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(jìn)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(jì)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(xì)、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(jìn)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(jì)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(jī)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(rèn)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(jìn)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(qiáng)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(jī)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(jìn)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(kuò)大所學(xué)知識面，為以后走向工作崗位進(jìn)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(jī)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(jìn)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(jī), 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(kuò)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(qiáng)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(jī)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(dá)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(jìn)制數(shù)字信息，序列為10011100.則應(yīng)該先將其進(jìn)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(jìn)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(rèn)為是單極性二進(jìn)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(jìn)行理想抽樣，變成二進(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jī)框圖。輸入的二進(jìn)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(fù)號1和0分別用和-表示。該二進(jìn)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(jìn)制波形，這兩個二進(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jī)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(jī)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(jìn)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(jìn)制數(shù)據(jù)序列被復(fù)加器合并，重新得到原始的二進(jìn)制序列。在AWGN信道中，判決結(jié)果具有最小的負(fù)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(jìn)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(jìn)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(jìn)行信道編碼，frame-buffer1模塊是對信號進(jìn)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(jī)生成二進(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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)