5比特空间调制系统8QAM与16QAM性能对比仿真

资 源 简 介

本项目主要研究在固定传输速率为5bits/symbol的约束下，空间调制（Spatial Modulation, SM）系统采用不同资源分配方案的性能差异。在空间调制架构中，总比特由空间探测比特（用于选择激活天线）和信号调制比特（用于QAM映射）组成。项目构建了两种仿真场景进行对比：方案一采用4根发射天线与8QAM调制，其中天线索引承载2比特信息，8QAM承载3比特信息，合计5比特；方案二采用2根发射天线与16QAM调制，其中天线索引承载1比特信息，16QAM承载4比特信息，合计5比特。 项目通过MATL

详 情 说 明

空间调制系统：8QAM与16QAM传输5比特信息性能对比仿真项目

项目介绍

本项目专门用于研究在固定频谱效率（5 bits/symbol）的约束下，空间调制（Spatial Modulation, SM）系统的性能表现。空间调制是一种新型的多天线传输技术，其核心思想是利用发射天线的索引信息来承载部分比特，从而在不增加射频链路的情况下提升传输速率或改善误码率性能。

本项目对比了两种具体的技术方案：

1. 方案A：4发射天线 + 8QAM调制。在该方案中，2比特用于选择4根天线中的一根，3比特用于映射8QAM符号，总计5比特。
2. 方案B：2发射天线 + 16QAM调制。在该方案中，1比特用于选择2根天线中的一根，4比特用于映射16QAM符号，总计5比特。

通过仿真对比，直观展示了在相同传输速率下，增加空间维度（天线数量）与降低信道映射难度（调制阶数）之间的性能权衡。

功能特性

• 多均衡配置支持：实现了不同发射天线数量与不同QAM调制阶数的自由组合，并保持总比特率一致。
• 物理层全链路模拟：涵盖了源比特生成、空间映射、星座图映射、衰落信道建立到最后解调的全过程。
• 最大似然（ML）检测：在接收端采用全搜索最大似然准则进行联合检测，保证了仿真性能的最优基准。
• 高精度统计：采用蒙特卡洛（Monte Carlo）实验方法，通过大量比特测试确保误码率（BER）结果的收敛性。
• 性能可视化：自动生成信噪比（SNR）与误码率（BER）的对数曲线关系图。

使用方法

1. 启动MATLAB软件。
2. 将仿真脚本文件放置在当前工作路径。
3. 直接运行该脚本，程序将自动开始依次计算不同信噪比下的误码率。
4. 在命令行窗口（Command Window）观察实时输出的SNR与BER数值表。
5. 仿真结束后，程序会自动弹出对比曲线图并输出映射示例和结论报告。

系统要求

• 运行环境：MATLAB R2016a 或更高版本。
• 核心工具箱：基础MATLAB环境即可（无需专门的通信工具箱，因为脚本中已包含自定义的二进制转十进制转换函数）。

实现逻辑与仿真流程

核心脚本内部按照以下逻辑流程执行：

1. 参数初始化 设定SNR范围为0dB到20dB，接收天线数固定为4。根据方案定义，预设两组发射天线数（4和2）以及对应的星座阶数（8和16）。

2. 星座图构建与功率归一化

• 对于8QAM，构建了一个非对称的混合映射星座，并进行能量归一化。
• 对于16QAM，构建了标准的4x4矩形星座映射，同样进行归一化处理以保证两种方案在相同的平均发射功率下对比。

3. 信号传输模拟 对每一个信噪比点进行以下操作：

• 空间映射：将输入的5位比特流拆分为两部分。根据前几位比特（天线位）确定被激活的发射天线索引，根据后几位比特（数据位）确定发送的QAM符号。
• 信道建模：生成一个服从瑞利分布（Rayleigh Fading）的复高斯信道矩阵。信道具有平坦衰落特性。
• 噪声模拟：在接收信号中添加满足功率定义的复加性高斯白噪声（AWGN）。

4. 接收端联合检测 接收机在已知信道状态信息（CSI）的假设下，遍历所有可能的天线索引和星座点组合。通过计算接收向量与每个重构参考点之间的最小欧氏距离，实现对发射天线位置和调制符号的联合估计。

5. 性能统计与比对 比较恢复后的比特流与原始比特流，统计错误总数并计算每个SNR下的误码率。

关键函数与实现细节分析

• 自定义进制转换函数：脚本中实现了自定义的二进制转十进制（bi2de_custom）和十进制转二进制（de2bi_custom）函数。这两个函数采用低位优先（Little-endian）原则，确保了比特流与映射索引之间的一一对应，且不依赖于外部工具箱。
• ML检测算法：接收端的核心是一个嵌套的双层循环。外层循环遍历所有发射天线分支，内层循环遍历星座点映射表。该算法计算 $||y - H_a cdot s_m||^2$ 的最小值，其中 $y$ 是接收信号，$H_a$ 是信道矩阵的第 $a$ 列，$s_m$ 是映射表中的第 $m$ 个符号。
• 功率归一化技术：为了保证对比的公平性，代码通过 sqrt(mean(abs(const).^2)) 对不同阶数的星座点进行了幅度缩放，使得无论8QAM还是16QAM，其平均符号能量（Es）均为1。
• 信道随机性：代码在每个符号周期内都重新生成信道矩阵，这模拟了快衰落信道环境，能够更全面地考量系统的平均性能。

仿真结论简报

根据代码实现的分析，通常仿真结果会揭示以下规律：由于方案A使用了更多的天线（4Tx），其在空间维度上提供了更大的区分度，且8QAM的星座点间距显著大于16QAM，因此在抗噪声性能上，方案A通常会优于方案B。这种优势在低信噪比环境下尤为明显，体现了空间调制通过牺牲天线资源来换取高可靠性通信的特性。