基于simulink的qpsk的調(diào)制及解調(diào)

1、基于SIMULINK的QPSK的調(diào)制與解調(diào)仿真設(shè)計通信仿真設(shè)計學(xué) 院 ： 理學(xué)院專 業(yè) ： 電子信息工程姓名： 學(xué)號：摘要隨著移動通信技術(shù)的發(fā)展，以前在數(shù)字通信系統(tǒng)中采用FSK、ASK、PSK等調(diào)制方式，逐漸被許多優(yōu)秀的調(diào)制技術(shù)所替代。本文設(shè)計出一個產(chǎn)生QPSK信號的仿真模型，通過此次實驗，可以更好地了解QPSK系統(tǒng)的工作原理。正交相移鍵控，是一種數(shù)字調(diào)制方式。四相絕對移相鍵控(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。現(xiàn)正廣泛地應(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、移動通信和有線電視系統(tǒng)之中。論文主要介紹了正交相移鍵控(QPSK)的概況，以及正交相移

2、鍵控(QPSK)的解調(diào)概念和原理，了解Simulink中涉及到QPSK的各種模塊的功能，利用Matlab中的Simulink模塊對QPSK的調(diào)制系統(tǒng)進行了仿真，并對QPSK調(diào)制性能進行了分析。從中了解QPSK調(diào)制的原理及對現(xiàn)代通信的影響和意義。關(guān)鍵詞：QPSK調(diào)制 Simulink仿真 Matlab目錄1.緒 論31.1 引 言31.2 概念及其基本組成部分31.3 QPSK的系統(tǒng)簡介41.4 課題研究現(xiàn)狀61.5 本文主要研究工作及研究目的71.5.1 研究工作71.5.2 選題的目的和意義72.QPSK的調(diào)制與解調(diào)原理82.1 數(shù)字調(diào)相82.1.1 數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)82.1.2 正弦載波數(shù)

3、字調(diào)制系統(tǒng)92.2 QPSK調(diào)制和解調(diào)原理92.2.1 調(diào)制原理92.2.2 解調(diào)原理113.Matlab/Simulink簡介133.1 Matlab簡介133.2 Simulink簡介133.2.1 Simulink概述143.2.2 Simulink的特點153.2.3 Simulink常用模塊庫164.基于Simulink的QPSK系統(tǒng)仿真分析174.1 QPSK信號的相干解調(diào)174.1.1 QPSK解調(diào)過程主要組件的功能及參數(shù)設(shè)置184.1.2 QPSK調(diào)制與解調(diào)過程主要組件的參數(shù)設(shè)置194.1.3 QPSK調(diào)制解調(diào)過程及其波形圖224.1.4 QPSK調(diào)制解調(diào)仿真過程正確性的驗證2

4、65.仿真結(jié)果分析285.1 仿真電路的誤碼率分析285.2碼元速率與系統(tǒng)誤碼率的關(guān)系286.總結(jié)29參考文獻291. 緒 論1.1 引 言數(shù)字通信是用數(shù)字信號作為載體來傳輸消息,或用數(shù)字信號對載波進行數(shù)字調(diào)制后再傳輸?shù)耐ㄐ欧绞?。它可傳輸電報、?shù)字數(shù)據(jù)等數(shù)字信號,也可傳輸經(jīng)過數(shù)字化處理的語聲和圖像等模擬信號。模擬信號數(shù)字化有多種方法,最基本的是脈碼調(diào)制(PCM)、差值編碼(DPCM)、自適應(yīng)差值編碼(ADPCM)以及各種類型的增量調(diào)制。數(shù)字通信的早期歷史是與電報的發(fā)展聯(lián)系在一起的。1937 年,英國人A.H.里夫斯提出脈碼調(diào)制(PCM),從而推動了模擬信號數(shù)字化的進程。 1946年,法國人E.

5、M.德洛雷因發(fā)明增量調(diào)制。1950 年C.C.卡特勒提出差值編碼。1947 年,美國貝爾實驗室研制出供實驗用的24 路電子管脈碼調(diào)制裝置,證實了實現(xiàn)PCM 的可行性。1953 年發(fā)明了不用編碼管的反饋比較型編碼器,擴大了輸入信號的動態(tài)范圍。1962 年,美國研制出晶體管24 路1.544兆比/秒脈碼調(diào)制設(shè)備,并在市話網(wǎng)局間使用。數(shù)字通信與模擬通信相比具有明顯的優(yōu)點。它抗干擾能力強,通信質(zhì)量不受距離的影響,能適應(yīng)各種通信業(yè)務(wù)的要求,便于采用大規(guī)模集成電路,便于實現(xiàn)保密通信和計算機管理。不足之處是占用的信道頻帶較寬。20 世紀90 年代,數(shù)字通信向超高速大容量長距離方向發(fā)展,高效編碼技術(shù)日益成熟,

6、語聲編碼已走向?qū)嵱没?新的數(shù)字化智能終端將進一步發(fā)展。1.2 概念及其基本組成部分數(shù)字通信是用數(shù)字信號作為載體來傳輸消息,或用數(shù)字信號對載波進行數(shù)字調(diào)制后再傳輸?shù)耐ㄐ欧绞健Ｋ蓚鬏旊妶?、?shù)字數(shù)據(jù)等數(shù)字信號,也可傳輸經(jīng)過數(shù)字化處理的語聲和圖像等模擬信號。圖1-1顯示了一個數(shù)字通信系統(tǒng)的功能性框圖和基本組成部分，信源輸出的可以是模擬信號，如音頻或視頻信號，在數(shù)字通信中，由信源產(chǎn)生的信息變換成二進制數(shù)字序列。理論上，應(yīng)當(dāng)用盡可能少的二進制數(shù)字表示信源輸出（消息）。換句話說，我們要尋求一種信源輸出的有效表示方法，使其很少產(chǎn)生或不產(chǎn)生冗余。將模擬或數(shù)字信源的輸出有效地變成二進制序列的處理過程成為信源編碼

7、或信源碼。信道和輸入變換器信源編碼器信道編碼器數(shù)字調(diào)制器信道數(shù)字解調(diào)器信道譯碼器信源譯碼器輸出變換器輸出信號圖1-1 數(shù)字通信系統(tǒng)基本組成部分由信源編碼器輸出的二進制序列成為信息序列，它被傳送到信道編碼器。信道編碼器的目的是在二進制信息序列中以受控的方式引入一些冗余，以便于在接收機中來克服信號在信道中傳輸所受的噪聲和干擾的影響。因此，所增加的冗余是用來提高接收數(shù)據(jù)的可靠性以及改善接收信號的逼真度。事實上，信息序列中的冗余有助于接收機譯出期望的信息序列。信道編碼器輸出的二進制序列送至數(shù)字調(diào)制器，它是通信信道的接口。因為在實際中遇到的幾乎所有的通信信道都能夠給傳輸電信號（波形），所以數(shù)字調(diào)制的主要

8、目的是將二進制信息序列映射成信號波形。通信信道是用來將發(fā)送機的信號發(fā)送給接收機的物理媒質(zhì)。在無線傳輸中，信道可以是大氣。另一方面，電話信道通常使用各種各樣的物理媒質(zhì)，包括有線線路、光纜和無線等。無論用什么物理媒質(zhì)來傳輸信息，其基本特點是發(fā)送信號隨機地受到各種可能機理的惡化。在數(shù)字通信系統(tǒng)的接收端,數(shù)字解調(diào)器對受到信道惡化的發(fā)送波形進行處理,并將該波形還原成一個數(shù)的序列,該序列表示發(fā)送數(shù)據(jù)符號的估計值。這個數(shù)的序列被送至信道編碼器,它根據(jù)信道編碼器所用的關(guān)于碼的知識及接收數(shù)據(jù)所含的冗余度重構(gòu)初始的信息序列。解調(diào)器和譯碼器工作性能好壞的一個度量是譯碼序列忠發(fā)生差錯的頻度。更準(zhǔn)確地說,在譯碼器輸出端

9、的平均比特錯誤概率是解調(diào)器-譯碼器組合性能的一個量度。作為最后一步,需要模擬輸出時,信源譯碼器從信道譯碼器接收其輸出序列,并根據(jù)所采用的信源編碼方法的有關(guān)知識重構(gòu)由信源發(fā)出的原始信號。由于信道譯碼的差錯以及信源編碼器可能引入失真,在信源譯碼器輸出端的信號只是原始信源輸出的一個近似。在原始信號與重構(gòu)信號之間的信號差或信號差的函數(shù)就是數(shù)字通信系統(tǒng)引入失真的一個量度。1.3 QPSK的系統(tǒng)簡介 數(shù)字通信現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于各個頻段和各種通信方式中, 成為當(dāng)今通信發(fā)展的一種必然趨勢。所謂數(shù)字通信即用數(shù)字信號傳送信息進行通信, 也可以說通信的數(shù)字化。數(shù)字通信的主要優(yōu)點在于用數(shù)字信號傳送信息易于再生, 可減小傳

10、輸中的失真易于用脈沖數(shù)字電路來實現(xiàn), 設(shè)備可做到體積小、重量輕可以引入計算技術(shù), 應(yīng)用微處理器及單片微機, 發(fā)揮各種數(shù)字信號處理及智能化控制功能數(shù)字信號易于加密便于采用糾錯編碼和擴頻技術(shù), 提高抗干擾能力。數(shù)字通信之所以取得迅速的發(fā)展不是偶然的現(xiàn)象, 有其理論上、技術(shù)上和客觀需求上的基礎(chǔ)從理論分析開始, 人們早就認識到數(shù)字通信在理論上比模擬通信具有一系列優(yōu)點。除上述各點外, 在頻帶和功率的有效利用方面也更為有利計算技術(shù)和微電子學(xué)的進展為通信的數(shù)字化提供了堅實的技術(shù)基礎(chǔ)人們在社會生活中對多種功能綜合服務(wù)的需要是數(shù)字通信發(fā)展的強大動力。全數(shù)字調(diào)制技術(shù)作為通信領(lǐng)域中極其重要的一個方面，近些年得到了飛

11、速的發(fā)展。數(shù)字專用集成電路的發(fā)展使得通信傳輸中的發(fā)送與接收設(shè)備可以更加變得更加緊湊，使用的成本更低，并大大減小了功耗，同時也提高了設(shè)備的安全性。另一方面，全數(shù)字調(diào)制解調(diào)技術(shù)的采用有可能使各類現(xiàn)代調(diào)制解調(diào)技術(shù)融合一體，使該調(diào)制解調(diào)器不僅適用于各種調(diào)制和解調(diào)的體制，同時它還具有可變速率這一特性。目前，無論是模擬通信還是數(shù)字通信，在不同的通信業(yè)務(wù)中都得到了廣泛的應(yīng)用。但是，數(shù)字通信的發(fā)展速度已明顯超過模擬通信，成為當(dāng)代通信技術(shù)的主流。與模擬通信相比，數(shù)字通信具有以下一些優(yōu)點：易于控制傳輸中的差錯。具有較強的抗干擾能力，且噪聲不積累。易于加密處理，且保密性好。易于集成，使通信設(shè)備微型化，重量輕。便于和

12、現(xiàn)今用數(shù)字信號處理技術(shù)去處理、存儲需要的數(shù)字信息。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。四相相移調(diào)制是利用載波的四種不同相位差來表征輸入的數(shù)字信息,是四進制移相鍵控。QPSK是在M=4時的調(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)是二進制數(shù)字序列,為了能和四進制的載波相位配合起來,則需要把二進制數(shù)據(jù)變換為四進制數(shù)據(jù),這就是說需要把二進制數(shù)字序列中每兩個比特分成一組，共有四種組合,即00,01,10,11,其中每一組稱為雙比特碼元。每一個雙比特碼元是由兩位二進制信息比

13、特組成,它們分別代表四進制四個符號中的一個符號。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。 在數(shù)字信號的調(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)字信號調(diào)制方式,它具有較高的頻譜利用率、較強的抗干擾性、在電路上實現(xiàn)也較為簡單。 在HFC網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中,從用戶線纜調(diào)制解調(diào)器發(fā)往上行通道的數(shù)據(jù)采用QPSK方式調(diào)制并用TDMA方式復(fù)用到上行通道。 在有線電視系統(tǒng)中,衛(wèi)星,大鍋,輸出的就是QPSK信號。在實際的調(diào)諧解調(diào)電路中,采用的是非相干載波解調(diào)。本振信號與發(fā)射端的載波信號存在頻率偏差和相

14、位抖動因而解調(diào)出來的模擬I、Q基帶信號是帶有載波誤差的信號。這樣的模擬基帶信號即使采用定時準(zhǔn)確的時鐘進行取樣判決,得到的數(shù)字信號也不是原來發(fā)射端的調(diào)制信號,誤差的積累將導(dǎo)致抽樣判決后的誤碼率增大,因此數(shù)字QPSK解調(diào)電路要對載波誤差進行彌補,減少非相干載波解調(diào)帶來的影響。此外,ADC的取樣時鐘也不是從信號中提取的,當(dāng)取樣時鐘與輸入的數(shù)據(jù)不同步時,取樣將不在最佳取樣時刻進行所得到的取樣值的統(tǒng)計信噪比就不是最高，誤碼率就高，因此，在電路中還需要恢復(fù)出一個與輸入符號率同步的時鐘，來校正固定取樣帶來的樣點誤差，并且準(zhǔn)確的位定時信息可為數(shù)字解調(diào)后的信道糾錯解碼提供正確的時鐘。校正辦法是由定時恢復(fù)和載波恢

15、復(fù)模塊通過某種算法產(chǎn)生定時和載波誤差，插值或抽取器在定時和載波誤差信號的控制下，對A/D轉(zhuǎn)換后的取樣值進行抽取或插值濾波，得到信號在最佳取樣點的值，不同芯片采用的算法不盡相同，例如可以采用據(jù)輔助法(DA)載波相位和定時相位聯(lián)合估計的最大似然算法。1.4 課題研究現(xiàn)狀人類社會通信建立在信息交流的基礎(chǔ)上，通信是推動人類社會文明進步與發(fā)展的巨大動力。近年來，移動通信已顯著的技術(shù)特點和優(yōu)越性能得以迅速發(fā)展，已經(jīng)得到社會各界用戶的廣泛認同。隨著這個通信行業(yè)向3G時代發(fā)展的同時基帶調(diào)制技術(shù)也在飛速發(fā)展，目前應(yīng)用的主流技術(shù)為8PSK,16QAM和64QAM.但在建筑物較多、地形復(fù)雜的地區(qū)就必須用QPSK調(diào)制

16、確保信噪比從而確保通信的準(zhǔn)確性和有效性。QPSK調(diào)制全稱Quadrature Phase Shift Keying意為正交相移鍵控，是一種數(shù)字調(diào)制方式。QPSK是一種頻譜利用率高、抗干擾性強的數(shù)字調(diào)制方式，它被廣泛用于各種通信系統(tǒng)中，適合衛(wèi)星廣播。目前已經(jīng)廣泛用于無線通信中，成為現(xiàn)代通信中一種十分重要的調(diào)制解調(diào)方式。隨著數(shù)字技術(shù)的飛速發(fā)展與應(yīng)用數(shù)字信號處理在通信系統(tǒng)中的應(yīng)用越來越重要。數(shù)字信號傳輸系分為基帶傳輸系統(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)對基帶信號進行調(diào)制，使其頻譜搬移到適合信道傳輸?shù)念l帶上數(shù)字調(diào)制信號又稱為鍵控信號。在調(diào)制的過程中可用鍵控的方法由基帶信號對載頻信號

17、的振幅，頻率及相位進行調(diào)制。在技術(shù)和工藝進步的基礎(chǔ)上，數(shù)字通信中調(diào)制解調(diào)算法的實現(xiàn)已不再是一件可望不可及的事情。可以說，無論是通信系統(tǒng)的內(nèi)在要求 （即算法復(fù)雜性決定接收的質(zhì)量），還是外在條件（技術(shù)和工藝）都在促使通信系統(tǒng)的調(diào)制解調(diào)向數(shù)字化發(fā)展。1.5 本文主要研究工作及研究目的1.5.1 研究工作本文研究的主要內(nèi)容是利用軟件來實現(xiàn)QPSK的調(diào)制。本次課題利用的軟件是MATLAB軟件SUMLINK仿真功能模塊來進行對QPSK調(diào)制過程的仿真。其主要內(nèi)容包括：1.研究QPSK的調(diào)制原理和解調(diào)原理；2.分析QPSK的調(diào)制過程；3.利用SUMULINK設(shè)計QPSK調(diào)制仿真模型，并使用示波器顯示調(diào)制過程中

18、各點波形，驗證是否與理論相符。4.掌握Matlab的基本用法，以及Simulink的基本方法使用，和Simulink中各個模塊的使用。1.5.2 選題的目的和意義 隨著經(jīng)濟?；牟粩喟l(fā)展，人們對通信的要求也越來越高。本文主要研究“基于Simulink的QPOSK通信系統(tǒng)仿真”利用MATLAB軟件SUMLINK仿真實現(xiàn)QPSK調(diào)制方式。QPSK調(diào)制系統(tǒng)目前正廣泛地應(yīng)用在無線通信領(lǐng)域，它具有較高的頻譜利用率，較強的抗干擾性，在電路上實現(xiàn)也較為簡單。使用SUMLINK對QPSK調(diào)制、解調(diào)進行模擬。具體解決了二進制信息在QPSK調(diào)制過程中的串-并變換，解調(diào)過程中對已調(diào)信號的濾波、抽樣判決、并-串變換一

19、系列問題。通過利用MATLAB軟件SUMLINK實現(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)過程的仿真實現(xiàn)，使接收端能夠準(zhǔn)確地接收到來自發(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，還會出現(xiàn)進制更多的調(diào)制方式。而我們著重要解決的問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)制的實現(xiàn)過程，并運用軟件實現(xiàn)手段對信號變換過程加以分析，希望有所收獲。2. QPSK的調(diào)制與解調(diào)原理2.1 數(shù)字調(diào)相2.1.1 數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)從消息傳輸?shù)慕嵌瓤?，一個數(shù)字通信系統(tǒng)包括兩個重要的變換

20、，即消息與數(shù)字基帶信號之間的變換；數(shù)字基帶信號與信道信號之間的變換。通常，前一個變換由發(fā)收終端設(shè)備來完成，它把無論是離散的還是連續(xù)的消息轉(zhuǎn)換成數(shù)字的基帶信號，而后一變換則由調(diào)制和解調(diào)器完成。在數(shù)字通信中，有些場合可以不經(jīng)過載波調(diào)制和解調(diào)過程而讓基帶信號直接進行傳輸。例如，在市內(nèi)利用電傳機直接進行電報通信，或者利用中繼方式在長距離上直接傳輸PCM信號等。這種不用載波調(diào)制解調(diào)裝置而直接傳送基帶信號的系統(tǒng)，我們稱它為基帶傳輸系統(tǒng)，它的基本結(jié)構(gòu)如下：信道信號形成信道接受濾波器抽樣判決器基帶脈沖輸入干擾輸出 圖2-1 基帶傳輸系統(tǒng)圖2-1信道信號形成器用來產(chǎn)生適合于信道傳輸?shù)幕鶐盘?，信道可以是允許基帶

21、信號通過的媒質(zhì)（例如能夠通過從直流到高頻的有線線路）；接收濾波器用來接收信號和盡可能排除信道噪聲和其他干擾；抽樣判決器則是在噪聲背景下用來判定與再生基帶信號。與此對應(yīng)，我們把包括了載波調(diào)制和解調(diào)過程的傳輸系統(tǒng)稱為頻帶傳輸系統(tǒng)，如圖2-2所示：調(diào)制器信道解調(diào)器基帶脈沖輸入基帶脈沖輸出干擾圖2-2 頻帶傳輸系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)雖然在實際使用的數(shù)字通信系統(tǒng)中基帶傳輸不如頻帶傳輸那樣廣泛，但是，對于基帶傳輸系統(tǒng)的研究仍然是十分有意義的。第一，即使在頻帶傳輸制里也同樣存在基帶傳輸問題，也就是說，基帶傳輸系統(tǒng)的許多問題也是頻帶傳輸系統(tǒng)必須考慮的問題；第二，隨著數(shù)字通信技術(shù)的發(fā)展，基帶傳輸這種方式也有迅速發(fā)展的趨

22、勢，目前，它不僅用于低速數(shù)據(jù)傳輸，而且還用于高速數(shù)據(jù)傳輸；第三，理論上也可以證明，任何一個采用線形調(diào)制的頻帶傳輸系統(tǒng)，總是可以由一個等效的基帶傳輸系統(tǒng)所替代。 2.1.2 正弦載波數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)上面我們簡單的提了一下數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)。然而，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行控制，使載波的這些參量隨基帶信號的變化而變化，即所謂正弦載波調(diào)制。下面，我們將以QPSK為主討論以正弦波作為載波的數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)。從原理上來說，受調(diào)載波的波形可以是任意的，只要已調(diào)信號適合于信道傳輸就可以了。但實際上，在大多數(shù)數(shù)字通信系統(tǒng)中，都選擇正弦信號作為載波。這是因為正弦信號形

23、式簡單，便于產(chǎn)生及接收。和模擬調(diào)制一樣，數(shù)字調(diào)制也有調(diào)幅、調(diào)頻和調(diào)相三種基本形式，并可以派生出多種其他形式。數(shù)字調(diào)制與模擬調(diào)制相比，其原理并沒有什么區(qū)別。不過模擬調(diào)制是對載波信號的參量進行連續(xù)調(diào)制在接收端則對載波信號的調(diào)制參量連續(xù)地進行估值；而數(shù)字調(diào)制都是用載波信號的某些離散狀態(tài)來表征所傳送的信息，在接收端也只要對載波信號的離散調(diào)制參量進行檢測。根據(jù)已調(diào)信號的頻譜結(jié)構(gòu)特點的不同，數(shù)字調(diào)制也可分為線形調(diào)制和非線形調(diào)制。在線形調(diào)制中，已調(diào)信號的頻譜結(jié)構(gòu)與基帶信號的頻譜結(jié)構(gòu)相同，只不過頻率位置搬移了；在非線形調(diào)制中，已調(diào)信號的頻譜結(jié)構(gòu)與基帶信號的頻譜結(jié)構(gòu)不同，不是簡單的頻譜搬移，而是有其他新的頻率成

24、分出現(xiàn)。振幅鍵控屬于線形調(diào)制，而移頻鍵控常屬于非線形調(diào)制。我們主要討論的是多進制的相位調(diào)制，因此，先來看看與二進制數(shù)字調(diào)制相比，它有哪些特點：1.在相同的碼元傳輸速率下，多進制系統(tǒng)的信息傳輸速率顯然比二 進制系統(tǒng)的高。四進制系統(tǒng)的信息速率是二進制系統(tǒng)的兩倍；2. 在相同的信息速率下，由于多進制碼元傳輸速率比二進制的低，因而多進制信號碼元的持續(xù)時間要比二進制的長。顯然，增大碼元寬度，就會增加碼元的能量，并能減小由于信道特性引起的碼間干擾的影響。2.2 QPSK調(diào)制和解調(diào)原理2.2.1 調(diào)制原理在無線電通信系統(tǒng)中，為實現(xiàn)電信號的傳輸，需要將待傳送信號的頻譜移到較高的頻率范圍，這種頻譜的搬移稱為信號

25、的調(diào)制。需要調(diào)制的原因有兩方面。一方面，由電磁波輻射理論可知，只有當(dāng)發(fā)射天線的尺寸等于信號波長的1/10或更大些，新號才能有效的通過天線發(fā)射出去；因為聲音、圖像等形成的電信號的頻率很低，所以需要的天線尺寸應(yīng)達到幾十公里甚至幾百公里，這顯然是不可行的。另一方面，即使能把低頻信號發(fā)射出去，也會造成各種低頻信號的相互干擾，無法接受。 利用調(diào)制過程將每一個信號的頻譜搬移到互不重疊的頻率范圍，使接受信號時，不致相互干擾。這個問題的解決使得在一個信道中可以傳輸多個信號，即實現(xiàn)了信道的“頻分多路復(fù)用”。 調(diào)制，通常是由低頻信號（又稱調(diào)制信號）去控制一個高頻振蕩的振幅、頻率或初相位等參數(shù)之中的任意一個來達到的

26、，分別稱為幅度調(diào)制、頻率調(diào)制和相位調(diào)制；頻率調(diào)制和相位調(diào)制又稱角度調(diào)制。QPSK的調(diào)制中，QPSK信號可以看成是兩個載波正交的2PSK信號調(diào)制器構(gòu)成。原理分析如下：基本原理和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)QPSK與二進制PSK一樣，傳輸信號包含的信息都存在于相位中。個別的載波相位取四個等間隔值之一，如/4, 3/4,5/4,和7/4。相應(yīng)的，可將發(fā)射信號定義為 （） （2.2-5） 其他 其中，i1，2，3，4；E是發(fā)射信號的每個符號的能量，T為符號的持續(xù)時間，載波頻率f等于nc/T，nc為固定整數(shù)。每一個可能的相位值對應(yīng)于一個特定的二位組。下面介紹QPSK信號的產(chǎn)生和檢測。如圖為典型的QPSK發(fā)射機框圖。輸入的二

27、進制數(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，即負號1和0分別用和-表示。該二進制波形被分接器分成兩個分別由輸入序列的奇數(shù)位偶數(shù)位組成的彼此獨立的二進制波形，這兩個二進制波形分別用a1(t)和a2(t)表示。此時，在任何一信號時間間隔內(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。這兩個二進制波形a1(t)和a2(t)被用來調(diào)制一對正交載波：,。這樣就得到一對二進制PSK信號。和的正交性使這兩個信號可以被獨立地檢測。最后，將這兩個二進制PSK信號相加，從而得期望的QPSK。調(diào)制部分原理方框圖如下：圖2-4 調(diào)制原理框圖2.2.2 解調(diào)原理Q

28、PSK信號是兩個正交的2PSK信號的合成,所以可仿照2PSK信號的相平解調(diào)法,用兩個正交的相干載波分別檢測A和B兩個分量,然后還原成串行二進制數(shù)字信號,即可完成。原理圖如圖2.5所示。低通相乘抽判/2相乘低通抽判并/串載波提取定時提取-QPSK信號輸出信號圖2.5 QPSK解調(diào)原理圖相干解調(diào)中，正交路和同相路分別設(shè)置兩個相關(guān)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差分解碼。假如已調(diào)信號為，I(t) 和Q(t) 分別為和正交路，為載波頻率，那么相干解調(diào)后，同相路相乘可得 (2-5) 正交路為 (2-6) 經(jīng)

29、過低通濾波器后，可得 (2-7)經(jīng)過判決電路后，由上式，不難得到如下表所示結(jié)果（同相路和正交路是經(jīng)過極性轉(zhuǎn)換的，1對應(yīng)于二進制數(shù)據(jù)1，-1對應(yīng)于二進制數(shù)據(jù)0）。解調(diào)過程中涉及到信號的采樣、數(shù)字下變頻、載波同步、位同步等關(guān)鍵技術(shù)。信號的采樣是模擬信號與數(shù)字信號之間的一個通道，是數(shù)字化解調(diào)過程中一個及其關(guān)鍵的步驟。數(shù)字下變頻DDC(Digital Down Converter)是隨著數(shù)字信號處理技術(shù)的發(fā)展而出現(xiàn)的，目前大量使用在數(shù)字中頻技術(shù)中，它的根本任務(wù)就是實現(xiàn)數(shù)字中頻到基帶信號的變換。數(shù)字下變頻的組成與模擬下變頻器類似，包括數(shù)字混頻器、數(shù)字控制振蕩器(NCo)和低通濾波器(LPF)三部分組成。

30、影響數(shù)字下變頻器性能的主要因素有兩個：一是表示數(shù)字本振、輸入信號以及混頻乘法運算的樣本數(shù)值的有限字長所引起的誤差；二是數(shù)字本振相位分辨率不夠而引起數(shù)字本振樣本數(shù)值的近似取值。也就是說，數(shù)字混頻器和數(shù)字本振的數(shù)據(jù)位數(shù)不夠?qū)?，存在尾?shù)截斷的情況；數(shù)字本振相位的樣本值存在近似的情況。它主要涉及數(shù)控振蕩器NCO，抽取濾波器(即積分清洗濾波器)等技術(shù)。在數(shù)字通信系統(tǒng)中，解調(diào)器的任務(wù)是恢復(fù)出傳輸來的原始數(shù)據(jù)系列。解調(diào)器的構(gòu)成方案通?？梢苑譃閮深悾和浇庹{(diào)和異步解調(diào)。兩者的區(qū)別在于，同步解調(diào)需要一個相干同步的本地載波。一般地說，同步解調(diào)性能較為優(yōu)良。但是，對于抑制載波分量的調(diào)制信號來說，要從接收的信號中恢復(fù)

31、出參考載波，必須進行相應(yīng)的處理。在數(shù)字通信中，除了載波同步外，還需要位同步。因為消息是一串連續(xù)的碼元系列，解調(diào)時必須知道碼元的起止時刻，即碼同步。位同步可分為自同步和外同步兩種。自同步是直接從接收的信號中提取位同步信息，而外同步是在發(fā)射端專門發(fā)射導(dǎo)頻信號。例如，在基帶信號頻譜的零點，插入所需的導(dǎo)頻信號，在接收端，利用窄帶濾波器，就可以從解調(diào)后的基帶信號中提取所需的同步信息。插入導(dǎo)頻也可以使數(shù)字信號的包絡(luò)，隨同步信號的某種波形而變化。在相移或頻移鍵控時，在接收端只要進行包絡(luò)檢波就可得到同步信號。3. Matlab/Simulink簡介3.1 Matlab簡介MATLAB是MATrix LABor

32、atory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,但是因為大量的額外的工具箱它也適合于不同領(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。3.2 Simulink簡介M

33、atlab是一個數(shù)值計算，先進的圖形和可視化，高層次的編程語言綜合科學(xué)計算環(huán)境。 MATLAB工具箱提供面向?qū)I(yè)圖書館延伸MATLAB capabilities.MATLAB編譯MATLAB M文件自動轉(zhuǎn)換成獨立的應(yīng)用程序開發(fā)的C和C代碼。 SIMU字可以用計算機模擬，在Simulink和鏈接詞說，它連接到系統(tǒng)，系列模塊連接在一起，構(gòu)成一個復(fù)雜的系統(tǒng)模型。 Simulink是MATLAB最重要的組成部分，它可以提供一個動態(tài)系統(tǒng)建模，仿真和集成環(huán)境的綜合分析。在這種環(huán)境下，工作人員不必編寫復(fù)雜的程序，用鼠標(biāo)進行簡單的操作，你可以構(gòu)造不同的系統(tǒng)。 Simulink中有許多優(yōu)點，以適應(yīng)清除的結(jié)構(gòu)和流

34、程仿真精細，貼近實際，高效率，靈活的基于Simulink的上述優(yōu)勢，廣泛已被廣泛用于在復(fù)雜的模擬和設(shè)計控制理論與數(shù)字信號處理。 Simulink是用于動態(tài)系統(tǒng)建模，仿真和分析軟件包。 SIMULINK動態(tài)系統(tǒng)（包括連續(xù)系統(tǒng)，離散系統(tǒng)和混合動力系統(tǒng)的建模，分析和模擬），這將是一件容易的事情。它提供了一個圖形化的，互動的環(huán)境，只需用鼠標(biāo)拖動的方法將能夠迅速建立系統(tǒng)框圖模型，甚至不寫一行代碼。 Simulink系統(tǒng)建模與仿真，其最大的優(yōu)點是易于學(xué)習(xí)，易于使用和依靠基于MATLAB仿真的豐富資源。7Simulink具有如下特點：交互式、圖形化的建模環(huán)境：Simulink中提供了豐富的模塊庫，以幫助用戶

35、快速建立一個動態(tài)的系統(tǒng)模型。實驗者只需使用鼠標(biāo)單擊庫中的系統(tǒng)模塊不同的模塊，然后通過連接的設(shè)計原理建模。 交互式的仿真環(huán)境：Simulink的框圖提供強大的交互式仿真環(huán)境，實驗者可以使用命令行模擬，模擬，通過下拉菜單。 專用模塊庫(Blocksets)：Simulink建模系統(tǒng)的補充，MathWorks公司還開發(fā)了一個特殊的功能塊，如DSP模塊庫和通信模塊庫，包。實驗者使用這些軟件包，用戶可以快速系統(tǒng)建模，仿真和分析。更方便，用戶也可以下載代碼自動生成系統(tǒng)模型和生成的代碼應(yīng)用到不同的目標(biāo)機。 提供了仿真庫的擴充和定制機制： Simulink的開放式架構(gòu)允許用戶擴展的模擬環(huán)境：MATLAB，C代

36、碼生成自定義模塊庫，并有自己的圖標(biāo)和界面。因此，用戶可以使用C鏈接寫的代碼，或購買更先進的系統(tǒng)設(shè)計，仿真和分析，使用由第三方開發(fā)商提供的模塊庫。 與MATLAB工具箱的集成：由于Simulink的MATLAB的資源和功能，使用戶可以直接在Simulink的，如數(shù)據(jù)分析，模擬，過程自動化，優(yōu)化參數(shù)。工具箱中提供了先進的設(shè)計和分析能力，可以快速集成到模擬過程。 架構(gòu)擴展Simulink的基礎(chǔ)上的建模也提供設(shè)計，實施，驗證和確認任務(wù)相應(yīng)的工具。 Simulink和MATLAB緊密集成，可以直接訪問大量用于算法開發(fā)，仿真分析和可視化的MATLAB工具，批處理腳本來創(chuàng)建定制的建模環(huán)境，信號參數(shù)和測試數(shù)據(jù)

37、的定義。3.2.1 Simulink概述Matlab是一個數(shù)值計算，先進的圖形和可視化，高層次的編程語言綜合科學(xué)計算環(huán)境。 MATLAB工具箱提供面向?qū)I(yè)圖書館延伸MATLAB capabilities.MATLAB編譯MATLAB M文件自動轉(zhuǎn)換成獨立的應(yīng)用程序開發(fā)的C和C代碼。 SIMU字可以用計算機模擬，在Simulink和鏈接詞說，它連接到系統(tǒng)，系列模塊連接在一起，構(gòu)成一個復(fù)雜的系統(tǒng)模型。 Simulink是MATLAB最重要的組成部分，它可以提供一個動態(tài)系統(tǒng)建模，仿真和集成環(huán)境的綜合分析。在這種環(huán)境下，工作人員不必編寫復(fù)雜的程序，用鼠標(biāo)進行簡單的操作，你可以構(gòu)造不同的系統(tǒng)。 Simu

38、link中有許多優(yōu)點，以適應(yīng)清除的結(jié)構(gòu)和流程仿真精細，貼近實際，高效率，靈活的基于Simulink的上述優(yōu)勢，廣泛已被廣泛用于在復(fù)雜的模擬和設(shè)計控制理論與數(shù)字信號處理。 Simulink是用于動態(tài)系統(tǒng)建模，仿真和分析軟件包。 SIMULINK動態(tài)系統(tǒng)（包括連續(xù)系統(tǒng)，離散系統(tǒng)和混合動力系統(tǒng)的建模，分析和模擬），這將是一件容易的事情。它提供了一個圖形化的，互動的環(huán)境，只需用鼠標(biāo)拖動的方法將能夠迅速建立系統(tǒng)框圖模型，甚至不寫一行代碼。 Simulink系統(tǒng)建模與仿真，其最大的優(yōu)點是易于學(xué)習(xí)，易于使用和依靠基于MATLAB仿真的豐富資源。7Simulink具有如下特點：交互式、圖形化的建模環(huán)境：Sim

39、ulink中提供了豐富的模塊庫，以幫助用戶快速建立一個動態(tài)的系統(tǒng)模型。實驗者只需使用鼠標(biāo)單擊庫中的系統(tǒng)模塊不同的模塊，然后通過連接的設(shè)計原理建模。 交互式的仿真環(huán)境：Simulink的框圖提供強大的交互式仿真環(huán)境，實驗者可以使用命令行模擬，模擬，通過下拉菜單。 專用模塊庫(Blocksets)：Simulink建模系統(tǒng)的補充，MathWorks公司還開發(fā)了一個特殊的功能塊，如DSP模塊庫和通信模塊庫，包。實驗者使用這些軟件包，用戶可以快速系統(tǒng)建模，仿真和分析。更方便，用戶也可以下載代碼自動生成系統(tǒng)模型和生成的代碼應(yīng)用到不同的目標(biāo)機。 提供了仿真庫的擴充和定制機制： Simulink的開放式架構(gòu)

40、允許用戶擴展的模擬環(huán)境：MATLAB，C代碼生成自定義模塊庫，并有自己的圖標(biāo)和界面。因此，用戶可以使用C鏈接寫的代碼，或購買更先進的系統(tǒng)設(shè)計，仿真和分析，使用由第三方開發(fā)商提供的模塊庫。 與MATLAB工具箱的集成：由于Simulink的MATLAB的資源和功能，使用戶可以直接在Simulink的，如數(shù)據(jù)分析，模擬，過程自動化，優(yōu)化參數(shù)。工具箱中提供了先進的設(shè)計和分析能力，可以快速集成到模擬過程。 架構(gòu)擴展Simulink的基礎(chǔ)上的建模也提供設(shè)計，實施，驗證和確認任務(wù)相應(yīng)的工具。 Simulink和MATLAB緊密集成，可以直接訪問大量用于算法開發(fā)，仿真分析和可視化的MATLAB工具，批處理腳

41、本來創(chuàng)建定制的建模環(huán)境，信號參數(shù)和測試數(shù)據(jù)的定義3.2.2 Simulink的特點Simulink中有豐富的擴展模塊庫的預(yù)定義以及交互式圖形編輯，混合和管理的分割模型直觀的框圖設(shè)計特征的水平，實現(xiàn)管理復(fù)雜的設(shè)計模型瀏覽器的導(dǎo)航，創(chuàng)建，任何信號配置搜索模型，參數(shù)，屬性，生成的模型代碼，并能提供與其他模擬程序或手寫代碼集成的API，可以使用嵌入式MATLAB模塊在Simulink和嵌入式Systemscall的MATLAB算法實現(xiàn)，運行時使用一個固定的步變步運行仿真，根據(jù)仿真模式(正常，加速器，快速加速器)確定解釋性運行到運行或編譯的C代碼，在模型的形式; graphicalof調(diào)試器和分析器來檢

42、查模擬的結(jié)果，可以自我診斷性能和行為異常;可以訪問MATLAB為了對結(jié)果進行分析和可視化，自定義建模環(huán)境，信號參數(shù)和測試數(shù)據(jù)，模型分析anddiagnostic工具的定義，以確保模型的一致性確定模型的誤差。3.2.3 Simulink常用模塊庫Simulink有幾個常用的模塊：1、信宿(Sinks)模塊庫Display顯示輸入的值；Output創(chuàng)建子系統(tǒng)的輸出端口或外部輸出端口；Scope、Float Scope顯示仿真時產(chǎn)生的信號；StopSimulation表示停止仿真；Terminator將未使用的輸出端作為終端來避免告警；XY Graph顯示XY坐標(biāo)圖。2、信源(Sources)模塊庫

43、包括產(chǎn)生各種信號的模塊。BandLimited White Noise為連續(xù)系統(tǒng)引入白噪聲；Chirp Signal產(chǎn)生一個掃頻信號；Clock產(chǎn)生和顯示仿真時間；Constant產(chǎn)生一個常量值； Ground表示接地等。3、連續(xù)(Continuous)模塊庫包括線性函數(shù)模型。包括有微分單元(Derivative)、積分單元(Integrator)、線性狀態(tài)空間系統(tǒng)單元(StateSpace)、線性傳遞函數(shù)單元(Transfer Fen)、延時單元(Transport Delay)、可變傳輸延時單元(Variable Transport Delay)、指定零極點輸入函數(shù)單元(ZeroPole)

44、。4、數(shù)學(xué)操作(Simulink Math Operations和FixedPoint Blocket Math)模塊庫包含常用的數(shù)學(xué)函數(shù)模塊。包括輸入信號絕對值單元(Abs)等。5、通信模塊庫(Comunications Blockset)信源(Comm Sources)：產(chǎn)生需要的隨機或偽隨機信號，或者是文件或模擬壓控振蕩器(VCO)的非隨機信號。 Bernoulli Random Binary Generator模塊：產(chǎn)生由伯努利分布得到的二進制隨機數(shù)。 Binary Vector Noise Generator模塊：產(chǎn)生二進制隨機向量。 RandomInteger Generator模

45、塊：產(chǎn)生一個在一定范圍內(nèi)的隨機整數(shù)。 Poission Int Generator模塊：產(chǎn)生洎松分布所需的隨機整數(shù)。 PN Sequence Generator模塊：產(chǎn)生偽隨機序列。 Gaussian Noise Generator模塊：產(chǎn)生離散高斯白噪聲。 Rayleigh Noise Generator模塊：產(chǎn)生瑞利分布的噪聲。 Uniform Noise Generator模塊：產(chǎn)生一個在特定條件下的均勻噪聲。 Voltage-Controlled Oscillator模塊：實現(xiàn)壓控振蕩器。 信宿(Comm Sinks)：此庫中提供了信宿和顯示的模塊，以使對通信系統(tǒng)的分析更加簡便。 Tr

46、iggered Write to File模塊：利用上升沿的觸發(fā)向文件寫入數(shù)據(jù)。Enor Rate Calculation模塊：統(tǒng)計輸入信號的誤碼率。6、信源編碼(Source Coding)模塊庫信源編碼分為兩個步驟：信源編碼和信源譯碼。得到一個數(shù)字信號需要用到量化。所得信號的符號都是在某個有限范圍內(nèi)的非負整數(shù)。信源譯碼就是從傳輸?shù)玫降男盘柣謴?fù)出源信息流。7、信道(Channel)模塊庫提供各種不同通信環(huán)境的信道模型，比如高斯白噪聲信道等。 8、錯誤偵測與校驗(Enor Detection Correction)模塊庫利用輸入輸出的數(shù)據(jù)，得到分析數(shù)據(jù)的模塊，比如誤碼率計算的模塊。 9、調(diào)制解

47、調(diào)(Modulation)模塊分為數(shù)字調(diào)制和模擬調(diào)制，再細分又可分為相位調(diào)制、幅度調(diào)制和頻率調(diào)制。4. 基于Simulink的QPSK系統(tǒng)仿真分析4.1 QPSK信號的相干解調(diào)本課題采用MATLAB自帶的SIMULINK來設(shè)計QPSK解調(diào)的仿真過程，仿真如圖4-1所示。圖4-1 QPSK解調(diào)仿真圖1 正弦相干波產(chǎn)生器4.1.1 QPSK解調(diào)過程主要組件的功能及參數(shù)設(shè)置1 正弦相干載波產(chǎn)生器圖4-1 正弦相干載波產(chǎn)生器功能：如圖4-1所示此模塊組是實現(xiàn)給輸入的信號加相干正弦載波，實現(xiàn)頻譜搬移。2 積分器及延時器圖4-5積分器和延時器的連接功能：如圖4-6所示此模塊組是實現(xiàn)對輸出信號進行抽樣判決的作用。3 并/串轉(zhuǎn)換圖4-7 并/串轉(zhuǎn)換器功能：如圖4-7所示此模塊