基于Matlab/Simulink的QAM通信系统的仿真

陈 毓， 程 铃

（1.92724部队 山东 青岛 266109；2.南京信息工程大学 江苏 南京 210044）

在众多系统仿真平台中，Matlab及其Simulink工具箱较之于其它仿真软件，有着独到的优势，它使通信技术人员摆脱系统仿真中繁琐的编程过程，有效地提高了仿真的效率，而且易学易用。Simulink是Matlab中的一个基于方框图的系统仿真环境，是一个对动态系统进行建模、仿真和仿真结果可视化分析的软件包。用户只需要通过简单的鼠标操作就可以将一系列图形化的系统模块连接起来，从而建立一个非常直观的、功能上却相当复杂的动态系统模型。

Simulink还提供了许多专业模块库：如CDMA参考模块库、通信模块库、DSP模块库等等[1]，大大地提高了通信系统研究和设计开发的效率。Simulink作为Matlab的重要组成部分，它具有以下特点[2]：

1）调用模块连成框图来表示系统，使得仿真系统建模与工程中的方框图统一起来，能较全面地研究通信系统，直观性很强，且具有很高的开放性；2）用户可以随意修改模块参数，以便于观察不同参数下的仿真结果，有利于用户比较和选取；3）仿真结果可以近乎“实时”地以图形或数据显示出来，这与实验室操作是一样的。

1 QAM简介

QAM （Quadrature Amplitude Modulation）正交幅度调制技术是用两路独立的基带信号对两个相互正交的同频载波进行抑制载波的双边带调幅，利用这种已调信号的频谱在同一带宽内的正交性，实现两路并行的数字信息的传输。该调制方式通常有4QAM、l6QAM、64QAM等，对应的空间信号矢量端点分布图称为星座图，分别有4、16、64等个矢量端点。QAM调制实际上就是幅度调制和相位调制的组合，信号的振幅和相位作为两个独立的参量同时受到调制[2]，与其他调制方式相比，QAM具有能充分利用带宽、抗噪声性能强等优点，在移动通信、有线电视传输和ADSL中均有广泛的应用。利用Matlab通信仿真软件对QAM系统进行计算机仿真具有重要的现实意义，为科学合理地设计和应用QAM技术提供了便捷、高效和直观的仿真平台。

2 QAM系统仿真

Simulink的通信模块中有各种数字调制/解调器模块。其有通带（passband）模块和基带（baseband）之分。通带仿真的载波信号包含在模型的发射部分，载波频率通常远远高于信号的最高频率。由Nyquist抽样定理可知，为了能在接收端恢复原信号，仿真中的抽样频率应至少为载波频率最大值的两倍。如果信号频率很高，则仿真会变得非常慢或无法直接进行计算机模拟。基带仿真一般称为低通等效法仿真，将带通信号等效为基带信号，使得调制和解调性能分析与载波频率和信道频段无关，从而减少系统资源的占用[3]。

下面以基带模块为例，对16QAM系统进行了仿真，给出了一种比较简单的仿真方法，并说明如何运用Simulink对通信系统进行仿真。

QAM通信系统仿真模型如图1所示。

图1 QAM系统仿真模型Fig.1 Simulation model of the QAM system

信源Random Integer Generator模块产生随机整数0-15，送入QAM基带调制模块。QAM基带解调模块（用于解调QAM信号）与QAM基带调制模块（用于产生QAM信号）的参数设置必须一致。采用Communication Blockets（通信模块）中提供类似实际的噪声信道——高斯白噪声信道模块以便观察系统的正常响应。Discrete-Time Scatter Plot Scope模块用来显示调制信号及其经信道传输后的星座图，Discrete-Time Scatter Plot Scope模块以点形式绘制信号点。Error Rate Calculation模块用于计算误码率，并将结果通过Display模块显示出来[4-5]。主要参数设置如表1所示。

表1 QAM仿真系统参数设置Tab.1 Parameters setting of QAM simulation system

信噪比为 20 dB时，QAM调制输出信号和通过信道后的QAM信号星座图分别如图2和图3所示。

从图2的星座图可以看出，16QAM调制信号有16个信号点（图中米子形），信号点表示每个码元的位置，它是由两个正交矢量合成的。而其经过高斯信道后，接收信号点受到干扰以高斯分布概率密度函数规律，并以各点发送信号为期望值散布于发送信号点附近如图3所示。调整信噪比SNR可以观察经信道后QAM信号星座图的变化，仿真发现信噪比SNR越大，接收信号点的集中程度越高；反之，信号点的分散程度越高。

图2 QAM信号星座图Fig.2 Constellation diagram of QAM signal

图3 经高斯信道后的QAM信号星座图（SNR为20 dB）Fig.3 Constellation diagram of QAM signal through gass channel

误码率是反映数据通信系统特性的指标。在仿真过程中，误码率大小会随着高斯白噪声基带信道信噪比、调制方式等而改变，因此误码率的测试结果是评价试验系统的重要标准[6]。图1中的Display模块显示的是信噪比为20 dB时的误码情况，有3个窗：第1个窗显示的是误码率0.000 999；第2个窗显示的是误码数1个；第3个窗显示的是码元总数1 001个。可以通过调整信噪比，观察误码率的变化，仿真发现信噪比越小，误码率就越大，与理论一致。

3 结束语

利用Matlab仿真通信系统，具有广泛的适应性和极高的灵活性。在硬件实验中改变系统参数也许意味着重做硬件，而在软件中只需对特定参数进行相应设置[7]，节省了时间和费用。文中利用Matlab的Simulink功能模块成功地对QAM通信系统进行了可视化仿真，并给出了较详细的实现方法和仿真结果，仿真结果与理论结果一致，充分地证明了Simulink在通信系统仿真中的实用性。通过调整本系统的模块或参数，可以得到其他通信系统的仿真模型，如64QAM等，为相关领域的仿真研究指出了一个方法。

[1]熊瀛，张华.基于Simulink的直接序列扩展频谱通信系统仿真研究[J].现代电子技术，2008（5）:63-65.XIONG Ying，ZHANG Hua.Simulation of the direct spread spectrum communication system based on simulink[J].The Modern Electronic Technology，2008（5）:63-65.

[2]樊昌信，曹丽娜.通信原理 [M].北京：国防工业出版社，2007.

[3]杨辉媛，李云红，涂成军．QAM调制技术及其MATLAB仿真[J]．微计算机信息，2010（5-1）：181-183.YANG Hui-yuan，LI Yun-hong，TU Cheng-jun.The modulation technology of QAM and the simulation in MATLAB[J].Micro Computer Information，2010（5-1）:181-183.

[4]张志勇，徐彦琴.MATLAB教程-基于6.x版本[M].北京：北京航空航天大学出版社，2003.

[5]陈怀琛，吴大正，高西全.MATLAB及在电子信息课程中的应用[M].北京：电子工业出版社，2006.

[6]邵玉斌.MATLAB/Simulink通信系统建摸[M].北京：清华大学出版社，2008.

[7]卓秀钦.基于MATLAB/Simulink的PSK的传输系统仿真[J].福建信息技术教育，2006（3）:6-8.ZHUO Xiu-qin.Simulation of PSK transmission system based on MATLAB/Simulink[J].Fujian Information Technology Education，2006（3）:6-8.