基于matlab的QPSK仿真.doc

1、西南科技大学专业方向设计报告课程名称： 通信工程专业方向设计 设计名称： 基于 matlab 的 QPSK 仿真 姓 名： 李孟娇 学 号: 20095999 班 级： 通信 0903 指导教师： 胡荣春 起止日期： 2012.11.20-2012.12.20 西南科技大学信息工程学院制2方 向 设 计 任 务 书学生班级： 通信 0903 学生姓名： 李孟娇 学号： 20095999 设计名称： 基于 matlab 的 QPSK 仿真 起止日期： 2012.11.202012.12.20 指导教师： 胡荣春 设计要求：1.构建一个理想信道基本 QPSK 仿真系统,要求仿真结果有a. 基带输入

2、波形及其功率谱 b. QPSK 信号及其功率谱 c. QPSK 信号星座图2.构建一个在 AWGN（高斯白噪声）信道条件下的 QPSK 仿真系统，要求仿真结果有a. QPSK 信号及其功率谱 b. QPSK 信号星座图c. 高斯白噪声信道条件下的误码性能以及高斯白噪声的理论曲线，要求所有误码性能曲线在同一坐标比例下绘制3 构建一个先经过 Rayleigh（瑞利衰落信道） ，再通过 AWGN（高斯白噪声）信道条件下的条件下的 QPSK 仿真系统，要求仿真结果有a. QPSK 信号及其功率谱 b. 通过瑞利衰落信道之前和之后的信号星座图，前后进行比较c. 在瑞利衰落信道和在高斯白噪声条件下的误码性

3、能曲线，并和 2.c 中所要求的误码性能曲线在同一坐标比例下绘制3方 向 设 计 学 生 日 志时间 设计内容2012.12.1 查阅相关资料，理解要求，确定方案2012.12.3 设计总体方案2012.12.5 根据要求模块化编写程序2012.12.6 整理程序，并进行调试2012.12.7 检查各项指标是否符合要求，并进行分析结果2012.12.9 书写程序设计报告2012.12.10 准备答辩4课 程 设 计 评 语 表指导教师评语：成绩： 指导教师： 年 月 日5基于 MATLAB 的 QPSK 仿真设计与实现一、 摘要本次方向设计根据当今现代通信技术的发展，对 QPSK 信号的工作原

4、理进行了仿真分析。并结合调制解调的基本性能和通信原理的基础知识，利用 MATLAB 仿真工具设计出一个QPSK 仿真程序，以衡量 QPSK 在理想信道、高斯白噪声信道和先通过瑞利衰落信道再通过高斯信道三种方式的调制解调得到的功率谱密度、噪声曲线、星座图及误码性能,并对仿真结果进行了分析。关键字：MATLAB 仿真；QPSK 调制；QPSK 解调；误码率；信噪比Based on the modern communication technology, design of oriented major has implemented a simulated analysis in regard t

5、o the principle of QPSK signal. Associating with the performance of design of oriented major and underpinning communication knowledge, a QPSK simulate program was implemented and analysed in the aim of measuring its power spectral density, curve of noise, constellation and bit error performance unde

6、r ideal channel, white Gaussian noise channel and via Rayleigh fading channel and white Gaussian noise channel respectively。Key words：MATLAB Simulate; QPSK Modulation; QPSK Demodulation; Error Rate; Signal to Noise Ratio二、设计目的和意义近年来，软件无线电作为解决通信体制兼容性问题的重要方法受到各方面的注意。它的中心思想是在通用的硬件平台上，用软件来实现各种功能，包括调制解调类

7、型、数据格式、通信协议等。通过软件的增加、修改或升级就可以实现新的功能，充分体现了体制的灵活性、可扩展性等。其中软件的增加、高频谱效率的调制解调模块是移动通信系统的关键技术，它的软件化也是实现软件无线电的重要环节。通过完成设计内容， 复习QPSK调制解调的基本原理，同时也要复习通信系统的主要组成部分，了解调制解调方式中最基础的方法。了解QPSK的实现方法及数学原理。并对“通信”这个概念有个整体的理解，学习数字调制中误码率测试的标准及计算方法。同时还要复习随机信号中时域用自相关函数，频域用功率谱密度来描述平稳随机过程的特性等基础知识，来理解高斯信道中噪声的表示方法，以便在编程中使用。 理解QPS

8、K调制解调的基本原理，并使用MATLAB编程实现QPSK信号在高斯信道和瑞利衰落信道下传输，以及该方式的误码率测试。复习MATLAB编程的基础知识和编程的常用算法以及使用MATLAB仿真系统的注意事项，并锻炼自己的编程能力，通过编程完成QPSK调制解调系统的仿真，以及误码率测试，并得出响应波形。在完成要求任务的条件下，尝试优化程序。三、 设计原理四相相移键控信号简称“QPSK” 。它分为绝对相移和相对相移两种。由于绝对相移方式存6在相位模糊问题，所以在实际中主要采用相对移相方式 QDPSK。它具有一系列独特的优点，目前已经广泛应用于无线通信中，成为现代通信中一种十分重要的调制解调方式。在 数

9、字 信号 的 调 制 方 式 中 QPSK 四 相 移 键 控 是 目 前 最 常 用 的 一 种 卫 星 数 字 信 号 调 制 方 式 ,它 具 有 较高 的 频 谱 利 用 率 、 较 强 的 抗 干 扰 性 、 在 电 路 上 实 现 也 较 为 简 单 。数 字 相 位 调 制 PSK 是 角 度 调 制 、 恒 定 幅 度 数 字 调 制 的 一 种 方 式 ， 通 过 改 变 发 送 波 的 相位 来 实 现 ， 除 了 其 输 入 信 号 是 数 字 信 号 以 及 输 出 的 相 位 受 限 制 以 外 ， PSK 与 传 统 的 相 位调 制 相 似 。QPSK 信 号 的

10、 正 弦 载 波 有 4 个 可 能 的 离 散 相 位 状 态 ， 每 个 载 波 相 位 携 带 2 个 二 进 制 信号 。QPSK 利 用 载 波 的 四 种 不 同 相 位 来 表 征 数 字 信 息 。 因 此 ， 对 于 输 入 的 二 进 制 数 字 序 列 应该 进 行 分 组 ， 将 每 两 个 比 特 编 为 一 组 ； 然 后 用 四 种 不 同 的 载 波 相 位 去 表 征 它 们 。 例 如 ， 若输 入 二 进 制 数 字 信 息 序 列 为 10110100， 则 可 将 它 们 分 成 10,11,01,00， 然 后 用 四 种 不 同的 相 位 来 分

11、别 表 示 它 们 。 由 于 每 一 种 载 波 相 位 代 表 2 个 比 特 信 息 ， 故 每 个 四 进 制 码 元 又被 称 为 双 比 特 码 。四 相 相 移 调 制 是 利 用 载 波 的 四 种 不 同 相 位 差 来 表 征 输 入 的 数 字 信 息 ， 是 四 进 制 移 相 键控 。 QPSK 是 在 M=4 时 的 调 相 技 术 ， 它 规 定 了 四 种 载 波 相 位 ， 分 别 为 45， 135，225， 315， 调 制 器 输 入 的 数 据 是 二 进 制 数 字 序 列 ， 为 了 能 和 四 进 制 的 载 波 相 位 配 合起 来 ， 则 需

12、 要 把 二 进 制 数 据 变 换 为 四 进 制 数 据 ， 这 就 是 说 需 要 把 二 进 制 数 字 序 列 中 每 两个 比 特 分 成 一 组 ， 共 有 四 种 组 合 ， 即 00， 01， 10， 11， 其 中 每 一 组 称 为 双 比 特 码 元 。 每一 个 双 比 特 码 元 是 由 两 位 二 进 制 信 息 比 特 组 成 ， 它 们 分 别 代 表 四 进 制 四 个 符 号 中 的 一 个 符号 。 QPSK 中 每 次 调 制 可 传 输 2 个 信 息 比 特 ， 这 些 信 息 比 特 是 通 过 载 波 的 四 种 相 位 来 传 递的 。 解

13、调 器 根 据 星 座 图 及 接 收 到 的 载 波 信 号 的 相 位 来 判 断 发 送 端 发 送 的 信 息 比 特 。数 字 调 制 用 “星 座 图 ”来 描 述 ， 星 座 图 中 定 义 了 一 种 调 制 技 术 的 两 个 基 本 参 数 ：（ 1） 信 号 分 布 ； （ 2） 与 调 制 数 字 比 特 之 间 的 映 射 关 系 。 星 座 图 中 规 定 了 星 座 点 与 传 输比 特 间 的 对 应 关 系 ， 这 种 关 系 称 为 “映 射 ”， 一 种 调 制 技 术 的 特 性 可 由 信 号 分 布 和 映 射完 全 定 义 ， 即 可 由 星 座

14、图 来 完 全 定 义 。同时 QPSK 信号可以看作两个载波正交 2PSK 信号的合成，下图表示 QPSK 正交调制器。7图 1、QPSK 调制系统原理图由 QPSK 信号的调制可知，对它的解调可以采用与 2PSK 信号类似的解调方法进行解调。解调原理图如下所示，同相支路和正交支路分别采用相干解调方式解调，得到 和 ，()ItQt经过抽样判决和并/串交换器，将上下支路得到的并行数据恢复成串行数据。原理分析：基本原理及系统结构连续相位 QPSK 可表示为 SQPSK（ t） =Acos2fc+()其 中 ， 为 随 时 间 连 续 变 化 的 相 位 ， fc 为 未 调 载 波 频 率 ，

15、A 为 已 调 信 号 幅 度 ， 由 2FSK()信 号 正 交 条 件 可 知 ， 最 小 频 差 为=21=12=12这 里 f1， f2 分 别 为 2FSK 信 号 的 两 个 频 率 ， TS 为 信 号 码 元 间 隔 ， Tb 为 二 进 制 信 息 的 间 隔 。此 时 有fc=1/2(f1+f2)()=22+(0)QPSK 与二进制 PSK 一样，传输信号包含的信息都存在于相位中。的别的载波相位取四个等间隔值之一，如 /4, 3/4,5/4,和 7/4。相应的，可将发射信号定义为()2cos2+(21)/40 其中，i1，2，2，4；E 为发射信号的每个符号的能量，T 为符

16、号持续时间，载波频率f 等于 nc/T，nc 为固定整数。每一个可能的相位值对应于一个特定的二位组。例如，可用前述的一组相位值来表示格雷码的一组二位组：10，00，01，11。下面介绍 QPSK 信号的产生和检测。如果 a 为典型的 QPSK 发射机框图。输入的二进制数据序8列首先被不归零（NRZ）电平编码转换器转换为极性形式，即负号 1 和 0 分别用 和bE表示。接着，该二进制波形被分接器分成两个分别由输入序列的奇数位偶数位组成的彼bE此独立的二进制波形，这两个二进制波形分别用 a1（t） ，和 a2（t）表示。容易注意到，在任何一信号时间间隔内 a1（t） ，和 a2（t）的幅度恰好分别

17、等于 Si1 和 Si2，即由发送的二位组决定。这两个二进制波形 a1（t） ，和 a2（t）被用来调制一对正交载波或者说正交基本函数： 1（t） ， 2（t） 。这样就得到一对二进制 PSK2cos()cfTsin(2)cftT信号。 1（t）和 2（t）的正交性使这两个信号可以被独立地检测。最后，将这两个二进制 PSK 信号相加，从而得期望的 QPSK。 图 2、QPSK 解调系统原理图四、 详细设计步骤实验内容1.构建一个理想信道基本 QPSK 仿真系统,要求仿真结果有a.基带输入波形及其功率谱 b. QPSK 信号及其功率谱 c. QPSK 信号星座图 2.构建一个在 AWGN（高斯白

18、噪声）信道条件下的 QPSK 仿真系统，要求仿真结果有a. QPSK 信号及其功率谱 b. QPSK 信号星座图c. 高斯白噪声信道条件下的误码性能以及高斯白噪声的理论曲线，要求所有误码性能曲线在同一坐标比例下绘制3构建一个先经过 Rayleigh（瑞利衰落信道） ，再通过 AWGN（高斯白噪声）信道条件下9的条件下的 QPSK 仿真系统，要求仿真结果有a. QPSK 信号及其功率谱 b. 通过瑞利衰落信道之前和之后的信号星座图，前后进行比较c. 在瑞利衰落信道和在高斯白噪声条件下的误码性能曲线，并和 2.c 中所要求的误码性能曲线在同一坐标比例下绘制QPSK 调制的实现：QPSK 的调制部分

19、由电平变换，串/并变换，相乘器与相加器组成。将把原始信号按 1-1,0-1 变换，之后再进行穿并变换。由于输入的串行的二进制信号，要对其进行 QPSK 调制，要完成的就是把串行信号变换成并行信号。信号通过平衡调制，在这里可以当作一个乘法器来进行处理。再把两路信号通过加法器叠加起来则是原信号经调制后的输出波形。QPSK 解调的实现：QPSK 的解调部分由相乘器，低通滤波器，抽样判决，并/串变换组成。在解调 QPSK 的时候，首先会将受到的信号分为相同的两路在将这两路信号分别经过乘法器得到出去的信号波形。抽样判决时，首先要确定门限值，即如果该抽样值大于等于门限值，则为 1，否则为 0。实现串/并变

20、换时，是将原数组的奇数位赋予数组 a，偶数位赋予数组 b。实验工具：MATLABMATLAB 是一套功能强大的工程技术数值运算和系统仿真软件，它具有数值运算和系统仿真软件，它具有数值分析、矩阵运算、数字信号处理、仿真建模、系统控制盒优化等功能。MATLAB 的编程功能简单，并且很容易扩展和创造新的命令与函数。随着通信系统复杂性的增加，传统的手工分析与电路板试验等分析设计方法已经不能适应发展的需要，通信系统计算机模拟仿真技术日益显示出其巨大的优越性。计算机仿真是根据被研究的真实系统的模型，利用计算机进行实验研究的一种方法。它具有利用模型进行仿真的一系列优点，如费用低易于进行真实系统难于实现的各种

21、试验，以及易于实现完全相同条件下的重复试验等。MATLAB 仿真软件就是分析通信系统常用的工具之一。MATLAB 作为一种功能强大的数据分析和工程计算高级语言，已被广泛应用于现代科学技术研究和工程设计的各个领域。其信号处理工具箱可以解决通信中信号变换、调制解调、滤波、频谱估计、线性系统分析等多项功能，并且能够通过图形用户界面显示结果。MATLAB 包括许多标准函数，每个函数都由完成某一特定功能的代码组成，同时，MATLAB 也允许用户自行写所需的函数，其扩展名为.m，称为 M 文件与 M 函数。通过流程控制和函数语句来实现特定功能，并可利用图形显示结果。MATLAB 主要优点有很多，首先编程效

22、率高，它是一种面向科学与工程计算的高级语言，允许用数学形式的语言编写程序。因此，MATLAB 语言也可通俗的称为演算纸式科学算法语言由于它编写简单，所以编程效率高，易学易懂。其次，用户使用方便。MATLAB 语言是一种解释执行的语言，它灵活、方便，其调试程序手段丰富，调试速度快，需要学习时间少，扩充能力强，MATLAB 语言有丰富的库函数，在进行复制的数学运算时可以直接调用。MATLAB 语句简单，内涵丰富，它有高效方便的矩阵和数组、运算。MATLAB 语言像 Basic和 C 语言一样规定了矩阵的算术运算符、关系运算符、逻辑运算符、条件运算符及赋值运算10符，而且这些运算符大部分可以毫无改变地照搬到数组间的运算。程序见附录五、 设计结果及分析根据图 1 和图 2 的流程框图设计仿真程序，得出结果并且分析如下：5.1、理想信道下的仿真，实验结果如图 3 所示：图 3实验结果分析：如图上结果显示，完成了 QPSK 信号在理想信道上的调制，传输，解调的过程，由于调制过程中加进了载波，因此调制信号的功率谱密度会发生变化。并且可以看出调制解调的结果没有误码。5.2、高斯信道下的仿真，结果如图 4、5 所示：