基于Matiab／Simulink的QAM通信系統(tǒng)的仿真

摘要：利用Matlab的Simulink工具箱建立了QAM系統(tǒng)的仿真模型，詳細地敘述了仿真參數(shù)的設置，分析了仿真結果，仿真結果與理論結果一致。該仿真模型簡單，而且達到了預期的效果。仿真結果表明：通過Matlab仿真數(shù)字通信系統(tǒng)具有較強的可實現(xiàn)性，為實際應用和科學合理地設計QAM通信系統(tǒng)，提供了高效的仿真平臺。
關鍵詞：Matlab；Simulink；QAM；仿真模型；數(shù)字通信

    在眾多系統(tǒng)仿真平臺中，Matlab及其Simulink工具箱較之于其它仿真軟件，有著獨到的優(yōu)勢，它使通信技術人員擺脫系統(tǒng)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中的一個基于方框圖的系統(tǒng)仿真環(huán)境，是一個對動態(tài)系統(tǒng)進行建模、仿真和仿真結果可視化分析的軟件包。用戶只需要通過簡單的鼠標操作就可以將一系列圖形化的系統(tǒng)模塊連接起來，從而建立一個非常直觀的、功能上卻相當復雜的動態(tài)系統(tǒng)模型。
    Simulink還提供了許多專業(yè)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(tǒng)研究和設計開發(fā)的效率。Simulink作為Matlab的重要組成部分，它具有以下特點：
    1)調(diào)用模塊連成框圖來表示系統(tǒng)，使得仿真系統(tǒng)建模與工程中的方框圖統(tǒng)一起來，能較全面地研究通信系統(tǒng)，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(shù)，以便于觀察不同參數(shù)下的仿真結果，有利于用戶比較和選??；3)仿真結果可以近乎“實時”地以圖形或數(shù)據(jù)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(diào)制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(diào)幅，利用這種已調(diào)信號的頻譜在同一帶寬內(nèi)的正交性，實現(xiàn)兩路并行的數(shù)字信息的傳輸。該調(diào)制方式通常有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(diào)制實際上就是幅度調(diào)制和相位調(diào)制的組合，信號的振幅和相位作為兩個獨立的參量同時受到調(diào)制，與其他調(diào)制方式相比，QAM具有能充分利用帶寬、抗噪聲性能強等優(yōu)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通信仿真軟件對QAM系統(tǒng)進行計算機仿真具有重要的現(xiàn)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(tǒng)仿真
    Simulink的通信模塊中有各種數(shù)字調(diào)制／解調(diào)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(fā)射部分，載波頻率通常遠遠高于信號的最高頻率。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(diào)制和解調(diào)性能分析與載波頻率和信道頻段無關，從而減少系統(tǒng)資源的占用。
    下面以基帶模塊為例，對16QAM系統(tǒng)進行了仿真，給出了一種比較簡單的仿真方法，并說明如何運用Simulink對通信系統(tǒng)進行仿真。
    QAM通信系統(tǒng)仿真模型如圖1所示。

    信源Random Integer Generator模塊產(chǎn)生隨機整數(shù)0-15，送入QAM基帶調(diào)制模塊。QAM基帶解調(diào)模塊(用于解調(diào)QAM信號)與QAM基帶調(diào)制模塊(用于產(chǎn)生QAM信號)的參數(shù)設置必須一致。采用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(tǒng)的正常響應。Discrete-Time Scatter Plot Scope模塊用來顯示調(diào)制信號及其經(jīng)信道傳輸后的星座圖，Discrete-Time Scatter Plot Scope模塊以點形式繪制信號點。Error Rate Calculation模塊用于計算誤碼率，并將結果通過Display模塊顯示出來。主要參數(shù)設置如表1所示。

    信噪比為20 dB時，QAM調(diào)制輸出信號和通過信道后的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(diào)制信號有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(jīng)過高斯信道后，接收信號點受到干擾以高斯分布概率密度函數(shù)規(guī)律，并以各點發(fā)送信號為期望值散布于發(fā)送信號點附近如圖3所示。調(diào)整信噪比SNR可以觀察經(jīng)信道后QAM信號星座圖的變化，仿真發(fā)現(xiàn)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(shù)據(jù)通信系統(tǒng)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(diào)制方式等而改變，因此誤碼率的測試結果是評價試驗系統(tǒng)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(shù)1個；第3個窗顯示的是碼元總數(shù)1 001個。可以通過調(diào)整信噪比，觀察誤碼率的變化，仿真發(fā)現(xiàn)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(tǒng)，具有廣泛的適應性和極高的靈活性。在硬件實驗中改變系統(tǒng)參數(shù)也許意味著重做硬件，而在軟件中只需對特定參數(shù)進行相應設置，節(jié)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(tǒng)進行了可視化仿真，并給出了較詳細的實現(xiàn)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(tǒng)仿真中的實用性。通過調(diào)整本系統(tǒng)的模塊或參數(shù)，可以得到其他通信系統(tǒng)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。