 42 QAM傳輸系統(tǒng)模型 此 QAM 傳輸系統(tǒng)設(shè)計要求： （ 1）模擬信號源輸出模擬信號，此模擬信號可以是聲音信號 或圖像信號； （ 2）在發(fā)送端，模擬信號經(jīng)過 DPCM 編碼，實現(xiàn)數(shù)據(jù)壓縮及模擬信號數(shù)字化，再經(jīng)過 QAM 調(diào)制后發(fā)射出去； （ 3）通過信道傳輸，信道一方面提供通路，另一方面不可避免地得來噪聲，主要考慮加性噪聲，如高斯白噪聲； （ 4）在接收端，先經(jīng)過 QAM 解調(diào)，再對其進行 DPCM 解碼，允許一定失真情況下最終恢復出原始信號。 （ 2）信源編碼與譯碼 信源編碼有兩個基本功能：一是提高信息傳輸?shù)挠行裕赐ㄟ^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，對話音解碼通常要求誤碼率在 103或 104 以下，本仿真驗證了該指標的合理性。 % 歸一化 r=r(length(x):length(x)+p)。 圖 33 DPCM串行傳輸系統(tǒng)仿真模型 信號源輸出 200Hz 正弦波，經(jīng)放大、 DPCM 編碼輸出，再經(jīng)過并串轉(zhuǎn)換得到二進QAM 傳輸系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn) 21 制碼流送入二進制對稱信道。當信號樣值序列中鄰近樣值之間存在明顯的關(guān)聯(lián)時，那么樣值的差值方差就會比較樣值本身的方差要小。對于移動設(shè)備等場合提高功率又是難以實現(xiàn)的。 頻帶利用率分析 帶通二進制鍵控系統(tǒng)中，每個碼元只傳輸 1b 信息，其頻帶利用率不高。 當信道噪聲方差為 時，發(fā)送 10s 數(shù)據(jù)，經(jīng)誤碼率統(tǒng)計模塊 Error rate calculation 計算及數(shù)據(jù)顯示模塊 Display 顯示，可以觀察到錯誤符號數(shù)為 27 個，相應(yīng)的錯誤錯誤率為 。多電平判決器對多電平基帶信號進行判決和檢測，再經(jīng) L電平到 2電平轉(zhuǎn)換和并 /串變換器最 終輸出二進制碼流。同理，方型星座圖中信號點的分布呈方形，如圖 22(b)所示。但它在隨參信道無線寬帶通信領(lǐng)域中的研究尚未發(fā)展成熟。為了創(chuàng)建動態(tài)系統(tǒng)模型， Simulink 提供了一個建立模型方塊圖的圖形用戶接口 (GUI) ，這個創(chuàng)建過程只需單擊和拖動鼠標操作就能完成，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，作為寬帶無線接入技術(shù)，韓國QAM 傳輸系統(tǒng)的設(shè)計與實現(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 在當今通信領(lǐng)域扮演著重要的角色，因此對 QAM進行深入研究具有重要的理論和現(xiàn)實意義。仿真結(jié)果表明，所構(gòu)建的 QAM 數(shù)字傳輸系統(tǒng)可以實現(xiàn)模擬信號良好的傳輸。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，并通過采用多進制調(diào)制方式來提高頻帶利用率 (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上，比單一調(diào)制正弦波的一個參數(shù)的調(diào)制方式都要優(yōu)越，但它的設(shè)備復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傳輸?shù)男蕟栴}，也就是說，通信系統(tǒng)的傳輸速率不是唯一需要關(guān)注的指標，同時 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，是一款由美國 MathWorks 公司出品的商業(yè)數(shù)學軟件。 第四部分基于前面所研究分析的內(nèi)容，構(gòu)畫了模擬信源的 QAM 數(shù)字傳輸系統(tǒng)， 實現(xiàn)了模擬信號在 QAM 數(shù)字通信系 統(tǒng)中的傳輸，并基于 MATLAB/Simulink 建立仿真模型，進行性能驗證。 QAM 傳輸系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn) 6 圖 21 QAM信號調(diào)制原理圖 QAM 調(diào)制性能 QAM 信號的波形可表示成兩個標準正交信號波形 )(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? 是信號脈沖 g(t)的能量。 c) 星座點間最小相位偏移要保證盡量大，以增強調(diào)制信號的抗相位抖動性能，包 括抗定時恢復的時鐘抖動和抗信道相位抖動性能。當信道中加入的高斯噪聲方差為 時，發(fā)送和接收信號的星座圖仿真結(jié)果如圖 26所示。 當信道噪聲方差為 時，發(fā)送 10s 數(shù)據(jù)，經(jīng)誤碼率統(tǒng)計模塊 Error rate calculation 計算及數(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)錯誤符號數(shù)為 29 個，相應(yīng)的錯誤符號率率為 。因此，我們可得出結(jié)論：對于多進制 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，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。編寫的計算程序如下： 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 進行建模仿真及性能驗證。在無線通道中，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 啟動仿真。同時，通過示波器觀察發(fā)送端原始的輸入信號和接收端恢復出的信號，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 進行建模仿真及性能驗證。 圖 44 QAM調(diào)制信號的星座圖和眼圖 仿真結(jié)果通過示波器觀察發(fā)送端原始的輸入信號和接收端恢復出的信號。信道既給信號以通路，也會對信號產(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)字信號來傳遞信息的通信系統(tǒng) ，數(shù)字通信涉及的技術(shù)問題很多，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以及相應(yīng)的量化信號值，設(shè)置參數(shù)如下：預測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)可由實例所示的有話方法進行確定；量化分割電平集合；量化輸出電平集合；當給定被量化的樣本信號時，可以通過函數(shù) dpcmopt 來計算最優(yōu)化的預測器抽頭系數(shù)，最佳量化分割電平以及最佳量化輸出電平。 % 預測器階數(shù) [x,Fs,bits] = wavread(39。其中 ?? 為量化級之間的間隔。例如，對于頻帶為 1MHz的可視電話信號進行編碼，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。因為各調(diào)制解調(diào)最大峰值功率相同，所以功率利用減小。 進一步仿真，可以得到在信道噪聲方差為 時發(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