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1、QPSK调制与解调系统的MATLAB实现及性能分析摘要：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，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M
2、ATLAB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 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。1.1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，
3、为今后参加科学工作打下良好的基础。1.2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。1.3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
4、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 设计原理2.1 MPSK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) =
5、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。2.2 8PSK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
6、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，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
7、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|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2.1 正交调制法产生8PSK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
8、系如图2.2所示图2.2 位信息比特到8PSK符号的映射关系图系统根据映射后的相位，计算出I ,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2.3 8PSK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
9、相位解码和并串转换就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3.1 8PSK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3.1 8PSK原理图原理图中各模块的参数设置如下：图3.2 8PSK的基带信号参数设置图 3.3 调制器的参数设置图3.4 解调器的参数设置图3.5 Bu
10、ffer 的参数设置图3.6 Eye Diagram Scopel的参数设置图3.7 Error Rate Calulation的参数设置图3.8 Display的参数设置在此仿真图中，有两个眼图的比较，如下所示：图3.9 调制端的眼图图3.10 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3.11 基带信号与调制信号的波形比较图3.12 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。3.2 8PSK 的无噪声simulink
11、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Square 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3.13 原理图中的参数设置图中的模块的参数设置如下：图3.14 基带信号的参数设置图3.15 Square root的参数
12、设置图3.16 Variable Fractional Delay 的参数设置图3.17 Phase Frequency Offset的参数设置图3.18 高斯信道的参数设置图3.19 Squaring Timing Recovery 的参数设置图3.20 M-PSK Phase Recovery的参数设置图3.21 Error Rate Calculation 的参数设置图3.22 Display 的参数设置图3.23 Carrier Phase Estimate 的参数设置图3.24 Delay Estimate 的参数设置图3.25 Selector 的参数设置图3.26 Goto 的参
13、数设置图3.27 From 的参数设置图3.28 Discrete-Time Eye Diagram Scope 的参数设置图3.29 Discrete-Time Scatter Plot Scope 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3.30 调制端形成滤波后的信号的离散时间发散图图3.31 解调端匹配滤波信号后的离散时间发散图图3.32 基带信号的眼图图3.33 解调信号的眼图图3.34 无噪声的8PSK的误码率通过调制眼图和解调眼图以及误码率我们可以看出，眼图是一样的，误码率为0。这个调制解调的性能良好。3.3 8PSK的有噪声调制解调和基本的调制解调相比，此电
14、路图上多了高斯噪声模块（Gaussian Noise Generator），一个离散时间发散图（Discrete-Time Scatter Plot Scope）以观察被噪声影响后的离散时间发散图。图3.35 加高斯噪声的原理图图3.36 高斯噪声的参数设置图3.37 基带信号的参数设置图3.38 调制器的参数设置图3.39 解调器的参数设置图3.40 加高斯噪声的误码率加入高斯噪声后，误码率就出现了。以下是加入高斯噪声后的离散时间发散图，可以看出，高斯噪声对信道的影响。图3.41 加高斯噪声的离散时间发散图图3.42 加高斯噪声的调制端眼图图3.43 加高斯噪声解调端的眼图从眼图的比较可以看出，高斯噪声对解调后的信号有一定的影响，但是信号的大体图形没有变化。图3.44 加高斯噪声的基带信与解调信号的波形比较从波形图可以看出，这种8PSK的调制解调的方法只有误码率，没有延迟，因此延迟比较器的设置如下：图3.45 延迟比较器的参数设置4 结束语这次的课程设计是在MATLAB的SIMULINK环境下仿真实现8PSK的调试与解调，刚开始是没有完全理解8PSK的的原理，以至于多走了很多的弯路，后来又因为没能正确的使用示波器而导致出现了很多的错误，后来加如噪声后，更是有很多的错误出现了，误码率也很大，星座图也跳跃不停。通过出现的问题，我看到了自己的
