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1、QPSKQPSK 调制与解调系统的调制与解调系统的 MATLABMATLAB 实现实现及性能分析及性能分析摘要：QPSK 是英文 QuadraturePhaseShiftKeying 的缩略语简称，意为正交相移键控，是一种数字 调制方式。四相相移键控信号简称 “QPSK”。在现 代通信系统中，调制与解调是必不可少的重要手段。所谓调制，就是把信号转 换成适合在信道中传输的形式的一种过程。解调则是调制的相反过程，而从已 调制信号中恢复出原信号。本课程设计主要介绍 通过进行 QPSK 调制解调的基 带仿真，对实现中影响该系统性能的几个重要问题进行了研究。针对 QPSK 的特 点，调制前后发生的变化，
2、加上噪声后波形出现的各种变化，通过星座图、眼 图、波形图等来观察。程序设计与仿真均采用 MATLAB 集成环境下的 Simulink 仿真平台，最后仿真详单与理论分析一致。1 1 引言引言本课程设计主要是学会运用 MATLAB 中的 Simulink 来实现数字基带信号的模拟传输。在知道其传输原理的情况下，将仿真电路到 Simulink 之中。并且对正交振幅调制、解调过程的频谱和波形的分析，同时在无噪声和有噪声的进行分析，加入高斯白噪声，瑞利噪声，莱斯噪声分析调制解调后的频谱、波形，观察其误码率。1.11.1 课程设计的目的课程设计的目的通过本课程的学习我们不仅能加深理解和巩固理论课上所学的有
3、关 QPSK 调制与解调的基本概念、基本理论和基本方法，而且能锻炼我们分析问题和解决问题的能力；同时对我们独立工作的习惯和科学素质进行培养，为今后参加科学工作打下良好的基础。1.21.2 课程设计的内容课程设计的内容利用 MATLAB 集成环境下的 Simulink 仿真平台,设计一个 QPSK 调制与解调系统.用示波器观察调制前后的信号波形;用频谱分析模块观察调制前后信号频谱的变化;加上各种噪声源,用误码测试模块测量误码率;最后根据运行结果和波形来分析该系统性能。1.31.3 课程设计的要求课程设计的要求1）熟悉 MATLAB 环境下的 Simulink 仿真平台，熟悉 QPSK 系统的调制
4、解调原理，构建 QPSK 调制解调电路图.2）用示波器观察调制前后的信号波形，用频谱分析模块观察调制前后信号的频谱的变化。并观察解调前后频谱有何变化以加深对该信号调制解调原理的理解。3）在调制与解调电路间加上各种噪声源，用误码测试模块测量误码率,并给出仿真波形，改变信噪比并比较解调后波形，分析噪声对系统造成的影响。 4）在老师的指导下，要求独立完成课程设计的全部内容。2 2 设计原理设计原理2.12.1 MPSKMPSK 的介绍的介绍MPSK 即多进制相移键控，又称为多相制。这种键控方式是多进制键控的主要方式。在 M 进制的相移键控信号，用 M 个相位不同的载波分别代表 M 个不同的符号。如果
5、载波有 2n个相位，它可以代表 n 位二进制码元的的不同组合的码组。多进制相移键控也分为多进制绝对相移键控和多进制相对相移键控。在 MPSK 信号中，载波相位有 M 种可能取值，qn=2n/M(n=1,2,M)。因此MPSK 信号可表示为S(t) = cos(0t+n) = cos (0t+2n/M)若载波频率是基带信号速率的整数倍，则上式可改写为S(t)=g(t-nTs)cos(0t+n)=cos0tg(t-nTs)cosn-sin0tg(t-nT)sinn式中 g(t)是高度为 1、宽度为 Ts的矩形脉冲。式中表明，MPSK 信号可等效为两个正交载波的 MASK 信号之和。所以，MPSK
6、信号的带宽和 MASK 信号的带宽相同。因此，MPSK 系统是一种高效率的信息传输方式。但是，当 M 的取值增加时，载波间的相位差也随之减少，这就使它的抗噪声性能变差。2.22.2 8PSK8PSK 的原理的原理在八相调相中，把载波相位的一个周期 0-2 等分成 8 种相位，已调波相邻相位之差为 2/8=/4。二进制信码的三比码组成一个八进制码元，并与一个已调波的相位对应。所以在调制时必须将二进制的基带串行码流经过串/并变换，变为三比特码元，然后进行调相。三比特码元的组合不同，对应的已调波的相位就不同。8PSK 信号可用正交调制法产生，方法如图 2.1 所示。输入的二进制信息序列经串/并变换后
7、，分为三路并行序列 BAC，每一组并行的 BAC 称为三比特码元。每路的码元速率是输入数据速率的 1/3。A 和 C 送入同相支路的 2/4 电平变换器，输出的电平幅度值为 ak;B 和 C 送入正交支路的 2/4 电平变换器，输出的电平幅度值为 bk。将 ak和 bk这两个幅度不同而相互正交的矢量合成后就能得到 8PSK信号。在图 2.1 中，A 用于决定同相支路信号的极性（A 为“1”码时，ak为正；A 为“0”码时，ak为负） 。B 用于决定正交支路信号的极性（B 为“1”码时，bk为正；B 为“0”码时，bk为负） 。C 则用于确定同相支路和正交支路信号的幅度（C 为“1”码时，|ak
8、|bk|；C 为“0”码时，|ak|bk|） 。串/并 变换2/4 电平变 换2/4 电平变 换倒相移相/2二进制信息序 列ACBQ（t ）I(t)cos0tsin0takbk8PSK图图 2.12.1 正交调制法产生正交调制法产生 8PSK8PSK 信号方框图信号方框图8PSK绝对移相调制利用载波的8种不同相位来表征数字信息。它把输入的二进制信号序列经过串并变换每次把一个3 位的码组映射为一个符号的相位，因此符号率为比特率的1 / 3，它们与载波相位的映射关系如图2.2所示图图2.22.2 位信息比特到位信息比特到8PSK8PSK符号的映射关系图符号的映射关系图系统根据映射后的相位，计算出I
9、 ,Q两路的数值，经过成形滤波，送入信道传输。在接收端，首先经过匹配滤波滤除带外噪声和干扰，然后经过抽样相位判决，相位解码，并串变换，恢复出原始的数据流。整个8PSK调制解调系统的基带仿真框图如下图2.3所示串 并 变 换相 位 编 码形 成 滤 波信 道并 串 编 码相位 解码匹 配 滤 波抽样 相位 判 决输入数据恢复数 据流图图2.32.3 8PSK8PSK的调制解调原理图的调制解调原理图由于8PSK存在相位模糊问题，因此可采用差分编码技术，将3 位码组映射的相位值作为实际相位的增加量；在接收端，抽样判决后的相位值也须先经过相应的差分解码，恢复出原始相位值，之后再进行相位解码和并串转换就
10、可恢复出原始数据流。采用这样的带差分编码的8PSK（即D8PSK.）就可解决相位模糊的问题.3 模块设计与仿真图形分析3.13.1 8PSK8PSK 的调制解调基本原理图的调制解调基本原理图熟悉 SIMULINK 的调制与解调原理，初步设置了 8PSK 基本原理图，由数字源随机整数产生器（Random Integer Generator）输出具有均匀分布的随机整数。此时通过了一个转换器，形成了基带信号与调制信号的波形比较，以计算延迟，同时观察调制与解调的星座图。图图 3.13.1 8PSK8PSK 原理图原理图原理图中各模块的参数设置如下：图图 3.23.2 8PSK8PSK 的基带信号参数设
11、置的基带信号参数设置图图 3.33.3 调制器的参数设置调制器的参数设置图图 3.43.4 解调器的参数设置解调器的参数设置图图 3.53.5 BufferBuffer 的参数设置的参数设置图图 3.63.6 EyeEye DiagramDiagram ScopelScopel 的参数设置的参数设置图图 3.73.7 ErrorError RateRate CalulationCalulation 的参数设置的参数设置图图 3.83.8 DisplayDisplay 的参数设置的参数设置在此仿真图中，有两个眼图的比较，如下所示：图图 3.93.9 调制端的眼图调制端的眼图图图 3.103.10
12、 解调端的眼图解调端的眼图根据各眼图模块可以看出：数字源输出眼图与调制解调完了之后的眼图是一致的，符合要求，并且和调制后的眼图作比较可以看出其调制解调过程。图图 3.113.11 基带信号与调制信号的波形比较基带信号与调制信号的波形比较图图 3.123.12 无噪声的误码率无噪声的误码率从图中可以看出，此调制解调在没有加入噪声的情况下没有误码率，没有延迟，误码率为 0，符合要求，性能良好。3.23.2 8PSK8PSK 的无噪声的无噪声 simulinksimulink 实现原理图实现原理图对该信道进行了改良，加入 Square root 模块，目的是为了使系统性能得到提高，由于加入了 Squ
13、are root 模块，信号有了改变，对信道有了一定的影响，所以我们引入了变数部分的时延，因此输入了 2.66 的延时。后面再加上相位频率偏移，这样的调制比较适合在高斯信道中传输，减少噪声对信号的影响，在经过 Square root 后回复信号找回原来的滤波信号，再通过解调，就得到了原信号。在此原理图中我们从调制端引出（Goto）了一个信号，然后在输入（From）解调端。图图3.133.13 原理图中的参数设置原理图中的参数设置图中的模块的参数设置如下：图图3.143.14 基带信号的参数设置基带信号的参数设置图图3.153.15 SquareSquare rootroot的参数设置的参数设置
14、图图3.163.16 VariableVariable FractionalFractional DelayDelay 的参数设置的参数设置图图3.17 Phase Frequency Offset的参数设置的参数设置图图3.183.18 高斯信道的参数设置高斯信道的参数设置图图3.193.19 SquaringSquaring TimingTiming RecoveryRecovery 的参数设置的参数设置图图3.203.20 M-PSKM-PSK PhasePhase RecoveryRecovery的参数设置的参数设置图图3.213.21 ErrorError RateRate Calc
15、ulationCalculation 的参数设置的参数设置图图3.223.22 DisplayDisplay 的参数设置的参数设置图图3.233.23 CarrierCarrier PhasePhase EstimateEstimate 的参数设置的参数设置图图3.243.24 DelayDelay EstimateEstimate 的参数设置的参数设置图图3.253.25 SelectorSelector 的参数设置的参数设置图图3.263.26 GotoGoto 的参数设置的参数设置图图3.273.27 FromFrom 的参数设置的参数设置图图3.283.28 Discrete-Time
16、Discrete-Time EyeEye DiagramDiagram ScopeScope 的参数设置的参数设置图图3.293.29 Discrete-TimeDiscrete-Time ScatterScatter PlotPlot ScopeScope 的参数设置的参数设置将调制和解调端引出离散时间发散图，得出以下图形：图图3.303.30 调制端形成滤波后的信号的离散时间发散图调制端形成滤波后的信号的离散时间发散图图图3.313.31 解调端匹配滤波信号后的离散时间发散图解调端匹配滤波信号后的离散时间发散图图图3.323.32 基带信号的眼图基带信号的眼图图图3.333.33 解调信号的眼图解调信号的眼图图图3.343.34 无
