基于Simulink的16QAM调制解调系统的设计与仿真

王怡 涂宇 谭泽涛 吕雅婷

（湖南交通工程学院交通运输工程学院 湖南省衡阳市 421001）

QAM 调制技术有着频谱利用率高、抗噪声能力强等特点，可以帮助人们较好地平衡信息传输量和有限带宽这两大技术指标。QAM 调制可以根据传输环境与传输信源的不同，自适应地调整调制的速率，在可用频带紧张的情况下，QAM 技术有着出色的表现[1]。经过QAM 调制后的调制信号幅度和相位都能携带信息，这相较于一般的数字调制中一个码元仅能携带1bit 的信息而言，在携带和传递的信息这一方面QAM 调制具有显著的优势。

1 QAM调制解调原理

1.1 QAM调制原理

QAM 调制的本质是用两路并行的信号分别去与同相且正交两个载波相乘，调制基本步骤如下：

首先向QAM 调制系统中输入需要调制的信号（二进制码元序列），单行码元序列经过串/并变换得到输出速率为原信号二分之一的两路并行序列；两路并行序列在经过2 电平至L（L=log2M）电平的转换器的作用下，2 电平的基带信就被转换成L 电平的基带信号，这两路L 电平的基带信号经低通滤波器（LPF）过滤掉高频信号后，已调信号的带外辐射得到比较好的抑制，去掉了不必要的相位抖动；然后将两路基带信号分别与同相载波cosωct 和正交载波-sinωct 相乘；最后将两路调制后的基带信号相加得到输入信号的调制信号，将其输出调制系统[2]。

1.2 QAM解调原理

解调是调制的逆过程，目前主要用到的解调方法有这三种：模拟相干解调、数字相干解调、全数字解调。本文中将用到相干解调法对已调信号进行解调。

解调后获得一组同相与正交两路的多电平基带信号I(t)与Q(t)通过低通滤波器后就只剩下直流分量Am/2 和Bm/2，将直流分量依次进行电平判决、L 电平到2 电平的转换、并/串转换，最终将得到的数字信号输出解调系统[3]。

2 MQAM的Simulink仿真建模

2.1 MQAM的仿真模型设计

Simulink 工具箱中的Communication（通信）模块中有数字调制/解调器模块，其中的模块有基带与通带之分[4]。本文采用的是基带仿真，选择模块时选择基带模块。

MQAM 系统设计思路：对输入信号进行QAM 调制，输入到高斯白噪声信道中，检测QAM 调制的抗噪声能力，然后把加过噪声的调制信号进行解调，再将解调过的信号和原信号对比，并统计误码率。图1 为MQAM 的仿真模型。

图1 中各仿真模块的简单介绍[5]：

（1）Random Integer Generator（随机整数生成器）：生成随机整数作为输入信号信号输入系统。

（2）Rectangular QAM Modulator Baseband（矩形QAM 基带调制器）：对输入信号进行QAM 调制，星座点呈矩形网格状分布。

（3）AWGN Channel（高斯白噪声信道）：对经过信道的信号加入指定信噪比的高斯白噪声。

（4）Rectangular QAM Demodulator Baseband（矩形QAM 基带解调器）：对调制后且加了高斯白噪声的信号进行解调，还原成输入信号进行输出。

图2：加高斯白噪声后星座图

（5）Error RateCalculation（错误率统计器）：比较输入信号及解调后的输出信号，统计误码率，并输出统计结果。

（6）Constellation Diagram（星座图）：绘制星座图，更直观地表现信号。

（7）Display（显示屏）：把错误率统计器的数据显示出来。

2.2 16QAM的仿真过程及结果分析

本文设计的MQAM 的仿真模型，经过参数设置可推广为任意阶的QAM 模型，下面是以16QAM 为标准设置的各模块参数的具体介绍：

（1）随机整数生成器：设置参数Setsize 为16，Sampletime（抽样时间）设置为0.05，Sampleperframe（每帧抽样）设置为1，其余参数均保持默认不变，可以得到一个整数信号输入系统。

（2）矩形QAM 基带调制器：M-arynumber 设置为16，调制模块的Inputtype（输入类型）设置为Integer（整数），输入输出保持一致；Constellation ordering（星座排序）设置为Binary（二进制）；Normalization Method（归一化法）选择Min.distance between symbols，这样就可以在星座图中用最小欧几里得距离的值来分隔星座中最近的一对点，Minimum distance（最小欧几里得距离）设置为0.5；其余参数均保持默认不变。

（3）高斯白噪声信道：首先把Mode（模式）设置为SNR（信噪比），SNR 的数值可以随意设置，本实验初次设置20dB 的信噪比，后续实验会逐步加大信噪比；其余参数均保持默认不变。

图3

图4：16QAM 误码率曲线

（4）矩形QAM 基带解调器：在参数设置上仍然保持16QAM，M-arynumber 设置为16，Normalization Method（归一化法）选择Min.distance between symbols，Minimum distance（最小欧几里得距离）设置为0.5。注意本模块的参数设置要和矩形QAM基带调制器保持一致。

（5）错误率统计器：把Output data（输出数据）设置为Port，这样就会出现输出端口。此输出端口包含正在运行的错误统计信息，可以把统计出来的数据传输到显示器中显示出来，其余参数均保持默认不变。

（6）显示器：Decimation（抽样）设置为1，这样便可以指定数据的显示频率其余参数均保持默认不变。

3 仿真结果分析

3.1 16QAM星座图

点击仿真模型（星座图）图1 中的运行按钮，稍等片刻便可得出仿真出的16QAM 星座图，如图2所示。

从图2 我们可以看出经QAM 调制后的已调信号在经过高斯白噪声信道里信号点受到了高斯白噪声的干扰，以高斯分布概率密度函数为规律[6]，并以各个点发送信号为期望值散布于发送信号点附近。

3.2 16QAM调制前后波形图

然后进行QAM 调制前后波形图的绘制，分别在信号源后和解调后各加一个Scope（示波器），设置好参数后，点击图1 中的运行按钮，稍等片刻后，便可以在两个示波器上分别得到调制前后的波形图，结果如图3(a)和图3(b)所示。

本次实验结果是在高斯白噪声信道信噪比设置为20dB 的情况下进行的，仿真后在显示器上，三个窗口示数依次为误码率0.000999，误码数1，码元总数1001，观察图3(a)和图3(b)可以发现，调制前后波形图是基本一致的，这就意味着整个调制与解调过程对信号的还原程度高，失真程度小，我们得到了与原信号高度相似的解调信号。

3.3 16QAM误码率曲线

在后续的实验中，我们把高斯白噪声信道中设置的信噪比逐步调高，然后运行仿真，得到多次实验后统计出的误码率和波形图的变化，如图4所示，对波形图和误码率曲线进行观察，得出实验结果：高斯白噪声信道中的信噪比越大，解调后的误码率越小，并逐渐趋近于0，这一点与我们的理论预期是相一致的。

4 结束语

本次所设计的MQAM 系统模型可通过修改各个模块参数的方式实现任意阶的QAM 调制与解调，并以16QAM 为例进行相应参数配置；通过接入两个示波器得到输入信号的波形与解调后的波形进行对比分析，可以很明显地看出调制前后波形基本一致，通过误码率曲线的变化，证明了信噪比和误码率是成反比的关系；通过把调制后星座图和加高斯白噪声后星座图进行对比，可得信号点受到了噪声干扰。