MATLAB對QPSK通信系統(tǒng)的仿真

1、 QPSK通信系統(tǒng)的性能分析與matlab仿真1 緒論在當(dāng)今高度信息化的社會，信息和通信已成為現(xiàn)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(chǎn)力的發(fā)展，創(chuàng)造出巨大的經(jīng)濟效益。在新技術(shù)革命的高速推動和信息高速公路的建設(shè)，全球網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展浪潮的推動下，通信技術(shù)得到迅猛的發(fā)展，載波通信、衛(wèi)星通信和移動通信技術(shù)正在向數(shù)字化、智能化、寬帶化發(fā)展。Simulink具有適應(yīng)面廣、結(jié)構(gòu)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(yīng)用于控制理論和數(shù)字信號處理的復(fù)雜仿真和設(shè)計。同時有大量的第三方軟件和硬件應(yīng)用于Simulin

2、k。本文設(shè)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(shè)計，更好地了解QPSK系統(tǒng)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(dāng)今高度信息化的社會，信息和通信已成為現(xiàn)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(chǎn)力的發(fā)展，創(chuàng)造出巨大的經(jīng)濟效益。信息的數(shù)字轉(zhuǎn)換處理技術(shù)走向成熟，為大規(guī)模、多領(lǐng)域的信息產(chǎn)品制造和信息服務(wù)創(chuàng)造了條件。高新技術(shù)層出不窮。 隨著通信技術(shù)的發(fā)展， 通信系統(tǒng)方面的設(shè)計也會越來越復(fù)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(tǒng)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(biāo)操作，就可以構(gòu)造出復(fù)雜的系統(tǒng)。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(biāo)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(tǒng)的仿真結(jié)果。1.1.2研究意義通過完成實驗的設(shè)計內(nèi)容，加深對通信原理理論的理解，熟悉通信系統(tǒng)的基本概念，復(fù)習(xí)正交相位偏移鍵控(QPSK)調(diào)制解調(diào)的基本原理和誤比特率的計算方法，了解調(diào)制解調(diào)方式中最基礎(chǔ)的方法。包括模擬調(diào)制中的幅度調(diào)制(AM)如雙邊帶幅度調(diào)制(DSB)、單邊帶幅度調(diào)制(SSB)

4、、常規(guī)幅度調(diào)制；角度調(diào)制中的相位調(diào)制(FM)和頻率調(diào)制(PM)。以及數(shù)字調(diào)制中的幅度調(diào)制，相位調(diào)制，頻率調(diào)制等方式，了解QPSK的實現(xiàn)方法及數(shù)學(xué)原理，掌握通信系統(tǒng)Simulink仿真建模方法。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。1.2 課程設(shè)計的目的和任務(wù)1.2.1 課程設(shè)計的目的 本次課程設(shè)計是根據(jù)“

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

6、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?，F(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。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。2 QPSK通信系統(tǒng)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(jīng)廣泛應(yīng)

7、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。在數(shù)字信號的調(diào)制方式中QPSK四相移鍵控是最常用的一種衛(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。隨著通信技術(shù)的發(fā)展， 通信系統(tǒng)方面的設(shè)計也會越來越復(fù)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(shè)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(tǒng)的工作原理。正交相移鍵控，是一種數(shù)字調(diào)制方式。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

8、信的數(shù)字化。2.1 QPSK通信系統(tǒng)基本模型及各個模塊2.1.1 通信系統(tǒng)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(shù)字信號。(5)信道編碼：可以選擇分組碼、卷積碼、RS碼等。(6)調(diào)制：從QPSK、2PSK中選擇一種調(diào)制方式。(7)信道：信號經(jīng)過調(diào)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(shè)置不同的信道信噪比，對系統(tǒng)進行仿真，分析不同信噪比情況下的系統(tǒng)性能。(8)解調(diào)：根據(jù)調(diào)制方式，選擇對應(yīng)的解調(diào)方式。(9)譯碼：根據(jù)信道編碼方式，選擇對應(yīng)的信道解碼方式。2.1.2 QPSK通信系統(tǒng)的基本模型通信系統(tǒng)就是傳遞信息所需要的一切技術(shù)設(shè)備和傳輸媒質(zhì)的總和，包括信息源、發(fā)送設(shè)備、信道、接收設(shè)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(tǒng)一般模型2.2 QPSK通信系統(tǒng)的性能指標(biāo)2.2.1 有效性指標(biāo)數(shù)字通信系統(tǒng)的有效性指標(biāo)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(shè)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(tǒng)有效性時，但看他們的傳輸速率是不夠的，還應(yīng)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(nèi)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?shù)男畔⒘?，?Rb/B bit/(s.HZ)2.2.2可靠性指標(biāo)數(shù)字通信系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)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(shù)和總的傳輸碼元個數(shù)之比，即在傳輸中出現(xiàn)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(shù)和總的傳輸比特數(shù)之比，即在傳輸中出現(xiàn)的錯誤信息量的概率，記為Pb=性能分析：信號經(jīng)過調(diào)制、信道、解調(diào)過程。在接收端，將得到的數(shù)與原始信號源數(shù)據(jù)比較，得到在特定信噪比下的誤碼率。改變系統(tǒng)信噪比，從而得到系統(tǒng)的誤碼率曲線圖，并給出各關(guān)健點信號圖及星座圖。3 MATLAB關(guān)于QPSK通信系統(tǒng)的設(shè)計3.1 QPSK工作原理四相絕對移相調(diào)制是利用載波的4種不同相位來表征數(shù)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(shù)字信息，序列為10011100.則應(yīng)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(shù)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(jīng)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(tǒng)模型 3.3 調(diào)制/解調(diào)3.3.1 QPSK通信系統(tǒng)的調(diào)制QPSK的調(diào)制有兩種產(chǎn)生方法相乘電路法和選擇法。此次課程設(shè)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(diào)制并行碼元。 圖4選擇法

14、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、7/4。相應(yīng)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(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

15、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。 圖5 調(diào)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(zhì)和各種信號形式的轉(zhuǎn)換。在QPSK加信道通信系統(tǒng)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(shù)設(shè)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(shù)的或復(fù)數(shù)的輸入信號?，F(xiàn)在輸入信號是實數(shù)，這個模塊增加了實數(shù)的高斯噪聲，產(chǎn)生一個實數(shù)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(chǎn)生的噪聲。初始種子可以是一個標(biāo)量或矢量的長度相匹配的輸入信號通道數(shù)。3.3.3 QPSK通信系統(tǒng)的解調(diào)QPSK接收機由一對共輸入地相關(guān)器組成。這兩個相關(guān)器分別提供本地產(chǎn)生地相干參考信號和。相關(guān)器接收信號x(t),相關(guān)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(shù)據(jù)序列被復(fù)加器合并，重新得到原始的二進制序列。在AWGN信道中，判決結(jié)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(diào)信號，可以分離這兩路正交的2PSK信號。相干解調(diào)后，并行碼元經(jīng)過并/串變換后，最終得到串行的數(shù)據(jù)流。 圖6 QPSK解調(diào)原理框圖4 MATLAB對QPSK通信系統(tǒng)的仿真4.1 MATLAB主要模塊4.1.1 PCM-code模塊PCM-code模塊實現(xiàn)了QPSK通信系統(tǒng)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(shù)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(zhuǎn)化為雙極性信號，因為QPSK的調(diào)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(chǎn)生的信號必須經(jīng)過轉(zhuǎn)化才能夠被使用。利用

19、加法模塊和常數(shù)產(chǎn)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(jīng)過調(diào)制，信道加噪聲，解調(diào)之后，經(jīng)過串并變換之后經(jīng)過pcm-decode進行解碼。如圖所示。 圖9 PCM-decode模塊4.2 MATLAB主要參數(shù)設(shè)置 圖13 信號發(fā)生器參數(shù)設(shè)置框圖 圖14 QPSK調(diào)制模塊參數(shù)設(shè)置框圖 圖15 QPSK解調(diào)模塊參數(shù)設(shè)

20、置框圖 圖 AWGN信道參數(shù)設(shè)置框圖4.2 QPSK通信系統(tǒng)的仿真圖和結(jié)果分析4.2.1 QPSK通信系統(tǒng)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(tǒng)的仿真與結(jié)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(diào)后眼圖 圖19 理想無信道調(diào)制后眼圖如圖所示，因為在理想無信道情況下，所以在調(diào)制與解調(diào)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(tǒng)在理想情況下，無需加信道，原始信號經(jīng)過抽樣量化編碼后，經(jīng)過信號調(diào)制模塊調(diào)制過后直接進入信號解調(diào)模塊，此間無噪聲干擾。信號經(jīng)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(diào)制后眼圖 圖 加信道解調(diào)后眼圖當(dāng)噪聲存在時，調(diào)制后產(chǎn)生的眼圖為理想的，端正的眼圖。信號經(jīng)過信道加噪聲后，噪聲疊加在信號上，眼圖線跡出現(xiàn)疊影，“眼睛”也就更小。 圖 加信道調(diào)制星座圖 圖 加信道解調(diào)后星座圖同理眼圖，加信道后星座圖前后比對信號經(jīng)過信道加噪聲后會出現(xiàn)星座點模糊的現(xiàn)象。 圖26 QPSK加信道總原理仿真圖PSK系統(tǒng)在加信道情況下，原始信號經(jīng)過抽樣量化編碼后，經(jīng)過信號調(diào)制模塊調(diào)制過后直接進入信號解調(diào)模塊，此間加噪聲干擾。信號經(jīng)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(tǒng)