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AWGN信道下16QAM系统性能的研究
一.原理:
MQAM与MPSK,MASK一样属于多进制调制,不同的是MASK调制时,矢量端点在一条轴上分布,但当M增大时,若要保持端点之间的最小距离不变,信号能量会急剧增大;当用MPSK调制时,信号能量恒定,但当M增大时,矢量端点之间的最小距离减小,误码率增加。MQAM是MASK和MPSK的一个折中,它将整个平面空间重新分配,在不减少最小距离的情况下增加信号矢量的端点数目。
16QAM是采用幅度与相位相结合的有16个信号点的正交幅度调制,其星座图如下所示:
由图可知,16QAM可用正交调制的方法产生,与MPSK不同的是,MQAM同相和正交两路基带信号的电平是相互独立的,因此可以把16QAM看成是两路相互正交的4ASK信号的迭加。它的复包络如下:
其中,是4进制ASK基带信号,可表示为:
式中表示码元周期,为矩形脉冲,,为同相和正交分量所携带的双极性4进制码,相互之间独立并使之等间距,通常取为-3,-1,+1,+3。
二.16QAM调制器的设计:
在本实验中,采用正交调幅法来产生16QAM信号,其调制框图如下:
码元
码元
序列
串-并
转换
2-4电
平 变换
2-4电平变化
Sin(wt)
90度相移
16
QAM
a2,a4
a1,a3
a1,a2,a3,a4
串-并变化器将速率为的输入二进制序列分成两个速率为的两电平序列,2-4电平变换器将每个速率为的两电平序列变成速率为的4电平信号。设输入的4位码元为a1a2a3a4,将同相分量a2a4,正交分量a1a3分别映射到4进制码,,其映射关系图如下:
将同相分量调制到载波上,再把正交分量调制到相移90度后的载波上,两个调制后波形相加即得到16QAM信号。
三.16QAM解调器的设计:
解调器采用正交相干解调,其解调框图如下:
载波恢复
载波恢复
LPF
位定时恢复
抽样判决
抽样判决
串-并
变换
16QAM
信号
R
LPF
还原
还原
设输入的16QAM信号为,速率为,载波提取电路从输入的16QAM信号中恢复载波,并将其相移90度后分别与16QAM信号相乘,再经过低通滤波器,得到16QAM的基带信号,其同相分量为,正交分量为;位定时恢复电路提取码元周期,抽样判决电路有3个门限电平,在最佳判决时刻对4电平基带信号抽样判决,其同相支路输出,正交支路输出,再经过还原模块将4进制码元还原为2个二进制码元,如下所示:
+3
+1
-1
-3
还原码元
00
01
11
10
并串变换电路将两路速率为的码元序列合并为一路速率为的码元序列,从而得到完成了16QAM的解调输出。
四.仿真设计方法:
(1)发送端调制器的设计:
16QAM的星座图可以看成是实数平面,横轴为实部,纵轴为虚部。在matlab仿真程序中,用随机函数产生一个二进制向量,用来仿真输入的二进制序列,将该二进制向量分解成两路长度为原来一半的二进制向量,即同相分量和正交分量,将同相分量和正交分量每两位一组转换成4进制电平,对应的转换规则如下:
码字
00
01
11
10
对应电平
+3
+1
-1
-3
将同相分量的4进制电平作为实部,正交分量的4进制电平作为虚部,映射到星座图中对应的点,产生发送端的16QAM信号。
(2)AWGN信道设计:
16QAM信号经过调制后发送到加性高斯白噪声信道,信道对发送的16QAM信号的实部和虚部均引入均值为0的高斯白噪声干扰,根据设定的信噪比可计算出干扰噪声的功率大小,可用AWGN函数向发送信号的实部和虚部分别添加符合高斯分布指定功率大小的噪声分量,这样发送的16QAM信号经过高斯白噪声信道后,其幅度和相位均引入了失真,能够很好的模拟实际信道中加性高斯白噪声的影响。
(3)接收端最佳解调器设计:
在接收端收到的16QAM信号是经过加性噪声迭加后的信号,幅度和相位都引入了失真,采用的最佳接收方案如下设计:计算接收到的信号与星座图中的16个星座点之间的欧氏距离,取欧氏距离最小的星座点作为解调输出。
(4)误码率的计算:
将解调输出的二进制序列和发送序列相比较,记录错误的比特数,错误的比特数除以发送序列长度就得出误码率,根据不同的发送信噪比可以计算出不同的误码率,以信噪比为横坐标,误码率为纵坐标就可以得到16QAM的性能曲线。
五.仿真结果和分析:
实验中取信噪比范围从0到16dB,每2dB计算一次误码率,仿真结果图如下:
横坐标表示信噪比,纵坐标表示误码率,蓝线是根据公式计算出的理想性能曲线,红线是仿真测出的误码率,在信噪比大概为15dB时误码率下降到百万分之一。由图可见仿真结果和理论曲线符合的比较好。
六.参考书目:
1.钱亚生,曹志刚,《现代通信原理》,清华大学出版,1992版。
2.约翰·G·普罗克斯,马苏德·萨勒赫,《现代通信系
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