基于IT++的QAM調(diào)制解調(diào)算法的實現(xiàn)

楊柳 趙勇 楊洪元 袁偉娜

摘 要：信息傳輸?shù)暮诵膯栴}是有效性和可靠性，正交幅度調(diào)制（QAM）作為一種新的調(diào)制技術(shù)因其具有很高的頻帶利用率而得到廣泛應(yīng)用。IT++是基于C++語言的信號處理和通信方面的仿真庫函數(shù)工具。本文分析和研究了M-QAM調(diào)制在IT++平臺中的實現(xiàn)方法，并比較了不同M值的QAM的性能。仿真結(jié)果與理論分析一致，與MATLAB相比極大地提高了仿真速度。

關(guān)鍵詞：IT++；QAM；調(diào)制

中圖分類號：TN911.3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

1 引言（Introduction）

提高頻譜利用率一直是現(xiàn)在通信中人們關(guān)注的焦點之一，尋找頻譜利用率較高的數(shù)字調(diào)制方式隨著通信業(yè)務(wù)需求的迅速增長已經(jīng)成為數(shù)字通信系統(tǒng)研究和設(shè)計的主要目標(biāo)之一。正交振幅調(diào)制（Quadrature Amplitude Modulation，QAM）是一種振幅和相位聯(lián)合鍵控[1]，它是一種頻譜利用率很高的調(diào)制方式，其在有線電視網(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)星通信等各個領(lǐng)域均得到了廣泛的應(yīng)用[2]。

隨著通信技術(shù)的迅猛發(fā)展，無線通信系統(tǒng)的功能越來越強(qiáng)、性能越來越高。另一方面，通信系統(tǒng)技術(shù)研究和產(chǎn)品開發(fā)的周期越來越短。強(qiáng)大的計算機(jī)輔助分析設(shè)計技術(shù)和仿真工具的出現(xiàn)為解決以上兩個問題提供了有力的支撐。目前，進(jìn)行通信仿真的軟件主要采用Simulink/MATLAB和C/C++，二者各有優(yōu)點。MATLAB因其在處理向量以及矩陣方面功能強(qiáng)大，人機(jī)界面友好，編程效率高，擁有強(qiáng)大而智能化的畫圖功能，進(jìn)行較小規(guī)模的仿真十分方便。C/C++因其通用性強(qiáng)，接近底層，運行效率很好，被廣泛應(yīng)用于較大規(guī)模平臺的仿真。

IT++庫是由瑞典查爾姆斯理工大學(xué)（Chalmers University of Technology）前信息理論系創(chuàng)建的，主要用于模擬通信系統(tǒng)并進(jìn)行通信相關(guān)領(lǐng)域的研究。由于在編寫類庫時使用的是C++語言，故命名為IT++。IT++作為C++的一個庫，擁有許多類似MATLAB的向量、矩陣、數(shù)學(xué)、信號處理和通信的類和函數(shù)，結(jié)合了兩者的優(yōu)點，能夠快速、方便地進(jìn)行通信系統(tǒng)的仿真[3]。

本文將基于IT++實現(xiàn)QAM的調(diào)制與解調(diào)。

2 基于IT++的QAM調(diào)制解調(diào)算法實現(xiàn)（An

implementation of QAM modulation/

demodulation algorithm based on IT++）

2.1 QAM類介紹

在IT++中，QAM類所包含的各成員函數(shù)將實現(xiàn)比特流或符號到QAM星座點的映射及解映射過程。該類itpp：：QAM與通用調(diào)制類的繼承關(guān)系如圖1所示。

圖1 QAM類繼承圖

Fig.1 Inheritance diagram of class QAM

QAM類用來實現(xiàn)方形M階QAM調(diào)制器，使用此類需添加頭文件：

#include[4]

QAM星座的大小是，這里k=1，2，...。每維符號值為。比特到符號的映射表采用格雷編碼，且符號是歸一化處理的，即平均能量是1，歸一化因子為。

2.2 實現(xiàn)過程

程序?qū)崿F(xiàn)模塊框圖如圖2和圖3所示。其中，比特調(diào)制模塊主要用于計算誤碼率，符號調(diào)制模塊用于繪制星座圖。

圖2 比特調(diào)制模塊框圖

Fig.2 Flow chart of'bit modulation'

圖3 符號調(diào)制模塊框圖

Fig.3 Flow chart of'symbol modulation'

上述模塊在程序中的實現(xiàn)代碼見表1到表4。

表1 信號產(chǎn)生模塊

Tab.1 Signal generating module

功能 實現(xiàn)代碼

設(shè)定發(fā)送符號個數(shù) const int no_symbols=10000；

設(shè)定每符號的比特數(shù) int bps=round_i（qam.bits_per_symbol（））；

產(chǎn)生發(fā)送比特 bvec tx_bits=randb（no_symbols*bps）；

產(chǎn)生發(fā)送符號 ivec tx_sym_numbers=randi（no_symbols，0， pow2i（bps）-1）；

表2 調(diào)制模塊

Tab.2 Modulation module

功能 實現(xiàn)代碼

初始化QAM調(diào)制類型 QAM qam（16）；

比特調(diào)制 tx_symbols=qam.modulate_bits（rx_symbols）；

符號調(diào)制 cvec tx_symbols=qam.modulate（tx_sym_numbers）；

表3 噪聲模塊

Tab.3 Additive noise module

功能 實現(xiàn)代碼

設(shè)置噪聲功率 const double N0=0.01

產(chǎn)生噪聲 cvec noise=sqrt（N0）*randn_c（no_symbols）；

接收符號 cvec rx_symbols=tx_symbols+noise；

表4 解調(diào)模塊

Tab.4 Demodulation module

功能 實現(xiàn)代碼

比特硬解調(diào) bvec decbits=qam.demodulate_bits（rx_symbols）；

AWGN信道軟比特近似解調(diào) vec softbits_approx=qam.demodulate_soft_bits （rx_symbols，N0，APPROX）；

AWGN信道軟比特Log-MAP解調(diào) vec softbits=qam.demodulate_soft_bits （rx_symbols，N0，LO GMAP）；

3 仿真結(jié)果（Simulation results）

基于IT++平臺，以16QAM和64QAM為例，分別仿真了SNR=20dB和SNR=30dB時系統(tǒng)的誤碼率性能，并繪制了星座圖，如圖4到圖6所示。在相同SNR下，高階調(diào)制的誤碼率性能差于低階調(diào)制。對相同階數(shù)QAM調(diào)制，SNR越大，星座圖越清晰，系統(tǒng)性能越好。

a.16QAM星座圖

a.Constellations for 16QAM

b.添加噪聲后的16QAM星座圖（SNR=20dB）

b.Constellations for 16QAM with AWGN（SNR=20dB）

c.添加噪聲后的16QAM星座圖（SNR=30dB）

c.Constellations for 16QAM with AWGN（SNR=30dB）

圖4 不同SNR下16QAM調(diào)制星座圖

Fig.4 Constellations for 16QAM with different SNRs

a.64QAM星座圖

a.Constellation for 64QAM

b.添加噪聲后的64QAM星座圖（SNR=20dB）

b.Constellations for 64QAM with AWGN（SNR=20dB）

c.添加噪聲后的64QAM星座圖（SNR=30dB）

c.Constellations for 64QAM with AWGN（SNR=30dB）

圖5 不同SNR下64QAM調(diào)制星座圖

Fig.5 Constellations for 64QAM with different SNRs

圖6 16QAM、64QAM、256QAM誤碼率對比圖

Fig.6 BER comparison between 16QAM，64QAM and 256QAM

4 結(jié)論（Conclusion）

本文采用IT++庫這一新型工具，詳細(xì)研究了QAM調(diào)制解調(diào)的各個步驟，最終得到與理論一致的仿真結(jié)果。以16QAM調(diào)制為例，仿真點數(shù)為100000bit，基于IT++平臺運行時間約為14s，與MATLAB相比極大地提高了仿真速度。本文以QAM調(diào)制為例進(jìn)行了研究，后續(xù)可以擴(kuò)展到鏈路級，甚至系統(tǒng)級仿真，由此可以看出這一工具具有很大的研究空間和發(fā)展前景。

參考文獻(xiàn)（References）

[1] 樊昌信，曹麗娜.通信原理（第7版）[M].北京：國防工業(yè)出版社，2012.

[2] 朱泳霖，QAM調(diào)制解調(diào)技術(shù)研究及其FPGA實現(xiàn)[D].長沙：中南大學(xué)，2010.

[3] 劉林，王平，陳紅.無線通信系統(tǒng)仿真.IT++分析與實例[M].北京：電子工業(yè)出版社，2012.

[4] IT++源代碼（4.3.1）[DB/OL].[2015-4-8]http：//itpp.sourceforge.net/4.3.1/files.html.

作者簡介：

楊 柳（1993-），男，本科生.研究領(lǐng)域：無線通信理論.

趙 勇（1993-），男，本科生.研究領(lǐng)域：無線通信理論.

楊洪元（1991-），男，本科生.研究領(lǐng)域：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù).

袁偉娜（1979-），女，博士，副教授.研究領(lǐng)域：無線通信理論

與關(guān)鍵技術(shù).