基于MATLAB的QPSK調(diào)制系統(tǒng)的誤碼能研究.doc

專業(yè)課程設(shè)計報告 題 目： 專業(yè)課程設(shè)計 姓 名：專 業(yè)：基于MATLAB的QPSK調(diào)制系統(tǒng)的誤碼性能研究班級學(xué)號：12042243同 組 人 ：指導(dǎo)教師：宋高俊 南昌航空大學(xué)信息工程學(xué)院20 15 年 7月 3 日 專業(yè) 課程設(shè)計任務(wù)書20 1420 15 學(xué)年 第 2 學(xué)期第 16 周 18 周 題目基于MATLAB的QPSK調(diào)制系統(tǒng)的誤碼性能研究內(nèi)容及要求基本要求理解和掌握BPSK、QPSK的調(diào)制與解調(diào)原理，掌握MATLAB的編程方法，用仿真的方法（基于MATLAB）研究BPSK和QPSK系統(tǒng)的符號錯誤率并作圖，研究仿真實驗次數(shù)與結(jié)果精確度的關(guān)系，完成課程設(shè)計報告。進(jìn)度安排2015.6.15-2015.6.21：查閱資料，方案分析與設(shè)計；2015.6.22-2015.6.28：在MATLAB平臺下完成仿真實驗；2015.6.29-2015.7.3：完成課程設(shè)計報告。學(xué)生姓名：指導(dǎo)時間：第16-18周指導(dǎo)地點： E610任務(wù)下達(dá)2015 年6月15日任務(wù)完成2015年7月3日考核方式1.評閱 2.答辯 3.實際操作 4.其它指導(dǎo)教師宋高俊系（部）主任注：1、此表一組一表二份，課程設(shè)計小組組長一份；任課教師授課時自帶一份備查。2、 課程設(shè)計結(jié)束后與“課程設(shè)計小結(jié)”、“學(xué)生成績單”一并交院教務(wù)存檔。摘 要QPSK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。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。調(diào)制就是把信號轉(zhuǎn)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(fù)出原信號。QPSK技術(shù)具有抗干擾能力好、誤碼率低、頻譜利用效率高等一系列優(yōu)點。本設(shè)計主要介紹了BPSK、QPSK的調(diào)制與解調(diào)原理，以及比較BPSK和QPSK系統(tǒng)的符號錯誤率，利用Matlab對QPSK、BPSK系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)制解調(diào)仿真，在Matlab中的AWGN信道中研究它們誤碼性能?！娟P(guān)鍵詞】正交相移鍵控；調(diào)制解調(diào)；Matlab；誤碼性能目 錄第一章 課程設(shè)計內(nèi)容介紹11.1 實驗?zāi)康暮鸵饬x11.2實驗內(nèi)容11.3 MATLAB以及MATLAB下的Simulink簡介11.4 通信系統(tǒng)模型2第二章 MPSK調(diào)制解調(diào)原理32.1 QPSK、BPSK基本原理介紹32.2 QPSK調(diào)制原理32.3 QPSK解調(diào)原理42.4 BPSK調(diào)制原理52.5 BPSK調(diào)制原理7第三章 MPSK系統(tǒng)調(diào)制解調(diào)仿真結(jié)果與分析93.1 QPSK仿真原理框圖93.2 QPSK調(diào)制解調(diào)仿真結(jié)果與分析103.3 BPSK仿真原理框圖113.4 BPSK調(diào)制解調(diào)仿真結(jié)果與分析11第三章 MPSK誤碼性能研究134.1 QPSK和BPSK誤碼性能比較并分析134.1.1在AWGN信道中BPSK的誤碼性能134.1.2 在AWGN信道中QPSK的誤碼性能134.1.3 在AWGN信道中QPSK和BPSK的誤碼性能比較144.2研究QPSK仿真實驗次數(shù)與結(jié)果精確度的關(guān)系14第四章 實驗總結(jié)17參考文獻(xiàn)1816第一章 課程設(shè)計內(nèi)容介紹1.1 實驗?zāi)康暮鸵饬x1、理解和掌握BPSK、QPSK的調(diào)制解調(diào)原理，并完成BPSK、QPSK調(diào)制仿真實驗。2、產(chǎn)生加性高斯白噪聲，畫出時域波形及頻譜，將加性高斯白噪聲作為傳輸信道的干擾。3、完成BPSK、QPSK解調(diào)，輸出解碼序列，畫出信號經(jīng)過乘法器，低通濾波器后的波形。4、計算高斯白噪聲的系統(tǒng)下信噪比、傳輸誤碼率，并畫出系統(tǒng)信噪比，傳輸誤碼率的曲線。5、意義：在通信和信息傳輸系統(tǒng)、工業(yè)自動化或電子工程技術(shù)中，調(diào)制和解調(diào)應(yīng)用最為廣泛。1.2實驗內(nèi)容1、理解和掌握BPSK、QPSK的調(diào)制與解調(diào)原理。2、掌握MATLAB的編程方法。3、用仿真的方法（基于MATLAB）研究BPSK和QPSK系統(tǒng)的符號錯誤率并作圖。4、研究仿真實驗次數(shù)與結(jié)果精確度的關(guān)系。5、完成課程設(shè)計報告。1.3 MATLAB以及MATLAB下的Simulink簡介MATLAB是MATrix LABoratory的縮寫，是一款由美國Math Works公司出品的商業(yè)數(shù)學(xué)軟件。MATLAB 是一種用于算法開發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值計算的高級技術(shù)計算語言和交互式環(huán)境。除了矩陣運算、繪制函數(shù)/數(shù)據(jù)圖像等常用功能外，MATLAB還可以用來創(chuàng)建用戶界面及與調(diào)用其它語言(包括C，C+和FORTRAN)編寫的程序。盡管MATLAB主要用于數(shù)值計算,但是因為大量額的工具箱使它也適合于不同領(lǐng)域的應(yīng)用,如控制系統(tǒng)設(shè)計與分析、圖像處理和信號處理和通信、金融建模和分析等。除了一個完整的Simulink包,提供了一個可視化的開發(fā)環(huán)境,通常用于系統(tǒng)仿真、動態(tài)/嵌入式系統(tǒng)開發(fā)等。Simulink是MATLAB最重要的組件之一，它提供一個動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和綜合分析的集成環(huán)境。在該環(huán)境中只要通過簡單的鼠標(biāo)操作，就可以構(gòu)造出復(fù)雜的系統(tǒng)。Simulink提供了一個建立模型方塊圖的圖形用戶接口，這個創(chuàng)建過程只需單擊和拖動鼠標(biāo)操作就能完成，它提供了一種更快捷、直接明了的方式，而且用戶可以立即看到系統(tǒng)的仿真結(jié)果。Simulink具有適應(yīng)面廣、結(jié)構(gòu)和流程清晰及仿真精細(xì)、效率高、貼近實際、等優(yōu)點，基于以上優(yōu)點Simulink已被廣泛應(yīng)用于控制理論和數(shù)字信號處理的復(fù)雜仿真和設(shè)計。同時有大量的第三方軟件和硬件應(yīng)用于Simulink。1.4 通信系統(tǒng)模型通信系統(tǒng)是利用信號源的信號來傳遞消息，其模型如圖1.4所示。圖1.4 通信系統(tǒng)模型第二章 MPSK調(diào)制解調(diào)原理2.1 QPSK、BPSK基本原理介紹MPSK是多進(jìn)制數(shù)字相位調(diào)制，又稱多相制，是二相制的推廣。如果將載波的相位進(jìn)一步細(xì)分，分成m個不同的相位，一般m=2N，N是正整數(shù)。常見的有m=2，4，8，16，32，分別稱,2PSK、4PSK、8PSK等。這樣，每個具有特定相位的載波就代表N比特的信息量。QPSK是在MPSK技術(shù)上使用載波的四個各不相同的相位差來表示輸入的信息，是具有四進(jìn)制的相移鍵控。QPSK是在M=4時的數(shù)字的調(diào)相技術(shù)，它通過約定的四種載波相位，分別為45，135，225，275，輸入數(shù)據(jù)為二進(jìn)制的數(shù)字序列，因為載波相位是四進(jìn)制的，所以我們需要把二進(jìn)制的數(shù)據(jù)變?yōu)樗倪M(jìn)制的，即把二進(jìn)制序列中每兩個比特分成一組，四種排列組合，即00，01，10，11，雙比特碼元即為一組。每兩位二進(jìn)制信息比特構(gòu)成每一組，它們分別表示著著四個符號中的某一個符號。QPSK中每次調(diào)制可傳輸2個信息比特，這些信息比特是通過載波的四種相位來傳遞的。解調(diào)器根據(jù)星座圖及接收到的載波信號的相位來判斷發(fā)送端發(fā)送的信息比特。BPSK是在M=2時的數(shù)字的調(diào)相技術(shù)，它通過約定的兩種載波相位，分別為0和180，它是將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)值的轉(zhuǎn)換方式之一，利用偏離相位的復(fù)數(shù)波浪組合來表現(xiàn)信息鍵控移相方式。BPSK使用了基準(zhǔn)的正弦波和相位反轉(zhuǎn)的波浪，使一方為0，另一方為1，從而可以同時傳送接受2值(1比特)的信息。2.2 QPSK調(diào)制原理首先將輸入的串行二進(jìn)制信息序列經(jīng)串并變換，變成m=log2M個并行數(shù)據(jù)流，每一路的數(shù)據(jù)率是R/m，R是串行輸入碼的數(shù)據(jù)率。I/Q信號發(fā)生器將每一個m比特的字節(jié)轉(zhuǎn)換成一對（pn，qn）數(shù)字，分成兩路速率減半的序列，電平發(fā)生器分別產(chǎn)生雙極性二電平信號I(t)和Q(t)，然后對coswct和sinwct進(jìn)行調(diào)制，相加后即得到QPSK信號。圖2.2.1 QPSK調(diào)制原理框圖圖2.2.2 QPSK調(diào)制信號的矢量圖2.3 QPSK解調(diào)原理由于QPSK信號可以看作兩個正交2PSK信號的疊加，解調(diào)框圖如圖2.3，用相干解調(diào)方法，即用兩路正交的相干載波，可以很容易的分離出這兩路正交的2PSK信號。解調(diào)后的兩路基帶信號碼元a和b，經(jīng)過并串變換后，成為串行輸出。圖2.3 QPSK相干解調(diào)原理框圖2.4 BPSK調(diào)制原理BPSK是兩個頻率相同的載波同時開始振蕩，這兩個頻率同時達(dá)到正最大值，同時達(dá)到零值，同時達(dá)到負(fù)最大值，它們應(yīng)處于同相狀態(tài)；如果其中一個開始得遲了一點，就可能不相同了。如果一個達(dá)到正最大值時，另一個達(dá)到負(fù)最大值，則稱為反相。一般把信號振蕩一次（一周）作為360度。如果一個波比另一個波相差半個周期，我們說兩個波的相位差180度，也就是反相。當(dāng)傳輸數(shù)字信號時，1碼控制發(fā)0度相位，0碼控制發(fā)180度相位。載波的初始相位就有了移動，也就帶上了信息。相移鍵控是利用載波的相位變化來傳遞數(shù)字信息，而振幅和頻率保持不變。在2PSK中，通常用初始相位0和分別表示二進(jìn)制“1”和“0”。因此，2PSK信號的時域表達(dá)式為 （1）式中，jn表示第n個符號的絕對相位： （2）因此，上式可以改寫為 （3）由于兩種碼元的波形相同，極性相反，故BPSK信號可以表述為一個雙極性全占空矩形脈沖序列與一個正弦載波的相乘： （4）式中 （5）這里s(t)為雙極性全占空(非歸零)矩形脈沖序列，g(t)是脈寬為Ts的單個矩形脈沖，而an的統(tǒng)計特性為 （6）開關(guān)電路S(t)e2psk(t)1800移相coswctp0BPSK信號的調(diào)制原理框圖如圖2-2所示。與2ASK信號的產(chǎn)生方法相比較，只是對是S(t)的要求不同。在2ASK中S(t)是單極性的，而在BPSK中S(t)是雙極性的基帶信號。圖2.4 BPSK調(diào)制原理框圖2.5 BPSK調(diào)制原理BPSK信號的解調(diào)方法是相干解調(diào)法。由于PSK信號本身就是利用相位傳遞信息的，所以在接收端必須利用信號的相位信息來解調(diào)信號。下圖2.5.1中給出了一種2PSK信號相干接收設(shè)備的原理框圖。圖中經(jīng)過帶通濾波的信號在相乘器中與本地載波相乘，然后用低通濾波器濾除高頻分量，在進(jìn)行抽樣判決。判決器是按極性來判決的。即正抽樣值判為1，負(fù)抽樣值判為0。Ts1010 tb1 tt ttt11100adecCoswct be2psk(t)e輸出dca帶通濾波器相乘器低通濾波器抽樣判決器定時脈沖圖2.5.1 BPSK解調(diào)原理框圖圖2.5.2 BPSK解調(diào)原理過程波形圖波形圖中，假設(shè)相干載波的基準(zhǔn)相位與BPSK信號的調(diào)制載波的基準(zhǔn)相位一致（通常默認(rèn)為0相位）。但是，由于在BPSK信號的載波恢復(fù)過程中存在著的相位模糊，即恢復(fù)的本地載波與所需的相干載波可能同相，也可能反相，這種相位關(guān)系的不確定性將會造成解調(diào)出的數(shù)字基帶信號與發(fā)送的數(shù)字基帶信號正好相反，即“1”變?yōu)椤?”，“0”變?yōu)椤?”，判決器輸出數(shù)字信號全部出錯。這種現(xiàn)象稱為BPSK 方式的“倒現(xiàn)象”或“反相工作”。這導(dǎo)致了BPSK方式在實際中很少采用。另外，在隨機(jī)信號碼元序列中，信號波形有可能出現(xiàn)長時間連續(xù)的正弦波形，致使在接收端無法辨認(rèn)信號碼元的起止時刻。為了克服BPSK這一缺點，在實際使用中常采用DPSK，即差分相移鍵控。第三章 MPSK系統(tǒng)調(diào)制解調(diào)仿真結(jié)果與分析3.1 QPSK仿真原理框圖圖3.1.1 QPSK調(diào)制原理框圖2（t） 正交信道 門限0圖3.1.2 QPSK解調(diào)原理框圖3.2 QPSK調(diào)制解調(diào)仿真結(jié)果與分析圖3.2.1 QPSK調(diào)制解調(diào)仿真結(jié)果實驗結(jié)果分析：如圖上結(jié)果顯示，完成了QPSK信號在理想信道上的調(diào)制，傳輸，解調(diào)的過程，由于調(diào)制過程中加進(jìn)了載波，因此調(diào)制信號的功率譜密度會發(fā)生變化。并且可以看出調(diào)制解調(diào)的結(jié)果沒有誤碼。圖3.2.2 QPSK調(diào)制解調(diào)仿真結(jié)果實驗結(jié)果分析：由上圖可知，在高斯噪聲的影響下，調(diào)制信號的波形發(fā)生了明顯的變化，其功率譜密度函數(shù)相對于圖1中的調(diào)制信號的功率譜密度只發(fā)生了微小的變化，原因在于高斯噪聲是一個均值為0的白噪聲，在各個頻率上其功率是均勻的，因此此結(jié)果是真確的。星座圖反映可接收信號早高斯噪聲的影響下發(fā)生了誤碼，但是大部分還是保持了原來的特性。 3.3 BPSK仿真原理框圖圖3.3 BPSK調(diào)制解調(diào)原理框圖3.4 BPSK調(diào)制解調(diào)仿真結(jié)果與分析 圖3.4 BPSK調(diào)制解調(diào)仿真結(jié)果實驗結(jié)果分析：在實際傳輸中，我們需要傳輸?shù)木褪嵌M(jìn)制基帶信號。因此通過隨機(jī)函數(shù)隨機(jī)產(chǎn)生八位二進(jìn)制比特流，即基帶信號。實際通信中不少信道都不能直接傳送基帶信號，必須用基帶信號對載波波形的某些參量進(jìn)行控制，使載波的這些參量隨基帶信號的變化而變化。由于移相鍵控（PSK）相對于振幅鍵控（ASK）和頻移鍵控（FSK）來說，具有抗加性高斯白噪聲能力強(qiáng)，頻帶利用率高，對信道變化不明感，性能好的優(yōu)點，因此采用BPSK對基帶信號進(jìn)行調(diào)制。通過相干解調(diào)和低通濾波器后的信號，在抽樣判決后，原則上能恢復(fù)成系統(tǒng)發(fā)送的二進(jìn)制基帶信號。但是在實際的解調(diào)和調(diào)制的過程中，BPSK系統(tǒng)往往會出現(xiàn)“倒相”，因此在抽樣判決的時候需要注意這個問題。為了解決這個問題，現(xiàn)在在實際應(yīng)用中大多數(shù)都采用二進(jìn)制差分相移鍵控（2DPSk）。第三章 MPSK誤碼性能研究4.1 QPSK和BPSK誤碼性能比較并分析4.1.1在AWGN信道中BPSK的誤碼性能圖4.1.1 BPSK的誤碼性能仿真實驗結(jié)果分析：由前面的調(diào)制解調(diào)原理，利用Matlab，對理論進(jìn)行研究。并將理論值與仿真值進(jìn)行對比，分析數(shù)學(xué)理想模型建立的合理性，首先由MATLAB程序產(chǎn)生信號源，再模擬AWGN平坦衰落信道中疊加加性高斯白噪聲，在接收端對接收信號進(jìn)行檢測與估值，并對信號進(jìn)行判決恢復(fù)原始信號。由上圖可知，仿真比特誤碼率和理論比特誤碼率大部分符合的非常好，兩者幾乎沒有什么差別，隨之噪比逐漸增大，誤碼率也隨之逐漸減小，由此說明該仿真模型建立得比較理想。4.1.2 在AWGN信道中QPSK的誤碼性能圖4.1.2 BPSK的誤碼性能仿真實驗結(jié)果分析：同樣在類似于QPSK誤碼性能仿真的基礎(chǔ)平臺下，觀察BPSK的誤碼性能。從上圖可知，仿真比特誤碼率和理論比特誤碼率非常接近，不管是在信噪比較低的情況下，還是信噪比較高的情況下，兩者都符合得很好，隨著信噪比逐漸加大，誤碼率也越來越小，越來越向好的方向發(fā)展。4.1.3 在AWGN信道中QPSK和BPSK的誤碼性能比較圖4.1.3 QPSK和BPSK的誤碼性能比較實驗結(jié)果分析：由圖可以看出BFSK和QPSK調(diào)制方式的碼元符號誤碼率在高斯信道下相差不大，在相同信噪比下，BPSK誤碼性能始終比QPSK較好。兩者在仿真系統(tǒng)下，理論值與實際值契合得比較理想，共同點是隨著信噪比逐漸增大，Pe實際值迅速減小，實現(xiàn)起來性能十分優(yōu)越。因此相對BPSK和QPSK而言，在選擇對誤碼性能要求較高的系統(tǒng)時，選擇BPSK較合適，它的誤碼率較低。4.2研究QPSK仿真實驗次數(shù)與結(jié)果精確度的關(guān)系圖4.2.1 QPSK仿真實驗次數(shù)N取10圖4.2.2 QPSK仿真實驗次數(shù)N取100圖4.2.3 QPSK仿真實驗次數(shù)N取100000圖4.2.3 QPSK仿真實驗次數(shù)N取10000000實驗結(jié)果分析：由上四幅仿真圖可知，當(dāng)實驗次數(shù)N值較小時，實際仿真誤碼率在理想誤碼率曲線上下抖動得，兩者偏差較大。當(dāng)實驗次數(shù)N值逐漸增大時，實際仿真誤碼率逐漸逼近理想誤碼率曲線，偏差概率減小。當(dāng)實驗次數(shù)N值取足夠大時，實際仿真誤碼率幾乎與理想誤碼率曲線重合。由此分析可得：研究QPSK仿真實驗次數(shù)與結(jié)果精確度的關(guān)系是一個龐大統(tǒng)計實驗，實驗仿真次數(shù)N越大，仿真誤差就越小，得到