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1、基于MATLAB的QPSK仿真与分析 摘要:本文根据当今现代通信技术的发展，对QPSK信号的工作原理进行了分析。利用Simulink 仿真工具设计出一个QPSK仿真模型，以衡量QPSK在高斯白噪声信道中的性能，并对仿真结果进行了分析。 关键词:QPSK 信噪比 误码率 1 引言 近年来，软件无线电作为解决通信体制兼容性问题的重要方法受到各方面的注意。它的中心思想是在通用的硬件平台上，用软件来实现各种功能，包括调制解调类型、数据格式、 通信协议等。通过软件的增加、修改或升级就可以实现新的功能，充分体现了体制的灵活性、 可扩展性等。其中高性能、高频谱效率的调制解调模块是移动通信系统的关键技术 ，它
2、的软件化也是实现软件无线电的重要环节 。 四相移键控(QPSK) 调制技术广泛应用于数字微波通信系统、数字卫星通信系统、宽带接入与移动通信及有线电视的上行传输。在卫星数字电视传输中普遍采用的QPSK调谐器，可以说是当今卫星数字电视传输中对卫星功率、传输效率、抗干扰性以及天线尺寸等多种因素综合考虑的最佳选择。与二进制数字调相比，多进制调相有以下两个特点 : (1) 在相同码元传输速率下，多进制调相的信息传输速率显然比二进制调相的高，比如，四进制调相的信息传输的速率是二进制调相的两倍。 (2) 在相同的信息速率下，由于多进制码元的速率比二进制的低，因而多进制信号码元的持续时间要比二进制的长。显然增
3、大码元宽度，就会增加码元的能量，并能减小由于信道特性引起的码间干扰的影响等，正是基于这些特点，使多进制移相键控方式获得了广泛的应用。 2 QPSK工作原理 数字相位调制PSK是角度调制、恒定幅度数字调制的一种方式，通过改变发送波的相位来实现，除了其输入信号是数字信号以及输出的相位受限制以外，PSK与传统的相位调制相似。 QPSK信号的正弦载波有4个可能的离散相位状态，每个载波相位携带2个二进制符号，其信号表示式为 : 为四进制符号间隔， 为正弦载波的相位，有4种可能的状态。 若 ，则 为0、 、 、 ，此初始相位为0的QPSK信号的矢量图如图1(a)。若 ，则 为 、 、 、 ，此初始相位为
4、的QPSK信号的矢量图如图1(b)。 QPSK利用载波的四种不同相位来表征数字信息。因此，对于输入的二进制数字序列应该先进行分组，将每两个比特编为一组;然后用四种不同的载波相位去表征它们。例如，若输入二进制数字信息序列为10110100 ，则可将它们分成10 ，11 ，01 ，00 ，然后用四种不同的相位 来分别表示它们。由于每一种载波相位代 表2个比特信息，故每个四进制码元又被称为双比特码元。 3 系统仿真程序设计 MATLAB是一套功能强大的工程技术数值运算和系统仿真软件，它具有数值运算和系统仿真软件，它具有数值分析、矩阵运算、数字信号处理、仿真建模、系统控制和优化等功能。Simulink
5、是MATLAB提供的一种可视化仿真模型库，它使用户能够以模块化设计的方式完成系统的建模和仿真，并根据仿真结果分析系统性能，从中分离出影响系统性能的关键因素，找出最优的系统配置方案。 本文利用Matlab 软件及内嵌的Simulink 仿真工具设计出一个QPSK仿真模型，以衡量QPSK在高斯白噪声信道中的性能。QPSK调制解调的仿真模型如图2所示 : 在这个仿真模型中，贝努利二进制序列发生器(Bernoulli Binary Generator)产生一个二进制向量，向量的长度等于2，分别代表QPSK调制器的两个输入信号。QPSK基带调制解调器(QPSK Modulator Baseband)对输
6、入信号实施QPSK调制，产生复数形式的基带调制信号。QPSK调制器产生的调制信号首先经过一个加性高斯白噪声信道(AWGN channel)然后进入QPSK解调器模块(QPSK Demodulator Baseband)进行解调。 仿真过程中，通过改变调制信号经过信道之后的信噪比的数值，而得到相应的误码率， 并且根据这两者的关系绘制出QPSK调制的误码率曲线。如图3所示。 图3 QPSK调制的误码率性能 从图3可以看出，随着调制信号经过信道之后的信噪比数值的增加，QPSK信号的误码率性能得到了改善。 对应于每一个输入信号，QPSK基带调制器产生的输出信号的抽样点的个数不同，也会影响QPSK调制的
7、误码率性能。为了分析QPSK基带调制器产生的输出信号的抽样点的个数对QPSK调制的误码率性能的影响，在实验中，分别针对不同的QPSK调制器和解调器的信号采样数，进行了QPSK调制的误码率性能仿真。仿真结果如图4所示。 图4中共有四条曲线，分别表示当QPSK调制器和解调器的信号采样数即Samples per Symbol等于1、2、3、4时QPSK信号的误码率性能。从图中可以看到，Samples per Symbol参数的设置在很大程度上影响着QPSK信号的解调性能。例如，当信噪比等于5分贝时，如果Samples per Symbol等于1，QPSK调制信号的误码率大约等于7.5%，如果Samp
8、les per Symbol等于4，这时候误码率大约只有0.04%。 4结语 随着通信事业的发展， 通信系统的设计也会越来越复杂，通过计算机的仿真，可以大大地降低通信过程实验成本。本文设计出一个QPSK仿真模型，以衡量QPSK在高斯白噪声信道中的性能， 通过仿真，可以更好地了解QPSK 系统的工作原理，而且为硬件的研制提供一定的参考作用。 参考文献 1 高雪平，官伯然，汪海勇.QPSK调制解调的系统仿真实验J.杭州电子科技大学学报，2006，26(5):52-55. 2 辛洁，赵健东，孙运强.基于FPGA的四相移键控调制解调器的建模与设计J.研究与开发，2009，28(1):52-54. 3 周炯槃，庞沁华，续大我等.通信原理M.北京:北京邮电大学出版社，2005:221-225. 4 matlab通信仿真及应用实例详解，邓华等编著.人民邮电出版社，2003，297-299. 7
