QPSK調(diào)制解調(diào)的simulink仿真

1、QPSK調(diào)制解調(diào)的simulink仿真與性能分析一、 設(shè)計目的和意義學(xué)會使用MATLAB中的simulink仿真軟件，了解其各種模塊的功能，用simulink實現(xiàn)QPSK的調(diào)制和仿真過程，得到調(diào)制信號經(jīng)高斯白噪聲信道，再通過解調(diào)恢復(fù)原始信號，繪制出調(diào)制前后的頻譜圖，分析QPSK在高斯信道中的性能，計算傳輸過程中的誤碼率。通過此次設(shè)計，在仿真中形象的感受到QPSK的調(diào)制和解調(diào)過程，有利于深入了解QPSK的原理。同時掌握了simulink的使用，增強了我們學(xué)習(xí)通信的興趣，培養(yǎng)通信系統(tǒng)的仿真建模能力。二、 設(shè)計原理（一）QPSK星座圖QPSK是Quadrature Phase Shift Keyin

2、g的簡稱，意為正交移相鍵控，是數(shù)字調(diào)制的一種方式。它規(guī)定了四種載波相位，分別為0, , , (或者，)，星座圖如圖1（a）、（b）所示。 （a）（b） 圖1 QPSK星座圖（二）QPSK的調(diào)制因為輸入信息是二進制序列，所以需要將二進制數(shù)據(jù)變換成四進制數(shù)據(jù)，才能和四進制的載波相位配合起來。采取的辦法是將二進制數(shù)字序列中每兩個序列分成一組，共四種組合（00,01,10,11），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特組成，它們分別代表四進制四個符號中的一個符號。QPSK每次調(diào)制可傳輸兩個信息比特。圖2的（a）、(b)、(c)原理框圖即為QPSK的三種調(diào)制方式，本次課程設(shè)計主要采

3、用的是正交調(diào)制方式。（a）正交調(diào)制法（b）相位選擇法圖2 QPSK的主要調(diào)制方式（c）脈沖插入法（三）QPSK的解調(diào)QPSK信號可以用兩個正交的載波信號實現(xiàn)相干解調(diào)，它的相干解調(diào)器如圖3所示，正交路分別設(shè)置兩個匹配濾波器，得到I（t）和Q（t），經(jīng)電平判決和并轉(zhuǎn)串即可恢復(fù)出原始信息。圖3 QPSK相干解調(diào)器三、 詳細設(shè)計步驟（一）QPSK調(diào)制電路查閱資料，熟悉simulink的工作環(huán)境，理解simulink的模塊功能，根據(jù)圖2（a）的方框圖搭建QPSK調(diào)制電路（圖4）：采用Buffer和Demux將信號源進行串并轉(zhuǎn)換，Unipolar to Bipolar實現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換。圖4 QPSK調(diào)制仿真圖

4、（二）AWGN信道模型AWGN信道模塊可以將加性高斯白噪聲加到一個實數(shù)的或復(fù)數(shù)的輸入信號。當輸入信號是實數(shù)時，這個塊增加了實的高斯噪聲，產(chǎn)生一個實數(shù)的輸出信號。當輸入信號是復(fù)數(shù)的，這個模塊增加了復(fù)數(shù)的高斯噪聲，產(chǎn)生復(fù)數(shù)的輸出信號。此模塊繼承它的輸入信號的采樣時間。由于輸入信號為連續(xù)的信號，所以控制信道信噪比的方式選擇控制高斯噪聲標準差的方式器變量之間關(guān)系為：其中Es/No 為信號能量比噪聲功率譜密度。（三）QPSK解調(diào)電路根據(jù)圖3的方框圖搭建QPSK解調(diào)電路（圖5）：載波采用調(diào)制時的載波信號，解調(diào)后的信號經(jīng)位定時后判決得到并行二進制序列，再經(jīng)并轉(zhuǎn)串輸出二進制序列。圖5 QPSK解調(diào)仿真電路（四

5、）比特錯誤率統(tǒng)計比特錯誤率統(tǒng)計使用Error Rate Calculation 模塊，該模塊可自動比較發(fā)送序列與接收序列并作出比較，進行錯誤統(tǒng)計，使用display 模塊顯示將比特錯誤率輸出。由于采用buffer會產(chǎn)生時延，誤碼率較高，所以在設(shè)計時采用simulink里已有的QPSK 調(diào)制模塊QPSK Modulator baseband和解調(diào)模塊QPSK Demodulator Baseband對信號進行調(diào)制和解調(diào)，信號源采用隨機信號源Random Integer Generator,搭建出QPSK的調(diào)制解調(diào)仿真圖，如圖6所示。圖6 QPSK系統(tǒng)框圖（五）主要的參數(shù)設(shè)計1) Random i

6、nteger generator參數(shù)：M-ary number4;Sample time-0.000005;2) QPSK Modulator Baseband參數(shù): Input type-Integer;Phase offset-pi/4；3) AWGN參數(shù):Mode-Variance from mask;Variance 1；4) QPSK Demodulator Baseband參數(shù)：Output type-Integer;Phase offset-pi/4；5) Error Rate Calculation參數(shù)：Receive delay-0;Output data-port；6) 載

7、波（Sine Wave）參數(shù):Frequency-2*pi*30000000;Phase-正弦0（余弦pi/2）；四、 設(shè)計結(jié)果及分析（一）信號調(diào)制解調(diào)后的時域波形圖由于仿真時示波器采樣時間過少時會造成波形失真，而信號頻率很高時仿真時間過長，所以采用數(shù)據(jù)低傳輸速率，載波也采用低頻信號進行模擬仿真。如圖7。圖7 QPSK調(diào)制時域波形圖從模擬仿真圖中可以看出QPSK調(diào)制過程產(chǎn)生了四種相位，與理論相符合。（二）數(shù)據(jù)源的頻譜圖圖8 數(shù)據(jù)源的頻譜圖（三）QPSK調(diào)制后的頻譜圖9 QPSK調(diào)制后的頻譜（四）QPSK解調(diào)后的頻譜圖10 QPSK解調(diào)后的頻譜上面調(diào)制解調(diào)結(jié)果顯示，完成QPSK信號在高斯通道上的

8、調(diào)制，傳輸，解調(diào)過程，調(diào)制過程中采用上變頻進行調(diào)制后再在高斯通道上傳輸，再通過下變頻解調(diào)出QPSK調(diào)制信號，最后解調(diào)，通過Error Rate Calculation 模塊統(tǒng)計出在高斯標準差 =0時，無噪聲時，誤比特率為0.63%；標準差=0.8時，Es/No =-6.0dB時，誤比特率為4.5%；高斯標準差 =2，Es/No =-10dB時，誤比特率為18.8%。（五）星座圖（a)未經(jīng)高斯信道的星座圖（b)經(jīng)高斯通道的星座圖圖11 QPSK星座圖從兩星座圖比較可以得出，經(jīng)過高斯通道后，信號發(fā)生了誤碼，但大部分還是保留了原來的特性。(六)誤碼曲線圖本次課程設(shè)計主要采用matlab的bertoo

9、l工具下的Bit Error Rate Analysis Tool模塊進行誤碼統(tǒng)計的，設(shè)置如圖11所示，該工具能夠直接繪制出Simulink仿真的誤碼曲線圖。得到的誤碼曲線圖如圖12所示。圖11 bertool設(shè)置圖圖12 高斯通道下的QPSK誤碼曲線圖QPSK的誤碼主要來源于高斯信道的噪聲干擾，以及信號的碼間串擾。其次由于位定時不準確也會造成抽樣判決錯誤，導(dǎo)致信號與原始信號不同，產(chǎn)生誤碼。五、 體會這次課程設(shè)計讓我深刻體會到數(shù)字信號的QPSK調(diào)制傳輸及解調(diào)過程，利用Simulink專業(yè)庫Communications Blockset中的Modulation模塊庫所提供的“QPSK Modul

10、ator Baseband”“QPSK Demodulator Baseband”等模塊實現(xiàn)QPSK的系統(tǒng)設(shè)計，并輸出誤碼率，信道中的噪聲為高斯白噪聲。三周的課程設(shè)計很快結(jié)束了，不僅檢驗了我所學(xué)的通信原理的基本知識，同時讓我熟悉了Matlab的simulink仿真的一些基本操作。剛開始時連正弦信號在scope中顯示都很難做到，正弦信號的參數(shù)設(shè)計也是一大難題，經(jīng)過查閱資料，終于弄清楚最基本的模塊的用法。這次設(shè)計中遇到的最大的問題是數(shù)據(jù)源的串轉(zhuǎn)并和并轉(zhuǎn)串模塊，此模塊花費很多時間去設(shè)計，最終設(shè)計出的串轉(zhuǎn)并和并轉(zhuǎn)串模塊雖不理想（存在延時）但是實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的串轉(zhuǎn)并和并轉(zhuǎn)串。各個模塊參數(shù)的設(shè)計是設(shè)計中最難的一部分，因為一個參數(shù)設(shè)計不對會導(dǎo)致結(jié)果錯誤。最終經(jīng)過不斷的查找資料請教老師，終于完成了QPSK的調(diào)制與解調(diào)。最后感謝我的指導(dǎo)老師劉偉老師，老師嚴謹細致、一絲不茍的作風(fēng)一直是我們工作、學(xué)習(xí)中的榜樣，以及熱情回答我的每一個問題，這給了我很大的幫助，才使得我完成這門課程設(shè)計。六、 參考文獻曹志剛，現(xiàn)代通信原理，清華大學(xué)出版社，2011年沈輝，SIMUL