qam傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)畢業(yè)論文(設(shè)計(jì))

1、<p>　　畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論文）</p><p>　　QAM傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)</p><p>　　Design and Achievement Of QAM System</p><p>　　學(xué) 院（系）： 計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院 </p><p>　　專(zhuān) 業(yè)： 通信工程

2、 </p><p>　　學(xué) 生 姓 名： </p><p>　　學(xué) 號(hào)： </p><p>　　指 導(dǎo) 教 師（職稱）： </p><p>　　評(píng) 閱 教

3、師： </p><p>　　完 成 日 期： 2015年4月 </p><p>　　QAM傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)</p><p>　　[摘 要]正交振幅調(diào)制QAM是一種相位和振幅聯(lián)合控制的數(shù)字調(diào)制技術(shù)。它應(yīng)用范圍非常廣泛，不僅在移動(dòng)通信領(lǐng)域而且在有線電視傳輸、數(shù)字視頻廣播

4、、衛(wèi)星通信等領(lǐng)域都得到廣泛應(yīng)用。本文深入研究QAM調(diào)制解調(diào)的基本原理、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及性能參數(shù)，實(shí)現(xiàn)QAM調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)的Simulink仿真及性能分析；詳細(xì)分析模擬信號(hào)數(shù)字化的基本理論及實(shí)現(xiàn)方法，實(shí)現(xiàn)差分脈碼調(diào)制的Simulink仿真及性能比對(duì)；基于上述理論構(gòu)建模擬信源QAM傳輸系統(tǒng)，并利用Matlab/Simulink進(jìn)行建模仿真及性能驗(yàn)證。仿真結(jié)果表明，所構(gòu)建的QAM數(shù)字傳輸系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)良好的傳輸。</p><

5、p>　　[關(guān) 鍵 詞] 數(shù)字傳輸；正交振幅調(diào)制；差分脈碼調(diào)制；建模仿真</p><p>　　Design and Simulation of QAM System</p><p>　　Communcation Engineering Major Lin Long</p><p>　　Abstract : Quadrature amplitude modula

6、tion is a joint-controlled digital modulation technology of phase and amplitude. It is widely used not only in the mobile communication field, but also in other fields, such as wire television transmission field, digital

7、 video broadcasting, satellite communication, etc... This paper studies the basic principles of QAM modulation and demodulation, then simulates the whole 16QAM system and discusses performances of system by the simulink

8、toolbox. This paper al</p><p>　　Key words: digital transmission; quadrature amplitude modulation; differential pulse code modulation; model and simulate</p><p><b>　　目 錄</b></p>

9、;<p><b>　　1引言1</b></p><p>　　1.1 課題研究背景及意義1</p><p>　　1.1.1 調(diào)制在通信系統(tǒng)中的作用1</p><p>　　1.1.2 數(shù)字調(diào)制解調(diào)技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展2</p><p>　　1.2 QAM調(diào)制解調(diào)技術(shù)在數(shù)字通信領(lǐng)域的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)2</p&g

10、t;<p>　　1.3 仿真軟件介紹3</p><p>　　1.4 論文主要內(nèi)容及結(jié)構(gòu)安排3</p><p>　　2 QAM調(diào)制解調(diào)技術(shù)研究及Simulink仿真4</p><p>　　2.1 QAM調(diào)制4</p><p>　　2.1.1 QAM調(diào)制原理5</p><p>　　2.1.2 QAM

11、調(diào)制性能6</p><p>　　2.1.3 QAM星座圖7</p><p>　　2.2 QAM解調(diào)8</p><p>　　2.3 QAM調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)的Simulink仿真9</p><p>　　2.3.1 16QAM調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)的Simulink仿真9</p><p>　　2.3.2 64QAM調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)的

12、Simulink仿真11</p><p>　　2.4 MQAM調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)性能仿真分析12</p><p>　　2.4.1頻帶利用率分析12</p><p>　　2.4.2 誤碼率分析13</p><p>　　2.4.3 功率利用率分析15</p><p>　　2.5 本章小結(jié)15</p>&

13、lt;p>　　3模擬信號(hào)數(shù)字化研究及Simulink仿真15</p><p>　　3.1 脈沖編碼調(diào)制16</p><p>　　3.2 差分脈沖編碼調(diào)制16</p><p>　　3.2.1 DPCM編解碼基本原理16</p><p>　　3.2.2 最佳預(yù)測(cè)器17</p><p>　　3.2.3 DPC

14、M的系統(tǒng)性能分析19</p><p>　　3.3 DPCM的Simulink仿真20</p><p>　　3.4 信道誤碼對(duì)語(yǔ)音質(zhì)量影響的仿真分析21</p><p>　　3.4.1 最佳預(yù)測(cè)器抽頭系數(shù)的確定21</p><p>　　3.4.2 構(gòu)建測(cè)試模型及仿真22</p><p>　　3.4.3 與PCM

15、話音解碼對(duì)比分析23</p><p>　　3.5本章小結(jié)24</p><p>　　4 QAM傳輸系統(tǒng)的構(gòu)建與仿真24</p><p>　　4.1 構(gòu)建QAM傳輸系統(tǒng)24</p><p>　　4.1.1 模擬信源數(shù)字通信系統(tǒng)模型24</p><p>　　4.1.2 QAM傳輸系統(tǒng)的模型26</p>

16、<p>　　4.2 QAM傳輸系統(tǒng)的仿真26</p><p>　　4.3 應(yīng)用實(shí)例的仿真29</p><p>　　4.4本章小結(jié)30</p><p>　　結(jié)論及尚存在的問(wèn)題30</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)31</b></p><p><b>　　致謝3

17、2</b></p><p><b>　　1引言</b></p><p>　　信號(hào)傳輸?shù)倪^(guò)程中需要都要占用一定的帶寬，數(shù)字信號(hào)的傳輸比模擬信號(hào)對(duì)對(duì)帶寬的需求更高。隨著衛(wèi)星有效載荷種類(lèi)的增多和分辨率的不斷提高，需要傳輸?shù)男畔⒘吭絹?lái)越大。為了將這些信息實(shí)時(shí)傳輸?shù)降孛妫瑢?duì)星上數(shù)傳系統(tǒng)的傳輸能力的要求就越來(lái)越高。</p><p>　　為了在有

18、限的帶寬信道中有效的傳輸大量的數(shù)據(jù)，人們研制了各種調(diào)制方式來(lái)解決有限帶寬和大量數(shù)據(jù)傳輸之間的矛盾。例如可以采用多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制(包括幅度、頻率、和相位多進(jìn)制調(diào)制)、聯(lián)合調(diào)制、網(wǎng)格調(diào)制等等。其中幅度和相位聯(lián)合調(diào)制方式，即QAM（ Quadrature Amplitude Modulation）調(diào)制方式綜合ASK(Amplitude Shift Keying)與PSK(Phase Shift Keying)的優(yōu)點(diǎn)，并通過(guò)采用多進(jìn)制調(diào)制方式來(lái)提

19、高頻帶利用率(提高信息傳輸速率)，因此它在頻帶利用率和接收端誤譯碼率等指標(biāo)上，比單一調(diào)制正弦波的一個(gè)參數(shù)的調(diào)制方式都要優(yōu)越，但它的設(shè)備復(fù)雜程度也是比較高的[1-3]。隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展，設(shè)備復(fù)雜性也在相對(duì)地降低，因此QAM方式是目前高速調(diào)制解調(diào)器中比較好的的調(diào)制方式。</p><p>　　1.1 課題研究背景及意義</p><p>　　調(diào)制是指為了適應(yīng)信道傳輸?shù)囊螅鸦鶐盘?hào)的頻譜搬

20、移到一定的頻帶范圍。對(duì)基帶信號(hào)進(jìn)行調(diào)制的目的主要有:進(jìn)行頻率分配、信號(hào)容易輻射、減少噪聲和干擾的影響、實(shí)現(xiàn)多路復(fù)用和克服設(shè)備的限制等。調(diào)制方式有許多，不同的調(diào)制方式對(duì)通信系統(tǒng)的有效性和可靠性有著很大的影響。</p><p>　　傳統(tǒng)的頻率調(diào)制和相位調(diào)制兩種數(shù)字調(diào)制方式都存在頻譜利用率低、抗多徑衰落能力差、功率譜衰減慢、帶外輻射嚴(yán)重等不足。正交振幅調(diào)制(QAM)是一種相位和振幅聯(lián)合控制的數(shù)字調(diào)制技術(shù)，它不僅可以得到

21、更高的頻譜效率，而且可以在限定的頻帶內(nèi)傳輸更高速率的數(shù)據(jù)。QAM在當(dāng)今通信領(lǐng)域扮演著重要的角色，因此對(duì)QAM進(jìn)行深入研究具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。</p><p>　　1.1.1 調(diào)制在通信系統(tǒng)中的作用</p><p>　　從語(yǔ)音、圖像、音樂(lè)等信源直接轉(zhuǎn)換而得到的電信號(hào)頻譜比較低，其頻譜特點(diǎn)是低通頻譜，有些包括直流分量也有些可能不包含，其最高頻率和最低頻率的比值一般都比較大，比如語(yǔ)音信號(hào)的

22、頻譜范圍大概為三百到三千赫茲，這種信號(hào)被稱為基帶信號(hào)。為了使基帶信號(hào)能夠在頻帶信道上進(jìn)行傳輸，比如無(wú)線信道，同時(shí)也為了能夠同時(shí)傳輸多路基帶信號(hào)，就需要采用調(diào)制和解調(diào)的技術(shù)。</p><p>　　調(diào)制解調(diào)研究的主要內(nèi)容包括:己調(diào)信號(hào)的頻譜特性、調(diào)制的原理、解調(diào)的原理、已調(diào)信號(hào)的產(chǎn)生方法、解調(diào)的實(shí)現(xiàn)方法、解調(diào)后的誤碼率性能和信噪比性能等。</p><p>　　1.1.2 數(shù)字調(diào)制解調(diào)技術(shù)現(xiàn)狀與

23、發(fā)展</p><p>　　因?yàn)橐郧暗耐ㄐ畔到y(tǒng)為模擬通信系統(tǒng)，所以調(diào)制技術(shù)是由模擬信號(hào)的調(diào)制與解調(diào)技術(shù)最初開(kāi)始發(fā)展的。后來(lái)，數(shù)字通信系統(tǒng)得到了迅速的發(fā)展，隨之而來(lái)的是數(shù)字調(diào)制技術(shù)的廣泛應(yīng)用和迅速發(fā)展。隨著現(xiàn)在日益增多的各種通信系統(tǒng)數(shù)量，為了更好的充分利用日益緊張的頻譜資源，廣大通信科研工作者致力于研究頻譜利用率更高的新型數(shù)字調(diào)制方式，而且原CCITT(國(guó)際電報(bào)電話咨詢委員會(huì))也一直在促進(jìn)并鼓勵(lì)開(kāi)發(fā)新奇的頻譜使用技術(shù)

24、，為了各種通信系統(tǒng)能夠有效的進(jìn)行通信，原CCITT科學(xué)地將頻段分別分配給各個(gè)通信系統(tǒng)，因而，許多科研院所，用戶個(gè)體和通信公司都在通過(guò)開(kāi)發(fā)先進(jìn)的調(diào)制技術(shù)用以提高頻譜利用率。</p><p>　　提高頻譜利用率是人們?cè)O(shè)計(jì)和規(guī)劃通信系統(tǒng)的關(guān)注焦點(diǎn)之一，同時(shí)也是提高通信系統(tǒng)容量的重要措施。頻譜利用率越高，就要求已調(diào)信號(hào)所占的帶寬要越窄，即己調(diào)信號(hào)頻譜從天線發(fā)射時(shí)功率的主瓣要越窄，同時(shí)也要求旁瓣的幅度要越低，也就是說(shuō)要求輻

25、射到相鄰頻道的功率即帶外輻射要越小。在數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)中的頻譜利用率主要是指?jìng)鬏數(shù)男蕟?wèn)題，也就是說(shuō)，通信系統(tǒng)的傳輸速率不是唯一需要關(guān)注的指標(biāo)，同時(shí)還要看在一定的傳輸速率下信道頻帶所占的寬度為多少。</p><p>　　如果系統(tǒng)的頻帶利用率高，就表明通信系統(tǒng)具有較高的傳輸效率，反之傳輸效率就低。從上面對(duì)頻譜利用率的定義可以發(fā)現(xiàn)，要使得通信系統(tǒng)的頻譜利用率有所提高主要可以兩種途徑:一是通過(guò)提高該調(diào)制系統(tǒng)的傳信率即信息傳

26、輸速率，二是降低已調(diào)信號(hào)所占用的頻帶寬度[1-3]。振幅和相位聯(lián)合調(diào)制QAM技術(shù)作為本課題的研究對(duì)象，就是一種近些年來(lái)獲得了飛速發(fā)展的調(diào)制技術(shù)，該技術(shù)就具有極高的信息傳輸速率。</p><p>　　1.2 QAM調(diào)制解調(diào)技術(shù)在數(shù)字通信領(lǐng)域的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)</p><p>　　以WCDMA、CDMA2000和TD-SCDMA為代表的第三代移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)除了支持傳統(tǒng)的話音業(yè)務(wù)以外，還推出了大容量的寬帶

27、數(shù)據(jù)服務(wù)，與以GSM、CDMA1595標(biāo)準(zhǔn)為代表的第二代移動(dòng)通信系統(tǒng)相比，在技術(shù)上，3G系統(tǒng)的上下行速率理論上可以達(dá)到2Mbit/s左右的水平，它可以提供包括視頻在內(nèi)的各種多媒體寬帶應(yīng)用服務(wù)，諸如下載或流媒體類(lèi)業(yè)務(wù)，需要系統(tǒng)提供更高的傳輸速率和更多的延遲。為了滿足此要求，WCDMA對(duì)空口接口作了改進(jìn)，引入了HSDPA技術(shù)，使之可支持高達(dá)10Mbit/s的峰值速率。在HSDPA系統(tǒng)中引進(jìn)了AMC技術(shù)，在HSDPA系統(tǒng)中AMC的調(diào)制選擇了低

28、階的QPSK和高階的16QAM，作為其調(diào)制方式。同樣，作為寬帶無(wú)線接入技術(shù)，韓國(guó)引入了WIBro技術(shù)，它可采用三種調(diào)制方式，包括QPSK、16QAM、64QAM等。而目前作為中國(guó)國(guó)內(nèi)唯一擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高速率無(wú)線寬帶接入技——McWiLL，McWiLL終端接入設(shè)備CPE亦采用QPSK/8PSK/QAM16/QAM64自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)。IEEE802.16a標(biāo)準(zhǔn)即WiMAX有很強(qiáng)的的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，真正成為城域網(wǎng)的無(wú)線接入手段。為了抵抗多徑&

29、lt;/p><p>　　移動(dòng)通信系統(tǒng)中的另一研究熱點(diǎn)即數(shù)字集群移動(dòng)通信系統(tǒng)，也采用QAM數(shù)字調(diào)制技術(shù)[4-5]。與頻率調(diào)制MSK、GMSK，相位調(diào)制OQPSK、π/4-QPSK等相比， QAM是一種相位和振幅聯(lián)合控制的數(shù)字調(diào)制技術(shù)。它不僅可以得到更高的頻譜效率，而且可以在限定的頻帶內(nèi)傳輸更高速率的數(shù)據(jù)。</p><p>　　在數(shù)字廣播電視傳輸中，QAM成為DVB-C系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)的調(diào)制方式。QAM除

30、了是 DOCSISl.1標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的調(diào)制方式之外，而且成為現(xiàn)代CATV雙向網(wǎng)、寬帶接入技術(shù)ADSL、VADSL中規(guī)定的調(diào)制方式[4-5]。</p><p>　　1.3 仿真軟件介紹</p><p>　　MATLAB是MATrix LABoratory的縮寫(xiě)，是一款由美國(guó)MathWorks公司出品的商業(yè)數(shù)學(xué)軟件。MATLAB 是一種用于算法開(kāi)發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值計(jì)算的高級(jí)技術(shù)計(jì)算

31、語(yǔ)言和交互式環(huán)境。除了矩陣運(yùn)算、繪制函數(shù)/數(shù)據(jù)圖像等常用功能外，MATLAB還可以用來(lái)創(chuàng)建用戶界面及與調(diào)用其它語(yǔ)言（包括C，C++和FORTRAN）編寫(xiě)的程序。盡管MATLAB主要用于數(shù)值運(yùn)算，但利用為數(shù)眾多的附加工具（Toolbox）它也適合不同領(lǐng)域的應(yīng)用，例如控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析、圖像處理、信號(hào)處理與通訊、金融建模和分析等。另外還有一個(gè)配套軟件包Simulink，提供了一個(gè)可視化開(kāi)發(fā)環(huán)境，常用于系統(tǒng)模擬、動(dòng)態(tài)/嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)等方面。&

32、lt;/p><p>　　Simulink是MATLAB中的一種可視化仿真工具， 是一種基于MATLAB的框圖設(shè)計(jì)環(huán)境，是實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和分析的一個(gè)軟件包，被廣泛應(yīng)用于線性系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)、數(shù)字控制及數(shù)字信號(hào)處理的建模和仿真中。它可以用連續(xù)采樣時(shí)間、離散采樣時(shí)間或兩種混合的采樣時(shí)間進(jìn)行建模，它也支持多速率系統(tǒng)，也就是系統(tǒng)中的不同部分具有不同的采樣速率。為了創(chuàng)建動(dòng)態(tài)系統(tǒng)模型，Simulink提供了一個(gè)建立模型方塊

33、圖的圖形用戶接口(GUI) ，這個(gè)創(chuàng)建過(guò)程只需單擊和拖動(dòng)鼠標(biāo)操作就能完成，它提供了一種更快捷、直接明了的方式，而且用戶可以立即看到系統(tǒng)的仿真結(jié)果[6-9]。 </p><p>　　1.4 論文主要內(nèi)容及結(jié)構(gòu)安排</p><p>　　本文在對(duì)QAM調(diào)制解調(diào)的基本原理、模擬信號(hào)數(shù)字化傳輸理論進(jìn)行深入研究的基礎(chǔ)上，構(gòu)建模擬信源的QAM數(shù)字傳輸系統(tǒng)，通過(guò)Matlab軟件的Simulink仿真平臺(tái)

34、實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的建立及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。各章節(jié)安排如下：</p><p>　　第一部分簡(jiǎn)單介紹了課題的背景、研究意義及仿真軟件——Matlab/Simulink，重點(diǎn)分析了QAM技術(shù)發(fā)展概要及應(yīng)用現(xiàn)狀，最后給出了論文內(nèi)容安排及論文的主要工作。</p><p>　　第二部分分析了 16QAM調(diào)制解調(diào)的原理、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及性能參數(shù)，利用Simulink仿真平臺(tái)對(duì)16QAM和64QAM調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)作了仿真建模，

35、通過(guò)比較其發(fā)送端和接收端的星座圖及眼圖進(jìn)行性能驗(yàn)證，最后基于16QAM調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)的理論知識(shí)構(gòu)建了MQAM調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)，并進(jìn)行系統(tǒng)性能仿真分析。從而得出多進(jìn)制調(diào)制情況下頻帶利用率、功率利用率、誤碼率與調(diào)制方式、傳輸環(huán)境之間的定量關(guān)系，為后面系統(tǒng)設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。</p><p>　　第三部分研究了模擬信號(hào)數(shù)字化的典型實(shí)現(xiàn)方法，即差分脈沖編碼調(diào)制技術(shù)，分析了基本原理，研究了實(shí)現(xiàn)過(guò)程。最后基于MATLAB/Simulin

36、k軟件，建立各個(gè)編解碼模型，進(jìn)行仿真驗(yàn)證，并進(jìn)一步對(duì)PCM及DPCM進(jìn)行傳輸誤碼與解碼話音質(zhì)量的性能分析。仿真結(jié)果表明在無(wú)誤碼傳輸中DPCM的解碼音質(zhì)不如PCM強(qiáng)，但DPCM的抗噪聲能力比PCM強(qiáng)。這些結(jié)論為后面模擬信源數(shù)字傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。</p><p>　　第四部分基于前面所研究分析的內(nèi)容，構(gòu)畫(huà)了模擬信源的QAM數(shù)字傳輸系統(tǒng)， 實(shí)現(xiàn)了模擬信號(hào)在QAM數(shù)字通信系統(tǒng)中的傳輸，并基于MATLAB/Sim

37、ulink建立仿真模型，進(jìn)行性能驗(yàn)證。仿真表明所構(gòu)建的QAM數(shù)字傳輸系統(tǒng)在允許一定失真的情況下可以實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)的良好傳輸。 </p><p>　　第五部分總結(jié)與展望，對(duì)本文所完成的工作進(jìn)行了總結(jié)，并對(duì)后續(xù)研究工作提出了一些想法和建議。</p><p>　　2 QAM調(diào)制解調(diào)技術(shù)研究及Simulink仿真</p><p>　　本章對(duì)QAM調(diào)制解調(diào)相關(guān)理論進(jìn)行了分析研究

38、，給出了調(diào)制端和解調(diào)端的結(jié)構(gòu)框圖；構(gòu)建了16QAM和64QAM調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)的Simulink的仿真模型，進(jìn)行仿真驗(yàn)證；并基于Simulink對(duì)M-QAM調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)進(jìn)一步進(jìn)行性能分析，所得結(jié)論為后面系統(tǒng)規(guī)劃與設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。</p><p><b>　　2.1 QAM調(diào)制</b></p><p>　　正交幅度調(diào)制(QAM)是一種高效數(shù)字調(diào)制技術(shù)，具有很高的頻譜利用率。而

39、傳統(tǒng)數(shù)字調(diào)制技術(shù)是單獨(dú)利用振幅和相位攜帶信息，不能最充分利用信號(hào)功率利用率。此外，現(xiàn)代通信系統(tǒng)對(duì)傳輸速率和帶寬也提出了新的要求，因此QAM引起更多關(guān)注，在有線電視網(wǎng)絡(luò)高速數(shù)據(jù)傳輸、大中容量數(shù)字微波通信系統(tǒng)、衛(wèi)星通信系統(tǒng)等各個(gè)領(lǐng)域均得到了廣泛的應(yīng)用。但它在隨參信道無(wú)線寬帶通信領(lǐng)域中的研究尚未發(fā)展成熟。</p><p>　　2.1.1 QAM調(diào)制原理</p><p>　　正交振幅調(diào)制（QAM）

40、就是用兩個(gè)相互獨(dú)立的數(shù)字基帶信號(hào)對(duì)相互正交且頻率相同的兩路載波信號(hào)進(jìn)行雙邊帶調(diào)制，因?yàn)檫@種已調(diào)信號(hào)在同一帶寬內(nèi)頻譜正交，所以可用來(lái)實(shí)現(xiàn)同相和正交兩路并行的數(shù)字信號(hào)傳輸。</p><p>　　正交振幅調(diào)制（QAM）信號(hào)的一般表示式為[3]：</p><p><b>　　(2-1)</b></p><p>　　式（2-1）中，是基帶信號(hào)的幅度，是單

41、個(gè)基帶信號(hào)的波形，寬度為。式（2-1）還可以變化為正交表示形式:</p><p><b>　?。?-2）</b></p><p>　　令 （2-3）</p><p><b>　　則式（2-2）變成</b></p>

42、<p><b>　?。?-4）</b></p><p>　　QAM中的振幅和可以表示為：</p><p><b>　　(2-5)</b></p><p>　　式（2-5）中，固定振幅為、、由輸入的信號(hào)最終決定。已調(diào)QAM信號(hào)在信號(hào)空間中的坐標(biāo)點(diǎn)由、決定。</p><p>　　QAM信號(hào)

43、調(diào)制原理結(jié)構(gòu)圖如圖2-1所示。圖中，輸入的二進(jìn)制碼流經(jīng)過(guò)串/并變換器輸出兩路并行碼流序列，速率減為原來(lái)的一半，再經(jīng)過(guò)2電平到L電平的變換，形成L電平的基帶信號(hào)。這里的L由調(diào)制系統(tǒng)所選的進(jìn)制數(shù)所決定，該L電平的基帶信號(hào)還要經(jīng)過(guò)基帶成形濾波器，主要是為了抑制已調(diào)信號(hào)的帶外輻射，最終形成X(t)和Y(t),再分別和頻率相同的同相載波以及正交相載波進(jìn)行相乘運(yùn)算。將最后得到的兩路信號(hào)相加就得到的已調(diào)制QAM信號(hào)。</p><p

44、>　　圖2-1 QAM信號(hào)調(diào)制原理圖</p><p>　　2.1.2 QAM調(diào)制性能</p><p>　　QAM信號(hào)的波形可表示成兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)正交信號(hào)波形和的線型組合[10-11]，即：</p><p><b>　　(2-6)</b></p><p><b>　　式中</b></p>

45、<p><b>　　(2-7)</b></p><p><b>　　(2-8)</b></p><p><b>　　且</b></p><p>　　= (2-9)</p><p>　　式中是信號(hào)脈沖g(t)的能量。</p

46、><p>　　任意一對(duì)信號(hào)向量之間的歐氏距離是[10-11]：</p><p><b>　　(2-10)</b></p><p>　　在特殊情況下，即信號(hào)幅度取一組離散值{（2m-1-M）d, m=1,2….M}信號(hào)星座圖是矩形的。在這種情況下，相鄰兩點(diǎn)間的歐氏距離即最小距離為：</p><p><b>　　(2-

47、11)</b></p><p>　　為了求QAM的錯(cuò)誤概率，這里必須詳細(xì)說(shuō)明信號(hào)點(diǎn)的星座圖。</p><p>　　錯(cuò)誤概率主要由信號(hào)點(diǎn)間的最小距離決定，假設(shè)信號(hào)星座滿足條件，若所有星座點(diǎn)是等概率，那么它們的平均發(fā)送功率是：</p><p><b>　　(2-12)</b></p><p>　　式（2.9）中，

48、M是QAM星座圖中的點(diǎn)數(shù)，（）是由A歸一化的信號(hào)坐標(biāo)。</p><p>　　2.1.3 QAM星座圖</p><p>　　星座映射規(guī)則不同，星座呈現(xiàn)不同的分布形式。16QAM星座圖分別有星型星座和方型星座。星型星座如圖2-2(a)所示，其中信號(hào)點(diǎn)的分布呈星型。同理，方型星座圖中信號(hào)點(diǎn)的分布呈方形，如圖2-2(b)所示。</p><p>　　圖2-2 16QAM星座

49、圖</p><p>　　QAM調(diào)制有幾個(gè)重要的參數(shù)：峰值-均值比γ，星座圖間最小歐幾里得距離和最小相位偏移。不同的數(shù)字傳輸系統(tǒng)，對(duì)這些參數(shù)的要求各不相同[10-11]。</p><p>　　（1）QAM信號(hào)的峰值-均值γ</p><p><b>　　(2-13)</b></p><p>　　其中，表示信號(hào)的峰值功率，表示

50、信號(hào)的平均功率。</p><p>　?。?）最小歐幾里得距離</p><p>　　最小歐幾里得距離是指QAM信號(hào)星座圖上星座點(diǎn)間的最小距離，該參數(shù)衡量了QAM信號(hào)抗高斯噪聲的能力，最小距離與抗高斯白噪聲的性能呈正比關(guān)系。</p><p><b>　　（3）最小相位偏移</b></p><p>　　最小相位偏移，是指標(biāo)準(zhǔn)Q

51、AM星座圖上信號(hào)點(diǎn)之間的相位的最小偏移量。該參數(shù)對(duì)QAM信號(hào)抗相位抖動(dòng)能力和對(duì)時(shí)鐘恢復(fù)精確度的敏感性有了很好的反映，最小相位偏移量越大，抗相位抖動(dòng)能力也隨著越強(qiáng)。</p><p>　　一個(gè)具有良好性能的QAM信號(hào)，其星座圖要滿足三個(gè)方面的要求[12-13]：</p><p>　　a) 信號(hào)峰值-均值比要小，用以保證調(diào)制信號(hào)的包絡(luò)起伏越小，從而增強(qiáng)其抗非線性失真的能力。</p>

52、<p>　　b) 信號(hào)點(diǎn)間的最小歐幾里得距離要盡量大，從而保證獲得最佳的抗加性高斯白噪聲性能。</p><p>　　c) 星座點(diǎn)間最小相位偏移要保證盡量大，以增強(qiáng)調(diào)制信號(hào)的抗相位抖動(dòng)性能，包括抗定時(shí)恢復(fù)的時(shí)鐘抖動(dòng)和抗信道相位抖動(dòng)性能。</p><p>　　就一個(gè)確定的QAM星座圖而言，是不可能同時(shí)滿足這三個(gè)要求的，而只能根據(jù)不同傳輸系統(tǒng)的要求，在保證主要性能要求的前提下，折中地

53、或采取自適應(yīng)的辦法進(jìn)行設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)。不同星座的參數(shù)如表2.1所示。</p><p>　　表2-1 星座參數(shù)值表</p><p>　　由表2.1可見(jiàn)，當(dāng)信號(hào)平均功率一定時(shí)，方型星座圖的最小歐幾里得距離比星型星座圖要大，也就是說(shuō)，方型星座圖抗高斯噪聲能力比星型星座圖強(qiáng)，適宜在典型的高斯白噪聲信道中使用。但是，在抗相位及抗非線性失真等性能上，方型星座圖不如星型星座圖，這是因?yàn)槠渥钚∠辔黄票刃切托亲?/p>

54、圖小且峰值大于星型星座圖。</p><p><b>　　2.2 QAM解調(diào)</b></p><p>　　MQAM信號(hào)的解調(diào)通常采用正交相干解調(diào)法，其解調(diào)器原理圖2-3所示。解調(diào)端接收到的帶有噪聲的已調(diào)MQAM信號(hào)作為輸入，與本地恢復(fù)的兩個(gè)相互正交的載波信號(hào)進(jìn)行相乘運(yùn)算后，再經(jīng)過(guò)低通濾波也就是匹配濾波器，輸出兩路多電平基帶信號(hào)X(t)和Y(t)。多電平判決器對(duì)多電平基帶

55、信號(hào)進(jìn)行判決和檢測(cè)，再經(jīng)L電平到2電平轉(zhuǎn)換和并/串變換器最終輸出二進(jìn)制碼流。</p><p>　　圖2-3 MQAM信號(hào)相干解調(diào)原理圖</p><p>　　2.3 QAM調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)的Simulink仿真</p><p>　　Simulink是MATLAB中的一種可視化仿真工具，可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和分析。在這里，基于MATLABLE/Simulink構(gòu)建

56、QAM調(diào)制解調(diào)仿真模型，進(jìn)行仿真驗(yàn)證及性能分析。</p><p>　　通常驗(yàn)證通信系統(tǒng)的功能一般采用星座圖和眼圖這兩種工具，只要通過(guò)對(duì)比發(fā)送端和接收端的星座圖和眼圖，就可以很直觀的判決通信系統(tǒng)性能的優(yōu)劣。所以在下面各個(gè)仿真模型中，主要通過(guò)星座圖模塊、眼圖模塊及誤碼率統(tǒng)計(jì)模塊來(lái)進(jìn)行仿真驗(yàn)證和系統(tǒng)性能分析。</p><p>　　2.3.1 16QAM調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)的Simulink仿真</

57、p><p>　　Simulink模塊庫(kù)中提供調(diào)制器Rectangular QAM Modulator Baseband模塊、解調(diào)器Rectangular QAM Demodulator Baseband模塊、誤碼率統(tǒng)計(jì)模塊、星座圖模塊等，利用這些模塊構(gòu)建16QAM調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)[7]，測(cè)試模型如圖2-4所示。</p><p>　　2-4 16QAM調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)測(cè)試模型</p>&l

58、t;p>　　設(shè)傳輸符號(hào)率為1000波特，則碼元時(shí)隙寬度是1ms。信源輸出的隨機(jī)整數(shù)送入16QAM基帶調(diào)制器（用Rectangular QAM Modulator Baseband模塊實(shí)現(xiàn)），調(diào)制輸出經(jīng)過(guò)高斯信道后送入接收端相應(yīng)的16QAM基帶解調(diào)器（Rectangular QAM Demodulator Baseband模塊實(shí)現(xiàn)）中，調(diào)制器和解調(diào)器的參數(shù)設(shè)置必須一致。解調(diào)的符號(hào)（整數(shù)）與發(fā)送端數(shù)據(jù)進(jìn)行比較得出錯(cuò)誤符號(hào)率統(tǒng)計(jì)。當(dāng)信道

59、中加入的高斯噪聲方差為0.02時(shí)，發(fā)送和接收信號(hào)的星座圖仿真結(jié)果如圖2-6所示。</p><p>　　圖2-5 16QAM調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)星座圖</p><p>　　一般，通信系統(tǒng)的性能驗(yàn)證是通過(guò)星座圖、眼圖及誤碼率這些測(cè)試工具，只要通過(guò)對(duì)比發(fā)送端和接收端的星座圖和眼圖，或通過(guò)誤碼率統(tǒng)計(jì)模塊所顯示的結(jié)果就可以很直觀的判決通信系統(tǒng)性能的優(yōu)劣。</p><p>　　圖2-

60、5給出了系統(tǒng)發(fā)送端和接收端的星座圖，這里基帶成形濾波器的滾降系數(shù)為0，即滿足理想低通特性，所以發(fā)送端的星座圖與理想的星座映射圖是完全一致的。由于傳輸信道上噪聲的存在，接收端星座圖與理想的星座點(diǎn)都有一定的偏差，通過(guò)偏差的大小可以直觀的判斷出系統(tǒng)性能的好壞。這里接收端的眼圖雖然離理想的偏差比較大，但是并沒(méi)有發(fā)生重疊的現(xiàn)象，所以通過(guò)合適的閾值檢測(cè)，還是可以很好的恢復(fù)出原始的波形。</p><p>　　圖2-6 QAM

61、16調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)眼圖</p><p>　　圖2-6為16QAM調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)發(fā)送端和接收端的眼圖。通過(guò)觀察發(fā)現(xiàn)，在采樣時(shí)刻最大眼圖開(kāi)啟，同樣由于傳輸信道上噪聲的干擾，接收端眼圖中“眼睛”張開(kāi)的大小比發(fā)送端的要小的多，其大小反映著基帶成形性能的優(yōu)劣、碼間干擾的強(qiáng)弱和傳輸信道噪聲影響的大小。</p><p>　　當(dāng)信道噪聲方差為0.05時(shí)，發(fā)送10s數(shù)據(jù)，經(jīng)誤碼率統(tǒng)計(jì)模塊Error rate c

62、alculation計(jì)算及數(shù)據(jù)顯示模塊Display顯示，可以觀察到錯(cuò)誤符號(hào)數(shù)為27個(gè)，相應(yīng)的錯(cuò)誤錯(cuò)誤率為0.0027。</p><p>　　2.3.2 64QAM調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)的Simulink仿真</p><p>　　Simulink模塊庫(kù)中提供Rectangular QAM Modulator Baseband模塊、解調(diào)器Rectangular QAM Demodulator Base

63、band模塊、誤碼率統(tǒng)計(jì)模塊、星座圖模塊等，利用這些模塊構(gòu)建64QAM調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)[7]，測(cè)試模型如圖2-7所示。</p><p>　　2-7 64QAM調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)測(cè)試模型</p><p>　　設(shè)傳輸符號(hào)率為1000波特，則碼元時(shí)隙寬度是1ms。信源輸出的隨機(jī)整數(shù)送入64QAM基帶調(diào)制器（用Rectangular QAM Modulator Baseband模塊實(shí)現(xiàn)），調(diào)制輸出經(jīng)過(guò)高斯

64、信道后送入接收端相應(yīng)的64QAM基帶解調(diào)器（Rectangular QAM Demodulator Baseband模塊實(shí)現(xiàn)）中，調(diào)制器和解調(diào)器的參數(shù)設(shè)置必須一致。解調(diào)的符號(hào)（整數(shù)）與發(fā)送端數(shù)據(jù)進(jìn)行比較得出錯(cuò)誤符號(hào)率統(tǒng)計(jì)。當(dāng)信道中加入的高斯噪聲方差為0.02時(shí)，發(fā)送和接收信號(hào)的星座圖仿真結(jié)果如圖2-8所示。</p><p>　　圖2-8 64QAM調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)星座圖</p><p>　　

65、圖2-8給出了系統(tǒng)發(fā)送端和接收端的星座圖。同樣，發(fā)送端的星座圖與理想的星座映射圖是完全一致的。由于傳輸信道上噪聲的存在，接收端星座圖與理想的星座點(diǎn)都有一定的偏差，通過(guò)偏差的大小可以直觀的判斷出系統(tǒng)性能的好壞。</p><p>　　當(dāng)信道噪聲方差為0.05時(shí)，發(fā)送10s數(shù)據(jù)，經(jīng)誤碼率統(tǒng)計(jì)模塊Error rate calculation計(jì)算及數(shù)據(jù)顯示模塊Display顯示，可以觀察到64QAM調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)錯(cuò)誤符號(hào)數(shù)為

66、29個(gè)，相應(yīng)的錯(cuò)誤符號(hào)率率為0.0029。而16QAM調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)錯(cuò)誤符號(hào)數(shù)為27個(gè)，相應(yīng)的錯(cuò)誤符號(hào)率為0.0027。</p><p>　　進(jìn)一步仿真，可以得到在信道噪聲方差為0.05時(shí)發(fā)送10s數(shù)據(jù)的條件下，M-QAM調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)誤碼率如表2-2所示。由表2-3可以看出M越大，系統(tǒng)錯(cuò)誤符號(hào)率越高。</p><p>　　表2-2 M-QAM系統(tǒng)錯(cuò)誤符號(hào)率</p><p&

67、gt;　　2.4 MQAM調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)性能仿真分析</p><p>　　通信系統(tǒng)的任務(wù)是快速、準(zhǔn)確地傳輸信息，因此傳輸信息的有效性和可靠性是衡量數(shù)字通信系統(tǒng)的性能指標(biāo)。有效性可用傳輸速率和頻帶利用率來(lái)衡量，而可靠性用誤碼率來(lái)衡量。下面就從這幾方面對(duì)MQAM調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)的性能進(jìn)行仿真分析。</p><p>　　2.4.1頻帶利用率分析</p><p>　　帶通二進(jìn)制鍵

68、控系統(tǒng)中，每個(gè)碼元只傳輸1b信息，其頻帶利用率不高。在頻率資源極其寶貴和緊缺的條件下，提高頻帶利用率最有效的辦法是使一個(gè)碼元傳輸多個(gè)比特的信息，即采用多進(jìn)制數(shù)字鍵控體系。</p><p>　　在碼元速率RB一定條件下，采用多進(jìn)制數(shù)字鍵控，可以提高信息傳輸速率Rb。信息速率Rb和碼元速率RB有以下確定的關(guān)系，即</p><p><b>　　(2-11)</b></

69、p><p>　　在比較不同通信系統(tǒng)的有效性時(shí)，不能單看它們的傳輸速率，還應(yīng)考慮所占用的頻帶寬度。所以真正衡量數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的有效性指標(biāo)是頻帶利用率，即</p><p><b>　　(2-12)</b></p><p>　　表2-3 M-QAM調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)的頻帶利用率</p><p>　　綜上分析，可得到M-QAM調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)的

70、頻帶利用率如表2-3所示。由表2-3可得出結(jié)論：</p><p>　　對(duì)于多進(jìn)制M-QAM數(shù)字調(diào)制技術(shù)，隨著M的增大，M-QAM調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)的頻帶利用率增大。</p><p>　　2.4.2 誤碼率分析</p><p>　　在一維信號(hào)空間中可導(dǎo)出兩個(gè)等概率出現(xiàn)的信號(hào)，其距離為A。當(dāng)判決門(mén)限為A/2，方差為，信號(hào)能量為E時(shí)，正確判決的概率為</p>&l

71、t;p><b>　　(2-13)</b></p><p><b>　　差錯(cuò)概率為</b></p><p><b>　　(2-14)</b></p><p>　　二維信號(hào)空間以64QAM為例（見(jiàn)圖2-10），我們將多元的MQAM信號(hào)點(diǎn)之間的距離都設(shè)為A，用一維信號(hào)空間類(lèi)似的方法，得出，，三個(gè)信號(hào)點(diǎn)

72、正確判斷的概率分別為：</p><p><b>　　(2-15)</b></p><p>　　圖2-9 64QAM第一象限星座圖</p><p>　　總的正確判決的概率為</p><p><b>　　(2-16)</b></p><p><b>　　差錯(cuò)概率為&l

73、t;/b></p><p><b>　　(2-17)</b></p><p>　　用同樣的方法可推出16QAM、256QAM、1024QAM、4096QAM的差錯(cuò)概率：</p><p><b>　　(2-18)</b></p><p>　　由式（2-18）可以看出，M越大誤碼率越高。這結(jié)論與前

74、面由表2-3所得出的結(jié)論一致。因此，我們可得出結(jié)論：對(duì)于多進(jìn)制M-QAM數(shù)字調(diào)制技術(shù)，制式數(shù)M大，系統(tǒng)誤碼率越大，即系統(tǒng)的抗噪聲性能越差。</p><p>　　2.4.3 功率利用率分析</p><p>　　根據(jù)每個(gè)信號(hào)點(diǎn)到中點(diǎn)的距離（即信號(hào)幅值），得出信號(hào)的平均功率為</p><p><b>　　(2-19)</b></p>&

75、lt;p>　　在相同最大峰值功率的條件下的平均功率分別為</p><p><b>　　(2-20)</b></p><p>　　由式2-20可以看出，M增大，M-QAM調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)平均功率逐步下降。因?yàn)楦髡{(diào)制解調(diào)最大峰值功率相同，所以功率利用減小。因此，我們可得出結(jié)論：對(duì)于多進(jìn)制M-QAM數(shù)字調(diào)制技術(shù)，制式數(shù)M增大，系統(tǒng)的功率利用率減小。</p>

76、<p>　　綜上述分析，可得出如下結(jié)論：</p><p>　　（1）為了提高通信系統(tǒng)的有效性，即提高系統(tǒng)的頻帶利用率，多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制式一個(gè)重要途徑；</p><p>　　（2）提高頻帶利用率是以降低功率利用率為代價(jià)。</p><p>　?。?）在相同的發(fā)射功率下，M越大，系統(tǒng)的抗干擾能力越差，即系統(tǒng)誤碼率越大。</p><p>　　

77、（4）為了降低誤碼率，只有提高發(fā)射功率。對(duì)于移動(dòng)設(shè)備等場(chǎng)合提高功率又是難以實(shí)現(xiàn)的。在工程實(shí)踐中因權(quán)衡二者的關(guān)系。</p><p><b>　　2.5 本章小結(jié)</b></p><p>　　本章對(duì)QAM調(diào)制解調(diào)相關(guān)理論進(jìn)行了分析研究，給出了調(diào)制端和解調(diào)端的結(jié)構(gòu)框圖；通過(guò)對(duì)信號(hào)點(diǎn)星座圖的分析研究，給出了QAM調(diào)制技術(shù)的性能指標(biāo)；構(gòu)建了16QAM和64QAM調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)的S

78、imulink的仿真模型，進(jìn)行仿真驗(yàn)證；并基于Simulink對(duì)M-QAM調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)進(jìn)一步進(jìn)行性能分析，得出多進(jìn)制調(diào)制情況下頻帶利用率、功率利用率、誤碼率與調(diào)制方式、傳輸環(huán)境之間的定量關(guān)系，為后面系統(tǒng)規(guī)劃與設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。</p><p>　　3模擬信號(hào)數(shù)字化研究及Simulink仿真</p><p>　　隨著通信技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字通信成為主流技術(shù)。那模擬信源提供的模擬信號(hào)如何在數(shù)字通信系統(tǒng)

79、中傳輸呢？模擬信號(hào)要想在數(shù)字通信系統(tǒng)進(jìn)行傳輸，首先需要在發(fā)送端把模擬信號(hào)數(shù)字化，即進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，然后在數(shù)字通信系統(tǒng)進(jìn)行傳輸；在接收端需把數(shù)字信號(hào)還原成模擬信號(hào)，即進(jìn)行數(shù)模變換。一般模數(shù)轉(zhuǎn)換常采用脈沖編碼調(diào)制（PCM）、差分脈沖編碼調(diào)制等。</p><p>　　本章對(duì)差分脈沖編碼調(diào)制相關(guān)理論進(jìn)行了分析研究，給出了編解碼器的結(jié)構(gòu)框圖，基于MATLABLE/Simulink構(gòu)建了DPCM串行傳輸?shù)姆抡婺Ｐ图胺抡骝?yàn)證，并

80、基于Simulink實(shí)現(xiàn)了PCM及DPCM語(yǔ)音信號(hào)的傳輸，并進(jìn)行傳輸誤碼與解碼話音質(zhì)量的性能比對(duì)和分析。</p><p>　　3.1 脈沖編碼調(diào)制</p><p>　　脈沖編碼調(diào)制(pulse code modulation——PCM)是典型的編碼方式，通常把從模擬信號(hào)抽樣、量化、直到變?yōu)槎M(jìn)制符號(hào)的基本過(guò)程稱為PCM。其原理框圖如圖3-1所示。</p><p>　

81、　圖3-1 脈沖編碼調(diào)制（PCM）系統(tǒng)原理框圖</p><p>　　3.2 差分脈沖編碼調(diào)制</p><p>　　PCM體制需要用64kb的速率傳輸1路數(shù)字信號(hào)，而傳輸一路模擬電話僅占用4kHZ帶寬。相比之下，采用PCM，則數(shù)碼率太高，傳輸PCM信號(hào)占用更大帶寬。例如，對(duì)于頻帶為1MHz的可視電話信號(hào)進(jìn)行編碼，根據(jù)采樣定理，采樣速率，若每樣值采用8位編碼，則數(shù)碼率為16Mbit/s。對(duì)于

82、電視信號(hào)，圖像信號(hào)寬帶為6MHz，若也采用8位編碼，則數(shù)碼率將達(dá)100Mbit/s。為了降低數(shù)字電話信號(hào)的比特率，改進(jìn)方法之一是采用預(yù)測(cè)編碼方法。預(yù)測(cè)編碼方法有多種，差分脈沖編碼調(diào)制，簡(jiǎn)稱差分脈碼調(diào)制DPCM，是其中廣泛應(yīng)用的一種基本預(yù)測(cè)方法。</p><p>　　3.2.1 DPCM編解碼基本原理</p><p>　　DPCM是一種利用信號(hào)樣值之間的關(guān)聯(lián)特性進(jìn)行高效率波形編碼的方法。當(dāng)信

83、號(hào)樣值序列中鄰近樣值之間存在明顯的關(guān)聯(lián)時(shí)，那么樣值的差值方差就會(huì)比較樣值本身的方差要小。PCM中直接傳輸樣值本身，而在DPCM中，傳輸數(shù)據(jù)為樣值的差值，在量化誤差不變的條件下，就可以用較少的比特?cái)?shù)來(lái)表示碼字，也就提高了波形編碼的效率。DPCM的組成方框如圖3-2所示[2-3]：</p><p>　　圖3-2 DPCM編碼器和解碼器原理方框圖</p><p>　　圖3-2中，預(yù)測(cè)器根據(jù)過(guò)去時(shí)

84、刻的信號(hào)樣值來(lái)預(yù)測(cè)當(dāng)前時(shí)刻的信號(hào)樣值，并與當(dāng)前輸入樣值xn相減得出預(yù)測(cè)誤差en,即：</p><p><b>　　(3-1)</b></p><p>　　然后對(duì)預(yù)測(cè)誤差進(jìn)行量化編碼后傳送。設(shè)預(yù)測(cè)誤差的量化結(jié)果為，其中 為量化誤差。量化結(jié)果與預(yù)測(cè)器輸出結(jié)果相加后作為預(yù)測(cè)器新的輸入，即</p><p><b>　　(3-2)</b

85、></p><p><b>　　(3-3)</b></p><p><b>　　(3-4)</b></p><p><b>　　(3-5)</b></p><p>　　因此，預(yù)測(cè)器的輸入也就是輸入樣值被量化的結(jié)果，也稱為編碼器的本地解碼樣值輸出。在DPCM解碼器中，以同樣

86、的反饋相加方式得出解碼樣值輸出。</p><p>　　3.2.2 最佳預(yù)測(cè)器</p><p>　　常用的預(yù)測(cè)器是線性FIR濾波器，利用過(guò)去若干個(gè)（例如p個(gè)）本地解碼樣值的線性組合來(lái)預(yù)測(cè)當(dāng)前樣值，即:</p><p><b>　　(3-6)</b></p><p>　　其中，是FIR濾波器的抽頭系數(shù)；為FIR濾波器的階數(shù)。

87、預(yù)測(cè)誤差序列的均方誤差（MSE）為:</p><p><b>　　(3-7)</b></p><p><b>　　(3-8)</b></p><p><b>　　(3-9)</b></p><p>　　最佳預(yù)測(cè)器將使均方誤差（MSE）最小。為此，可使對(duì)抽頭系數(shù)求導(dǎo)，并令其為零，

88、得到方程組以求解出最佳抽頭系數(shù)，j=1，2，…，，即</p><p><b>　　(3-10)</b></p><p><b>　　也就是：</b></p><p><b>　　(3-11)</b></p><p><b>　　或?qū)憺椋?lt;/b></p

89、><p><b>　　(3-12)</b></p><p>　　當(dāng)量化間距足夠小，量化誤差，有，上式近似為： (3-13)</p><p>　　利用序列的歸一化自相關(guān)函數(shù)定義</p><p><b>　　上式寫(xiě)為：</b></p>&l

90、t;p><b>　?。?-14）</b></p><p><b>　　或以矩陣式表達(dá)為:</b></p><p><b>　　(3-10)</b></p><p><b>　　也就是：</b></p><p><b>　　(3-11)<

91、;/b></p><p><b>　　或?qū)憺椋?lt;/b></p><p><b>　　(3-12)</b></p><p>　　當(dāng)量化間距足夠小，量化誤差，有，上式近似為： (3-13)</p><p>　　利用序列的歸一化自相關(guān)函數(shù)定

92、義</p><p><b>　　上式寫(xiě)為：</b></p><p><b>　?。?-14）</b></p><p><b>　　或以矩陣式表達(dá)為:</b></p><p><b>　　(3-15)</b></p><p><

93、b>　　簡(jiǎn)寫(xiě)為：</b></p><p><b>　　(3-16)</b></p><p>　　其中，r(j)簡(jiǎn)寫(xiě)為下角標(biāo)形式rj,r(0)=1;矩陣C是由歸一化自相關(guān)函數(shù)序列構(gòu)成的Toeplitz矩陣。求解得出預(yù)測(cè)器的最佳抽頭系數(shù)矩陣為</p><p><b>　　(3-17)</b></p>

94、;<p>　　3.2.3 DPCM的系統(tǒng)性能分析</p><p>　　設(shè)信號(hào)的平均功率為：</p><p><b>　　(3-18)</b></p><p>　　由于誤差范圍被量化為M個(gè)電平，所以。其中為量化級(jí)之間的間隔。則由式 ， 可得到信號(hào)的平均功率為：</p><p><b>　　(3

95、-19)</b></p><p>　　下面求DPCM系統(tǒng)的量化噪聲功率。此時(shí)誤差信號(hào)的量化誤差的范圍為，根據(jù)式,可以得到此時(shí)的量化噪聲功率為：</p><p><b>　　(3-20)</b></p><p>　　假設(shè)量化后的誤差信號(hào)具有均勻的功率譜密度，而DPCM系統(tǒng)輸出數(shù)字信號(hào)的碼元速率為，所以可以認(rèn)為噪聲頻譜均勻地分布于頻帶寬

96、度為的范圍內(nèi)，所以可求得此時(shí)的單邊功率譜密度為:</p><p><b>　　(3-21)</b></p><p>　　經(jīng)截止頻率為的低通濾波器后，得到噪聲功率為:</p><p><b>　　(3-22)</b></p><p>　　可算出DPCM系統(tǒng)的輸出信噪比為:</p><

97、;p><b>　　(3-23)</b></p><p>　　其中N為編碼位數(shù)，M=2N；fs為抽樣頻率。</p><p>　　因此，由式3-23可知信號(hào)量噪比隨編碼位數(shù)N和抽樣頻率fs的增大而增大。</p><p>　　3.3 DPCM的Simulink仿真</p><p>　　Simulink模塊庫(kù)中提供了DPC

98、M編碼模塊“DPCM Encoder”、解碼模塊“DPCM Decoder”等，利用這些模塊構(gòu)建DPCM串行傳輸仿真模型[7]，如圖3-3所示。</p><p>　　圖3-3 DPCM串行傳輸系統(tǒng)仿真模型</p><p>　　信號(hào)源輸出200Hz正弦波，經(jīng)放大、DPCM編碼輸出，再經(jīng)過(guò)并串轉(zhuǎn)換得到二進(jìn)制碼流送入二進(jìn)制對(duì)稱信道。解碼端信道輸出經(jīng)串并轉(zhuǎn)換送入DPCM解碼，之后輸出解碼結(jié)果并顯示

99、波形。</p><p>　　改變信道錯(cuò)誤比特率，以觀察信道誤碼對(duì)DPCM傳輸?shù)挠绊憽．?dāng)信道錯(cuò)誤比特率為0.02時(shí)仿真結(jié)果和波形如圖3-4所示。</p><p>　　圖3-4 系統(tǒng)的輸出波形圖</p><p>　　由圖3-4可知，對(duì)應(yīng)于信道產(chǎn)生誤碼的位置，解碼輸出波形中出現(xiàn)的干擾脈沖，干擾脈沖的大小取決于信道中錯(cuò)誤比特位于一個(gè)DPCM編碼字串中的位置，位于高位時(shí)將導(dǎo)致

100、解碼值極性錯(cuò)誤，這時(shí)引起的干擾最大，而位于低位的誤碼引起的干擾最輕微。</p><p>　　3.4 信道誤碼對(duì)語(yǔ)音質(zhì)量影響的仿真分析</p><p>　　以一語(yǔ)音文件GDGvoice8000.WAV為信號(hào)源，基于前面最佳預(yù)測(cè)器的理論來(lái)進(jìn)行仿真分析。</p><p>　　3.4.1 最佳預(yù)測(cè)器抽頭系數(shù)的確定</p><p>　　先計(jì)算一段采樣率

101、為8000Hz的語(yǔ)音信號(hào)（文件名CDGvoice8000.wav）的最佳預(yù)測(cè)器抽頭系數(shù)。給定預(yù)測(cè)器的階數(shù)P=5。</p><p>　　首先估計(jì)出語(yǔ)音信號(hào)的歸一化自相關(guān)函數(shù)值rj,j=1，…，5，常用的估計(jì)方法是：</p><p><b>　　(3-25)</b></p><p>　　代入歸一化自相關(guān)函數(shù)然后列出方程并求解即可。編寫(xiě)的計(jì)算程序如下

102、：</p><p><b>　　關(guān)鍵代碼：</b></p><p>　　% ch6example11prg1.m</p><p><b>　　clear;</b></p><p>　　p=5; % 預(yù)測(cè)器階數(shù)</p><p>　　[x,Fs,bits] =

103、wavread('GDGvoice8000.wav');</p><p>　　r = xcorr(x); % 自相關(guān)函數(shù)</p><p>　　r=r/max(r); % 歸一化</p><p>　　r=r(length(x):length(x)+p);% 自相關(guān)系數(shù)序列[r0,r1,...rp]</p><p>　　R=r

104、(2:p+1);</p><p>　　C=toeplitz(r(1:p));</p><p>　　W=inv(C)*R; % 計(jì)算最佳抽頭系數(shù)</p><p>　　W=[0;W]' % 計(jì)入FIR濾波器第一個(gè)抽頭系數(shù)W0</p><p>　　predictor = dpcmop

105、t(x,p) % 利用通信工具箱中函數(shù)直接計(jì)算</p><p><b>　　程序執(zhí)行結(jié)果是：</b></p><p><b>　　>></b></p><p><b>　　W=</b></p><p>　　0 1.1029 -0.4417 0.4369 -

106、0.5298 0.1706</p><p>　　Predictor=</p><p>　　0 1.1029 -0.4417 0.4369 -0.5299 0.1706</p><p><b>　　>></b></p><p>　　3.4.2 構(gòu)建測(cè)試模型及仿真</p><p&

107、gt;　　基于上面的原理構(gòu)建一個(gè)DPCM編解碼仿真系統(tǒng)。其中預(yù)測(cè)器為5階FIR濾波器，抽頭系數(shù)設(shè)置為實(shí)例1的計(jì)算結(jié)果，被編碼信號(hào)為語(yǔ)音文件“GDGvoice8000.wav”，量化器采用均勻量化方式，將[-1,1]上的歸一化信號(hào)樣值量化為N=4比特編碼序列。 </p><p>　　在[-1,1]上的信號(hào)樣值均勻地量化為N=4比特編碼序列，量化分割電平集合為 :</p><p>　　量化輸出

108、電平集合為（也稱為量化碼書(shū)） :</p><p>　　Simulink通信庫(kù)中提供了DPCM編碼解碼模塊“DPCM Encoder”和“DPCM Decoder”。 DPCM解碼模塊的設(shè)置參數(shù)要和編碼模塊相對(duì)應(yīng)。其輸出為解碼恢復(fù)信號(hào)以及量化預(yù)測(cè)誤差。 </p><p>　　DPCM編碼模塊的輸入為被編碼的樣值序列，輸出為量化電平序號(hào)以及相應(yīng)的量化信號(hào)值，設(shè)置參數(shù)如下：預(yù)測(cè)器濾波分子分母系數(shù)

109、響亮，一般采用FIR濾波器，分母系數(shù)設(shè)置為1，分子系數(shù)可由實(shí)例所示的有話方法進(jìn)行確定；量化分割電平集合；量化輸出電平集合；當(dāng)給定被量化的樣本信號(hào)時(shí)，可以通過(guò)函數(shù)dpcmopt來(lái)計(jì)算最優(yōu)化的預(yù)測(cè)器抽頭系數(shù)，最佳量化分割電平以及最佳量化輸出電平。</p><p>　　DPCM解碼模塊的設(shè)置參數(shù)要和編碼模塊相對(duì)應(yīng)。其輸出為解碼恢復(fù)信號(hào)以及量化預(yù)測(cè)誤差。DPCM編解碼模塊的構(gòu)成細(xì)節(jié)可以通過(guò)選中模塊以鼠標(biāo)右鍵打開(kāi)內(nèi)部子系統(tǒng)

110、來(lái)觀察，其 DPCM傳輸誤碼與解碼話音質(zhì)量仿真模型，如圖3-5所示。</p><p>　　圖3-5 DPCM傳輸誤碼與解碼話音質(zhì)量仿真模型</p><p>　　設(shè)置BSC信道的誤碼率分別為0.1、0.01、0.001、0.0001等，執(zhí)行仿真，從聽(tīng)到的輸出音質(zhì)中，發(fā)現(xiàn)將誤碼率設(shè)置在0.1，話音基本可懂，但解碼輸出信號(hào)中“咯咯”的噪聲很?chē)?yán)重；誤碼率在0.01數(shù)量級(jí)上解碼噪聲仍比較明顯，但音質(zhì)

111、已經(jīng)大為改善；誤碼率在0.001數(shù)量級(jí)上，解碼噪聲就不明顯了。在DPCM電話系統(tǒng)中，對(duì)話音解碼通常要求誤碼率在10-3或10-4以下，本仿真驗(yàn)證了該指標(biāo)的合理性。但對(duì)于數(shù)據(jù)通信，對(duì)誤碼率要求更加嚴(yán)格，如果信道誤碼率不能滿足要求，可采用糾錯(cuò)編碼來(lái)進(jìn)一步降低傳輸誤碼率。</p><p>　　3.4.3 與PCM話音解碼對(duì)比分析</p><p>　　使用Simulink中的DSP模塊庫(kù)的音頻輸入

112、輸出模塊可以對(duì)真實(shí)的音頻信號(hào)（文件名“GDGvoice8000.wav”）進(jìn)行處理，并基于PCM編解碼模塊構(gòu)建PCM傳輸誤碼與解碼話音質(zhì)量仿真模型如圖3-6所示。</p><p>　　同樣，設(shè)置BSC信道的誤碼率分別為0.1、0.01、0.001、0.0001等，執(zhí)行仿真，從聽(tīng)到的輸出音質(zhì)中，發(fā)現(xiàn)將誤碼率設(shè)置在0.1，輸出為純?cè)肼?，相?dāng)于通信中斷。若將誤碼率設(shè)置在0.01，解碼輸出信號(hào)中“咯咯”的噪聲雖很?chē)?yán)重但話

113、音基本可懂，誤碼率在0.001數(shù)量級(jí)上解碼噪聲仍比較明顯，但音質(zhì)已經(jīng)大為改善；誤碼率在0.0001數(shù)量級(jí)上，解碼噪聲就不明顯了。</p><p>　　圖3-6 PCM傳輸誤碼與解碼話音質(zhì)量仿真模型</p><p>　　通過(guò)與前面DPCM話音進(jìn)行對(duì)比，說(shuō)明DPCM的抗噪聲能力比PCM強(qiáng)。所以，盡管在無(wú)誤碼傳輸中DPCM的解碼音質(zhì)不如PCM強(qiáng)，但DPCM的抗噪聲能力比PCM強(qiáng)，因此得到廣泛

114、應(yīng)用。</p><p><b>　　3.5本章小結(jié)</b></p><p>　　本章對(duì)差分脈沖編碼調(diào)制相關(guān)理論進(jìn)行了分析研究，給出了編解碼器的結(jié)構(gòu)框圖；構(gòu)建了DPCM串行傳輸?shù)腟imulink的仿真模型，進(jìn)行仿真驗(yàn)證；并基于Simulink對(duì)PCM及DPCM進(jìn)行傳輸誤碼與解碼話音質(zhì)量的性能分析，仿真結(jié)果表明在無(wú)誤碼傳輸中DPCM的解碼音質(zhì)不如PCM強(qiáng)，但DPCM的抗噪

115、聲能力比PCM強(qiáng)。這些結(jié)論為后面模擬信源數(shù)字傳輸系統(tǒng)的規(guī)劃與設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。</p><p>　　4 QAM傳輸系統(tǒng)的構(gòu)建與仿真</p><p>　　本章基于前面所分析研究的基本理論及仿真結(jié)果，構(gòu)建了模擬信源QAM傳輸系統(tǒng)，并利用MATLAB/Simulink進(jìn)行建模仿真及性能驗(yàn)證。</p><p>　　4.1 構(gòu)建QAM傳輸系統(tǒng)</p><p&g