基於Matiab的QAM通信系統的仿真

在眾多系統仿真平臺中，Matlab及其Simulink工具箱較之於其它仿真軟體，有著獨到的優勢，它使通信技術人員擺脫系統仿真中繁瑣的編程過程，有效地提高了仿真的效率，而且易學易用。Simulink是Matlab中的一個基於方框圖的系統仿真環境，是一個對動態系統進行建模、仿真和仿真結果可視化分析的軟體包。用戶只需要通過簡單的滑鼠操作就可以將一系列圖形化的系統模塊連接起來，從而建立一個非常直觀的、功能上卻相當複雜的動態系統模型。

Simulink還提供了許多專業模塊庫：如CDMA參考模塊庫、通信模塊庫、DSP模塊庫等等，大大地提高了通信系統研究和設計開發的效率。Simulink作為Matlab的重要組成部分，它具有以下特點：

1)調用模塊連成框圖來表示系統，使得仿真系統建模與工程中的方框圖統一起來，能較全面地研究通信系統，直觀性很強，且具有很高的開放性；2)用戶可以隨意修改模塊參數，以便於觀察不同參數下的仿真結果，有利於用戶比較和選取；3)仿真結果可以近乎「實時」地以圖形或數據顯示出來，這與實驗室操作是一樣的。

1 QAM簡介

QAM(Quadrature Amplitude Modulation)正交幅度調製技術是用兩路獨立的基帶信號對兩個相互正交的同頻載波進行抑制載波的雙邊帶調幅，利用這種已調信號的頻譜在同一帶寬內的正交性，實現兩路並行的數字信息的傳輸。該調製方式通常有4QAM、16QAM、64QAM等，對應的空間信號矢量端點分布圖稱為星座圖，分別有4、16、64等個矢量端點。QAM調製實際上就是幅度調製和相位調製的組合，信號的振幅和相位作為兩個獨立的參量同時受到調製，與其他調製方式相比，QAM具有能充分利用帶寬、抗噪聲性能強等優點，在移動通信、有線電視傳輸和ADSL中均有廣泛的應用。利用Matlab通信仿真軟體對QAM系統進行計算機仿真具有重要的現實意義，為科學合理地設計和應用QAM技術提供了便捷、高效和直觀的仿真平臺。

2 QAM系統仿真

Simulink的通信模塊中有各種數字調製／解調器模塊。其有通帶(passband)模塊和基帶(baseband)之分。通帶仿真的載波信號包含在模型的發射部分，載波頻率通常遠遠高於信號的最高頻率。由Nyquist抽樣定理可知，為了能在接收端恢復原信號，仿真中的抽樣頻率應至少為載波頻率最大值的兩倍。如果信號頻率很高，則仿真會變得非常慢或無法直接進行計算機模擬。基帶仿真一般稱為低通等效法仿真，將帶通信號等效為基帶信號，使得調製和解調性能分析與載波頻率和信道頻段無關，從而減少系統資源的佔用。

下面以基帶模塊為例，對16QAM系統進行了仿真，給出了一種比較簡單的仿真方法，並說明如何運用Simulink對通信系統進行仿真。

QAM通信系統仿真模型如圖1所示。

信源Random Integer Generator模塊產生隨機整數0-15，送入QAM基帶調製模塊。QAM基帶解調模塊(用於解調QAM信號)與QAM基帶調製模塊(用於產生QAM信號)的參數設置必須一致。採用Communication Blockets(通信模塊)中提供類似實際的噪聲信道——高斯白噪聲信道模塊以便觀察系統的正常響應。Discrete-Time Scatter Plot Scope模塊用來顯示調製信號及其經信道傳輸後的星座圖，Discrete-Time Scatter Plot Scope模塊以點形式繪製信號點。Error Rate Calculation模塊用於計算誤碼率，並將結果通過Display模塊顯示出來。主要參數設置如表1所示。

　　信噪比為20 dB時，QAM調製輸出信號和通過信道後的QAM信號星座圖分別如圖2和圖3所示。

從圖2的星座圖可以看出，16QAM調製信號有16個信號點(圖中米子形)，信號點表示每個碼元的位置，它是由兩個正交矢量合成的。而其經過高斯信道後，接收信號點受到幹擾以高斯分布概率密度函數規律，並以各點發送信號為期望值散布於發送信號點附近如圖3所示。調整信噪比SNR可以觀察經信道後QAM信號星座圖的變化，仿真發現信噪比SNR越大，接收信號點的集中程度越高；反之，信號點的分散程度越高。

誤碼率是反映數據通信系統特性的指標。在仿真過程中，誤碼率大小會隨著高斯白噪聲基帶信道信噪比、調製方式等而改變，因此誤碼率的測試結果是評價試驗系統的重要標準。圖1中的Display模塊顯示的是信噪比為20 dB時的誤碼情況，有3個窗：第1個窗顯示的是誤碼率0．000 999；第2個窗顯示的是誤碼數1個；第3個窗顯示的是碼元總數1 001個。可以通過調整信噪比，觀察誤碼率的變化，仿真發現信噪比越小，誤碼率就越大，與理論一致。

3 結束語

利用Matlab仿真通信系統，具有廣泛的適應性和極高的靈活性。在硬體實驗中改變系統參數也許意味著重做硬體，而在軟體中只需對特定參數進行相應設置，節省了時間和費用。文中利用Matlab的Simulink功能模塊成功地對QAM通信系統進行了可視化仿真，並給出了較詳細的實現方法和仿真結果，仿真結果與理論結果一致，充分地證明了Simulink在通信系統仿真中的實用性。通過調整本系統的模塊或參數，可以得到其他通信系統的仿真模型，如64QAM等，為相關領域的仿真研究指出了一個方法。