QPSK調(diào)制與解調(diào)系統(tǒng)的MATLAB實(shí)現(xiàn)

1、QPSK調(diào)制與解調(diào)系統(tǒng)的MATLAB實(shí)現(xiàn)及性能分析摘要：QPSK是英文QuadraturePhaseShiftKeying的縮略語(yǔ)簡(jiǎn)稱，意為正交相移鍵控，是一種數(shù)字調(diào)制方式。四相相移鍵控信號(hào)簡(jiǎn)稱“QPSK”。在現(xiàn)代通信系統(tǒng)中，調(diào)制與解調(diào)是必不可少的重要手段。所謂調(diào)制，就是把信號(hào)轉(zhuǎn)換成適合在信道中傳輸?shù)男问降囊环N過(guò)程。解調(diào)則是調(diào)制的相反過(guò)程，而從已調(diào)制信號(hào)中恢復(fù)出原信號(hào)。本課程設(shè)計(jì)主要介紹通過(guò)進(jìn)行QPSK調(diào)制解調(diào)的基帶仿真，對(duì)實(shí)現(xiàn)中影響該系統(tǒng)性能的幾個(gè)重要問(wèn)題進(jìn)行了研究。針對(duì)QPSK的特點(diǎn)，調(diào)制前后發(fā)生的變化，加上噪聲后波形出現(xiàn)的各種變化，通過(guò)星座圖、眼圖、波形圖等來(lái)觀察。程序設(shè)計(jì)與仿真均采用M

2、ATLAB集成環(huán)境下的Simulink仿真平臺(tái)，最后仿真詳單與理論分析一致。 1 引言本課程設(shè)計(jì)主要是學(xué)會(huì)運(yùn)用MATLAB中的Simulink來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)字基帶信號(hào)的模擬傳輸。在知道其傳輸原理的情況下，將仿真電路到Simulink之中。并且對(duì)正交振幅調(diào)制、解調(diào)過(guò)程的頻譜和波形的分析，同時(shí)在無(wú)噪聲和有噪聲的進(jìn)行分析，加入高斯白噪聲，瑞利噪聲，萊斯噪聲分析調(diào)制解調(diào)后的頻譜、波形，觀察其誤碼率。1.1課程設(shè)計(jì)的目的通過(guò)本課程的學(xué)習(xí)我們不僅能加深理解和鞏固理論課上所學(xué)的有關(guān)QPSK調(diào)制與解調(diào)的基本概念、基本理論和基本方法，而且能鍛煉我們分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力；同時(shí)對(duì)我們獨(dú)立工作的習(xí)慣和科學(xué)素質(zhì)進(jìn)行培養(yǎng)，

3、為今后參加科學(xué)工作打下良好的基礎(chǔ)。1.2課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容利用MATLAB集成環(huán)境下的Simulink仿真平臺(tái),設(shè)計(jì)一個(gè)QPSK調(diào)制與解調(diào)系統(tǒng).用示波器觀察調(diào)制前后的信號(hào)波形;用頻譜分析模塊觀察調(diào)制前后信號(hào)頻譜的變化;加上各種噪聲源,用誤碼測(cè)試模塊測(cè)量誤碼率;最后根據(jù)運(yùn)行結(jié)果和波形來(lái)分析該系統(tǒng)性能。1.3課程設(shè)計(jì)的要求1）熟悉MATLAB環(huán)境下的Simulink仿真平臺(tái)，熟悉QPSK系統(tǒng)的調(diào)制解調(diào)原理，構(gòu)建QPSK調(diào)制解調(diào)電路圖.2）用示波器觀察調(diào)制前后的信號(hào)波形，用頻譜分析模塊觀察調(diào)制前后信號(hào)的頻譜的變化。并觀察解調(diào)前后頻譜有何變化以加深對(duì)該信號(hào)調(diào)制解調(diào)原理的理解。3）在調(diào)制與解調(diào)電路間加上各種

4、噪聲源，用誤碼測(cè)試模塊測(cè)量誤碼率,并給出仿真波形，改變信噪比并比較解調(diào)后波形，分析噪聲對(duì)系統(tǒng)造成的影響。 4）在老師的指導(dǎo)下，要求獨(dú)立完成課程設(shè)計(jì)的全部?jī)?nèi)容。2 設(shè)計(jì)原理2.1 MPSK的介紹MPSK即多進(jìn)制相移鍵控，又稱為多相制。這種鍵控方式是多進(jìn)制鍵控的主要方式。在M進(jìn)制的相移鍵控信號(hào)，用M個(gè)相位不同的載波分別代表M個(gè)不同的符號(hào)。如果載波有2n個(gè)相位，它可以代表n位二進(jìn)制碼元的的不同組合的碼組。多進(jìn)制相移鍵控也分為多進(jìn)制絕對(duì)相移鍵控和多進(jìn)制相對(duì)相移鍵控。在MPSK信號(hào)中，載波相位有M種可能取值，qn=2n/M(n=1,2,M)。因此MPSK信號(hào)可表示為S(t) = cos(0t+n) =

5、cos (0t+2n/M)若載波頻率是基帶信號(hào)速率的整數(shù)倍，則上式可改寫(xiě)為S(t)=g(t-nTs)cos(0t+n)=cos0tg(t-nTs)cosn-sin0tg(t-nT)sinn式中g(shù)(t)是高度為1、寬度為T(mén)s的矩形脈沖。式中表明，MPSK信號(hào)可等效為兩個(gè)正交載波的MASK信號(hào)之和。所以，MPSK信號(hào)的帶寬和MASK信號(hào)的帶寬相同。因此，MPSK系統(tǒng)是一種高效率的信息傳輸方式。但是，當(dāng)M的取值增加時(shí)，載波間的相位差也隨之減少，這就使它的抗噪聲性能變差。2.2 8PSK的原理在八相調(diào)相中，把載波相位的一個(gè)周期0-2等分成8種相位，已調(diào)波相鄰相位之差為2/8=/4。二進(jìn)制信碼的三比碼組

6、成一個(gè)八進(jìn)制碼元，并與一個(gè)已調(diào)波的相位對(duì)應(yīng)。所以在調(diào)制時(shí)必須將二進(jìn)制的基帶串行碼流經(jīng)過(guò)串/并變換，變?yōu)槿忍卮a元，然后進(jìn)行調(diào)相。三比特碼元的組合不同，對(duì)應(yīng)的已調(diào)波的相位就不同。8PSK信號(hào)可用正交調(diào)制法產(chǎn)生，方法如圖2.1所示。輸入的二進(jìn)制信息序列經(jīng)串/并變換后，分為三路并行序列BAC，每一組并行的BAC稱為三比特碼元。每路的碼元速率是輸入數(shù)據(jù)速率的1/3。A和C送入同相支路的2/4電平變換器，輸出的電平幅度值為ak;B和C送入正交支路的2/4電平變換器，輸出的電平幅度值為bk。將ak和bk這兩個(gè)幅度不同而相互正交的矢量合成后就能得到8PSK信號(hào)。在圖2.1中，A用于決定同相支路信號(hào)的極性（A

7、為“1”碼時(shí)，ak為正；A為“0”碼時(shí)，ak為負(fù)）。B用于決定正交支路信號(hào)的極性（B為“1”碼時(shí)，bk為正；B為“0”碼時(shí)，bk為負(fù)）。C則用于確定同相支路和正交支路信號(hào)的幅度（C為“1”碼時(shí)，|ak|>|bk|；C為“0”碼時(shí)，|ak|<|bk|）。串/并變換2/4電平變換2/4電平變換倒相移相/2二進(jìn)制信息序列ACBQ（t）I(t)cos0tsin0takbk8PSK圖2.1 正交調(diào)制法產(chǎn)生8PSK信號(hào)方框圖8PSK絕對(duì)移相調(diào)制利用載波的8種不同相位來(lái)表征數(shù)字信息。它把輸入的二進(jìn)制信號(hào)序列經(jīng)過(guò)串并變換每次把一個(gè)3 位的碼組映射為一個(gè)符號(hào)的相位，因此符號(hào)率為比特率的1 / 3，它

8、們與載波相位的映射關(guān)系如圖2.2所示圖2.2 位信息比特到8PSK符號(hào)的映射關(guān)系圖系統(tǒng)根據(jù)映射后的相位，計(jì)算出I ,Q兩路的數(shù)值，經(jīng)過(guò)成形濾波，送入信道傳輸。在接收端，首先經(jīng)過(guò)匹配濾波濾除帶外噪聲和干擾，然后經(jīng)過(guò)抽樣相位判決，相位解碼，并串變換，恢復(fù)出原始的數(shù)據(jù)流。整個(gè)8PSK調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)的基帶仿真框圖如下圖2.3所示串并變換相位編碼形成濾波信道并串編碼相位解碼匹配濾波抽樣相位判 決輸入數(shù)據(jù)恢復(fù)數(shù)據(jù)流圖2.3 8PSK的調(diào)制解調(diào)原理圖由于8PSK存在相位模糊問(wèn)題，因此可采用差分編碼技術(shù)，將3 位碼組映射的相位值作為實(shí)際相位的增加量；在接收端，抽樣判決后的相位值也須先經(jīng)過(guò)相應(yīng)的差分解碼，恢復(fù)出原

9、始相位值，之后再進(jìn)行相位解碼和并串轉(zhuǎn)換就可恢復(fù)出原始數(shù)據(jù)流。采用這樣的帶差分編碼的8PSK（即D8PSK.）就可解決相位模糊的問(wèn)題.3 模塊設(shè)計(jì)與仿真圖形分析3.1 8PSK的調(diào)制解調(diào)基本原理圖熟悉SIMULINK的調(diào)制與解調(diào)原理，初步設(shè)置了8PSK基本原理圖，由數(shù)字源隨機(jī)整數(shù)產(chǎn)生器（Random Integer Generator）輸出具有均勻分布的隨機(jī)整數(shù)。此時(shí)通過(guò)了一個(gè)轉(zhuǎn)換器，形成了基帶信號(hào)與調(diào)制信號(hào)的波形比較，以計(jì)算延遲，同時(shí)觀察調(diào)制與解調(diào)的星座圖。圖3.1 8PSK原理圖原理圖中各模塊的參數(shù)設(shè)置如下：圖3.2 8PSK的基帶信號(hào)參數(shù)設(shè)置圖 3.3 調(diào)制器的參數(shù)設(shè)置圖3.4 解調(diào)器的參

10、數(shù)設(shè)置圖3.5 Buffer 的參數(shù)設(shè)置圖3.6 Eye Diagram Scopel的參數(shù)設(shè)置圖3.7 Error Rate Calulation的參數(shù)設(shè)置圖3.8 Display的參數(shù)設(shè)置在此仿真圖中，有兩個(gè)眼圖的比較，如下所示：圖3.9 調(diào)制端的眼圖圖3.10 解調(diào)端的眼圖根據(jù)各眼圖模塊可以看出：數(shù)字源輸出眼圖與調(diào)制解調(diào)完了之后的眼圖是一致的，符合要求，并且和調(diào)制后的眼圖作比較可以看出其調(diào)制解調(diào)過(guò)程。圖3.11 基帶信號(hào)與調(diào)制信號(hào)的波形比較圖3.12 無(wú)噪聲的誤碼率從圖中可以看出，此調(diào)制解調(diào)在沒(méi)有加入噪聲的情況下沒(méi)有誤碼率，沒(méi)有延遲，誤碼率為0，符合要求，性能良好。3.2 8PSK 的無(wú)

11、噪聲simulink實(shí)現(xiàn)原理圖 對(duì)該信道進(jìn)行了改良，加入Square root模塊，目的是為了使系統(tǒng)性能得到提高，由于加入了Square root模塊，信號(hào)有了改變，對(duì)信道有了一定的影響，所以我們引入了變數(shù)部分的時(shí)延，因此輸入了2.66的延時(shí)。后面再加上相位頻率偏移，這樣的調(diào)制比較適合在高斯信道中傳輸，減少噪聲對(duì)信號(hào)的影響，在經(jīng)過(guò)Square root后回復(fù)信號(hào)找回原來(lái)的濾波信號(hào)，再通過(guò)解調(diào)，就得到了原信號(hào)。在此原理圖中我們從調(diào)制端引出（Goto）了一個(gè)信號(hào)，然后在輸入（From）解調(diào)端。圖3.13 原理圖中的參數(shù)設(shè)置圖中的模塊的參數(shù)設(shè)置如下：圖3.14 基帶信號(hào)的參數(shù)設(shè)置圖3.15 Squa

12、re root的參數(shù)設(shè)置圖3.16 Variable Fractional Delay 的參數(shù)設(shè)置圖3.17 Phase Frequency Offset的參數(shù)設(shè)置圖3.18 高斯信道的參數(shù)設(shè)置圖3.19 Squaring Timing Recovery 的參數(shù)設(shè)置圖3.20 M-PSK Phase Recovery的參數(shù)設(shè)置圖3.21 Error Rate Calculation 的參數(shù)設(shè)置圖3.22 Display 的參數(shù)設(shè)置圖3.23 Carrier Phase Estimate 的參數(shù)設(shè)置圖3.24 Delay Estimate 的參數(shù)設(shè)置圖3.25 Selector 的參數(shù)設(shè)置圖3.

13、26 Goto 的參數(shù)設(shè)置圖3.27 From 的參數(shù)設(shè)置圖3.28 Discrete-Time Eye Diagram Scope 的參數(shù)設(shè)置圖3.29 Discrete-Time Scatter Plot Scope 的參數(shù)設(shè)置將調(diào)制和解調(diào)端引出離散時(shí)間發(fā)散圖，得出以下圖形：圖3.30 調(diào)制端形成濾波后的信號(hào)的離散時(shí)間發(fā)散圖圖3.31 解調(diào)端匹配濾波信號(hào)后的離散時(shí)間發(fā)散圖圖3.32 基帶信號(hào)的眼圖圖3.33 解調(diào)信號(hào)的眼圖圖3.34 無(wú)噪聲的8PSK的誤碼率通過(guò)調(diào)制眼圖和解調(diào)眼圖以及誤碼率我們可以看出，眼圖是一樣的，誤碼率為0。這個(gè)調(diào)制解調(diào)的性能良好。3.3 8PSK的有噪聲調(diào)制解調(diào)和基本

14、的調(diào)制解調(diào)相比，此電路圖上多了高斯噪聲模塊（Gaussian Noise Generator），一個(gè)離散時(shí)間發(fā)散圖（Discrete-Time Scatter Plot Scope）以觀察被噪聲影響后的離散時(shí)間發(fā)散圖。圖3.35 加高斯噪聲的原理圖圖3.36 高斯噪聲的參數(shù)設(shè)置圖3.37 基帶信號(hào)的參數(shù)設(shè)置圖3.38 調(diào)制器的參數(shù)設(shè)置圖3.39 解調(diào)器的參數(shù)設(shè)置圖3.40 加高斯噪聲的誤碼率加入高斯噪聲后，誤碼率就出現(xiàn)了。以下是加入高斯噪聲后的離散時(shí)間發(fā)散圖，可以看出，高斯噪聲對(duì)信道的影響。圖3.41 加高斯噪聲的離散時(shí)間發(fā)散圖圖3.42 加高斯噪聲的調(diào)制端眼圖圖3.43 加高斯噪聲解調(diào)端的眼

15、圖從眼圖的比較可以看出，高斯噪聲對(duì)解調(diào)后的信號(hào)有一定的影響，但是信號(hào)的大體圖形沒(méi)有變化。圖3.44 加高斯噪聲的基帶信與解調(diào)信號(hào)的波形比較從波形圖可以看出，這種8PSK的調(diào)制解調(diào)的方法只有誤碼率，沒(méi)有延遲，因此延遲比較器的設(shè)置如下：圖3.45 延遲比較器的參數(shù)設(shè)置4 結(jié)束語(yǔ)這次的課程設(shè)計(jì)是在MATLAB的SIMULINK環(huán)境下仿真實(shí)現(xiàn)8PSK的調(diào)試與解調(diào)，剛開(kāi)始是沒(méi)有完全理解8PSK的的原理，以至于多走了很多的彎路，后來(lái)又因?yàn)闆](méi)能正確的使用示波器而導(dǎo)致出現(xiàn)了很多的錯(cuò)誤，后來(lái)加如噪聲后，更是有很多的錯(cuò)誤出現(xiàn)了，誤碼率也很大，星座圖也跳躍不停。通過(guò)出現(xiàn)的問(wèn)題，我看到了自己的不足，也學(xué)會(huì)了SIMUL

16、INK模塊的運(yùn)用，更重要的是了解了多進(jìn)制的調(diào)制與解調(diào)原理，通過(guò)課程設(shè)計(jì)來(lái)鞏固本學(xué)期的通信原理與數(shù)字信號(hào)的專(zhuān)業(yè)知識(shí)內(nèi)容，同時(shí)也運(yùn)用理論知識(shí)與實(shí)際電路的設(shè)計(jì)相結(jié)合了起來(lái)，通過(guò)綜合分析，找出了自己學(xué)習(xí)過(guò)程中的不足，為今后的學(xué)習(xí)提供實(shí)踐依據(jù)，打下了基礎(chǔ)。這次實(shí)習(xí)是運(yùn)用MATLAB中的SIMULINK仿真出8PSK的調(diào)制與解調(diào)，這是多進(jìn)制的調(diào)制與解調(diào)，我開(kāi)始沒(méi)能完全理解多進(jìn)制的調(diào)制與解調(diào)，錯(cuò)誤的使用了二進(jìn)制的方式去調(diào)制與解調(diào)，輸入了二進(jìn)制的正弦波，也使用了只能顯示二進(jìn)制的示波器，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)過(guò)程中一直都有錯(cuò)，沒(méi)能正確的運(yùn)行，再一次次的失敗后，仍然找不到出錯(cuò)點(diǎn)在哪。后來(lái)老師來(lái)給我講解了多進(jìn)制的原理后，我明白了原來(lái)自己的專(zhuān)業(yè)知識(shí)不夠扎實(shí)，原理沒(méi)有理解透再接下來(lái)就是如何正確的調(diào)制了，由于沒(méi)有波形，我一直沒(méi)能正確的算出延時(shí)，導(dǎo)致誤碼率的居高不下，后來(lái)經(jīng)老師提點(diǎn)，知道了，其實(shí)可以將多進(jìn)制進(jìn)行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制的方式在示波器上顯示，于是，我使用了一個(gè)轉(zhuǎn)換器，成功的顯示了多進(jìn)制的波形。在此次課程設(shè)計(jì)中，我掌握了SIMULINK軟件的使用，雖然不是很熟悉，但是，以后我將