MATLAB對QPSK通信系統的仿真

1、 QPSK通信系統的性能分析與matlab仿真1 緒論在當今高度信息化的社會，信息和通信已成為現代社會的“命脈”。信息作為一種資源，只有通過廣泛地傳播與交流，才能促進社會成員之間的合作，推動生產力的發(fā)展，創(chuàng)造出巨大的經濟效益。在新技術革命的高速推動和信息高速公路的建設，全球網絡化發(fā)展浪潮的推動下，通信技術得到迅猛的發(fā)展，載波通信、衛(wèi)星通信和移動通信技術正在向數字化、智能化、寬帶化發(fā)展。Simulink具有適應面廣、結構和流程清晰及仿真精細、效率高、貼近實際、等優(yōu)點，基于以上優(yōu)點Simulink已被廣泛應用于控制理論和數字信號處理的復雜仿真和設計。同時有大量的第三方軟件和硬件應用于Simulin

2、k。本文設計出一個QPSK仿真模型，以分析QPSK在高斯信道中的性能，通過此次課程設計，更好地了解QPSK系統的工作原理，傳輸比特錯誤率和符號錯誤率的計算。1.1 研究背景與研究意義1.1.1 研究背景在當今高度信息化的社會，信息和通信已成為現代社會的“命脈”。信息作為一種資源，只有通過廣泛地傳播與交流，才能促進社會成員之間的合作，推動生產力的發(fā)展，創(chuàng)造出巨大的經濟效益。信息的數字轉換處理技術走向成熟，為大規(guī)模、多領域的信息產品制造和信息服務創(chuàng)造了條件。高新技術層出不窮。 隨著通信技術的發(fā)展， 通信系統方面的設計也會越來越復雜，利用計算機軟件的仿真，可以大大地降低通信過程中的實驗成本。Simu

3、link是MATLAB最重要的組件之一，它提供一個動態(tài)系統建模、仿真和綜合分析的集成環(huán)境。在該環(huán)境中只要通過簡單的鼠標操作，就可以構造出復雜的系統。Simulink提供了一個建立模型方塊圖的圖形用戶接口，這個創(chuàng)建過程只需單擊和拖動鼠標操作就能完成，它提供了一種更快捷、直接明了的方式，而且用戶可以立即看到系統的仿真結果。1.1.2研究意義通過完成實驗的設計內容，加深對通信原理理論的理解，熟悉通信系統的基本概念，復習正交相位偏移鍵控(QPSK)調制解調的基本原理和誤比特率的計算方法，了解調制解調方式中最基礎的方法。包括模擬調制中的幅度調制(AM)如雙邊帶幅度調制(DSB)、單邊帶幅度調制(SSB)

4、、常規(guī)幅度調制；角度調制中的相位調制(FM)和頻率調制(PM)。以及數字調制中的幅度調制，相位調制，頻率調制等方式，了解QPSK的實現方法及數學原理，掌握通信系統Simulink仿真建模方法。數字通信之所以取得迅速的發(fā)展不是偶然的現象, 有其理論上、技術上和客觀需求上的基礎從理論分析開始, 人們早就認識到數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和微電子學的進展為通信的數字化提供了堅實的技術基礎人們在社會生活中對多種功能綜合服務的需要是數字通信發(fā)展的強大動力。1.2 課程設計的目的和任務1.2.1 課程設計的目的 本次課程設計是根據“

5、通信工程專業(yè)培養(yǎng)計劃”要求而制定的。通信系統的計算機仿真設計課程設計是通信工程專業(yè)的學生在學完通信工程專業(yè)基礎課、通信工程專業(yè)主干課及科學計算與仿真專業(yè)課后進行的綜合性課程設計。其目的在于使學生在課程設計過程中能夠理論聯系實際，在實踐中充分利用所學理論知識分析和研究設計過程中出現的各類技術問題，鞏固和擴大所學知識面，為以后走向工作崗位進行設計打下一定的基礎。1.2.2課程設計的任務（1）掌握一般通信系統設計的過程、步驟、要求、工作內容及設計方法；掌握用計算機仿真通信系統的方法。（2）訓練學生網絡設計能力。（3）訓練學生綜合運用專業(yè)知識的能力，提高學生進行通信工程設計的能力。1.3 可行性分析而

6、四相絕對移相鍵控(QPSK)技術具有抗干擾能力好、誤碼率低、頻譜利用效率高等一系列優(yōu)點?，F正廣泛地應用于數字微波通信系統、數字衛(wèi)星通信系統、寬帶接入、移動通信和有線電視系統之中。數字通信的主要優(yōu)點在于用數字信號傳送信息易于再生, 可減小傳輸中的失真易于用脈沖數字電路來實現, 設備可做到體積小、重量輕可以引入計算技術, 應用微處理器及單片微機, 發(fā)揮各種數字信號處理及智能化控制功能數字信號易于加密便于采用糾錯編碼和擴頻技術, 提高抗干擾能力。2 QPSK通信系統偏移四相相移鍵控信號簡稱“O-QPSK”。全稱為offset QPSK，也就是相對移相方式OQPSK。它具有一系列獨特的優(yōu)點，已經廣泛應

7、用于無線通信中，成為現代通信中一種十分重要的調制解調方式。在數字信號的調制方式中QPSK四相移鍵控是最常用的一種衛(wèi)星數字信號調制方式,它具有較高的頻譜利用率、較強的抗干擾性、在電路上實現也較為簡單。隨著通信技術的發(fā)展， 通信系統方面的設計也會越來越復雜，利用計算機軟件的仿真，可以大大地降低通信過程中的實驗成本。本文設計出一個QPSK仿真模型，以分析QPSK在高斯信道中的性能，通過此次實驗，可以更好地了解QPSK系統的工作原理。正交相移鍵控，是一種數字調制方式。數字通信現已廣泛應用于各個頻段和各種通信方式中, 成為當今通信發(fā)展的一種必然趨勢。所謂數字通信即用數字信號傳送信息進行通信, 也可以說通

8、信的數字化。2.1 QPSK通信系統基本模型及各個模塊2.1.1 通信系統的各個模塊 (1)信號源：模擬的正弦波語音信號4KHz。(2) SAMPLE：抽樣器，對模擬信號進行抽樣，抽樣頻率8KHz。 (3)A-LAW：量化器，A-LAW十三折線法。(4)PCM：編碼器，將量化后的信號進行PCM編碼，變成1個傳輸速率為64Kbit/s的數字信號。(5)信道編碼：可以選擇分組碼、卷積碼、RS碼等。(6)調制：從QPSK、2PSK中選擇一種調制方式。(7)信道：信號經過調制以后，通過信道。信道可以選擇高斯加性白噪聲信道、二進制對稱信道、多徑瑞利（Rayleigh）衰落信道、萊斯（Rician）衰落信

9、道等。設置不同的信道信噪比，對系統進行仿真，分析不同信噪比情況下的系統性能。(8)解調：根據調制方式，選擇對應的解調方式。(9)譯碼：根據信道編碼方式，選擇對應的信道解碼方式。2.1.2 QPSK通信系統的基本模型通信系統就是傳遞信息所需要的一切技術設備和傳輸媒質的總和，包括信息源、發(fā)送設備、信道、接收設備和信宿(受信者) ，它的一般模型如圖2.1所示。 圖1 通信系統一般模型2.2 QPSK通信系統的性能指標2.2.1 有效性指標數字通信系統的有效性指標用用傳輸速率和頻帶利用率來表征。（1） 傳輸速率有兩種表示方法：碼元傳輸速率RB和信息傳輸速率Rb。在N進制下，設信息速率為Rb(bit/s

10、),碼元速率為RBN(Baud)。（2） 頻帶利用率在比較不同的通信系統有效性時，但看他們的傳輸速率是不夠的，還應看在這樣的傳輸速率下占有信道的頻帶寬度。頻帶利用率有兩種不同的表示方式：碼元頻帶利用率和信息頻帶利用率。碼元頻帶利用率是指單位頻帶內的碼元傳輸速率，即=RB/B(Baud/HZ)。信息頻帶利用率是指每秒鐘在單位頻帶上傳輸的信息量，即=Rb/B bit/(s.HZ)2.2.2可靠性指標數字通信系統的可靠性指標用差錯率來衡量。差錯率越小，可靠性越高。差錯率也有兩種表達方式誤碼率與誤信率。（1） 誤碼率：指接收到的錯誤碼元數和總的傳輸碼元個數之比，即在傳輸中出現錯誤碼元的概率，記為Pe=

11、（2） 誤信率：又叫誤比特率，是指接收到的錯誤比特數和總的傳輸比特數之比，即在傳輸中出現的錯誤信息量的概率，記為Pb=性能分析：信號經過調制、信道、解調過程。在接收端，將得到的數與原始信號源數據比較，得到在特定信噪比下的誤碼率。改變系統信噪比，從而得到系統的誤碼率曲線圖，并給出各關健點信號圖及星座圖。3 MATLAB關于QPSK通信系統的設計3.1 QPSK工作原理四相絕對移相調制是利用載波的4種不同相位來表征數字信息。每一種載波相位代表兩個比特的信息。例如，若輸入一進制數字信息，序列為10011100.則應該先將其進行分組，每兩個比特編為一組?？蓪⑺鼈兎殖?0，00，01，11等，然后分別用

12、四種不同的相位來表示。故每個四進制碼元又被稱為雙比特碼元，把組成雙比特碼元的前一個信息比特用a表示，后一個信息比特用b表示。雙比特碼元的兩個信息比特ab通常按照格雷碼排列。載波相位用k表示。k取0到2等間隔值中的四種可能。如表所示為QPSK的信號編碼. 表1 QPSK的信號編碼 a b k a b k 方式A 0o 0o 90o 1o 1o 270o 0o 1o 0o 1o 0o 180o 方式B 0o 0o 225o 1o 1o 45o 0o 1o 315o 1o 0o 135o 圖2 A方式 B方式3.2 基帶信號處理數字基帶信號的傳輸模型如圖所示，輸入信號一般認為是單極性二進制矩形脈沖序

13、列；dn經過碼型變換以后一般變形為雙極性碼型（歸零或不歸零）。在波形形成時，通常先對an進行理想抽樣，變成二進制沖激脈沖序列d(t),然后送入發(fā)送濾波器以形成所需的波形，即d(t)=相乘器碼型變換 s(t) 反碼 變換抽樣判決 接收濾波器信道C()發(fā)送濾波器 n(t) 圖3 基帶傳輸系統模型 3.3 調制/解調3.3.1 QPSK通信系統的調制QPSK的調制有兩種產生方法相乘電路法和選擇法。此次課程設計涉及了相乘法。(1)相乘法輸入信號是二進制不歸零的雙極性碼元，它通過“串并變換”電路變成了兩路碼元。變成并行碼元后，每個碼元的持續(xù)時間是輸入碼元的兩倍。用兩路正交載波去調制并行碼元。 圖4選擇法

14、QPSK的調制中，QPSK信號可以看成是兩個載波正交的2PSK信號調制器構成。原理分析如下：基本原理和系統結構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、7/4。相應的，可將發(fā)射信號定義為： 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。每一個可能的相位值對應于一個特定的二位組。下面介紹QPSK信號的產生和檢測。如圖為典型的QPSK發(fā)射機框圖。輸入的二進制數據序列首先被不歸零(NRZ)電平編碼轉換器轉換為極性形式，即負號1和0分別用和-表示。該二進制波

15、形被分接器分成兩個分別由輸入序列的奇數位偶數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。 圖5 調制原理框圖3.3.2 信道通常對信道的定義有兩種理解，本課題所指信道定義是指將傳輸媒質和各種信號形式的轉換。在QPSK加信道通信系統中，本次實驗使用的是高斯信道

16、和理想信道。通過子模塊建立新的封裝(Mask)功能模塊其中參數設置中信噪比為Es/No ， Es/No為信號能量比噪聲功率譜密度。AWGN信道模塊可以將加性高斯白噪聲加到一個實數的或復數的輸入信號?，F在輸入信號是實數，這個模塊增加了實數的高斯噪聲，產生一個實數的輸出信號。此塊繼承它的輸入信號的采樣時間。模塊使用信號處理模塊隨機產生的噪聲。初始種子可以是一個標量或矢量的長度相匹配的輸入信號通道數。3.3.3 QPSK通信系統的解調QPSK接收機由一對共輸入地相關器組成。這兩個相關器分別提供本地產生地相干參考信號和。相關器接收信號x(t),相關器輸出地x1和x2被用來與門限值0進行比較。如果x1&

17、gt;0,則判決同相信道地輸出為符號1；如果x1<0 ,則判決同相信道的輸出為符號0。如果正交通道也是如此判決輸出。最后同相信道和正交信道輸出這兩個二進制數據序列被復加器合并，重新得到原始的二進制序列。在AWGN信道中，判決結果具有最小的負號差錯概率。用兩路具有相互正交特性的載波來解調信號，可以分離這兩路正交的2PSK信號。相干解調后，并行碼元經過并/串變換后，最終得到串行的數據流。 圖6 QPSK解調原理框圖4 MATLAB對QPSK通信系統的仿真4.1 MATLAB主要模塊4.1.1 PCM-code模塊PCM-code模塊實現了QPSK通信系統的抽樣，量化，編碼功能。信號源為模擬的

18、正弦波語音信號4KHz。抽樣器（SAMPLE），對模擬信號進行抽樣，抽樣頻率8KHz。A-LAW：量化器，A-LAW十三折線法。PCM：編碼器，將量化后的信號進行PCM編碼，變成1個傳輸速率為64Kbit/s的數字信號。如圖所示為PCM-code模塊。 圖7 PCM-code模塊4.1.2 Frame-buffer/frame-buffer1模塊Frame-buffer是對信號進行信道編碼，frame-buffer1模塊是對信號進行譯碼。單極性信號轉化為雙極性信號，因為QPSK的調制信號要求的是雙極性信號，所以用伯努利隨機生成二進制Generator模塊產生的信號必須經過轉化才能夠被使用。利用

19、加法模塊和常數產生模塊將1和0的序列各自減去1/2，再利用比例運算模塊乘以2，就得到了1和-1 的雙極性序列。如圖所示為 Frame-buffer/frame-buffer1模塊 圖8 Frame-buffer/frame-buffer1模塊4.1.3PCM-decode模塊 Pcm-decode模塊是pcm-decode模塊的反過程，信號經過調制，信道加噪聲，解調之后，經過串并變換之后經過pcm-decode進行解碼。如圖所示。 圖9 PCM-decode模塊4.2 MATLAB主要參數設置 圖13 信號發(fā)生器參數設置框圖 圖14 QPSK調制模塊參數設置框圖 圖15 QPSK解調模塊參數設

20、置框圖 圖 AWGN信道參數設置框圖4.2 QPSK通信系統的仿真圖和結果分析4.2.1 QPSK通信系統的總原理圖 圖16 QPSK無信道總原理圖 圖17 QPSK加信道總原理圖4.2.2 QPSK通信系統的仿真與結果分析（1） 理想無信道無信噪比 圖 理想無信噪星座圖 圖 理想無信道解調后眼圖 圖19 理想無信道調制后眼圖如圖所示，因為在理想無信道情況下，所以在調制與解調后眼圖都是端正，無疊影。 圖21 QPSK 理想信道仿真總原理圖QPSK系統在理想情況下，無需加信道，原始信號經過抽樣量化編碼后，經過信號調制模塊調制過后直接進入信號解調模塊，此間無噪聲干擾。信號經過解碼后得到原來的波形。如圖所示。（2） 有信道加信噪比仿真圖 圖 加信道調制后眼圖 圖 加信道解調后眼圖當噪聲存在時，調制后產生的眼圖為理想的，端正的眼圖。信號經過信道加噪聲后，噪聲疊加在信號上，眼圖線跡出現疊影，“眼睛”也就更小。 圖 加信道調制星座圖 圖 加信道解調后星座圖同理眼圖，加信道后星座圖前后比對信號經過信道加噪聲后會出現星座點模糊的現象。 圖26 QPSK加信道總原理仿真圖PSK系統在加信道情況下，原始信號經過抽樣量化編碼后，經過信號調制模塊調制過后直接進入信號解調模塊，此間加噪聲干擾。信號經過解碼后得到與原來的不同波形。如圖所示。4.3 加入噪聲及干擾時系統