1、装订线目 录第一章 概述 .2第二章 QPSK 通信系统原理与仿真 .22.1 QPSK 系统框图介绍 .22.2 QPSK 信号的调制原理 .32.2.1 QPSK 信号产生方法 .32.2.2 QPSK 星座图 .42.3 QPSK 解调原理及误码率分析 .42.3.1 QPSK 解调方法 .42.3.2 QPSK 系统误码率 .52.4 QPSK 信号在 AWGN 信道下仿真 .5第三章 BPSK 通信系统原理与仿真 .63.1 BPSK 信号的调制原理 .63.2 BPSK 解调原理及误码率分析 .7第四章 QPSK 与 BPSK 性能比较 .84.1 QPSK 与 BPSK 在多信道
2、下比较仿真 .84.1.1 纵向比较分析 .84.1.2 横向比较分析 .104.2 仿真结果分析 .104.2.1 误码率分析 .104.2.2 频带利用率比较 .10附 录 .11代码 1.11代码 2.11代码 3.14代码 4.16装订线第一章 概述QPSK 是英文 Quadrature Phase Shift Keying 的缩略语简称，意为正交相移键控，是一种数字调制方式。它以其抗干扰性能强、误码性能好、频谱利用率高等优点，广泛应用于数字微波通信系统、数字卫星通信系统、宽带接人、移动通信及有线电视系统之中。BPSK 是英文 Binary Phase Shift Keying 的缩略
3、语简称，意为二相相移键控，是利用偏离相位的复数波浪组合来表现信息键控移相方式的一种。它使用了基准的正弦波和相位反转的波浪，使一方为 0，另一方为 1，从而可以同时传送接受 2 值(1 比特) 的信息。本文所研究的 QPSK 系统与二进制的 BPSK 系统相比，具有以下特点:1. 在传码率相同的情况下，四进制数字调制系统的信息速率是二进制系统的 2 倍。2. 在相同信息速率条件下，四进制数字调制系统的传码率是二进制系统的 1/4 倍，这一特点使得四进制码元宽度是二进制码元宽度的 2 倍，码元宽度的加大，可增加每个码元的能量，也可减小码间串扰的影响。3. 由于四进制码元速率比二进制的降低，所需信道
4、带宽减小。4. 在接收系统输入信噪比相同的条件下，四进制数字调制系统的误码率要高于二进制系统。5. 四进制数字调制系统较二进制系统复杂，常在信息速率要求较高的场合。基于以上优点，在数字信号的调制方式中 QPSK（Quadrature Phase Shift Keying）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，因而被 WCDMA 和 CDMA2000 等第三代移动通信系统采用。第二章 QPSK 通信系统原理与仿真2.1 QPSK 系统框图介绍在图 2.1 的系统中，发送方，QPSK 数据源采用随机生成，信源编码采用差分编
5、码，编码后的信号经 QPSK 调制器，经由发送滤波器进入传输信道。接收方，信号首先经过相位旋转，再经匹配滤波器解调，经阈值比较得到未解码的接收信号，差分译码后得到接收信号，与信源发送信号相比较，由此得到系统误码率，同时计算系统误码率的理论值，将系统值与理论值进行比较。对于信道，这里选取的是加性高斯白噪声（Additive White Gaussian Noise）以及多径装订线Rayleigh 衰落信道（Multipath Rayleigh Fading Channel） 。图 2.1 QPSK 系统框图在实验中，选用的是差分码。差分码又称为相对码，在差分码中利用电平跳变来分别表示 1 或 0
6、，分为传号差分码和空号差分码。传号差分码：当输入数据为“1”时，编码波型相对于前一码电平产生跳变；输入为“0”时，波型不产生跳变。空号差分码：当输入数据为“0”时，编码波型相对于前一码电平产生跳变；输入为“1”时，波型不产生跳变。2.2 QPSK 信号的调制原理2.2.1 QPSK 信号产生方法QPSK 信号通常由图 2.2 所示的调相法产生，输入的二进制序列经过一个串/并转换器后分为两路二进制序列，这里假设两路序列为 a，b，并通过平衡调制器分别对同相载波及正交载波进行二相调制，得到如图 2.3 中的虚线矢量。QPSK 信号每个码元含有 2 比特的信息，如图 2.3 所示现用 ab 代表这两
7、个比特。两个比特有 4 种组合，即 00、01、10 和 11。它们和相位之间的关系通常都按格雷码的规律安排，如表 2-1 所示。QPSK数据源差分编码器QPSK 调制器发送滤波器衰减相位旋转相位同步积分与清除符号同步器阈值比较差分译码器计算 BER噪声装订线图 2.2 调相法产生 QPSK 信号 图 2.3 信号矢量2.2.2 QPSK 星座图在本次系统仿真中使用仿真代码产生 QPSK 信号星座图，具体代码如附录代码 1。运行得到的信号星座图如图 2.4，2.5：表 2-1 QPSK 编码规则 ka bA 方式 B 方式0 0 0251 0 9311 1 1840 1 2705表中 一组间隔
8、均匀的受调制相位k装订线2.3 QPSK 解调原理及误码率分析2.3.1 QPSK 解调方法由于 QPSK 信号可以看作两个正交 2PSK 信号的叠加，解调框图如图 2.6，用相干解调方法，即用两路正交的相干载波，可以很容易的分离出这两路正交的 2PSK 信号。解调后的两路基带信号码元 a 和 b，经过并串变换后，成为串行数据输出。图 2.4 A 方式信号星座图 图 2.5 B 方式信号星座图2.3.2 QPSK 系统误码率在 QPSK 体制中，由其矢量图（图 2.7）可以看出，因噪声的影响使接收端解调时发生错误判决，是由于信号矢量的相位发生偏离造成的。例如，设发送矢量的相位为 ，它代表基带信
9、45号码元“11” ，若因噪声的影响使接收矢量的相位变成 ，则将误判为“01”。当各个发送矢135量以等概率出现时，合理的判决门限应该设在和相邻矢量等距离的位置。在图中对于矢量“11”来说，判决门限应该设在 和 。当发送“11” 时，接收信号矢量的相位若超出这一09范围（图图 2.6 QPSK 信号解调原理框图 图 2.7 QPSK 噪声容限09装订线中阴影区），则将发生错判。设 为接收矢量（包括信号和噪声）相位的概率密度，则发生)(f错误的概率为： dfPe2/0)(1省略计算 和 Pe 的繁琐过程，直接给出计算结果：)(f 2/rfc上式计算出的是 QPSK 信号的误码率。若考虑其误比特率
10、，正交的两路相干解调方法和2PSK 中采用的解调方法一样。所以其误比特率的计算公式也和 2PSK 的误码率公式一样。2.4 QPSK 信号在 AWGN 信道下仿真仿真代码见附录代码 2。运行结果如图2.8：图 2.8 AWGN 环境下 QPSK 系统的仿真和理论结果由运行结果可以看出，仿真值与理论值基本吻合，误码率值随信噪比增大而下降。第三章 BPSK 通信系统原理与仿真3.1 BPSK 信号的调制原理 乘 法 器 )(2tePSK双 极 性不 归 零 tcos)(ts码 型 变 换装订线图 3.1 模拟调制方法图 3.2 键控调制方法BSPK 信号通常有 2 种调制方式，分别如图 3.1、3
11、.2 所示。在 2PSK 中，通常用初始相位 0 和 p 分别表示二进制“1”和“0” 。因此，2PSK 信号的时域表达式为 式中， 表示第 n 个符号的绝对相位：n因此，上式可以改写为3.2 BPSK 解调原理及误码率分析BPSK 信号的解调器原理方框图 3.3 和波形图 3.4，这里给出的解调框图采用相干解调的接收方法。图 3.3 BPSK 信号相干解调框图波形图中，假设相干载波的基准相位与 2PSK 信号的调制载波的基准相位一致（通常默认为0 相位）。但是，由于在 2PSK 信号的载波恢复过程中存在着的相位模糊，即恢复的本地载波与tcos)(ts)(2tePSK开 关 电 路移 相018
12、0)cos(A)(2PSKntte时发 送 时发 送， 1,0Pttec1,osA)(2PSK概 率 为概 率 为带 通滤 波 器 相 乘 器 低 通滤 波 器 抽 样判 决 器定 时脉 冲 输 出)(2tePSK tcosabcde装订线所需的相干载波可能同相，也可能反相，这种相位关系的不确定性将会造成解调出的数字基带信号与发送的数字基带信号正好相反，即“1”变为“0”，“0”变为“1”，判决器输出数字信图 3.4 相干解调波形示意图号全部出错。这种现象称为 2PSK 方式的“倒 ”现象或“反相工作”。这也是 2PSK 方式在实际中很少采用的主要原因。另外，在随机信号码元序列中，信号波形有可
13、能出现长时间连续的正弦波形，致使在接收端无法辨认信号码元的起止时刻。第四章 QPSK 与 BPSK 性能比较4.1 QPSK 与 BPSK 在多信道下比较仿真QPSK 仿真程序见代码 3。BPSK 仿真程序见代码 4。下面对 QPSK 与 BPSK 在多信道下的 BER-SNR 曲线进行横向及纵向的比较，如表 4-1 所示。4.1.1 纵向比较分析图中依次给出 LOS 信道、莱斯平坦衰落信道、莱斯频率选择性衰落、瑞利平坦衰落信道、瑞利频率选择性衰落。比较频率选择性衰落和其相应的平坦衰落，可发现频率选择性衰落比相应的平坦衰落的性能差。比较莱斯信道和瑞利信道，可发现不存在视距分量的瑞利信道比存在视距分量的任何莱斯信道的性能差。表 4-1 QPSK 与 BPSK 在多信道下性能比较信道 QPSK BPSK1010sT tabcd1 tte11100装订线LOS莱斯平坦衰落莱斯频率选择性衰落信道 QPSK BPSK
