QPSK通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真

1、 摘要 介紹了數(shù)字通信中的qpsk調(diào)制解調(diào)的原理,通過(guò)用matlab編寫腳本程序?qū)psk通信系統(tǒng)的發(fā)射和接收過(guò)程的具體實(shí)現(xiàn)進(jìn)行模擬仿真,繪出信號(hào)在理想信道和加噪信道中模擬傳輸時(shí)的時(shí)域圖,并對(duì)各模塊進(jìn)行了頻譜分析,所得到的結(jié)果與理論基本相符,對(duì)于理解qpsk系統(tǒng)的性能并在系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用上作進(jìn)一步的設(shè)計(jì),提供了有效的參考依據(jù)。 通過(guò)利用matlab軟件sumlink實(shí)現(xiàn)了qpsk通信系統(tǒng)的仿真，完成了qpsk通信系統(tǒng)的調(diào)制解調(diào)過(guò)程的仿真實(shí)現(xiàn)，使接收端能夠準(zhǔn)確地接收到來(lái)自發(fā)放的信息。qpsk調(diào)制方式在通信工程中的應(yīng)用十分廣泛，其誤碼率隨信噪比的增加而減少并最終可能為零。在qpsk調(diào)制方式以后，還會(huì)

2、出現(xiàn)進(jìn)制更多的調(diào)制方式。而我們著重要解決的問(wèn)題也從如何提高相位譜利用率轉(zhuǎn)變?yōu)槿绾螠p少誤差以及提高傳送速率。闡述qpsk調(diào)制解調(diào)的實(shí)現(xiàn)過(guò)程，并運(yùn)用軟件實(shí)現(xiàn)手段對(duì)信號(hào)變換過(guò)程加以分析，希望有所收獲。關(guān)鍵詞：數(shù)字通信 四相相位鍵控(quadrature phase shift keying,qpsk) matlab目錄前言1一、 qpsk簡(jiǎn)介22.1 qpsk調(diào)制原理32.2 qpsk解調(diào)原理5三、 matlab仿真結(jié)果63.1 qpsk的產(chǎn)生及加噪仿真63.2 qpsk解調(diào)前后信號(hào)仿真63.3 qpsk碼元恢復(fù)73.4誤碼率分析9四、 程序清單10五、 總結(jié)17六、 參考文獻(xiàn)18七、致謝19前言

3、隨著數(shù)字技術(shù)的飛速發(fā)展與數(shù)字器件的廣泛使用,數(shù)字信號(hào)處理在通信系統(tǒng)中的應(yīng)用已經(jīng)越來(lái)越重要。數(shù)字信號(hào)傳輸系統(tǒng)分為基帶傳輸系統(tǒng)和頻帶傳輸系統(tǒng),頻帶傳輸系統(tǒng)也叫數(shù)字調(diào)制系統(tǒng),該系統(tǒng)對(duì)基帶信號(hào)進(jìn)行調(diào)制,使其頻譜搬移到適合在信道(一般為帶通信道)上傳輸?shù)念l帶上。數(shù)字調(diào)制和模擬調(diào)制一樣都是正弦波調(diào)制,即被調(diào)制信號(hào)都為高頻正弦波。數(shù)字調(diào)制信號(hào)又稱為鍵控信號(hào),數(shù)字調(diào)制過(guò)程中處理的是數(shù)字信號(hào),而載波有振幅、頻率和相位3個(gè)變量,且二進(jìn)制的信號(hào)只有高低電平兩個(gè)邏輯量即1和0,所以調(diào)制的過(guò)程可用鍵控的方法由基帶信號(hào)對(duì)載頻信號(hào)的振幅、頻率及相位進(jìn)行調(diào)制,最基本的方法有3種:正交幅度調(diào)制(qam) 、頻移鍵控( fsk)

4、 、相移鍵控( psk) 。根據(jù)所處理的基帶信號(hào)的進(jìn)制不同分為二進(jìn)制和多進(jìn)制調(diào)制(m進(jìn)制) 。多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制與二進(jìn)制相比,其頻譜利用率更高。在數(shù)字通信、數(shù)字視頻廣播、數(shù)字衛(wèi)星廣播等領(lǐng)域中,廣泛采用m進(jìn)制的調(diào)制方式 1 。理論分析指出,在恒參信道中利用psk方式可以獲得最佳接收性能,在接收機(jī)噪聲的作用下, psk誤碼率最低。本文用matlab軟件對(duì)m = 4的四相相位調(diào)制解調(diào)(qpsk)進(jìn)行模擬,并對(duì)各模塊進(jìn)行了仿真分析。一、 qpsk簡(jiǎn)介 在多相調(diào)制中，可以用多種相位差來(lái)表示數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)信息。把要傳送的二進(jìn)制信息序列每k比特編為一組，那么便構(gòu)成了k比特碼元，每一k比特碼元都有2k種不同的狀態(tài)，要用

5、2k 種不同的相位或相位差來(lái)表示。由于k比特碼元包括的信息量是二進(jìn)制碼元所含信息量的k倍，所以，多相調(diào)制系統(tǒng)與二相調(diào)制系統(tǒng)相比，在碼元傳輸速率相同時(shí)，信息傳輸速率更高。例如，四相調(diào)制系統(tǒng)的信息傳輸速率是二相調(diào)制系統(tǒng)的兩倍。另外，在系統(tǒng)信息傳輸速率的情況下，由于多相調(diào)制系統(tǒng)的碼元速率比二相調(diào)制要低，因而多相調(diào)制時(shí)，信號(hào)碼元持續(xù)時(shí)間比二相調(diào)制時(shí)長(zhǎng)。碼元時(shí)間長(zhǎng)，則對(duì)應(yīng)的帶寬就窄，因此壓縮了信號(hào)的頻帶，可以叫囂由于新到特性引起的碼間串?dāng)_的影響。由此可見(jiàn)，多相調(diào)制是提高數(shù)據(jù)通信有效性、可靠性的一種途徑。 由于四相絕對(duì)移相信號(hào)可以看成兩個(gè)正交2psk信號(hào)只能采用相干檢測(cè)法解調(diào)， 4psk信號(hào)也只能采用兩個(gè)

6、正交的相干載波分別來(lái)檢測(cè)這兩個(gè)分量a和b。在四相絕對(duì)移相調(diào)制系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)起來(lái)最困難的問(wèn)題在于接收端如何產(chǎn)生一標(biāo)準(zhǔn)的相干載波。通常采用的方法是四倍頻-四分頻法，然后經(jīng)過(guò)四次分頻，便可以得到所有的相干載波輸出。這種方法也會(huì)由于分頻起始點(diǎn)不同而使提取的相干載波的相位出現(xiàn)四種不確定性。因此，在實(shí)際中，通常采用四相相對(duì)移相調(diào)制。 二、qpsk調(diào)制解調(diào)原理2.1 qpsk調(diào)制原理 四相相移鍵控信號(hào)簡(jiǎn)稱“qpsk”。它分為絕對(duì)相移和相對(duì)相移兩種。由于絕對(duì)相移方式存在相位模糊問(wèn)題，所以在實(shí)際中主要采用相對(duì)移相方式qdpsk。它具有一系列獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于無(wú)線通信中，成為現(xiàn)代通信中一種十分重要的調(diào)制

7、解調(diào)方式。在數(shù)字信號(hào)的調(diào)制方式中qpsk四相移鍵控是目前最常用的一種衛(wèi)星數(shù)字信號(hào)調(diào)制方式,它具有較高的頻譜利用率、較強(qiáng)的抗干擾性、在電路上實(shí)現(xiàn)也較為簡(jiǎn)單。 qpsk四相絕對(duì)相移鍵控，用載波信號(hào)的4個(gè)初始相位對(duì)應(yīng)4進(jìn)制碼元。因此，對(duì)于輸入的二進(jìn)制數(shù)字序列每2比特分為一組，稱為雙比特碼元ab，然后用4種不同的載波相位分別表征這4種數(shù)字碼元。按ab分組與載波相位的對(duì)應(yīng)關(guān)系有/2體系(也稱a方式)與/4體系(也稱b方式)，具體定義如表所示：雙比特碼元ab載波相位ab/2體系（a方式）/4體系(b方式)000（）5/4（225°）10/2（）7/4（315°）11（）/4（45

8、76;）013/2（）3/4（135°） 圖2-1 qpsk信號(hào)雙比特碼元與相位矢量關(guān)系圖 圖2-2 四相相移調(diào)制是利用載波的四種不同相位差來(lái)表征輸入的數(shù)字信息，是四進(jìn)制移相鍵控。qpsk是在m=4時(shí)的調(diào)相技術(shù)，它規(guī)定了四種載波相位，分別為45°，135°，225°，315°，調(diào)制器輸入的數(shù)據(jù)是二進(jìn)制數(shù)字序列，為了能和四進(jìn)制的載波相位配合起來(lái)，則需要把二進(jìn)制數(shù)據(jù)變換為四進(jìn)制數(shù)據(jù)，這就是說(shuō)需要把二進(jìn)制數(shù)字序列中每?jī)蓚€(gè)比特分成一組，共有四種組合，即00，01，10，11，其中每一組稱為雙比特碼元。每一個(gè)雙比特碼元是由兩位二進(jìn)制信息比特組成，它們分別

9、代表四進(jìn)制四個(gè)符號(hào)中的一個(gè)符號(hào)。qpsk中每次調(diào)制可傳輸2個(gè)信息比特，這些信息比特是通過(guò)載波的四種相位來(lái)傳遞的。解調(diào)器根據(jù)星座圖及接收到的載波信號(hào)的相位來(lái)判斷發(fā)送端發(fā)送的信息比特。數(shù)字調(diào)制用“星座圖”來(lái)描述，星座圖中定義了一種調(diào)制技術(shù)的兩個(gè)基本參數(shù)：（1）信號(hào)分布；（2）與調(diào)制數(shù)字比特之間的映射關(guān)系。星座圖中規(guī)定了星座點(diǎn)與傳輸比特間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，這種關(guān)系稱為“映射”，一種調(diào)制技術(shù)的特性可由信號(hào)分布和映射完全定義，即可由星座圖來(lái)完全定義。同時(shí)qpsk信號(hào)可以看作兩個(gè)載波正交2psk信號(hào)的合成，下圖表示qpsk正交調(diào)制器。圖2-3 qpsk調(diào)制系統(tǒng)原理圖2.2 qpsk解調(diào)原理 數(shù)字調(diào)制用“星座圖”

10、來(lái)描述，星座圖中定義了一種調(diào)制技術(shù)的兩個(gè)基本參數(shù)：（1）信號(hào)分布；（2）與調(diào)制數(shù)字比特之間的映射關(guān)系。星座圖中規(guī)定了星座點(diǎn)與傳輸比特間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，這種關(guān)系稱為“映射”，一種調(diào)制技術(shù)的特性可由信號(hào)分布和映射完全定義，即可由星座圖來(lái)完全定義。四相相移調(diào)制是利用載波的四種不同相位差來(lái)表征輸入的數(shù)字信息，是四進(jìn)制移相鍵控。qpsk是在m=4時(shí)的調(diào)相技術(shù)，它規(guī)定了四種載波相位，分別為45°，135°，225°，315°，調(diào)制器輸入的數(shù)據(jù)是二進(jìn)制數(shù)字序列，為了能和四進(jìn)制的載波相位配合起來(lái)，則需要把二進(jìn)制數(shù)據(jù)變換為四進(jìn)制數(shù)據(jù)，這就是說(shuō)需要把二進(jìn)制數(shù)字序列中每?jī)蓚€(gè)比特分

11、成一組，共有四種組合，即00，01，10，11，其中每一組稱為雙比特碼元。每一個(gè)雙比特碼元是由兩位二進(jìn)制信息比特組成，它們分別代表四進(jìn)制四個(gè)符號(hào)中的一個(gè)符號(hào)。qpsk中每次調(diào)制可傳輸2個(gè)信息比特，這些信息比特是通過(guò)載波的四種相位來(lái)傳遞的。解調(diào)器根據(jù)星座圖及接收到的載波信號(hào)的相位來(lái)判斷發(fā)送端發(fā)送的信息比特。由qpsk信號(hào)的調(diào)制可知，對(duì)它的解調(diào)可以采用與2psk信號(hào)類似的解調(diào)方法進(jìn)行解調(diào)。解調(diào)原理圖如下所示，同相支路和正交支路分別采用相干解調(diào)方式解調(diào)，得到和，經(jīng)過(guò)抽樣判決和并/串交換器，將上下支路得到的并行數(shù)據(jù)恢復(fù)成串行數(shù)據(jù)。圖2-4 qpsk解調(diào)系統(tǒng)原理圖3、 matlab仿真結(jié)果3.1 qps

12、k的產(chǎn)生及加噪仿真 圖3-1 通過(guò)matlab產(chǎn)生兩路相互正交的2psk信號(hào)，信號(hào)疊加后的到合成序列，對(duì)合成序列進(jìn)行加噪處理。3.2 qpsk解調(diào)前后信號(hào)仿真圖3-23.3 qpsk碼元恢復(fù)然后相干解調(diào)中，正交路和同相路分別設(shè)置兩個(gè)相關(guān)器(或匹配濾波器)，得到i(t)和q(t)，經(jīng)電平判決和并一串變換后即可恢復(fù)原始信息。當(dāng)然，如果調(diào)制端是差分編碼的，那么解調(diào)中并串變換后還需一個(gè)差分解碼。假如已調(diào)信號(hào)分別為同相路和正交路，為載波頻率，那么相干解調(diào)后，同相路相乘可得 正交路為： 經(jīng)過(guò)低通濾波后，可得： 在完成通過(guò)濾波器之后，將碼元再通過(guò)并串轉(zhuǎn)換，就可以恢復(fù)出原始信號(hào)的碼元序列。圖3-33.4誤碼率

13、分析圖3-4有圖示可知，qpsk調(diào)制解調(diào)有比較低的誤碼率，所以因其抗干擾性能強(qiáng)、誤碼性能好、頻譜利用率高等優(yōu)點(diǎn),廣泛應(yīng)用于數(shù)字微波通信系統(tǒng)、數(shù)字衛(wèi)星通信系統(tǒng)、寬帶接入、移動(dòng)通信及有線電視系統(tǒng)之中。4、 程序清單clear allclose all t=-1:0.01:7-0.01;tt=length(t);x1=ones(1,800);for i=1:tt if (t(i)>=-1 & t(i)<=1) | (t(i)>=5& t(i)<=7); x1(i)=1; else x1(i)=-1; endend t1=0:0.01:8-0.01;t2=0:0

14、.01:7-0.01;t3=-1:0.01:7.1-0.01;t4=0:0.01:8.1-0.01; tt1=length(t1);x2=ones(1,800);for i=1:tt1 if (t1(i)>=0 & t1(i)<=2) | (t1(i)>=4& t1(i)<=8); x2(i)=1; else x2(i)=-1; endend f=0:0.1:1;xrc=0.5+0.5*cos(pi*f); y1=conv(x1,xrc)/5.5;y2=conv(x2,xrc)/5.5; n0=randn(size(t2); f1=1;i=x1.*cos

15、(2*pi*f1*t);q=x2.*sin(2*pi*f1*t1);i=i(101:800);q=q(1:700); qpsk=sqrt(1/2).*i+sqrt(1/2).*q;qpsk_n=(sqrt(1/2).*i+sqrt(1/2).*q)+n0; n1=randn(size(t2);i_rc=y1.*cos(2*pi*f1*t3);q_rc=y2.*sin(2*pi*f1*t4); i_rc=i_rc(101:800);q_rc=q_rc(1:700);qpsk_rc=(sqrt(1/2).*i_rc+sqrt(1/2).*q_rc);qpsk_rc_n1=qpsk_rc+n1; f

16、igure(1)subplot(4,1,1);plot(t3,i_rc);axis(-1 8 -1 1);ylabel('a序列');subplot(4,1,2);plot(t4,q_rc);axis(-1 8 -1 1);ylabel('b序列');subplot(4,1,3);plot(t2,qpsk_rc);axis(-1 8 -1 1);ylabel('合成序列');subplot(4,1,4);plot(t2,qpsk_rc_n1);axis(-1 8 -1 1);ylabel('加入噪聲');clear allclos

17、e all % 調(diào)制bit_in = randint(1e3, 1, 0 1); bit_i = bit_in(1:2:1e3);bit_q = bit_in(2:2:1e3); data_i = -2*bit_i+1;data_q = -2*bit_q+1; data_i1=repmat(data_i',20,1);data_q1=repmat(data_q',20,1); for i=1:1e4 data_i2(i)=data_i1(i); data_q2(i)=data_q1(i);end; f=0:0.1:1;xrc=0.5+0.5*cos(pi*f); data_i2

18、_rc=conv(data_i2,xrc)/5.5;data_q2_rc=conv(data_q2,xrc)/5.5; f1=1;t1=0:0.1:1e3+0.9; n0=rand(size(t1);i_rc=data_i2_rc.*cos(2*pi*f1*t1);q_rc=data_q2_rc.*sin(2*pi*f1*t1);qpsk_rc=(sqrt(1/2).*i_rc+sqrt(1/2).*q_rc);qpsk_rc_n0=qpsk_rc+n0; % 解調(diào)i_demo=qpsk_rc_n0.*cos(2*pi*f1*t1);q_demo=qpsk_rc_n0.*sin(2*pi*f1

19、*t1); % 低通濾波i_recover=conv(i_demo,xrc); q_recover=conv(q_demo,xrc); i=i_recover(11:10010);q=q_recover(11:10010);t2=0:0.05:1e3-0.05;t3=0:0.1:1e3-0.1; % 抽樣判決data_recover=;for i=1:20:10000 data_recover=data_recover i(i:1:i+19) q(i:1:i+19);end; bit_recover=;for i=1:20:20000 if sum(data_recover(i:i+19)&g

20、t;0 data_recover_a(i:i+19)=1; bit_recover=bit_recover 1; else data_recover_a(i:i+19)=-1; bit_recover=bit_recover -1; endend error=0;dd = -2*bit_in+1;ddd=dd'ddd1=repmat(ddd,20,1);for i=1:2e4 ddd2(i)=ddd1(i);endfor i=1:1e3 if bit_recover(i)=ddd(i) error=error+1; endend p=error/1000; figure(1)subpl

21、ot(2,1,1);plot(t2,ddd2);axis(0 100 -2 2);title('原序列');subplot(2,1,2);plot(t2,data_recover_a);axis(0 100 -2 2);title('解調(diào)后序列');clear allclose all % 調(diào)制bit_in = randint(1e3, 1, 0 1);bit_i = bit_in(1:2:1e3);bit_q = bit_in(2:2:1e3); data_i = -2*bit_i+1;data_q = -2*bit_q+1; data_i1=repmat(d

22、ata_i',20,1);data_q1=repmat(data_q',20,1);for i=1:1e4 data_i2(i)=data_i1(i); data_q2(i)=data_q1(i);end;t=0:0.1:1e3-0.1;f=0:0.1:1;xrc=0.5+0.5*cos(pi*f); data_i2_rc=conv(data_i2,xrc)/5.5;data_q2_rc=conv(data_q2,xrc)/5.5;f1=1;t1=0:0.1:1e3+0.9; i_rc=data_i2_rc.*cos(2*pi*f1*t1);q_rc=data_q2_rc.*s

23、in(2*pi*f1*t1);qpsk_rc=(sqrt(1/2).*i_rc+sqrt(1/2).*q_rc); % 解調(diào)i_demo=qpsk_rc.*cos(2*pi*f1*t1);q_demo=qpsk_rc.*sin(2*pi*f1*t1);i_recover=conv(i_demo,xrc);q_recover=conv(q_demo,xrc);i=i_recover(11:10010);q=q_recover(11:10010);t2=0:0.05:1e3-0.05;t3=0:0.1:1e3-0.1; data_recover=;for i=1:20:10000 data_rec

24、over=data_recover i(i:1:i+19) q(i:1:i+19);end; ddd = -2*bit_in+1;ddd1=repmat(ddd',10,1);for i=1:1e4 ddd2(i)=ddd1(i);end figure(1)subplot(4,1,1);plot(t3,i);axis(0 20 -6 6);subplot(4,1,2);plot(t3,q);axis(0 20 -6 6);subplot(4,1,3);plot(t2,data_recover);axis(0 20 -6 6);subplot(4,1,4);plot(t,ddd2);axis(0 20 -