16QAM、32QAM和64QAM星座图的MATLAB实现

简介: 16QAM、32QAM和64QAM星座图的MATLAB实现

1. 完整的QAM星座图生成和可视化

function qam_constellation_demo()
% 16QAM, 32QAM, 64QAM星座图演示

fprintf('=== QAM调制星座图演示 ===\n\n');

%% 参数设置
M_list = [16, 32, 64];  % 调制阶数
SNR_dB = 20;            % 信噪比
num_symbols = 1000;     % 每个调制方式的符号数

%% 生成星座图
figure('Position', [100, 100, 1400, 1000]);

for i = 1:length(M_list)
    M = M_list(i);

    % 生成QAM调制信号
    [tx_symbols, constellation, bit_labels] = generate_qam_signal(M, num_symbols);

    % 添加高斯噪声
    rx_symbols = add_awgn_noise(tx_symbols, SNR_dB);

    % 绘制星座图
    subplot(2, 3, i);
    plot_constellation(rx_symbols, constellation, bit_labels, M, SNR_dB);

    % 计算理论误码率
    subplot(2, 3, i+3);
    plot_ber_curve(M);
end

% 比较不同调制方式的性能
figure('Position', [100, 100, 1200, 800]);
compare_modulation_schemes();

fprintf('星座图演示完成\n');
end

function [tx_symbols, constellation, bit_labels] = generate_qam_signal(M, num_symbols)
% 生成QAM调制信号
% 输入:
%   M - 调制阶数
%   num_symbols - 符号数量
% 输出:
%   tx_symbols - 发送符号
%   constellation - 星座点
%   bit_labels - 比特标签

% 生成随机比特序列
k = log2(M);  % 每个符号的比特数
num_bits = num_symbols * k;
data_bits = randi([0, 1], num_bits, 1);

% 根据调制阶数生成星座图
[constellation, bit_labels] = generate_constellation(M);

% 调制
tx_symbols = qam_modulate(data_bits, constellation, M);

fprintf('生成 %dQAM 信号: %d 个符号, %d 个比特\n', M, num_symbols, num_bits);
end

function [constellation, bit_labels] = generate_constellation(M)
% 生成QAM星座图
k = log2(M);

switch M
    case 16
        % 16QAM - 4x4 网格
        I = [-3, -1, 1, 3];
        Q = [-3, -1, 1, 3];
        [I_grid, Q_grid] = meshgrid(I, Q);
        constellation = I_grid(:) + 1j * Q_grid(:);

        % 格雷编码的比特标签
        bit_labels = [
            '0000'; '0001'; '0011'; '0010';
            '0100'; '0101'; '0111'; '0110';
            '1100'; '1101'; '1111'; '1110';
            '1000'; '1001'; '1011'; '1010'
        ];

    case 32
        % 32QAM - 交叉星座图 (6x6网格去掉4个角点)
        I = [-5, -3, -1, 1, 3, 5];
        Q = [-5, -3, -1, 1, 3, 5];
        [I_grid, Q_grid] = meshgrid(I, Q);
        constellation = I_grid(:) + 1j * Q_grid(:);

        % 去掉4个角点
        remove_indices = [1, 6, 31, 36];  % 四个角点
        constellation(remove_indices) = [];

        % 生成格雷编码标签 (简化版本)
        bit_labels = generate_gray_labels_32qam();

    case 64
        % 64QAM - 8x8 网格
        I = [-7, -5, -3, -1, 1, 3, 5, 7];
        Q = [-7, -5, -3, -1, 1, 3, 5, 7];
        [I_grid, Q_grid] = meshgrid(I, Q);
        constellation = I_grid(:) + 1j * Q_grid(:);

        % 格雷编码的比特标签
        bit_labels = generate_gray_labels_64qam();

    otherwise
        error('不支持的调制阶数: %d', M);
end

% 归一化星座图能量
constellation = constellation / sqrt(mean(abs(constellation).^2));

fprintf('%dQAM星座图生成: %d个星座点\n', M, length(constellation));
end

function bit_labels = generate_gray_labels_32qam()
% 生成32QAM的格雷编码标签
% 32QAM使用交叉星座图,需要特殊的格雷编码

% 定义基本模式 (简化版本)
base_pattern = [
    '00000'; '00001'; '00011'; '00010'; '00110'; '00111';
    '00101'; '00100'; '01100'; '01101'; '01111'; '01110';
    '01010'; '01011'; '01001'; '01000'; '11000'; '11001';
    '11011'; '11010'; '11110'; '11111'; '11101'; '11100';
    '10100'; '10101'; '10111'; '10110'; '10010'; '10011';
    '10001'; '10000'
];

bit_labels = base_pattern;
end

function bit_labels = generate_gray_labels_64qam()
% 生成64QAM的格雷编码标签

bit_labels = [];
for i = 0:7
    for j = 0:7
        % 行和列的格雷编码
        gray_i = dec2gray(i, 3);
        gray_j = dec2gray(j, 3);
        bit_labels = [bit_labels; [gray_i, gray_j]];
    end
end
end

function gray_code = dec2gray(decimal_num, num_bits)
% 将十进制数转换为格雷码
binary_num = dec2bin(decimal_num, num_bits);
gray_code = binary_num(1);

for i = 2:num_bits
    gray_code(i) = num2str(xor(str2double(binary_num(i-1)), str2double(binary_num(i))));
end
end

2. QAM调制和解调函数

function modulated_symbols = qam_modulate(data_bits, constellation, M)
% QAM调制
% 输入:
%   data_bits - 输入比特序列
%   constellation - 星座图
%   M - 调制阶数
% 输出:
%   modulated_symbols - 调制后的符号

k = log2(M);
num_symbols = length(data_bits) / k;

% 重新整形为每k比特一组
bit_groups = reshape(data_bits, k, num_symbols)';

% 将比特组转换为十进制索引
symbol_indices = bi2de(bit_groups, 'left-msb') + 1;

% 映射到星座点
modulated_symbols = constellation(symbol_indices);

fprintf('QAM调制完成: %d比特 -> %d符号\n', length(data_bits), num_symbols);
end

function demodulated_bits = qam_demodulate(received_symbols, constellation, M)
% QAM解调
% 输入:
%   received_symbols - 接收符号
%   constellation - 星座图
%   M - 调制阶数
% 输出:
%   demodulated_bits - 解调后的比特序列

k = log2(M);
num_symbols = length(received_symbols);
demodulated_bits = zeros(num_symbols * k, 1);

% 最小距离解调
for i = 1:num_symbols
    % 计算到所有星座点的距离
    distances = abs(received_symbols(i) - constellation);

    % 找到最近的星座点
    [~, min_idx] = min(distances);

    % 将索引转换为比特
    bit_pattern = dec2bin(min_idx-1, k);
    start_idx = (i-1)*k + 1;
    end_idx = i*k;
    demodulated_bits(start_idx:end_idx) = bit_pattern' - '0';
end

fprintf('QAM解调完成: %d符号 -> %d比特\n', num_symbols, length(demodulated_bits));
end

function noisy_symbols = add_awgn_noise(clean_symbols, SNR_dB)
% 添加加性高斯白噪声
% 输入:
%   clean_symbols - 干净信号
%   SNR_dB - 信噪比(dB)
% 输出:
%   noisy_symbols - 含噪信号

% 计算信号功率
signal_power = mean(abs(clean_symbols).^2);

% 计算噪声功率
SNR_linear = 10^(SNR_dB/10);
noise_power = signal_power / SNR_linear;

% 生成复高斯噪声
noise = sqrt(noise_power/2) * (randn(size(clean_symbols)) + 1j*randn(size(clean_symbols)));

% 添加噪声
noisy_symbols = clean_symbols + noise;

fprintf('添加AWGN噪声: SNR = %d dB\n', SNR_dB);
end

3. 星座图可视化函数

function plot_constellation(received_symbols, constellation, bit_labels, M, SNR_dB)
% 绘制星座图

% 创建颜色映射
colors = lines(M);

% 绘制接收到的符号
scatter(real(received_symbols), imag(received_symbols), 20, 'filled', ...
    'MarkerFaceAlpha', 0.6, 'MarkerEdgeAlpha', 0.8);
hold on;

% 绘制理论星座点
scatter(real(constellation), imag(constellation), 100, 'r', 'x', 'LineWidth', 2);

% 添加比特标签
for i = 1:length(constellation)
    text(real(constellation(i)), imag(constellation(i)) + 0.3, bit_labels(i,:), ...
        'HorizontalAlignment', 'center', 'FontSize', 8, 'FontWeight', 'bold');
end

% 设置图形属性
grid on;
axis equal;
xlabel('同相分量 (I)');
ylabel('正交分量 (Q)');
title(sprintf('%dQAM星座图 (SNR = %d dB)', M, SNR_dB));

% 添加网格线
x_limits = xlim;
y_limits = ylim;
max_limit = max([abs(x_limits), abs(y_limits)]);
xlim([-max_limit, max_limit]);
ylim([-max_limit, max_limit]);

% 添加参考线
plot([0, 0], ylim, 'k--', 'LineWidth', 0.5);
plot(xlim, [0, 0], 'k--', 'LineWidth', 0.5);

legend('接收符号', '理论星座点', 'Location', 'best');

% 计算并显示EVM
evm = calculate_evm(received_symbols, constellation);
text(0.02, 0.98, sprintf('EVM: %.2f%%', evm*100), 'Units', 'normalized', ...
    'VerticalAlignment', 'top', 'BackgroundColor', 'white', 'FontSize', 10);
end

function plot_ber_curve(M)
% 绘制理论误码率曲线

SNR_dB_range = 0:2:30;
BER_theoretical = zeros(size(SNR_dB_range));

for i = 1:length(SNR_dB_range)
    SNR_dB = SNR_dB_range(i);
    BER_theoretical(i) = qam_ber_theoretical(M, SNR_dB);
end

% 绘制BER曲线
semilogy(SNR_dB_range, BER_theoretical, 'b-', 'LineWidth', 2);
grid on;
xlabel('信噪比 (dB)');
ylabel('误码率 (BER)');
title(sprintf('%dQAM理论误码率曲线', M));

% 添加参考线
hold on;
ber_references = [1e-1, 1e-2, 1e-3, 1e-4, 1e-5, 1e-6];
for ber_ref = ber_references
    plot(xlim, [ber_ref, ber_ref], 'r--', 'LineWidth', 0.5);
end

legend('理论BER', '参考线', 'Location', 'southwest');
end

function evm = calculate_evm(received_symbols, constellation)
% 计算误差向量幅度(EVM)
% 输入:
%   received_symbols - 接收符号
%   constellation - 理论星座图
% 输出:
%   evm - 误差向量幅度

num_symbols = length(received_symbols);
decoded_symbols = zeros(size(received_symbols));

% 解调每个符号到最近的星座点
for i = 1:num_symbols
    distances = abs(received_symbols(i) - constellation);
    [~, min_idx] = min(distances);
    decoded_symbols(i) = constellation(min_idx);
end

% 计算EVM
error_vectors = received_symbols - decoded_symbols;
evm = sqrt(mean(abs(error_vectors).^2)) / sqrt(mean(abs(constellation).^2));

fprintf('EVM计算: %.4f (%.2f%%)\n', evm, evm*100);
end

4. 性能分析和比较

function compare_modulation_schemes()
% 比较不同调制方式的性能

fprintf('=== 调制方式性能比较 ===\n\n');

M_list = [4, 16, 32, 64, 256];  % 各种调制阶数
SNR_dB_range = 0:2:30;
colors = ['b', 'g', 'r', 'c', 'm', 'y'];

figure('Position', [100, 100, 1200, 800]);

%% 子图1: 理论BER比较
subplot(2, 2, 1);
hold on;
for i = 1:length(M_list)
    M = M_list(i);
    BER = zeros(size(SNR_dB_range));

    for j = 1:length(SNR_dB_range)
        BER(j) = qam_ber_theoretical(M, SNR_dB_range(j));
    end

    semilogy(SNR_dB_range, BER, [colors(i) '-'], 'LineWidth', 2, ...
        'DisplayName', sprintf('%dQAM', M));
end

grid on;
xlabel('信噪比 (dB)');
ylabel('误码率 (BER)');
title('不同QAM调制的理论误码率比较');
legend('show', 'Location', 'southwest');

%% 子图2: 频谱效率比较
subplot(2, 2, 2);
spectral_efficiency = log2(M_list);
bar(M_list, spectral_efficiency, 'FaceColor', [0.2, 0.6, 0.8]);
xlabel('调制阶数');
ylabel('频谱效率 (bps/Hz)');
title('QAM调制的频谱效率');
grid on;

% 在柱状图上显示数值
for i = 1:length(M_list)
    text(M_list(i), spectral_efficiency(i), sprintf('%.1f', spectral_efficiency(i)), ...
        'HorizontalAlignment', 'center', 'VerticalAlignment', 'bottom', 'FontWeight', 'bold');
end

%% 子图3: 达到特定BER所需的SNR
subplot(2, 2, 3);
target_BER = 1e-4;
required_SNR = zeros(size(M_list));

for i = 1:length(M_list)
    M = M_list(i);
    SNR_dB_test = 0:0.1:30;
    BER_test = zeros(size(SNR_dB_test));

    for j = 1:length(SNR_dB_test)
        BER_test(j) = qam_ber_theoretical(M, SNR_dB_test(j));
    end

    % 找到达到目标BER所需的SNR
    idx = find(BER_test <= target_BER, 1);
    if ~isempty(idx)
        required_SNR(i) = SNR_dB_test(idx);
    else
        required_SNR(i) = NaN;
    end
end

plot(M_list, required_SNR, 'ro-', 'LineWidth', 2, 'MarkerSize', 8);
xlabel('调制阶数');
ylabel('所需SNR (dB)');
title(sprintf('达到BER=10^{-4}所需的信噪比'));
grid on;

% 添加数值标签
for i = 1:length(M_list)
    if ~isnan(required_SNR(i))
        text(M_list(i), required_SNR(i)+1, sprintf('%.1f dB', required_SNR(i)), ...
            'HorizontalAlignment', 'center', 'FontWeight', 'bold');
    end
end

%% 子图4: 星座点分布
subplot(2, 2, 4);
hold on;
for i = 1:min(3, length(M_list))
    M = M_list(i);
    [constellation, ~] = generate_constellation(M);

    % 归一化能量
    constellation = constellation / sqrt(mean(abs(constellation).^2));

    scatter(real(constellation), imag(constellation), 50, colors(i), 'filled', ...
        'DisplayName', sprintf('%dQAM', M));
end

grid on;
axis equal;
xlabel('同相分量 (I)');
ylabel('正交分量 (Q)');
title('星座点分布比较');
legend('show');

% 添加性能总结
fprintf('性能比较总结:\n');
fprintf('调制方式\t频谱效率\t达到10^-4 BER所需SNR\n');
for i = 1:length(M_list)
    if ~isnan(required_SNR(i))
        fprintf('%dQAM\t\t%.1f bps/Hz\t%.1f dB\n', ...
            M_list(i), spectral_efficiency(i), required_SNR(i));
    else
        fprintf('%dQAM\t\t%.1f bps/Hz\t>30 dB\n', ...
            M_list(i), spectral_efficiency(i));
    end
end
end

function ber = qam_ber_theoretical(M, SNR_dB)
% 计算QAM调制的理论误码率
% 近似公式: BER ≈ (4/log2(M)) * (1-1/sqrt(M)) * Q(sqrt(3*log2(M)/(M-1) * SNR))

k = log2(M);
SNR_linear = 10^(SNR_dB/10);

if M == 4
    % QPSK的特殊情况
    ber = qfunc(sqrt(2*SNR_linear));
else
    % 方形QAM的近似误码率
    ber = (4/k) * (1 - 1/sqrt(M)) * qfunc(sqrt(3*k*SNR_linear/(M-1)));
end

% 确保BER在合理范围内
ber = max(ber, 1e-8);
ber = min(ber, 0.5);
end

5. 实际系统仿真

function qam_system_simulation()
% QAM通信系统完整仿真

fprintf('=== QAM通信系统完整仿真 ===\n\n');

%% 系统参数
M = 16;                 % 调制阶数
num_symbols = 10000;    % 符号数量
SNR_dB_range = 5:2:25;  % 信噪比范围
carrier_freq = 2.4e9;   % 载波频率 2.4GHz
sampling_rate = 10e6;   % 采样率 10MHz

fprintf('系统参数:\n');
fprintf('调制方式: %dQAM\n', M);
fprintf('符号数量: %d\n', num_symbols);
fprintf('载波频率: %.1f GHz\n', carrier_freq/1e9);
fprintf('采样率: %.1f MHz\n', sampling_rate/1e6);

%% 生成星座图
[constellation, bit_labels] = generate_constellation(M);
k = log2(M);

%% 仿真不同SNR下的性能
ber_simulated = zeros(size(SNR_dB_range));
ber_theoretical = zeros(size(SNR_dB_range));

for snr_idx = 1:length(SNR_dB_range)
    SNR_dB = SNR_dB_range(snr_idx);

    % 生成随机数据
    data_bits = randi([0, 1], num_symbols * k, 1);

    % QAM调制
    tx_symbols = qam_modulate(data_bits, constellation, M);

    % 添加噪声
    rx_symbols = add_awgn_noise(tx_symbols, SNR_dB);

    % QAM解调
    demodulated_bits = qam_demodulate(rx_symbols, constellation, M);

    % 计算误码率
    bit_errors = sum(data_bits ~= demodulated_bits);
    ber_simulated(snr_idx) = bit_errors / length(data_bits);

    % 理论误码率
    ber_theoretical(snr_idx) = qam_ber_theoretical(M, SNR_dB);

    fprintf('SNR = %2d dB: 仿真BER = %.2e, 理论BER = %.2e\n', ...
        SNR_dB, ber_simulated(snr_idx), ber_theoretical(snr_idx));
end

%% 可视化结果
figure('Position', [100, 100, 1200, 800]);

% 误码率曲线
subplot(2, 2, 1);
semilogy(SNR_dB_range, ber_simulated, 'bo-', 'LineWidth', 2, 'MarkerSize', 6);
hold on;
semilogy(SNR_dB_range, ber_theoretical, 'r--', 'LineWidth', 2);
grid on;
xlabel('信噪比 (dB)');
ylabel('误码率 (BER)');
title(sprintf('%dQAM系统性能', M));
legend('仿真结果', '理论值', 'Location', 'southwest');

% 星座图 (选择中等SNR)
subplot(2, 2, 2);
mid_snr_idx = ceil(length(SNR_dB_range)/2);
SNR_dB_mid = SNR_dB_range(mid_snr_idx);

% 重新生成中等SNR下的数据用于显示星座图
data_bits_demo = randi([0, 1], 1000 * k, 1);
tx_symbols_demo = qam_modulate(data_bits_demo, constellation, M);
rx_symbols_demo = add_awgn_noise(tx_symbols_demo, SNR_dB_mid);

plot_constellation(rx_symbols_demo, constellation, bit_labels, M, SNR_dB_mid);
title(sprintf('%dQAM星座图 (SNR = %d dB)', M, SNR_dB_mid));

% 误差向量幅度分析
subplot(2, 2, 3);
evm_values = zeros(size(SNR_dB_range));

for snr_idx = 1:length(SNR_DB_range)
    SNR_dB = SNR_dB_range(snr_idx);
    data_bits_temp = randi([0, 1], 1000 * k, 1);
    tx_symbols_temp = qam_modulate(data_bits_temp, constellation, M);
    rx_symbols_temp = add_awgn_noise(tx_symbols_temp, SNR_dB);
    evm_values(snr_idx) = calculate_evm(rx_symbols_temp, constellation);
end

plot(SNR_dB_range, evm_values*100, 'gs-', 'LineWidth', 2, 'MarkerSize', 6);
grid on;
xlabel('信噪比 (dB)');
ylabel('EVM (%)');
title('误差向量幅度 vs 信噪比');

% 性能总结
subplot(2, 2, 4);
performance_metrics = zeros(3, 3);

% 计算在不同BER要求下所需的SNR
target_bers = [1e-2, 1e-3, 1e-4];
for i = 1:length(target_bers)
    target_ber = target_bers(i);
    idx = find(ber_simulated <= target_ber, 1);
    if ~isempty(idx)
        performance_metrics(1, i) = SNR_dB_range(idx);
    else
        performance_metrics(1, i) = NaN;
    end

    % 理论值
    SNR_dB_test = 0:0.1:30;
    BER_test = arrayfun(@(x) qam_ber_theoretical(M, x), SNR_dB_test);
    idx_theoretical = find(BER_test <= target_ber, 1);
    if ~isempty(idx_theoretical)
        performance_metrics(2, i) = SNR_dB_test(idx_theoretical);
    else
        performance_metrics(2, i) = NaN;
    end
end

bar_handle = bar(performance_metrics');
set(gca, 'XTickLabel', {
   'BER=10^{-2}', 'BER=10^{-3}', 'BER=10^{-4}'});
ylabel('所需SNR (dB)');
title('达到特定BER所需的SNR');
legend('仿真', '理论', 'Location', 'northwest');
grid on;

% 在柱状图上显示数值
for i = 1:size(performance_metrics, 2)
    for j = 1:size(performance_metrics, 1)
        if ~isnan(performance_metrics(j, i))
            text(i + (j-1.5)*0.25, performance_metrics(j, i) + 0.5, ...
                sprintf('%.1f', performance_metrics(j, i)), ...
                'HorizontalAlignment', 'center', 'FontWeight', 'bold');
        end
    end
end

fprintf('\n=== 仿真总结 ===\n');
fprintf('调制方式: %dQAM\n', M);
fprintf('频谱效率: %.2f bps/Hz\n', log2(M));
fprintf('在AWGN信道下的性能与理论值基本吻合\n');
end

6. 使用示例

% 主程序 - 运行完整的QAM星座图分析
clear; clc; close all;

fprintf('=== QAM调制星座图分析 ===\n\n');

% 运行星座图演示
qam_constellation_demo();

% 运行系统仿真
qam_system_simulation();

% 单独生成特定调制方式的星座图
% M = 32;
% [constellation, bit_labels] = generate_constellation(M);
% figure;
% plot_constellation(constellation, constellation, bit_labels, M, inf);

参考代码 16qam 32 64星座图 www.youwenfan.com/contentale/65106.html

主要特点:

  1. 完整的星座图生成

    • 16QAM (4×4 方形星座)
    • 32QAM (交叉星座图)
    • 64QAM (8×8 方形星座)
    • 格雷编码比特映射
  2. 全面的性能分析

    • 理论误码率计算
    • 仿真误码率验证
    • 误差向量幅度(EVM)分析
    • 频谱效率比较
  3. 丰富的可视化功能

    • 星座点分布显示
    • 比特标签标注
    • BER曲线对比
    • 性能指标汇总
  4. 实际系统仿真

    • 完整的调制解调链路
    • AWGN信道建模
    • 系统性能评估
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