畢業(yè)設(shè)計(jì)基于matlab的QPSK系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1、基于matlab的qpsk仿真設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)一.前言1.1qpsk系統(tǒng)的應(yīng)用背景簡介qpsk是英文quadrature phase shift keying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。在19世紀(jì)80年代初期,人們選用恒定包絡(luò)數(shù)字調(diào)制。這類數(shù)字調(diào)制技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是已調(diào)信號具有相對窄的功率譜和對放大設(shè)備沒有線性要求,不足之處是其頻譜利用率低于線性調(diào)制技術(shù)。19世紀(jì)80年代中期以后,四相絕對移相鍵控(qpsk)技術(shù)以其抗干擾性能強(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、移動通信及有線電視系統(tǒng)之中。1.2 qpsk實(shí)驗(yàn)仿真的意義通過完成

2、設(shè)計(jì)內(nèi)容， 復(fù)習(xí)qpsk調(diào)制解調(diào)的基本原理，同時(shí)也要復(fù)習(xí)通信系統(tǒng)的主要組成部分，了解調(diào)制解調(diào)方式中最基礎(chǔ)的方法。了解qpsk的實(shí)現(xiàn)方法及數(shù)學(xué)原理。并對“通信”這個(gè)概念有個(gè)整體的理解，學(xué)習(xí)數(shù)字調(diào)制中誤碼率測試的標(biāo)準(zhǔn)及計(jì)算方法。同時(shí)還要復(fù)習(xí)隨機(jī)信號中時(shí)域用自相關(guān)函數(shù)，頻域用功率譜密度來描述平穩(wěn)隨機(jī)過程的特性等基礎(chǔ)知識，來理解高斯信道中噪聲的表示方法，以便在編程中使用。 理解qpsk調(diào)制解調(diào)的基本原理，并使用matlab編程實(shí)現(xiàn)qpsk信號在高斯信道和瑞利衰落信道下傳輸，以及該方式的誤碼率測試。復(fù)習(xí)matlab編程的基礎(chǔ)知識和編程的常用算法以及使用matlab仿真系統(tǒng)的注意事項(xiàng)，并鍛煉自己的編程能力

3、，通過編程完成qpsk調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)的仿真，以及誤碼率測試，并得出響應(yīng)波形。在完成要求任務(wù)的條件下，嘗試優(yōu)化程序。通過本次實(shí)驗(yàn)，除了和隊(duì)友培養(yǎng)了默契學(xué)到了知識之外，還可以將次實(shí)驗(yàn)作為一種推廣，讓更多的學(xué)生來深入一層的了解qpsk以至其他調(diào)制方式的原理和實(shí)現(xiàn)方法?？梢苑奖銓W(xué)生進(jìn)行測試和對比。足不出戶便可以做實(shí)驗(yàn)。1.3 實(shí)驗(yàn)平臺和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1.3.1實(shí)驗(yàn)平臺本實(shí)驗(yàn)是基于matlab的軟件仿真，只需pc機(jī)上安裝matlab 6.0或者以上版本即可。（本實(shí)驗(yàn)附帶基于matlab simulink （模塊化）仿真，如需使用必須安裝simulink 模塊）1.3.2實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1.構(gòu)建一個(gè)理想信道基本qpsk仿

4、真系統(tǒng),要求仿真結(jié)果有a.基帶輸入波形及其功率譜 b.qpsk信號及其功率譜 c.qpsk信號星座圖 2.構(gòu)建一個(gè)在awgn（高斯白噪聲）信道條件下的qpsk仿真系統(tǒng)，要求仿真結(jié)果有a.qpsk信號及其功率譜 b.qpsk信號星座圖c.高斯白噪聲信道條件下的誤碼性能以及高斯白噪聲的理論曲線，要求所有誤碼性能曲線在同一坐標(biāo)比例下繪制3驗(yàn)可選做擴(kuò)展內(nèi)容要求：構(gòu)建一個(gè)先經(jīng)過rayleigh（瑞利衰落信道），再通過awgn（高斯白噪聲）信道條件下的條件下的qpsk仿真系統(tǒng)，要求仿真結(jié)果有a.qpsk信號及其功率譜 b.通過瑞利衰落信道之前和之后的信號星座圖，前后進(jìn)行比較c.在瑞利衰落信道和在高斯白噪聲

5、條件下的誤碼性能曲線，并和二.2.c中所要求的誤碼性能曲線在同一坐標(biāo)比例下繪制二、系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)框圖和分析2.1、qpsk調(diào)制部分，原理框圖如圖1所示1（t）qpsk信號s（t）二進(jìn)制數(shù)據(jù)序列極性nrz電平編碼器分離器 2（t） 圖1原理分析：基本原理及系統(tǒng)結(jié)構(gòu) qpsk與二進(jìn)制psk一樣，傳輸信號包含的信息都存在于相位中。的別的載波相位取四個(gè)等間隔值之一，如/4, 3/4,5/4,和7/4。相應(yīng)的，可將發(fā)射信號定義為 0ttsi（t） 0。， 其他其中，i1，2，2，4；e為發(fā)射信號的每個(gè)符號的能量，t為符號持續(xù)時(shí)間，載波頻率f等于nc/t，nc為固定整數(shù)。每一個(gè)可能的相位值對應(yīng)于一個(gè)特定的二位組

6、。例如，可用前述的一組相位值來表示格雷碼的一組二位組：10，00，01，11。下面介紹qpsk信號的產(chǎn)生和檢測。如果a為典型的qpsk發(fā)射機(jī)框圖。輸入的二進(jìn)制數(shù)據(jù)序列首先被不歸零（nrz）電平編碼轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為極性形式，即負(fù)號1和0分別用和表示。接著，該二進(jìn)制波形被分接器分成兩個(gè)分別由輸入序列的奇數(shù)位偶數(shù)位組成的彼此獨(dú)立的二進(jìn)制波形，這兩個(gè)二進(jìn)制波形分別用a1（t），和a2（t）表示。容易注意到，在任何一信號時(shí)間間隔內(nèi)a1（t），和a2（t）的幅度恰好分別等于si1和 si2，即由發(fā)送的二位組決定。這兩個(gè)二進(jìn)制波形a1（t），和a2（t）被用來調(diào)制一對正交載波或者說正交基本函數(shù)：1（t），2（t

7、）。這樣就得到一對二進(jìn)制psk信號。1（t）和2（t）的正交性使這兩個(gè)信號可以被獨(dú)立地檢測。最后，將這兩個(gè)二進(jìn)制psk信號相加，從而得期望的qpsk。2.2、qpsk解調(diào)部分，原理框圖如圖2所示： 1（t） 同相信道 門限0發(fā)送二進(jìn)制序列的估計(jì)判決門限低通filrer判決門限復(fù)接器接收信 號x（t）低通filrer 2（t） 正交信道 門限0 圖2原理分析： qpsk接收機(jī)由一對共輸入地相關(guān)器組成。這兩個(gè)相關(guān)器分別提供本地產(chǎn)生地相干參考信號1（t）和2（t）。相關(guān)器接收信號x（t），相關(guān)器輸出地x1和x2被用來與門限值0進(jìn)行比較。如果x10,則判決同相信道地輸出為符號1；如果x10.5; %

8、調(diào)用一個(gè)隨機(jī)函數(shù)（0 or 1），輸出到一個(gè)1*100的矩陣datanrz=data.*2-1; % 變成極性碼data1=zeros(1,nb/delta_t); % 創(chuàng)建一個(gè)1*nb/delta_t的零矩陣for q=1:nb data1(q-1)/delta_t+1:q/delta_t)=datanrz(q); % 將極性碼變成對應(yīng)的波形信號end % 將基帶信號變換成對應(yīng)波形信號data0=zeros(1,nb/delta_t); % 創(chuàng)建一個(gè)1*nb/delta_t的零矩陣for q=1:nb data0(q-1)/delta_t+1:q/delta_t)=data(q); % 將極

9、性碼變成對應(yīng)的波形信號end % 發(fā)射的信號data2=abs(fft(data1);% 串并轉(zhuǎn)換，將奇偶位數(shù)據(jù)分開idata=datanrz(1:ml:(nb-1); % 將奇偶位分開，因此間隔m1為2 qdata=datanrz(2:ml:nb);% qpsk信號的調(diào)制ich=zeros(1,nb/delta_t/2); % 創(chuàng)建一個(gè)1*nb/delta_t/2的零矩陣，以便后面存放奇偶位數(shù)據(jù)for i=1:nb/2 ich(i-1)/delta_t+1:i/delta_t)=idata(i);endfor ii=1:n/2 a(ii)=sqrt(2/t)*cos(2*pi*fc*t(ii

10、); endidata1=ich.*a; % 奇數(shù)位數(shù)據(jù)與余弦函數(shù)相乘，得到一路的調(diào)制信號qch=zeros(1,nb/2/delta_t);for j1=1:nb/2 qch(j1-1)/delta_t+1:j1/delta_t)=qdata(j1);endfor jj=1:n/2 b(jj)=sqrt(2/t)*sin(2*pi*fc*t(jj);endqdata1=qch.*b; % 偶數(shù)位數(shù)據(jù)與余弦函數(shù)相乘，得到另一路的調(diào)制信號s=idata1+qdata1; % 將奇偶位數(shù)據(jù)合并，s即為qpsk調(diào)制信號ss=abs(fft(s); % 快速傅里葉變換得到頻譜% 瑞利衰落信道和高斯信道

11、% 瑞利衰落信道ray_ich=raylrnd(0.8,1,nb/2/delta_t);ray_qch=raylrnd(0.8,1,nb/2/delta_t);ray_idata=idata1.*ray_ich;ray_qdata=qdata1.*ray_qch;ray_s=ray_idata+ray_qdata;% 高斯信道 s1=awgn(s,snr); % 通過高斯信道之后的信號s11=abs(fft(s1); % 快速傅里葉變換得到頻譜 s111=s1-s; % 高斯噪聲曲線%awgn_s=awgn(ray_s,snr); % 通過高斯信道再通過瑞利衰落信道% qpsk 解調(diào)部分% 解

12、調(diào)部分（高斯信道）idata2=s1.*a; % 這里面其實(shí)隱藏了一個(gè)串并轉(zhuǎn)換的過程qdata2=s1.*b; % 對應(yīng)的信號與正余弦信號相乘idata3=zeros(1,nb/2); % 建立1*nb數(shù)組，以存放解調(diào)之后的信號qdata3=zeros(1,nb/2);% 抽樣判決的過程，與0作比較，data=0,則置1，否則置0for n=1:nb/2% a1(n)=sum(idata2(n-1)/delta_t+1:n/delta_t); if sum(idata2(n-1)/delta_t+1:n/delta_t)=0 idata3(n)=1; else idata3(n)=0; end

13、% a2(n)=sum(qdata2(n-1)/delta_t+1:n/delta_t); if sum(qdata2(n-1)/delta_t+1:n/delta_t)=0 qdata3(n)=1; else qdata3(n)=0; endend % 為了顯示星座圖,將信號進(jìn)行處理idata4=zeros(1,nb/2);qdata4=zeros(1,nb/2);for n=1:nb/2 awgn_ichsum(n)=sum(idata2(n-1)/delta_t+1:n/delta_t)*delta_t; if awgn_ichsum(n)=0 idata4(n)=1; else ida

14、ta4(n)=0; end awgn_qchsum(n)=sum(qdata2(n-1)/delta_t+1:n/delta_t)*delta_t; if awgn_qchsum(n)=0 qdata4(n)=1; else qdata4(n)=0; endend% 將判決之后的數(shù)據(jù)存放進(jìn)數(shù)組demodata=zeros(1,nb);demodata(1:ml:(nb-1)=idata3; % 存放奇數(shù)位demodata(2:ml:nb)=qdata3; % 存放偶數(shù)位%為了顯示，將它變成波形信號（即傳輸一個(gè)1代表單位寬度的高電平）demodata1=zeros(1,nb/delta_t);

15、% 創(chuàng)建一個(gè)1*nb/delta_t的零矩陣for q=1:nb demodata1(q-1)/delta_t+1:q/delta_t)=demodata(q); % 將極性碼變成對應(yīng)的波形信號end % 累計(jì)誤碼數(shù)% abs(demodata-data)求接收端和發(fā)射端% 數(shù)據(jù)差的絕對值，累計(jì)之后就是誤碼個(gè)數(shù)awgn_num_ber=sum(abs(demodata-data) % 解調(diào)部分（瑞利+高斯）ray_idata2=ray_s.*a; % 這里面其實(shí)隱藏了一個(gè)串并轉(zhuǎn)換的過程ray_qdata2=ray_s.*b; % 對應(yīng)的信號與正余弦信號相乘% ray_idata3=zeros(

16、1,nb/2); % 建立1*nb數(shù)組，以存放解調(diào)之后的信號% ray_qdata3=zeros(1,nb/2);% 抽樣判決的過程，與0作比較，data=0,則置1，否則置0% for n=1:nb/2% if ray_sum(ray_idata2(n-1)/delta_t+1:n/delta_t)=0% ray_idata3(n)=1;% else ray_idata3(n)=0; % end% if ray_sum(ray_qdata2(n-1)/delta_t+1:n/delta_t)=0% ray_qdata3(n)=1;% else ray_qdata3(n)=0;% end% e

17、nd % 為了顯示星座圖,將信號進(jìn)行處理ray_idata4=zeros(1,nb/2);ray_qdata4=zeros(1,nb/2);for n=1:nb/2 ray_ichsum(n)=sum(idata2(n-1)/delta_t+1:n/delta_t)*delta_t; if ray_ichsum(n)=0 ray_idata4(n)=1; else ray_idata4(n)=0; end ray_qchsum(n)=sum(qdata2(n-1)/delta_t+1:n/delta_t)*delta_t; if ray_qchsum(n)=0 ray_qdata4(n)=1;

18、 else ray_qdata4(n)=0; endend % 將判決之后的數(shù)據(jù)存放進(jìn)數(shù)組ray_demodata=zeros(1,nb);ray_demodata(1:ml:(nb-1)=ray_idata4; % 存放奇數(shù)位ray_demodata(2:ml:nb)=ray_qdata4; % 存放偶數(shù)位%為了顯示，將它變成波形信號（即傳輸一個(gè)1代表單位寬度的高電平）ray_demodata1=zeros(1,nb/delta_t); % 創(chuàng)建一個(gè)1*nb/delta_t的零矩陣for q=1:nb ray_demodata1(q-1)/delta_t+1:q/delta_t)=ray_d

19、emodata(q); % 將極性碼變成對應(yīng)的波形信號end % 累計(jì)誤碼數(shù)% abs(demodata-data)求接收端和發(fā)射端% 數(shù)據(jù)差的絕對值，累計(jì)之后就是誤碼個(gè)數(shù)ray_num_ber=sum(abs(ray_demodata-data) % % 誤碼率計(jì)算% 調(diào)用了cm_sm32();和cm_sm33(）函數(shù)%聲明： 函數(shù)聲明在另外倆個(gè)m文件中%作用： cm_sm32()用于瑞利信道誤碼率的計(jì)算% cm_sm33()用于高斯信道誤碼率的計(jì)算% ecoh on/off 作用在于決定是否顯示指令內(nèi)容%snrindb1=0:1:6;snrindb2=0:0.1:6;% 瑞利衰落信道 fo

20、r i=1:length(snrindb1), pb,ps=cm_sm32(snrindb1(i); % 比特誤碼率 smld_bit_ray_err_prb(i)=pb; smld_symbol_ray_err_prb(i)=ps; disp(ps,pb); echo off; end;% 高斯信道 echo on;for i=1:length(snrindb1), pb1,ps1=cm_sm33(snrindb1(i); smld_bit_awgn_err_prb(i)=pb1; smld_symbol_awgn_err_prb(i)=ps1; disp(ps1,pb1); echo of

21、f;end;% 理論曲線echo on;for i=1:length(snrindb2), snr=exp(snrindb2(i)*log(10)/10); % 信噪比 theo_err_awgn_prb(i)=0.5*erfc(sqrt(snr); % 高斯噪聲理論誤碼率 theo_err_ray_prb(i)=0.5*(1-1/sqrt(1+1/snr); % 瑞利衰落信道理論誤碼率 echo off;end;%h = spectrum.welch; % 類似于c語言的宏定義，方便以下的調(diào)用 % 輸出顯示部分% 第一部分（理想）figure(1)subplot(3,2,1);plot(da

22、ta0),title(基帶信號);axis(0 20000 -2 2);subplot(3,2,2);psd(h,data1,fs,fs),title(基帶信號功率譜密度);subplot(3,2,3);plot(s),title(調(diào)制信號);axis(0 500 -3 3);subplot(3,2,4);psd(h,s,fs,fs),title(調(diào)制信號功率譜密度);subplot(3,2,5);plot(demodata1),title(解調(diào)輸出);axis(0 20000 -2 2);subplot(3,2,6);psd(h,demodata1,fs,fs),title(解調(diào)輸出功率譜密

23、度);% 通過高斯信道figure(2)subplot(2,2,1);plot(s1),title(調(diào)制信號(awgn);axis(0 500 -5 5);subplot(2,2,2);psd(h,s1,fs,fs),title(調(diào)制信號功率譜密度(awgn);subplot(2,2,3);plot(s111),title(高斯噪聲曲線);axis(0 2000 -5 5);subplot(2,2,4);for i=1:nb/2plot(idata(i),qdata(i),r+),title(qpsk信號星座圖（awgn）);hold on;axis(-2 2 -2 2);plot(awgn_

24、ichsum(i),awgn_qchsum(i),*);hold on;legend(理論值（發(fā)射端）,實(shí)際值（接收端）);end%通過高斯信道再通過瑞利衰落信道 figure(3) subplot(2,2,1)plot(ray_s),title(調(diào)制信號(ray+awgn);axis(0 500 -5 5);subplot(2,2,2);psd(h,ray_s,fs,fs),title(調(diào)制信號功率譜密度(ray);subplot(2,2,3);for i=1:nb/2plot(idata(i),qdata(i),r+),title(qpsk信號星座圖（awgn+ray）);hold on;

25、axis(-2 2 -2 2);plot(ray_ichsum(i),ray_qchsum(i),*);hold on;legend(理論值（發(fā)射端）,實(shí)際值（接收端）);end subplot(2,2,4) semilogy(snrindb2,theo_err_awgn_prb,r),title(誤碼率曲線);hold on; semilogy(snrindb1,smld_bit_awgn_err_prb,r*);hold on; semilogy(snrindb2,theo_err_ray_prb);hold on; semilogy(snrindb1,smld_bit_ray_err_p

26、rb,*); xlabel(eb/no);ylabel(ber); legend(理論awgn,仿真awgn,理論rayleigh,仿真rayleigh);%文件2function pb,ps=cm_sm32(snr_in_db)% pb,ps=cm_sm32(snr_in_db)% cm_sm3 finds the probability of bit error and symbol error for % the given value of snr_in_db, signal to noise ratio in db.n=100;e=1; % energy per symbolnumo

27、fsymbolerror=0;numofbiterror=0;counter=0;snr=10(snr_in_db/10); % signal to noise ratiosgma=sqrt(e/snr)/2; % noise variances00=1 0; s01=0 1; s11=-1 0; s10=0 -1; % signal mapping% generation of the data sourcewhile(numofbiterror100)for i=1:n, temp=rand; % a uniform random variable between 0 and 1 if (

28、temp0.25), % with probability 1/4, source output is 00 dsource1(i)=0; dsource2(i)=0; elseif (temp0.5), % with probability 1/4, source output is 01 dsource1(i)=0; dsource2(i)=1; elseif (temp0.75), % with probability 1/4, source output is 10 dsource1(i)=1; dsource2(i)=0; else % with probability 1/4, s

29、ource output is 11 dsource1(i)=1; dsource2(i)=1; end;end;% detection and the probability of error calculationfor i=1:n, ray=raylrnd(0.8); n=sgma*randn(1,2); % 2 normal distributed r.v with 0, variance sgma if (dsource1(i)=0) & (dsource2(i)=0), r=ray*s00+n; elseif (dsource1(i)=0) & (dsource2(i)=1), r

30、=ray*s01+n; elseif (dsource1(i)=1) & (dsource2(i)=0), r=s10*ray+n; else r=s11*ray+n; end; % the correlation metrics are computed below c00=dot(r,s00); c01=dot(r,s01); c10=dot(r,s10); c11=dot(r,s11); % the decision on the ith symbol is made next c_max=max(c00,c01,c10,c11); if (c00=c_max), decis1=0; d

31、ecis2=0; elseif (c01=c_max), decis1=0; decis2=1; elseif (c10=c_max), decis1=1; decis2=0; else decis1=1; decis2=1; end; % increment the error counter, if the decision is not correct symbolerror=0; if (decis1=dsource1(i), numofbiterror=numofbiterror+1; symbolerror=1; end; if (decis2=dsource2(i), numof

32、biterror=numofbiterror+1; symbolerror=1; end; if (symbolerror=1), numofsymbolerror=numofsymbolerror+1; end; endcounter=counter+1;endps=numofsymbolerror/(n*counter); % since there are totally n symbolspb=numofbiterror/(2*n*counter); % since 2n bits are transmitted %文件3function pb1,ps1=cm_sm32(snr_in_

33、db)% pb,ps=cm_sm32(snr_in_db)% cm_sm3 finds the probability of bit error and symbol error for % the given value of snr_in_db, signal to noise ratio in db.n=100;e=1; % energy per symbolsnr=10(snr_in_db/10); % signal to noise ratiosgma=sqrt(e/snr)/2; % noise variances00=1 0; s01=0 1; s11=-1 0; s10=0 -

34、1; % signal mapping% generation of the data sourcenumofsymbolerror=0;numofbiterror=0;counter=0;while(numofbiterror100)for i=1:n, temp=rand; % a uniform random variable between 0 and 1 if (temp0.25), % with probability 1/4, source output is 00 dsource1(i)=0; dsource2(i)=0; elseif (temp0.5), % with probability 1/4, source output is 01 dsource1(i)=0; dsource2(i)=1; elseif (temp0.75), % with probability 1/4, source output is 10 dsource1(i)=1; dsource2(i)=0; else % with probability 1/4, source output is 11 dsource1(i)=1; ds