64QAM系统性能的分析与MATLAB仿真
1 绪论
1.1 研究背景与研究意义
随着世界通信产业的迅速发展，多媒体通信比传统的语音通信需要更大的信道容量。高效、可靠、确定的数字传输系统对于数字多媒体通信的实现起着至关重要的作用。在频谱资源越来越稀缺的今天，传统通信系统的容量已经不能满足当前用户的需求。另外人们亦不能满足单一的语音通信业务，希望能利用移动电话进行各种各样多媒体信息的通信。正交幅度调制QAM是数字通信系统中一种常用的调制技术。尤其是多进制QAM，比如64QAM有着非常高的频谱利用率。
在使用同轴电缆的网络中，这种数字频率调制技术通常使用于发送下行数据。64QAM在一个6MHz信道中，64QAM传输速率很高，最高可以支持28Mbps的峰值传输速率。但是，对干扰信号很敏感，使得它很难适应嘈杂的上行传输（从电缆用户到因特网）。
它的调制效率高，对传输途径的信噪比要求高，具有带宽利用率高，抗噪声强等特点，适合有线电视电缆传输；我国有线电视网中广泛应用的DVB-C 调制即QAM 调制方式。Q A M 是幅度和相位联合调制的技术，它同时利用了载波的幅度和相位来传递信息比特，不同的幅度和相位代表不同的编码符号。因此，在最小距离相同的条件下，Q A M 星座图中可以容纳更多的星座点即可实现更高的频带利用率。
1.2 课程设计的目的和任务
课程设计的目的是掌握一般通信系统设计的过程、步骤、要求、工作内容及设计方法；掌握用计算机仿真通信系统的方法；训练学生网络设计能力；训练学生综合运用专业知识的能力，提高学生进行通信工程设计能力；提高学生的团结协作以及探索求知的精神。
课程设计的任务内容是通过MATLAB仿真对64QAM通信系统的性能进行分析。
2 64QAM通信系统
2.1 64QAM通信系统基本模型
64QAM通信系统基本模型如图2.1所示。
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噪声
图2.1 64QAM通信系统基本模型
信号发生器：随机信号发生器，进制数设为64。
信道编码：选择RS码。
调制：采用64QAM调制方式。
信道：信号经过调制以后，通过信道。信道选择高斯加性白噪声信道、莱斯衰落信道。设置不同的信道信噪比，对系统进行仿真，分析不同信噪比情况下的系统性能。
解调：采用64QAM解调方式。
译码：根据信道编码方式，选择对应的信道解码方式。
性能分析：信号经过调制、信道、解调过程。在接收端，将得到的数据与原始信号源数据比较，得到在特定信噪比下的误码率。改变系统信噪比，从而得到系统的误码率曲线图，并给出各关健点信号眼图及星座图以及功率谱图。
2.2 64QAM通信系统的性能指标
64QAM是一种在6MHZ 基带带宽内正交调幅的X进制的二维矢量数字调制技术（X=2，4，8，16），抑制的载波在离频道低端大约3MhZ 处。据奈奎斯特理论，一个6MHZ的带宽采用双边带最大可以传6Mbit/s的信号流，除去开销、升余弦滚降造成的波形延展等因素，大约只能传5.4Mbit/s 的信号流。由于X2QAM调制方式中，信号流以log2X
为一组分为两路，每一路具有X 电平，每一路电平表示的信号量是log2X(Mbit/s)，所以两路信号正交调制后，能传的最大数字信号比特流为2×log2X×5.4=10.8log2X(Mbit/s)。
64QAM通信系统性能指标有 ：传输速率、误码率、适应性、使用维修性、经济性、标准化程度和通信建立时间等。64QAM可以充分利用带宽，并且抗噪声能力强。
本课程设计主要通过研究64QAM误码率与信噪比的关系来衡量该调制和解调的性能。
3 64QAM通信系统主要模块
3.1 信源及其编译码
信号源采用数字信号。由于本课程设计是对64QAM调至解调通信系统的性能分析，所以讲二电平数字信号转换成多电平的数字信号，并在关键处设置示波器观察。
3.2 基带信号处理
适当增加冗余可以提高系统的可靠性，RS编码算法通过增加n-k个冗余符号，将K个符号构成的块展成n个符号。一个RS码包括块长度、消息长度、奇偶校验长度和最小距离几个参数，通过缩短RS（n,k)码的长度可以减少到具有相同符号长度的（n',k'）RS码。
3.3 调制/解调
调制与解调是通信系统中非常重要的模块，在QAM中一般采用正交幅度调制，他是指QAM通过载波某些参数的变化传输信息。在QAM中，数据信号由相互正交的两个载波的幅度变化表示。
3.4 信道
本设计中采用了加性高斯白噪声，它的幅度分布服从高斯分布，而它的功率谱密度又是均匀分布的，所以r（t）与s（t）不会有任何失真。在信道中加入高斯白噪声，可以观察信号经过信道的变化情况。
4 MATLAB对64QAM通信系统的仿真
4.1 MATLAB主要模块及参数设置
4.1.1信号源（如图4-1）
![]("file:///C:UsersADMINI~1AppDataLocalTempksohtmlwpsE943.tmp.png")
图4-1 信号源仿真模块图
其参数如图4-2
![]("file:///C:UsersADMINI~1AppDataLocalTempksohtmlwpsE944.tmp.png")
图4-2 电源模块参数
4.1.2基带信号处理
输出端RS编码和输入端RS编码分别如图4-3，图4-4。
![]("file:///C:UsersADMINI~1AppDataLocalTempksohtmlwpsE954.tmp.png")
图4-3 输出端RS仿真模块图 图4-4输入端RS仿真模块图
其中输入端RS编码和输出端RS编码参数分别如图4-5，图4-6。
![]("file:///C:UsersADMINI~1AppDataLocalTempksohtmlwpsE955.tmp.png")
图4-5 输入端RS编码参数
![]("file:///C:UsersADMINI~1AppDataLocalTempksohtmlwpsE956.tmp.png")
图4-6 输出端RS编码参数
4.1.3调制/解调
调制/解调仿真模块如图4-7所示。
![]("file:///C:UsersADMINI~1AppDataLocalTempksohtmlwpsE967.tmp.png")
![]("file:///C:UsersADMINI~1AppDataLocalTempksohtmlwpsE968.tmp.png")
图4-7 调制、解调仿真模块图
其参数如表4-1
![]("file:///C:UsersADMINI~1AppDataLocalTempksohtmlwpsE979.tmp.png")
4.1.4其他模块参数设置
显示仪器的主要参数设置如表4-2所示。
表4-2显示仪器仿真参数
星座图仪 | 眼图仪 | 频谱仪 | 示波器 |
每符号抽样：100 | 每符号抽样：4 | 缓存长度：1024 | 输入信号数：2 |
偏置：0 | 预置：0 | 缓存交叠：512 | Y轴最小：-3 |
显示点数：500 | 每迹符号数：1 | FFT长度：512 | Y轴最大：3 |
每次显示新迹数：300 | 每次显示新迹数：4000 | 谱平均数：2 | 时间范围：0.0001 |
X轴最小：-5 | Y轴最小：-5 | Y轴最小：-23 | |
X轴最大：5 | Y轴最大：5 | Y轴最大：10 | |
Y轴最小：-5 | |||
Y轴最大：-5 |
误码率计算器及显示器参数设置如图4-8、图4-9所示。
![]("file:///C:UsersADMINI~1AppDataLocalTempksohtmlwpsE97A.tmp.png")
![]("file:///C:UsersADMINI~1AppDataLocalTempksohtmlwpsE98A.tmp.png")
4.1.5 信噪比--误码曲线实现程序如下。
x=0:0.9:9;
y=x;
BitRate=10000;
SimulationTime=10;
for i=1:length(x)
SNR=x(i);
sim('liu');
y(i)=mean(output);
end
markerchoice='*';
plotsym=[markerchoice '-'];semilogy(x,y(:),plotsym);
title('64QAM误码率');xlabel('SNR');
ylabel('Error Rate');
4.2 64QAM通信系统的仿真图和结果分析
无噪声时系统的仿真框图如图4-10所示。
![]("file:///C:UsersADMINI~1AppDataLocalTempksohtmlwpsE98B.tmp.png")
无噪声时通信系统的星座图如图4-11所示，无噪声时通信系统的频谱图如图4-12所示，无噪声时通信系统的眼图如图4-13所示，无噪声时通信系统的信噪比-功率谱曲线如图4-14所示。
![]("file:///C:UsersADMINI~1AppDataLocalTempksohtmlwpsE99C.tmp.png")
![]("file:///C:UsersADMINI~1AppDataLocalTempksohtmlwpsE99D.tmp.png")
![]("file:///C:UsersADMINI~1AppDataLocalTempksohtmlwpsE9AE.tmp.png")
![]("file:///C:UsersADMINI~1AppDataLocalTempksohtmlwpsE9AF.tmp.png")
无噪声时调制解调前后的波形图如图4-15。
![]("file:///C:UsersADMINI~1AppDataLocalTempksohtmlwpsE9BF.tmp.png")
4.3 加入噪声及干扰时系统性能指标的变化分析
4.3.1加入噪声及干扰时系统的仿真
加入高斯噪声、瑞利噪声和莱斯时通信系统的仿真框图如图4-16所示。
![]("file:///C:UsersADMINI~1AppDataLocalTempksohtmlwpsE9C0.tmp.png")
加入高斯噪声、瑞利噪声和莱斯时通信系统的星座图如图4-17所示，加入高斯噪声、瑞利噪声和莱斯时通信系统的频谱图如图4-18所示，加入高斯噪声、瑞利噪声和莱斯时通信系统的信噪比-功率谱曲线如图4-19所示，加入高斯噪声、瑞利噪声和莱斯时通信系统的眼图如图4-20所示。
![]("file:///C:UsersADMINI~1AppDataLocalTempksohtmlwpsE9D1.tmp.png")
![]("file:///C:UsersADMINI~1AppDataLocalTempksohtmlwpsE9D2.tmp.png")
![]("file:///C:UsersADMINI~1AppDataLocalTempksohtmlwpsE9D3.tmp.png")
![]("file:///C:UsersADMINI~1AppDataLocalTempksohtmlwpsE9E3.tmp.png")
加入高斯噪声、瑞利噪声和莱斯时的调制解调前后波形图如图4-21。
![]("file:///C:UsersADMINI~1AppDataLocalTempksohtmlwpsE9F4.tmp.png")
4.3.2结果分析
从整个Matlab仿真来看，在加入高斯白噪声、瑞利噪声和莱斯与还未加入噪声、干扰前的星座图、眼图、功率谱和误码率曲线相比都造成了明显的影响——星座图发生偏移、眼图变得模糊、误码的可能性也大大增加。
![]("file:///C:UsersADMINI~1AppDataLocalTempksohtmlwpsE9F5.tmp.png")
加入高斯白噪声、瑞利噪声和莱斯后，从表4-3中看出系统误码率明显增高。为了满足通信要求，需要调试系统使得误码率趋近于0以便达到更好的通信效果。
5 结论
本次的课程设计题目是64QAM通信系统性能的分析与MATLAB仿真。通过使用MATLAB7.0仿真软件为这次课题的设计、运算、仿真提供了很大的方便。为了对系统性能进行有效、直观的分析，我们采用的是先设计出理想环境下的64QAM通信系统再不断地对其加入高斯噪声、瑞利噪声、莱斯噪声及干扰，然后分别通过程序模拟出每种情况下系统的误码率、信噪比以及对星座图、眼图、功率谱图的影响。
64QAM传输速率很高，但是对干扰信号很敏感，对传输条件要求比较苛刻，因此在实际设计和调试中还是遇到了一些困难。即便如此，通过我们集体上网查资料、去图书馆借书翻阅以及老师的指导，还是如期完成了本次课程设计。
本次课程设计让我不仅对MATLAB的使用更加熟练，还通过此仿真软件对64QAM参数、性能有了一个全新、直观而且比较全面的认识。
