QPS的調制與解調

1、通信專業(yè)課程設計一太原科技大學課 程 設 計（論 文）設計(論文)題目：QPSK的調制與解調姓 名 學 號 班 級 學 院 指導教師 2012年 12 月 14 日太原科技大學課程設計（論文）任務書學院（直屬系）：電子信息工程學院 時間： 2012年12月5日學 生 姓 名指 導 教 師設計（論文）題目QPSK的調制與解調主要研究內容首先，對QPSK進行深一步的學習和研究，明白QPSK技術的優(yōu)點和不足，以便為以后做實驗做下基礎。其次，利用所學知識如：二進制振幅鍵控（2ASK）、二進制頻移鍵控（2FSK）、和二進制相移鍵控（2PSK），進行復習和鞏固，進一步明白它們和QPSK的區(qū)別。最后，利用M

2、ATLAB工具對QPSK進行模擬和仿真。研究方法Matlab仿真，查閱資料主要技術指標(或研究目標)理解QPSK調制解調的基本原理，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)負責人）簽字： 年 月 日 QPSK的調制與解調摘 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。當前我國3G行業(yè)正值蓬勃發(fā)展，國家又在大力倡導三網(wǎng)融合。各個運營商都在極力擴展自己的業(yè)務。這也在為客戶服務方面有了更高的要求、更高的質量。眾所周知，調制解調技術是信號傳輸?shù)幕竞秃诵?。好的技術能夠快速地傳遞用戶信息，并且有著高

3、的準確性（即非常低的誤碼率）和可靠性。QPSK調制解調技術以其高的解調速率、低的誤碼率，在CDMA領域得到廣泛應用。此項研究，對通信行業(yè)的發(fā)展有著積極推進的作用，利于提高我國通信行業(yè)的技術水準，以便于更好的為國家和人民服務。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容和整個論文的結構安排；第二章簡單介紹了了QPSK調制解調的原理和方法，針對此次課題QPSK的調制解調提出具體的方案，按調制和解調的步驟，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的結論和總結，感悟自己在這一

4、時間內的所學所感，對自己的努力做一個回顧，以便在今后的生活和學習中，有更進一步的提高。首先介紹了QPSK的調制解調原理，其次提出了一種基于MATLAB的調制解調方案，包括串并轉換、電平轉換、載波調制、信號合成、相干解調、抽樣判決，和并串轉換一系列系統(tǒng)的設計，對QPSK的星座圖和調制解調進行了仿真，最后對系統(tǒng)性能進行了分析，進而證明QPSK調制技術的優(yōu)越性。關鍵詞：QPSK ；調制解調 ；電平轉換 ；相干解調 ；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)的應用背景簡介11.1.2 QPSK仿真的意義11.2課題的主要內容21.3 本論文的結構安排2第

5、2章 QPSK的調制與解調32.1設計步驟32.2 QPSK誤碼率分析4第3章 仿真及其結果分析63.1 QPSK在高斯噪聲情況下調制63.2 QPSK在高斯噪聲情況下解調8第4章 結論12附錄14 第1章 緒論1.1課題背景、目的及意義在現(xiàn)代通信領域里，隨著人民生活水平的提高，對于通信的質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)務需求的快速增長，高效的調制解調技術已經(jīng)成為研究和發(fā)展的方向。1.1.1 QPSK系統(tǒng)的應用背景簡介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)字調制方式。在19世

6、紀80年代初期,人們選用恒定包絡數(shù)字調制。這類數(shù)字調制技術的優(yōu)點是已調信號具有相對窄的功率譜和對放大設備沒有線性要求,不足之處是其頻譜利用率低于線性調制技術。19世紀80年代中期以后,四相絕對移相鍵控(QPSK)技術以其抗干擾性能強、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計內容， 學習QPSK調制解調的基本原理，同時也要復習通信系統(tǒng)的主要組成部分，了解調制解調方式中最基礎的方法。了解QPSK的實現(xiàn)方法及數(shù)學原理。并對“通信”這個概念有個整體的理解，學習數(shù)字調制中誤碼率測試的標準

7、及計算方法。同時還要復習隨機信號中時域用自相關函數(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調制解調的基本原理，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。復習MATLAB編程的基礎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調制解調系統(tǒng)的仿真，以及誤碼率測試，并得出響應波形。在完成要求任務的條件下，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以至其他調制方式的原理和實現(xiàn)方法。可以方便自己進行測試和對比。1.2課題的主要內容通過指導老師提供以及自己查閱的資料，首先，對QPSK進行深一步的學習和研究，明白QPSK技術的優(yōu)點和不足，以便為以后做實驗打下基礎。其次，利用所學知識如：二進制振幅鍵控（2ASK）、二進制頻移鍵控（2FSK）、和二進制相移鍵控（2PSK），進行復習和鞏固，進一步明白它們和QPSK的區(qū)別。最后，利用MATLAB工具對QPSK進行模擬和仿真。1.3 本論文的結構安排第一章闡述QPSK的基本原理，了解它的調制解調原理。第二章分析了QPSK的特性，設計出合理的程序。第三章運用MATLAB對其仿真。第四章總結。第2章

9、 QPSK的調制與解調2.1設計步驟QPSK即四進制移向鍵控（Quaternary Phase Shift Keying），它利用載波的四種不同相位來表示數(shù)字信息。若輸入二進制數(shù)字信息，序列為1 0 1 0 0 1 0 1 1則應對其進行劃分，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，因此每個四進制碼元可以用兩個二進制碼元的組合來表示。現(xiàn)在假設，在兩個二進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的調制解調可畫出如下框圖： 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正調制器可參考通信原理（樊昌信，國防工業(yè)出版社，2007.8）。設計示意圖如下：圖2.1 QPSK調制原理通過上面對QPSK信號的調制，我門對QPSK有了更加深刻的認識。那么它的解調可以采用與2PSK信號類似的解調方法進行解調。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方式解調，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，它的解調原理圖如下所示解調原理圖：圖2.2 QPSK解調原理因為QPSK的調制解調可以看做兩個正交的二相調制解調的合成。所

11、以QPSK的調制解調過程應該和2PSK調制解調相類似，同樣可以分為調相法和相位選擇法。我們就利用調相法設計出合理的源代碼。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調制解調有比較低的誤碼率，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 仿真及其結果分析3.1 QPSK在高斯噪聲情況下調制 此次設計，把碼元周期設定為T=0.1 s，載波頻率設置為fc=10HZ，MATLAB工具中，采樣頻率設定為fs=1800HZ。為了更加接近實際情況，在調制解調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 輸入的二進制碼元我們按照上面的框圖設計出QPSK的調制程序（此程序基于MATLAB進行操作），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），也就是四進制絕對調相4PSK。它的調制解調按照后邊附錄程序進行QPSK是由兩路BPSK信一號構成，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行調制，調制情況如下所示圖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路碼元進行疊加，就得到了QP

14、SK表達式，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我們已經(jīng)完成了QPSK信號的調制過程，下面開始完成它的解調。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制相同頻率、相同信號的調制信號對QPSK信號進行解調，解調的MATLAB仿真示意圖如下圖3.5所示圖3.5 QPSK的相干解調然后相干解調中，正交路和同相路分別設置兩個相關器(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原始信息。當然，如果調制端是差分編碼的，那么解調中并串變換后還需一個差分解碼。假如已調信號,、分別為同相路和正交路，為載波頻率，那么

15、相干解調后，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） 完成解調之后把相應的支路信號輸入到濾波器中濾除不必要的噪聲，以便可以恢復出更準確的碼元信息。圖3.6 將解調信號通過濾波器 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碼元恢復及功率譜密度：圖3.7 QPSK碼元恢復及功率譜密度第4章 結論經(jīng)過學習和發(fā)現(xiàn)QPSK和2PSK有著許多的相似之處。QPSK即四進制移向鍵控（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，因此每個四進制碼元可以用兩個二進制碼元的組合來表示。借助2PSK的知識自己順利的設計出了QPSK的調制解調框圖，再根據(jù)框圖和MATLAB知識以及設計2PSK的經(jīng)驗，最后得到了QPSK的程序。在查閱資料的過程中，也認識到了QPSK調制解調的優(yōu)勢。了解到了國內外的廣泛應用和先進技術。現(xiàn)在我國全民進入了3G時代。隨后的4G等等都會對調制解調有著更高的要求。不論在調制解調速度上還是在信號質量（即:誤碼率）上，或

17、是安全性上。QPSK都滿足當前所需。同時，三網(wǎng)融合也在順利進行，所以，QPSK有著重要的應用意義。參考文獻1 曹志剛.現(xiàn)代通訊原理.清華大學出版社,2007.8 2 張威.MATLAB基礎與編程入門.西安電子科技大學出版社,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)實驗教程清華大學出版社，2010年5 余智，余兆明.數(shù)字調制技術.中國多媒體視訊，2003.76 劉建軍.淺談QPSK調制技術.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; %每符號內的采樣點數(shù) t=0:T/N_samples:(T-T/N_samples); %串并轉換 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