【正文】 現(xiàn)對(duì)本文的主要工作總結(jié)如下： (1) 深入研究了 QAM 調(diào)制解調(diào)的基本原理、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及性能參數(shù)，利用Matlab/Simulink 仿真平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了 QAM調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)的建模仿真，并進(jìn)行性能分析； (2) 詳 細(xì) 分 析 了 模 擬 信。本文在對(duì) QAM調(diào)制解調(diào)的基本原理、模擬信號(hào)數(shù)字化傳輸理論進(jìn)行深入研究的基礎(chǔ)上，構(gòu)建模擬信源的 QAM 數(shù)字傳輸系統(tǒng)，通過 Matlab 軟件的 Simulink 仿真平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的建立及性能驗(yàn)證。 結(jié)論及尚存在的問題 QAM 調(diào)制技術(shù)不僅可以得到更高的頻譜效率，而且可以在限定的頻帶內(nèi)傳輸更高速率的數(shù)據(jù)，所以被廣泛地應(yīng)用。 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。同時(shí)，通過示波器觀察發(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。 圖 48 示波器輸出波形 QAM 傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 30 重新設(shè)置 AWGN 信道噪聲方差分別為 、 數(shù)量級(jí)或其以下時(shí)，啟動(dòng)仿真，均可聽到在特定的誤碼率下傳輸?shù)?DPCM 解碼語音信號(hào)。 Gain 模 塊用于調(diào)整輸入聲音信號(hào)的幅度。 圖 47 信原為聲音信號(hào)時(shí) QAM 傳輸模型 在發(fā)送端，對(duì)一段音頻信號(hào)先進(jìn)行 PCM 編碼完成模數(shù)轉(zhuǎn)換，再進(jìn)行 QAM 數(shù)字調(diào)制，然后發(fā)送經(jīng)信道傳輸。這里我們以語音信號(hào)（文件名 ）為例來驗(yàn)證此傳輸系統(tǒng)的性能。 圖 46 信源為三角波時(shí)示波器輸出波形 由圖 4 46所示的仿真結(jié)果表明此 QAM 傳輸系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)的數(shù)字化傳輸。 QAM 傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 28 圖 45 信源為正弦波時(shí)示波器輸出波形 若在發(fā)送端信源利用信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生一 800Hz 三角波信號(hào)，經(jīng)過此系統(tǒng)傳輸，在接收端通過示波器觀察發(fā)送端原始的輸入信號(hào)和接收端恢復(fù)出的信號(hào)。 圖 44 QAM調(diào)制信號(hào)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(hào)和接收端恢復(fù)出的信號(hào)。設(shè)置 AWGN 信道噪聲方差為 啟動(dòng)仿真。此系統(tǒng) QAM 調(diào)制信號(hào)的星座圖和眼圖如圖 44所示。 在接收端，對(duì)接收到的已調(diào)信號(hào)先進(jìn)行 16QAM 解調(diào)，再進(jìn)行 DPCM 解碼完成數(shù)模轉(zhuǎn)換。要求仿真時(shí)間長度為 20s，步進(jìn)為 1/32021s。 QAM 傳輸系統(tǒng)的仿真 Simulink 模塊庫中提供了 16QAM 調(diào)制模塊、 16QAM 解調(diào)模塊、 DPCM 編碼模“ DPCM Encoder”及 DPCM 解碼模塊 “ DPCM Decoder”等模塊 ，利用這些模塊構(gòu)建模擬信源的 QAM 數(shù)字傳輸測(cè)試模型，如圖 43所示。 QAM 傳輸系統(tǒng)的模型 基于前面的數(shù)字通信系統(tǒng)模型，所構(gòu)建的 QAM 傳輸系統(tǒng)的模型如圖 42所示： 錯(cuò)誤 !未指定書簽。 上圖中的噪聲源是信道中的噪聲及分散在通信系統(tǒng)其他各處的噪聲的集 中表示，噪聲通常是隨機(jī)的，形式多樣的，它會(huì)干擾正常信號(hào)的傳輸。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。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。對(duì)高斯噪聲下的信號(hào)檢測(cè)，一般用相關(guān)器或匹配濾波器來實(shí)現(xiàn)。 基本的數(shù)字調(diào)制方式有振幅鍵控、頻移鍵控‘相移鍵控等。信源譯碼則是信源編碼的逆過程。碼元速率決定傳輸所占的帶寬，而傳輸帶寬反映了通信的有效性。并且模擬信源發(fā)出的信號(hào)經(jīng)數(shù)字化處理后也可以送出數(shù)字信號(hào)。根據(jù)消息的種類不同，信源可以分為模擬信源和數(shù)字信源。 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]。 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。 本章小結(jié) 本章對(duì)差分脈沖編碼調(diào)制相關(guān)理論進(jìn)行了分析研究，給出了編解碼器的結(jié)構(gòu)框圖；構(gòu)建了 DPCM 串行傳輸?shù)?Simulink 的仿真模型，進(jìn)行仿真驗(yàn)證；并基于 Simulink對(duì) PCM 及 DPCM 進(jìn)行傳輸誤碼與解碼話音質(zhì)量的性能分析，仿真結(jié)果表明在無誤碼傳輸中 DPCM 的解碼音質(zhì)不如 PCM 強(qiáng)，但 DPCM 的抗噪聲能力比 PCM 強(qiáng)。 QAM 傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 24 圖 36 PCM傳輸誤碼與解碼話音質(zhì)量仿真模型 通過與前面 DPCM 話音進(jìn)行對(duì)比，說明 DPCM 的抗噪聲能力比 PCM 強(qiáng)。 同樣，設(shè)置 BSC 信道的誤碼率分別為 、 、 、 等，執(zhí)行仿真，從聽到的輸出音質(zhì)中，發(fā)現(xiàn)將誤碼率設(shè)置在 ，輸出為純?cè)肼暎喈?dāng)于通信中斷。但對(duì)于數(shù)據(jù)通信，對(duì)誤碼率要求更加嚴(yán)格，如果信道誤碼率不能滿足要求，可采用糾錯(cuò)編碼來進(jìn)一步降低傳輸誤 碼率。 圖 35 DPCM傳輸誤碼與解 碼話音質(zhì)量仿真模型 設(shè)置 BSC信道的誤碼率分別為 、 、 、 等，執(zhí)行仿真，從聽到的輸出音質(zhì)中，發(fā)現(xiàn)將誤碼率設(shè)置在 ，話音基本可懂，但解碼輸出信號(hào)中“咯咯”的噪聲很嚴(yán)重；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。其輸出為解碼恢復(fù)信號(hào)以及量化預(yù)測(cè)誤差。 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)，可以通過函數(shù) dpcmopt 來計(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。 DPCM 解碼模塊的設(shè)置參數(shù)要和編碼模塊相對(duì)應(yīng)。其中預(yù)測(cè)器為 5階 FIR濾波器，抽頭系數(shù)設(shè)置為實(shí)例 1的計(jì)算結(jié)果，被編碼信號(hào)為語音文件“ ”，量化器采用均勻量化方式，將 [1,1]上的歸一化信號(hào)樣值量化為 N=4 比特編碼序列。W]39。 W=inv(C)*R。% 自 相關(guān)系數(shù)序列 [r0,r1,...rp] R=r(2:p+1)。 % 自相關(guān)函數(shù) r=r/max(r)。)。 % 預(yù)測(cè)器階數(shù) [x,Fs,bits] = wavread(39。編寫的計(jì)算程序如下： 關(guān)鍵代碼： % clear。給定預(yù)測(cè)器的階數(shù) P=5。 信道誤碼對(duì)語音質(zhì)量影響的仿真分析 以一語音文件 為信號(hào)源，基于前面最佳預(yù)測(cè)器的理論來進(jìn)行仿真分析。當(dāng)信道錯(cuò)誤比特率為 時(shí)仿真結(jié)果和波形如圖 34所示。解碼端信道輸出經(jīng)串并轉(zhuǎn)換送入 DPCM 解碼，之后輸出解碼結(jié)果并顯示波形。 DPCM 的 Simulink 仿真 Simulink 模塊庫中提供了 DPCM 編碼模塊“ DPCM Encoder”、解碼模塊“ DPCM Decoder”等，利用這些模塊構(gòu)建 DPCM 串行傳輸仿真模型 [7]，如圖 33所示。此時(shí)誤差信號(hào)的量化誤差的范圍為)2/,2/( ?? ??? ，根據(jù)式 ? ? 12 )()( 22 ????? sqq KTeN ,可以得到此時(shí)的量化噪聲功率為： 12/)( 2???tqN (320) 假設(shè)量化后的誤差信號(hào)具有均勻的功率譜密度，而 DPCM 系統(tǒng)輸出數(shù)字信號(hào)的碼元速率為 ，所以可以認(rèn)為噪聲頻譜均勻地分布于頻帶寬度為的范圍內(nèi)，所以可求得此時(shí)的單邊功率譜密度為 : NfsfP 12 )()(2??? (321) 經(jīng)截止頻率為 的低通濾波器后，得到噪聲功率為 : s mmq NffffPN 12 )()( 2???? (322) 可算出 DPCM 系統(tǒng)的輸出信噪比為 : mcsq fffMNNS232208 )1(3 ??? ? (323) 其中 N為編碼位數(shù)， M=2N； fs 為抽樣頻率。其中 ?? 為量化級(jí)之間的間隔。矩陣 C是由歸一化自相關(guān)函數(shù)序列構(gòu)成的 Toeplitz 矩陣。預(yù)測(cè)誤差序列 ne的均方誤差（ MSE）為 : ? ?2neE?? (37) QAM 傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 18 ? ? ?????? ?? 2?~nn xxE? (38) ???????? ???????? ?? ?? ?21~pk knknxxE ?? (39) 最佳預(yù)測(cè)器將使均方誤差（ MSE）最小。在 DPCM 解碼器中，以同樣的反饋相加方式得出解碼樣值輸出。設(shè)預(yù)測(cè)誤差的量化結(jié)果為 n n nee???，其中 n? 為量化誤差。 PCM 中直接傳輸樣值本身，而在 DPCM 中，傳輸數(shù)據(jù)為樣值的差值，在量化誤差不變的條件下，就可以用較少的比特?cái)?shù)來表示碼字，也就提高了波形編低通濾波 瞬時(shí)壓縮 抽 樣 量 化 編 碼 低通濾波 瞬時(shí)擴(kuò)張 解 調(diào) 解 碼 信 道 再 生 話音輸入 話音輸出 QAM 傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 17 碼的效率。 DPCM 編解碼基本原理 DPCM 是一種利用信號(hào)樣值之間的關(guān)聯(lián)特性進(jìn)行高效率波形編碼的方法。為了降低數(shù)字電話信號(hào) 的比特率，改進(jìn)方法之一是采用預(yù)測(cè)編碼方法。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。 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。 脈沖編碼調(diào)制 脈沖編碼調(diào)制 (pulse code modulation—— PCM)是典型的編碼方式，通常把從模擬信號(hào)抽樣、量化、直到變?yōu)槎M(jìn)制符號(hào)的基本過程稱為 PCM。一般模數(shù)轉(zhuǎn)換常采用脈沖編碼調(diào)制（ PCM）、差分脈沖編碼調(diào)制等。 3 模擬信號(hào)數(shù)字化研究及 Simulink 仿真 隨著通信技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字通信成為主流技術(shù)。在工程實(shí)踐中因權(quán)衡二者的關(guān)系。 （ 4）為了降低誤碼率，只有提高發(fā)射功率。 綜上述分析，可得出如下結(jié)論： （ 1）為了提高通信系統(tǒng)的有效性，即提高系統(tǒng)的頻帶利用率，多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制式一個(gè)重要途徑； （ 2）提高頻帶利 用率是以降低功率利用率為代價(jià)。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。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。當(dāng)判決門限為A/2，方差為 2? ，信號(hào)能量為 E時(shí)，正確判決的概率為 )(1)(2?EQcP ?? (213) 差錯(cuò)概率為 )2(?AQPe? (214) 二維信號(hào)空間以 64QAM 為例（見圖 210），我們將多元的 MQAM 信號(hào)點(diǎn) 之間的距離都設(shè)為 A，用一維信號(hào)空間類似的方法，得出 1S ， 2S ， 3S 三個(gè)信號(hào)點(diǎn)正確判斷的概率分別為： 21 )2(1)( ?????? ?? ?AQcP ?????? ??????? ?? )2(21)2(1)(2 ?? AQAQcP QAM 傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 14 23 )2(21)( ?????? ?? ?AQcP (215) 圖 29 64QAM 第一象限星座圖 總的正確判決的概率為 64 )(36)(24)(4)(641 32164 1 cPcPcPcPP i iC ???? ?? (216) 差錯(cuò)概率為 2)2(30625)2( ?????????? ?? AQAQPP ce (217) 用同樣的方法可推出 16QAM、 256QAM、 1024QAM、 4096QAM 的差錯(cuò)概率： ??????????????????????????????????????