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

專(zhuān)業(yè)課程設(shè)計(jì)報(bào)告 題 目： 專(zhuān)業(yè)課程設(shè)計(jì) 姓 名：專(zhuān) 業(yè)：基于MATLAB的QPSK調(diào)制系統(tǒng)的誤碼性能研究班級(jí)學(xué)號(hào)：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(zhuān)業(yè) 課程設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)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?jī)?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(hào)錯(cuò)誤率并作圖，研究仿真實(shí)驗(yàn)次數(shù)與結(jié)果精確度的關(guān)系，完成課程設(shè)計(jì)報(bào)告。進(jìn)度安排2015.6.15-2015.6.21：查閱資料，方案分析與設(shè)計(jì)；2015.6.22-2015.6.28：在MATLAB平臺(tái)下完成仿真實(shí)驗(yàn)；2015.6.29-2015.7.3：完成課程設(shè)計(jì)報(bào)告。學(xué)生姓名：指導(dǎo)時(shí)間：第16-18周指導(dǎo)地點(diǎn)： 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(píng)閱 2.答辯 3.實(shí)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(jì)小組組長(zhǎng)一份；任課教師授課時(shí)自帶一份備查。2、 課程設(shè)計(jì)結(jié)束后與“課程設(shè)計(jì)小結(jié)”、“學(xué)生成績(jī)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(hào)。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(hào)轉(zhuǎn)換成適合在信道中傳輸?shù)男问降囊环N過(guò)程。解調(diào)則是調(diào)制的相反過(guò)程，而從已調(diào)制信號(hào)中恢復(fù)出原信號(hào)。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(diǎn)。本設(shè)計(jì)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(hào)錯(cuò)誤率，利用Matlab對(duì)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(jì)內(nèi)容介紹11.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮鸵饬x11.2實(shí)驗(yàn)內(nèi)容11.3 MATLAB以及MATLAB下的Simulink簡(jiǎn)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(shí)驗(yàn)次數(shù)與結(jié)果精確度的關(guān)系14第四章 實(shí)驗(yàn)總結(jié)17參考文獻(xiàn)1816第一章 課程設(shè)計(jì)內(nèi)容介紹1.1 實(shí)驗(yàn)?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(shí)驗(yàn)。2、產(chǎn)生加性高斯白噪聲，畫(huà)出時(shí)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(huà)出信號(hào)經(jīng)過(guò)乘法器，低通濾波器后的波形。4、計(jì)算高斯白噪聲的系統(tǒng)下信噪比、傳輸誤碼率，并畫(huà)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(dòng)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(shí)驗(yàn)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(hào)錯(cuò)誤率并作圖。4、研究仿真實(shí)驗(yàn)次數(shù)與結(jié)果精確度的關(guān)系。5、完成課程設(shè)計(jì)報(bào)告。1.3 MATLAB以及MATLAB下的Simulink簡(jiǎn)介MATLAB是MATrix LABoratory的縮寫(xiě)，是一款由美國(guó)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(kāi)發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值計(jì)算的高級(jí)技術(shù)計(jì)算語(yǔ)言和交互式環(huán)境。除了矩陣運(yùn)算、繪制函數(shù)/數(shù)據(jù)圖像等常用功能外，MATLAB還可以用來(lái)創(chuàng)建用戶(hù)界面及與調(diào)用其它語(yǔ)言(包括C，C+和FORTRAN)編寫(xiě)的程序。盡管MATLAB主要用于數(shù)值計(jì)算,但是因?yàn)榇罅款~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(jì)與分析、圖像處理和信號(hào)處理和通信、金融建模和分析等。除了一個(gè)完整的Simulink包,提供了一個(gè)可視化的開(kāi)發(fā)環(huán)境,通常用于系統(tǒng)仿真、動(dòng)態(tài)/嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)等。Simulink是MATLAB最重要的組件之一，它提供一個(gè)動(dòng)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(guò)簡(jiǎn)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(gè)建立模型方塊圖的圖形用戶(hù)接口，這個(gè)創(chuàng)建過(guò)程只需單擊和拖動(dòng)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(hù)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(shí)際、等優(yōu)點(diǎn)，基于以上優(yōu)點(diǎn)Simulink已被廣泛應(yīng)用于控制理論和數(shù)字信號(hào)處理的復(fù)雜仿真和設(shè)計(jì)。同時(shí)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(hào)源的信號(hào)來(lái)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(chēng)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(gè)不同的相位，一般m=2N，N是正整數(shù)。常見(jiàn)的有m=2，4，8，16，32，分別稱(chēng),2PSK、4PSK、8PSK等。這樣，每個(gè)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(gè)各不相同的相位差來(lái)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(shí)的數(shù)字的調(diào)相技術(shù)，它通過(guò)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?yàn)檩d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?jī)蓚€(gè)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?jī)晌欢M(jìn)制信息比特構(gòu)成每一組，它們分別表示著著四個(gè)符號(hào)中的某一個(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。BPSK是在M=2時(shí)的數(shù)字的調(diào)相技術(shù)，它通過(guò)約定的兩種載波相位，分別為0和180，它是將模擬信號(hào)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(lái)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(shí)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(gè)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(hào)發(fā)生器將每一個(gè)m比特的字節(jié)轉(zhuǎn)換成一對(duì)（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(hào)I(t)和Q(t)，然后對(duì)coswct和sinwct進(jìn)行調(diào)制，相加后即得到QPSK信號(hào)。圖2.2.1 QPSK調(diào)制原理框圖圖2.2.2 QPSK調(diào)制信號(hào)的矢量圖2.3 QPSK解調(diào)原理由于QPSK信號(hào)可以看作兩個(gè)正交2PSK信號(hào)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(hào)。解調(diào)后的兩路基帶信號(hào)碼元a和b，經(jīng)過(guò)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(gè)頻率相同的載波同時(shí)開(kāi)始振蕩，這兩個(gè)頻率同時(shí)達(dá)到正最大值，同時(shí)達(dá)到零值，同時(shí)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(gè)開(kāi)始得遲了一點(diǎn)，就可能不相同了。如果一個(gè)達(dá)到正最大值時(shí)，另一個(gè)達(dá)到負(fù)最大值，則稱(chēng)為反相。一般把信號(hào)振蕩一次（一周）作為360度。如果一個(gè)波比另一個(gè)波相差半個(gè)周期，我們說(shuō)兩個(gè)波的相位差180度，也就是反相。當(dāng)傳輸數(shù)字信號(hào)時(shí)，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(dòng)，也就帶上了信息。相移鍵控是利用載波的相位變化來(lái)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(hào)的時(shí)域表達(dá)式為 （1）式中，jn表示第n個(gè)符號(hào)的絕對(duì)相位： （2）因此，上式可以改寫(xiě)為 （3）由于兩種碼元的波形相同，極性相反，故BPSK信號(hào)可以表述為一個(gè)雙極性全占空矩形脈沖序列與一個(gè)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T(mén)s的單個(gè)矩形脈沖，而an的統(tǒng)計(jì)特性為 （6）開(kāi)關(guān)電路S(t)e2psk(t)1800移相coswctp0BPSK信號(hào)的調(diào)制原理框圖如圖2-2所示。與2ASK信號(hào)的產(chǎn)生方法相比較，只是對(duì)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(hào)。圖2.4 BPSK調(diào)制原理框圖2.5 BPSK調(diào)制原理BPSK信號(hào)的解調(diào)方法是相干解調(diào)法。由于PSK信號(hào)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(hào)的相位信息來(lái)解調(diào)信號(hào)。下圖2.5.1中給出了一種2PSK信號(hào)相干接收設(shè)備的原理框圖。圖中經(jīng)過(guò)帶通濾波的信號(hào)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(lái)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(shí)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(guò)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(hào)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(hào)的載波恢復(fù)過(guò)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(huì)造成解調(diào)出的數(shù)字基帶信號(hào)與發(fā)送的數(shù)字基帶信號(hào)正好相反，即“1”變?yōu)椤?”，“0”變?yōu)椤?”，判決器輸出數(shù)字信號(hào)全部出錯(cuò)。這種現(xiàn)象稱(chēng)為BPSK 方式的“倒現(xiàn)象”或“反相工作”。這導(dǎo)致了BPSK方式在實(shí)際中很少采用。另外，在隨機(jī)信號(hào)碼元序列中，信號(hào)波形有可能出現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)的正弦波形，致使在接收端無(wú)法辨認(rèn)信號(hào)碼元的起止時(shí)刻。為了克服BPSK這一缺點(diǎn)，在實(shí)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(mén)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(shí)驗(yàn)結(jié)果分析：如圖上結(jié)果顯示，完成了QPSK信號(hào)在理想信道上的調(diào)制，傳輸，解調(diào)的過(guò)程，由于調(diào)制過(guò)程中加進(jìn)了載波，因此調(diào)制信號(hào)的功率譜密度會(huì)發(fā)生變化。并且可以看出調(diào)制解調(diào)的結(jié)果沒(méi)有誤碼。圖3.2.2 QPSK調(diào)制解調(diào)仿真結(jié)果實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析：由上圖可知，在高斯噪聲的影響下，調(diào)制信號(hào)的波形發(fā)生了明顯的變化，其功率譜密度函數(shù)相對(duì)于圖1中的調(diào)制信號(hào)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(gè)均值為0的白噪聲，在各個(gè)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(hào)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(lái)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(shí)驗(yàn)結(jié)果分析：在實(shí)際傳輸中，我們需要傳輸?shù)木褪嵌M(jìn)制基帶信號(hào)。因此通過(guò)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(hào)。實(shí)際通信中不少信道都不能直接傳送基帶信號(hào)，必須用基帶信號(hào)對(duì)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(hào)的變化而變化。由于移相鍵控（PSK）相對(duì)于振幅鍵控（ASK）和頻移鍵控（FSK）來(lái)說(shuō)，具有抗加性高斯白噪聲能力強(qiáng)，頻帶利用率高，對(duì)信道變化不明感，性能好的優(yōu)點(diǎn)，因此采用BPSK對(duì)基帶信號(hào)進(jìn)行調(diào)制。通過(guò)相干解調(diào)和低通濾波器后的信號(hào)，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(hào)。但是在實(shí)際的解調(diào)和調(diào)制的過(guò)程中，BPSK系統(tǒng)往往會(huì)出現(xiàn)“倒相”，因此在抽樣判決的時(shí)候需要注意這個(gè)問(wèn)題。為了解決這個(gè)問(wèn)題，現(xiàn)在在實(shí)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(shí)驗(yàn)結(jié)果分析：由前面的調(diào)制解調(diào)原理，利用Matlab，對(duì)理論進(jìn)行研究。并將理論值與仿真值進(jìn)行對(duì)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(hào)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(duì)接收信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)與估值，并對(duì)信號(hào)進(jìn)行判決恢復(fù)原始信號(hào)。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(méi)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(shuō)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(shí)驗(yàn)結(jié)果分析：同樣在類(lèi)似于QPSK誤碼性能仿真的基礎(chǔ)平臺(tái)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(lái)越小，越來(lái)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(shí)驗(yàn)結(jié)果分析：由圖可以看出BFSK和QPSK調(diào)制方式的碼元符號(hào)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(shí)際值契合得比較理想，共同點(diǎn)是隨著信噪比逐漸增大，Pe實(shí)際值迅速減小，實(shí)現(xiàn)起來(lái)性能十分優(yōu)越。因此相對(duì)BPSK和QPSK而言，在選擇對(duì)誤碼性能要求較高的系統(tǒng)時(shí)，選擇BPSK較合適，它的誤碼率較低。4.2研究QPSK仿真實(shí)驗(yàn)次數(shù)與結(jié)果精確度的關(guān)系圖4.2.1 QPSK仿真實(shí)驗(yàn)次數(shù)N取10圖4.2.2 QPSK仿真實(shí)驗(yàn)次數(shù)N取100圖4.2.3 QPSK仿真實(shí)驗(yàn)次數(shù)N取100000圖4.2.3 QPSK仿真實(shí)驗(yàn)次數(shù)N取10000000實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析：由上四幅仿真圖可知，當(dāng)實(shí)驗(yàn)次數(shù)N值較小時(shí)，實(shí)際仿真誤碼率在理想誤碼率曲線上下抖動(dòng)得，兩者偏差較大。當(dāng)實(shí)驗(yàn)次數(shù)N值逐漸增大時(shí)，實(shí)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(shí)驗(yàn)次數(shù)N值取足夠大時(shí)，實(shí)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(shí)驗(yàn)次數(shù)與結(jié)果精確度的關(guān)系是一個(gè)龐大統(tǒng)計(jì)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)仿真次數(shù)N越大，仿真誤差就越小，得到