QPS的調(diào)制與解調(diào)

1、通信專業(yè)課程設(shè)計一太原科技大學(xué)課 程 設(shè) 計（論 文）設(shè)計(論文)題目：QPSK的調(diào)制與解調(diào)姓 名 學(xué) 號 班 級 學(xué) 院 指導(dǎo)教師 2012年 12 月 14 日太原科技大學(xué)課程設(shè)計（論文）任務(wù)書學(xué)院（直屬系）：電子信息工程學(xué)院 時間： 2012年12月5日學(xué) 生 姓 名指 導(dǎo) 教 師設(shè)計（論文）題目QPSK的調(diào)制與解調(diào)主要研究內(nèi)容首先，對QPSK進(jìn)行深一步的學(xué)習(xí)和研究，明白QPSK技術(shù)的優(yōu)點和不足，以便為以后做實驗做下基礎(chǔ)。其次，利用所學(xué)知識如：二進(jìn)制振幅鍵控（2ASK）、二進(jìn)制頻移鍵控（2FSK）、和二進(jìn)制相移鍵控（2PSK），進(jìn)行復(fù)習(xí)和鞏固，進(jìn)一步明白它們和QPSK的區(qū)別。最后，利用M

2、ATLAB工具對QPSK進(jìn)行模擬和仿真。研究方法Matlab仿真，查閱資料主要技術(shù)指標(biāo)(或研究目標(biāo))理解QPSK調(diào)制解調(diào)的基本原理，并使用MATLAB編程實現(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。教研室意見教研室主任（專業(yè)負(fù)責(zé)人）簽字： 年 月 日 QPSK的調(diào)制與解調(diào)摘 要在21世界信息飛速發(fā)展的時代，各個國家對通信行業(yè)的支持更是不遺余力。當(dāng)前我國3G行業(yè)正值蓬勃發(fā)展，國家又在大力倡導(dǎo)三網(wǎng)融合。各個運營商都在極力擴展自己的業(yè)務(wù)。這也在為客戶服務(wù)方面有了更高的要求、更高的質(zhì)量。眾所周知，調(diào)制解調(diào)技術(shù)是信號傳輸?shù)幕竞秃诵摹：玫募夹g(shù)能夠快速地傳遞用戶信息，并且有著高

3、的準(zhǔn)確性（即非常低的誤碼率）和可靠性。QPSK調(diào)制解調(diào)技術(shù)以其高的解調(diào)速率、低的誤碼率，在CDMA領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。此項研究，對通信行業(yè)的發(fā)展有著積極推進(jìn)的作用，利于提高我國通信行業(yè)的技術(shù)水準(zhǔn)，以便于更好的為國家和人民服務(wù)。論文分作四部分，第一章是緒論，簡單闡述QPSK課題的研究背景以及課題內(nèi)容和整個論文的結(jié)構(gòu)安排；第二章簡單介紹了了QPSK調(diào)制解調(diào)的原理和方法，針對此次課題QPSK的調(diào)制解調(diào)提出具體的方案，按調(diào)制和解調(diào)的步驟，一步步編寫出程序，第三章利用MATLAB工具對程序做出相應(yīng)的仿真，在仿真過程中加入噪聲分析，最后在對它的誤碼率做一個研究；第四章是對整個畢設(shè)的結(jié)論和總結(jié)，感悟自己在這一

4、時間內(nèi)的所學(xué)所感，對自己的努力做一個回顧，以便在今后的生活和學(xué)習(xí)中，有更進(jìn)一步的提高。首先介紹了QPSK的調(diào)制解調(diào)原理，其次提出了一種基于MATLAB的調(diào)制解調(diào)方案，包括串并轉(zhuǎn)換、電平轉(zhuǎn)換、載波調(diào)制、信號合成、相干解調(diào)、抽樣判決，和并串轉(zhuǎn)換一系列系統(tǒng)的設(shè)計，對QPSK的星座圖和調(diào)制解調(diào)進(jìn)行了仿真，最后對系統(tǒng)性能進(jìn)行了分析，進(jìn)而證明QPSK調(diào)制技術(shù)的優(yōu)越性。關(guān)鍵詞：QPSK ；調(diào)制解調(diào) ；電平轉(zhuǎn)換 ；相干解調(diào) ；抽樣判決I目錄摘 要I第1章 緒論11.1課題背景、目的及意義11.1.1 QPSK系統(tǒng)的應(yīng)用背景簡介11.1.2 QPSK仿真的意義11.2課題的主要內(nèi)容21.3 本論文的結(jié)構(gòu)安排2第

5、2章 QPSK的調(diào)制與解調(diào)32.1設(shè)計步驟32.2 QPSK誤碼率分析4第3章 仿真及其結(jié)果分析63.1 QPSK在高斯噪聲情況下調(diào)制63.2 QPSK在高斯噪聲情況下解調(diào)8第4章 結(jié)論12附錄14 第1章 緒論1.1課題背景、目的及意義在現(xiàn)代通信領(lǐng)域里，隨著人民生活水平的提高，對于通信的質(zhì)量及效率有著明顯的要求，尤其是近幾年，我國迅速步入了全民“3G”時代，通信業(yè)務(wù)需求的快速增長，高效的調(diào)制解調(diào)技術(shù)已經(jīng)成為研究和發(fā)展的方向。1.1.1 QPSK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

6、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、誤碼性能好、頻譜利用率高等優(yōu)點,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。1.1.2 QPSK仿真的意義通過完成設(shè)計內(nèi)容， 學(xué)習(xí)QPSK調(diào)制解調(diào)的基本原理，同時也要復(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的實現(xiàn)方法及數(shù)學(xué)原理。并對“通信”這個概念有個整體的理解，學(xué)習(xí)數(shù)字調(diào)制中誤碼率測試的標(biāo)準(zhǔn)

7、及計算方法。同時還要復(fù)習(xí)隨機信號中時域用自相關(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，并鍛煉自己的編程能力，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。通過本次實驗，除了培養(yǎng)了自主動手學(xué)到了知識之外，還可以將次研究作為一種推廣，讓自己來深入一層的了解Q

8、PSK以至其他調(diào)制方式的原理和實現(xiàn)方法?？梢苑奖阕约哼M(jìn)行測試和對比。1.2課題的主要內(nèi)容通過指導(dǎo)老師提供以及自己查閱的資料，首先，對QPSK進(jìn)行深一步的學(xué)習(xí)和研究，明白QPSK技術(shù)的優(yōu)點和不足，以便為以后做實驗打下基礎(chǔ)。其次，利用所學(xué)知識如：二進(jìn)制振幅鍵控（2ASK）、二進(jìn)制頻移鍵控（2FSK）、和二進(jìn)制相移鍵控（2PSK），進(jìn)行復(fù)習(xí)和鞏固，進(jìn)一步明白它們和QPSK的區(qū)別。最后，利用MATLAB工具對QPSK進(jìn)行模擬和仿真。1.3 本論文的結(jié)構(gòu)安排第一章闡述QPSK的基本原理，了解它的調(diào)制解調(diào)原理。第二章分析了QPSK的特性，設(shè)計出合理的程序。第三章運用MATLAB對其仿真。第四章總結(jié)。第2章

9、 QPSK的調(diào)制與解調(diào)2.1設(shè)計步驟QPSK即四進(jìn)制移向鍵控（Quaternary Phase Shift Keying），它利用載波的四種不同相位來表示數(shù)字信息。若輸入二進(jìn)制數(shù)字信息，序列為1 0 1 0 0 1 0 1 1則應(yīng)對其進(jìn)行劃分，每兩個比特碼編為一組。即為10,10,01,01，等等。然后用四種不同的相位來表示。所以QPSK又被稱為雙比特碼元。由于每一種載波相位代表兩個比特信息，因此每個四進(jìn)制碼元可以用兩個二進(jìn)制碼元的組合來表示?，F(xiàn)在假設(shè)，在兩個二進(jìn)制碼元中的前一個碼元用a表示，后一個碼元用b表示。則QPSK的調(diào)制解調(diào)可畫出如下框圖： 由于QPSK信號可以看作兩個載波正交2PSK

10、信號的合成，所以QPSK正調(diào)制器可參考通信原理（樊昌信，國防工業(yè)出版社，2007.8）。設(shè)計示意圖如下：圖2.1 QPSK調(diào)制原理通過上面對QPSK信號的調(diào)制，我門對QPSK有了更加深刻的認(rèn)識。那么它的解調(diào)可以采用與2PSK信號類似的解調(diào)方法進(jìn)行解調(diào)。同樣參考通信原理（樊昌信，國防工業(yè)出版社，2007.8），同相支路和正交支路分別采用相干解調(diào)方式解調(diào)，之后可以得到二者的和，經(jīng)過抽樣判決和串、并變換器，將上下之路得到的并行數(shù)據(jù)恢復(fù)為串行數(shù)據(jù)。那么此時就得到我們最初的原始信號，它的解調(diào)原理圖如下所示解調(diào)原理圖：圖2.2 QPSK解調(diào)原理因為QPSK的調(diào)制解調(diào)可以看做兩個正交的二相調(diào)制解調(diào)的合成。所

11、以QPSK的調(diào)制解調(diào)過程應(yīng)該和2PSK調(diào)制解調(diào)相類似，同樣可以分為調(diào)相法和相位選擇法。我們就利用調(diào)相法設(shè)計出合理的源代碼。2.2 QPSK誤碼率分析 對于QPSK，可以看成是由兩個相互正交且獨立的2PSK信號疊加而成。因此，利用2PSK誤碼率的分析方法，可得到M進(jìn)制QPSK的誤碼率為： (2-1) 式中，Eb為每碼元能量，n0為噪聲單邊功率譜密度。通過調(diào)整高斯白噪聲信道的信噪比snr（Eb/No），可以得到如圖所示的誤碼率圖：誤碼率圖：圖2.3 QPSK誤碼率分析由圖示可知，QPSK調(diào)制解調(diào)有比較低的誤碼率，所以因其抗干擾性能強、誤碼性能好、頻譜利用率高等優(yōu)點,廣泛應(yīng)用于數(shù)字微波通信系統(tǒng)、數(shù)字

12、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。第3章 仿真及其結(jié)果分析3.1 QPSK在高斯噪聲情況下調(diào)制 此次設(shè)計，把碼元周期設(shè)定為T=0.1 s，載波頻率設(shè)置為fc=10HZ，MATLAB工具中，采樣頻率設(shè)定為fs=1800HZ。為了更加接近實際情況，在調(diào)制解調(diào)過程中加入高斯白噪聲。首先，按照編寫的代碼，輸入序列1、 -1、 -1 、1、 1 、1 、-1、 1，利用MATLAB繪制出如3-1所示圖例圖3.1 輸入的二進(jìn)制碼元我們按照上面的框圖設(shè)計出QPSK的調(diào)制程序（此程序基于MATLAB進(jìn)行操作），其中I路碼元為奇數(shù)位碼元，Q路碼元為偶數(shù)位碼元，將二者合成之后，就得到所謂的正交相

13、移鍵控（QPSK），也就是四進(jìn)制絕對調(diào)相4PSK。它的調(diào)制解調(diào)按照后邊附錄程序進(jìn)行QPSK是由兩路BPSK信一號構(gòu)成，且兩路信號相互正交的，即相位差相差90度，兩路BPSK信號相加，即得到QPSK信號。下面所示圖示即為I路和Q路的碼元情況。圖3.2 I路和Q路電平碼在完成I路和Q路分離后，對兩路信號加入正交的載波進(jìn)行調(diào)制，調(diào)制情況如下所示圖3.3 I路和Q路加載波信號在順利完成I路和Q路電平碼加入載波信號后，利用MATLAB進(jìn)行仿真，I支路開始的1、-1是原始代碼的第一和第三位；Q支路的-1、1是原始代碼中的第二和第四位碼元。符合理論分析的情況。那沒下面就對I路和Q路碼元進(jìn)行疊加，就得到了QP

14、SK表達(dá)式，仿真圖形如下所示：圖3.4 QPSK信號的形成3.2 QPSK在高斯噪聲情況下解調(diào)我們已經(jīng)完成了QPSK信號的調(diào)制過程，下面開始完成它的解調(diào)。按照流程圖，將QPSK信號輸入到帶通濾波器中，然后利用和原來載波調(diào)制相同頻率、相同信號的調(diào)制信號對QPSK信號進(jìn)行解調(diào)，解調(diào)的MATLAB仿真示意圖如下圖3.5所示圖3.5 QPSK的相干解調(diào)然后相干解調(diào)中，正交路和同相路分別設(shè)置兩個相關(guān)器(或匹配濾波器)，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,、分別為同相路和正交路，為載波頻率，那么

15、相干解調(diào)后，同相路相乘可得 = （3-1） =正交路為： = （3-2） =經(jīng)過低通濾波后，可得： （3-3） 完成解調(diào)之后把相應(yīng)的支路信號輸入到濾波器中濾除不必要的噪聲，以便可以恢復(fù)出更準(zhǔn)確的碼元信息。圖3.6 將解調(diào)信號通過濾波器 在完成通過濾波器之后，將碼元再通過并串轉(zhuǎn)換，得到原始的碼元1、-1、-1、1、1、1、-1、1將其和原始碼元相比，發(fā)現(xiàn)準(zhǔn)確無誤。然后再做出QPSK信號功率譜密度圖如下所示：QPSK碼元恢復(fù)及功率譜密度：圖3.7 QPSK碼元恢復(fù)及功率譜密度第4章 結(jié)論經(jīng)過學(xué)習(xí)和發(fā)現(xiàn)QPSK和2PSK有著許多的相似之處。QPSK即四進(jìn)制移向鍵控（Quaternary Phase

16、Shift Keying），它利用載波的四種不同相位（即:00、01、10、11）來表示數(shù)字信息即。而2PSK用0和1來表示。所以QPSK又被稱為雙比特碼元。由于每一種載波相位代表兩個比特信息，因此每個四進(jìn)制碼元可以用兩個二進(jìn)制碼元的組合來表示。借助2PSK的知識自己順利的設(shè)計出了QPSK的調(diào)制解調(diào)框圖，再根據(jù)框圖和MATLAB知識以及設(shè)計2PSK的經(jīng)驗，最后得到了QPSK的程序。在查閱資料的過程中，也認(rèn)識到了QPSK調(diào)制解調(diào)的優(yōu)勢。了解到了國內(nèi)外的廣泛應(yīng)用和先進(jìn)技術(shù)?，F(xiàn)在我國全民進(jìn)入了3G時代。隨后的4G等等都會對調(diào)制解調(diào)有著更高的要求。不論在調(diào)制解調(diào)速度上還是在信號質(zhì)量（即:誤碼率）上，或

17、是安全性上。QPSK都滿足當(dāng)前所需。同時，三網(wǎng)融合也在順利進(jìn)行，所以，QPSK有著重要的應(yīng)用意義。參考文獻(xiàn)1 曹志剛.現(xiàn)代通訊原理.清華大學(xué)出版社,2007.8 2 張威.MATLAB基礎(chǔ)與編程入門.西安電子科技大學(xué)出版社,2004.23 樊昌信.通信原理.國防工業(yè)出版社，2007.84 徐利民等，基于MATLAB的信號與系統(tǒng)實驗教程清華大學(xué)出版社，2010年5 余智，余兆明.數(shù)字調(diào)制技術(shù).中國多媒體視訊，2003.76 劉建軍.淺談QPSK調(diào)制技術(shù).中國有線電視，2004.107 Stephen G.Wilson.Digital Modulation and Coding.Prentice

18、Hall,Inc.19968 Berger T.Rate Distortion Theory.Prentice Hall.Inc.,19719 別志松，別紅霞. 系統(tǒng)與通信系統(tǒng)仿真. 北京：北京郵電大學(xué)出版社，2010.附錄全部代碼如下：clear;N=8;bitstream=1 -1 -1 1 1 1 -1 1;figure(1) subplot(111) stem(bitstream);title('輸入的二進(jìn)制序列');xlabel('碼元間距') ylabel('碼元') fc=10; %載波頻率fs=1800; %采樣頻率T=0.1;

19、%每符號持續(xù)時間N_samples=T*fs; %每符號內(nèi)的采樣點數(shù) t=0:T/N_samples:(T-T/N_samples); %串并轉(zhuǎn)換 figure(2) in1=zeros(1,N/2);in2=zeros(1,N/2); for i=1:N/2 in1(i)=bitstream(2*(i-1)+1); in2(i)=bitstream(2*(i-1)+2);end subplot(211) stem(in1);title('I支路分量')xlabel('碼元間距') ylabel('碼元') subplot(212) stem(i

20、n2);title('Q支路分量')xlabel('碼元間距') ylabel('碼元') carrier1=cos(2*pi*fc*t); carrier2=sin(2*pi*fc*t); n=length(bitstream)/2; x1=zeros(1,length(carrier1)*n); y1=zeros(1,length(carrier1)*n); for i=1:length(in1) x1(N_samples*(i-1)+1):(N_samples*(i-1)+N_samples)=in1(i)*carrier1; end %載

21、波調(diào)制 figure(3) t1=0:T/N_samples:(length(x1)/N_samples)*T-T/N_samples); subplot(211) plot(t1,x1) axis(0 0.4 -3 3 ); title('I支路分量加載波信號') xlabel('時間/s') ylabel('幅值') grid on; for i=1:length(in2) y1(N_samples*(i-1)+1):(N_samples*(i-1)+N_samples)=in2(i)*carrier2; end subplot(212) p

22、lot(t1,y1) axis(0 0.4 -3 3 ); title('Q支路分量加載波信號') xlabel('時間/s') ylabel('幅值') grid on; figure(4) z1=x1+y1; subplot(111) plot(t1,z1) axis(0 0.4 -3 3 ); title('QPSK調(diào)制信號') xlabel('時間/s') ylabel('幅值') grid on; k = 2; % 每個符號的比特數(shù) EbNo = 5; % 解調(diào)門限In dB nsamp

23、= 1; % 采樣率 snr = EbNo + 10*log10(k) - 10*log10(nsamp); z2 = awgn(z1,snr,'measured'); figure(5) for i=1:length(z2)/N_samples x2(N_samples*(i-1)+1):(N_samples*(i-1)+N_samples)=carrier1; end x3=z2.*x2; subplot(211) plot(t1,x3) axis(0 0.4 -3 3 ); title('I支路分量相干解調(diào)信號') xlabel('時間/s'

24、;) ylabel('幅值') grid on; for i=1:length(z2)/N_samples y2(N_samples*(i-1)+1):(N_samples*(i-1)+N_samples)=carrier2; end y3=z2.*y2; subplot(212) plot(t1,y3) axis(0 0.4 -3 3 ); title('Q支路分量相干解調(diào)信號') xlabel('時間/s') ylabel('幅值') grid on;%加噪信號通過濾波器 b,a=butter(3,0.1); x3=filte

25、r(b,a,x3); b,a=butter(2,0.1); y3=filter(b,a,y3); figure(6) subplot(211) plot(t1,x3); axis(0 0.2 -3 3 ); title('I支路分量相干解調(diào)信號通過濾波器') xlabel('時間/s') ylabel('幅值') grid on; subplot(212) plot(t1,y3); axis(0 0.2 -3 3 ); title('Q支路分量相干解調(diào)通過濾波器') xlabel('時間/s') ylabel('幅值') grid on; out1=zeros(1,length(x3)/(2*N_samples); for i=0:(N/2-1)if(x3(N_samples*i+N_samples/2)>0) out1(i+1)=1