QPSK調(diào)制與解調(diào)系統(tǒng)的MATLAB實現(xiàn)

1、QPSK調(diào)制與解調(diào)系統(tǒng)的MATLAB實現(xiàn)及性能分析摘要：QPSK是英文QuadraturePhaseShiftKeying的縮略語簡稱，意為正交相移鍵控，是一種數(shù)字調(diào)制方式。四相相移鍵控信號簡稱“QPSK”。在現(xiàn)代通信系統(tǒng)中，調(diào)制與解調(diào)是必不可少的重要手段。所謂調(diào)制，就是把信號轉換成適合在信道中傳輸?shù)男问降囊环N過程。解調(diào)則是調(diào)制的相反過程，而從已調(diào)制信號中恢復出原信號。本課程設計主要介紹通過進行QPSK調(diào)制解調(diào)的基帶仿真，對實現(xiàn)中影響該系統(tǒng)性能的幾個重要問題進行了研究。針對QPSK的特點，調(diào)制前后發(fā)生的變化，加上噪聲后波形出現(xiàn)的各種變化，通過星座圖、眼圖、波形圖等來觀察。程序設計與仿真均采用M

2、ATLAB集成環(huán)境下的Simulink仿真平臺，最后仿真詳單與理論分析一致。 1 引言本課程設計主要是學會運用MATLAB中的Simulink來實現(xiàn)數(shù)字基帶信號的模擬傳輸。在知道其傳輸原理的情況下，將仿真電路到Simulink之中。并且對正交振幅調(diào)制、解調(diào)過程的頻譜和波形的分析，同時在無噪聲和有噪聲的進行分析，加入高斯白噪聲，瑞利噪聲，萊斯噪聲分析調(diào)制解調(diào)后的頻譜、波形，觀察其誤碼率。1.1課程設計的目的通過本課程的學習我們不僅能加深理解和鞏固理論課上所學的有關QPSK調(diào)制與解調(diào)的基本概念、基本理論和基本方法，而且能鍛煉我們分析問題和解決問題的能力；同時對我們獨立工作的習慣和科學素質(zhì)進行培養(yǎng)，

3、為今后參加科學工作打下良好的基礎。1.2課程設計的內(nèi)容利用MATLAB集成環(huán)境下的Simulink仿真平臺,設計一個QPSK調(diào)制與解調(diào)系統(tǒng).用示波器觀察調(diào)制前后的信號波形;用頻譜分析模塊觀察調(diào)制前后信號頻譜的變化;加上各種噪聲源,用誤碼測試模塊測量誤碼率;最后根據(jù)運行結果和波形來分析該系統(tǒng)性能。1.3課程設計的要求1）熟悉MATLAB環(huán)境下的Simulink仿真平臺，熟悉QPSK系統(tǒng)的調(diào)制解調(diào)原理，構建QPSK調(diào)制解調(diào)電路圖.2）用示波器觀察調(diào)制前后的信號波形，用頻譜分析模塊觀察調(diào)制前后信號的頻譜的變化。并觀察解調(diào)前后頻譜有何變化以加深對該信號調(diào)制解調(diào)原理的理解。3）在調(diào)制與解調(diào)電路間加上各種

4、噪聲源，用誤碼測試模塊測量誤碼率,并給出仿真波形，改變信噪比并比較解調(diào)后波形，分析噪聲對系統(tǒng)造成的影響。 4）在老師的指導下，要求獨立完成課程設計的全部內(nèi)容。2 設計原理2.1 MPSK的介紹MPSK即多進制相移鍵控，又稱為多相制。這種鍵控方式是多進制鍵控的主要方式。在M進制的相移鍵控信號，用M個相位不同的載波分別代表M個不同的符號。如果載波有2n個相位，它可以代表n位二進制碼元的的不同組合的碼組。多進制相移鍵控也分為多進制絕對相移鍵控和多進制相對相移鍵控。在MPSK信號中，載波相位有M種可能取值，qn=2n/M(n=1,2,M)。因此MPSK信號可表示為S(t) = cos(0t+n) =

5、cos (0t+2n/M)若載波頻率是基帶信號速率的整數(shù)倍，則上式可改寫為S(t)=g(t-nTs)cos(0t+n)=cos0tg(t-nTs)cosn-sin0tg(t-nT)sinn式中g(t)是高度為1、寬度為Ts的矩形脈沖。式中表明，MPSK信號可等效為兩個正交載波的MASK信號之和。所以，MPSK信號的帶寬和MASK信號的帶寬相同。因此，MPSK系統(tǒng)是一種高效率的信息傳輸方式。但是，當M的取值增加時，載波間的相位差也隨之減少，這就使它的抗噪聲性能變差。2.2 8PSK的原理在八相調(diào)相中，把載波相位的一個周期0-2等分成8種相位，已調(diào)波相鄰相位之差為2/8=/4。二進制信碼的三比碼組

6、成一個八進制碼元，并與一個已調(diào)波的相位對應。所以在調(diào)制時必須將二進制的基帶串行碼流經(jīng)過串/并變換，變?yōu)槿忍卮a元，然后進行調(diào)相。三比特碼元的組合不同，對應的已調(diào)波的相位就不同。8PSK信號可用正交調(diào)制法產(chǎn)生，方法如圖2.1所示。輸入的二進制信息序列經(jīng)串/并變換后，分為三路并行序列BAC，每一組并行的BAC稱為三比特碼元。每路的碼元速率是輸入數(shù)據(jù)速率的1/3。A和C送入同相支路的2/4電平變換器，輸出的電平幅度值為ak;B和C送入正交支路的2/4電平變換器，輸出的電平幅度值為bk。將ak和bk這兩個幅度不同而相互正交的矢量合成后就能得到8PSK信號。在圖2.1中，A用于決定同相支路信號的極性（A

7、為“1”碼時，ak為正；A為“0”碼時，ak為負）。B用于決定正交支路信號的極性（B為“1”碼時，bk為正；B為“0”碼時，bk為負）。C則用于確定同相支路和正交支路信號的幅度（C為“1”碼時，|ak|>|bk|；C為“0”碼時，|ak|<|bk|）。串/并變換2/4電平變換2/4電平變換倒相移相/2二進制信息序列ACBQ（t）I(t)cos0tsin0takbk8PSK圖2.1 正交調(diào)制法產(chǎn)生8PSK信號方框圖8PSK絕對移相調(diào)制利用載波的8種不同相位來表征數(shù)字信息。它把輸入的二進制信號序列經(jīng)過串并變換每次把一個3 位的碼組映射為一個符號的相位，因此符號率為比特率的1 / 3，它

8、們與載波相位的映射關系如圖2.2所示圖2.2 位信息比特到8PSK符號的映射關系圖系統(tǒng)根據(jù)映射后的相位，計算出I ,Q兩路的數(shù)值，經(jīng)過成形濾波，送入信道傳輸。在接收端，首先經(jīng)過匹配濾波濾除帶外噪聲和干擾，然后經(jīng)過抽樣相位判決，相位解碼，并串變換，恢復出原始的數(shù)據(jù)流。整個8PSK調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)的基帶仿真框圖如下圖2.3所示串并變換相位編碼形成濾波信道并串編碼相位解碼匹配濾波抽樣相位判 決輸入數(shù)據(jù)恢復數(shù)據(jù)流圖2.3 8PSK的調(diào)制解調(diào)原理圖由于8PSK存在相位模糊問題，因此可采用差分編碼技術，將3 位碼組映射的相位值作為實際相位的增加量；在接收端，抽樣判決后的相位值也須先經(jīng)過相應的差分解碼，恢復出原

9、始相位值，之后再進行相位解碼和并串轉換就可恢復出原始數(shù)據(jù)流。采用這樣的帶差分編碼的8PSK（即D8PSK.）就可解決相位模糊的問題.3 模塊設計與仿真圖形分析3.1 8PSK的調(diào)制解調(diào)基本原理圖熟悉SIMULINK的調(diào)制與解調(diào)原理，初步設置了8PSK基本原理圖，由數(shù)字源隨機整數(shù)產(chǎn)生器（Random Integer Generator）輸出具有均勻分布的隨機整數(shù)。此時通過了一個轉換器，形成了基帶信號與調(diào)制信號的波形比較，以計算延遲，同時觀察調(diào)制與解調(diào)的星座圖。圖3.1 8PSK原理圖原理圖中各模塊的參數(shù)設置如下：圖3.2 8PSK的基帶信號參數(shù)設置圖 3.3 調(diào)制器的參數(shù)設置圖3.4 解調(diào)器的參

10、數(shù)設置圖3.5 Buffer 的參數(shù)設置圖3.6 Eye Diagram Scopel的參數(shù)設置圖3.7 Error Rate Calulation的參數(shù)設置圖3.8 Display的參數(shù)設置在此仿真圖中，有兩個眼圖的比較，如下所示：圖3.9 調(diào)制端的眼圖圖3.10 解調(diào)端的眼圖根據(jù)各眼圖模塊可以看出：數(shù)字源輸出眼圖與調(diào)制解調(diào)完了之后的眼圖是一致的，符合要求，并且和調(diào)制后的眼圖作比較可以看出其調(diào)制解調(diào)過程。圖3.11 基帶信號與調(diào)制信號的波形比較圖3.12 無噪聲的誤碼率從圖中可以看出，此調(diào)制解調(diào)在沒有加入噪聲的情況下沒有誤碼率，沒有延遲，誤碼率為0，符合要求，性能良好。3.2 8PSK 的無

11、噪聲simulink實現(xiàn)原理圖 對該信道進行了改良，加入Square root模塊，目的是為了使系統(tǒng)性能得到提高，由于加入了Square root模塊，信號有了改變，對信道有了一定的影響，所以我們引入了變數(shù)部分的時延，因此輸入了2.66的延時。后面再加上相位頻率偏移，這樣的調(diào)制比較適合在高斯信道中傳輸，減少噪聲對信號的影響，在經(jīng)過Square root后回復信號找回原來的濾波信號，再通過解調(diào)，就得到了原信號。在此原理圖中我們從調(diào)制端引出（Goto）了一個信號，然后在輸入（From）解調(diào)端。圖3.13 原理圖中的參數(shù)設置圖中的模塊的參數(shù)設置如下：圖3.14 基帶信號的參數(shù)設置圖3.15 Squa

12、re root的參數(shù)設置圖3.16 Variable Fractional Delay 的參數(shù)設置圖3.17 Phase Frequency Offset的參數(shù)設置圖3.18 高斯信道的參數(shù)設置圖3.19 Squaring Timing Recovery 的參數(shù)設置圖3.20 M-PSK Phase Recovery的參數(shù)設置圖3.21 Error Rate Calculation 的參數(shù)設置圖3.22 Display 的參數(shù)設置圖3.23 Carrier Phase Estimate 的參數(shù)設置圖3.24 Delay Estimate 的參數(shù)設置圖3.25 Selector 的參數(shù)設置圖3.

13、26 Goto 的參數(shù)設置圖3.27 From 的參數(shù)設置圖3.28 Discrete-Time Eye Diagram Scope 的參數(shù)設置圖3.29 Discrete-Time Scatter Plot Scope 的參數(shù)設置將調(diào)制和解調(diào)端引出離散時間發(fā)散圖，得出以下圖形：圖3.30 調(diào)制端形成濾波后的信號的離散時間發(fā)散圖圖3.31 解調(diào)端匹配濾波信號后的離散時間發(fā)散圖圖3.32 基帶信號的眼圖圖3.33 解調(diào)信號的眼圖圖3.34 無噪聲的8PSK的誤碼率通過調(diào)制眼圖和解調(diào)眼圖以及誤碼率我們可以看出，眼圖是一樣的，誤碼率為0。這個調(diào)制解調(diào)的性能良好。3.3 8PSK的有噪聲調(diào)制解調(diào)和基本

14、的調(diào)制解調(diào)相比，此電路圖上多了高斯噪聲模塊（Gaussian Noise Generator），一個離散時間發(fā)散圖（Discrete-Time Scatter Plot Scope）以觀察被噪聲影響后的離散時間發(fā)散圖。圖3.35 加高斯噪聲的原理圖圖3.36 高斯噪聲的參數(shù)設置圖3.37 基帶信號的參數(shù)設置圖3.38 調(diào)制器的參數(shù)設置圖3.39 解調(diào)器的參數(shù)設置圖3.40 加高斯噪聲的誤碼率加入高斯噪聲后，誤碼率就出現(xiàn)了。以下是加入高斯噪聲后的離散時間發(fā)散圖，可以看出，高斯噪聲對信道的影響。圖3.41 加高斯噪聲的離散時間發(fā)散圖圖3.42 加高斯噪聲的調(diào)制端眼圖圖3.43 加高斯噪聲解調(diào)端的眼

15、圖從眼圖的比較可以看出，高斯噪聲對解調(diào)后的信號有一定的影響，但是信號的大體圖形沒有變化。圖3.44 加高斯噪聲的基帶信與解調(diào)信號的波形比較從波形圖可以看出，這種8PSK的調(diào)制解調(diào)的方法只有誤碼率，沒有延遲，因此延遲比較器的設置如下：圖3.45 延遲比較器的參數(shù)設置4 結束語這次的課程設計是在MATLAB的SIMULINK環(huán)境下仿真實現(xiàn)8PSK的調(diào)試與解調(diào)，剛開始是沒有完全理解8PSK的的原理，以至于多走了很多的彎路，后來又因為沒能正確的使用示波器而導致出現(xiàn)了很多的錯誤，后來加如噪聲后，更是有很多的錯誤出現(xiàn)了，誤碼率也很大，星座圖也跳躍不停。通過出現(xiàn)的問題，我看到了自己的不足，也學會了SIMUL

16、INK模塊的運用，更重要的是了解了多進制的調(diào)制與解調(diào)原理，通過課程設計來鞏固本學期的通信原理與數(shù)字信號的專業(yè)知識內(nèi)容，同時也運用理論知識與實際電路的設計相結合了起來，通過綜合分析，找出了自己學習過程中的不足，為今后的學習提供實踐依據(jù)，打下了基礎。這次實習是運用MATLAB中的SIMULINK仿真出8PSK的調(diào)制與解調(diào)，這是多進制的調(diào)制與解調(diào)，我開始沒能完全理解多進制的調(diào)制與解調(diào)，錯誤的使用了二進制的方式去調(diào)制與解調(diào)，輸入了二進制的正弦波，也使用了只能顯示二進制的示波器，導致實驗過程中一直都有錯，沒能正確的運行，再一次次的失敗后，仍然找不到出錯點在哪。后來老師來給我講解了多進制的原理后，我明白了原來自己的專業(yè)知識不夠扎實，原理沒有理解透再接下來就是如何正確的調(diào)制了，由于沒有波形，我一直沒能正確的算出延時，導致誤碼率的居高不下，后來經(jīng)老師提點，知道了，其實可以將多進制進行轉換，轉換為二進制的方式在示波器上顯示，于是，我使用了一個轉換器，成功的顯示了多進制的波形。在此次課程設計中，我掌握了SIMULINK軟件的使用，雖然不是很熟悉，但是，以后我將