课程设计 QPSK.docx
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课程设计QPSK
淮海工学院
课程设计报告书
课程名称：
通信系统的计算机仿真设计
题目：
QPSK通信系统
的性能分析与MATLAB仿真
系（院）：
电子工程学院
学期：
12-13-2
专业班级：
D通信工程101
姓名：
张俊
学号：
511021220
评语：
成绩：
签名：
日期：
QPSK通信系统的性能分析与matlab仿真
1绪论
介绍了数字通信中的QPSK调制解调的原理,通过用Matlab编写脚本程序对QPSK通信系统的发射和接收过程的具体实现进行模拟仿真,绘出信号在理想信道和加噪信道中模拟传输时的时域图,并对各模块进行了频谱分析,所得到的结果与理论基本相符,对于理解QPSK系统的性能并在系统的实际应用上作进一步的设计,提供了有效的参考依据。
1.1研究背景与研究意义
随着经济危化的不断发展，人们对通信的要求也越来越高。
本文主要研究“MATLAB的QPOSK通信系统仿真”利用MATLAB软件SUMLINK仿真实现QPSK调制方式。
QPSK调制系统目前正广泛地应用在无线通信领域，它具有较高的频谱利用率，较强的抗干扰性，在电路上实现也较为简单。
使用SUMLINK对QPSK调制、解调进行模拟。
具体解决了二进制信息在QPSK调制过程中的串-并变换，解调过程中对已调信号的滤波、抽样判决、并-串变换一系列问题。
通过利用MATLAB软件SUMLINK实现了QPSK通信系统的仿真，完成了QPSK通信系统的调制解调过程的仿真实现，使接收端能够准确地接收到来自发放的信息。
QPSK调制方式在通信工程中的应用十分广泛，其误码率随信噪比的增加而减少并最终可能为零。
在QPSK调制方式以后，还会出现进制更多的调制方式。
而我们着重要解决的问题也从如何提高相位谱利用率转变为如何减少误差以及提高传送速率。
阐述QPSK调制解调的实现过程，并运用软件实现手段对信号变换过程加以分析，希望有所收获。
1.2课程设计的目的和任务
本次课程设计是根据“通信工程专业培养计划”要求而制定的。
通信系统的计算机仿真设计课程设计是通信工程专业的学生在学完通信工程专业基础课、通信工程专业主干课及科学计算与仿真专业课后进行的综合性课程设计。
其目的在于使学生在课程设计过程中能够理论联系实际，在实践中充分利用所学理论知识分析和研究设计过程中出现的各类技术问题，巩固和扩大所学知识面，为以后走向工作岗位进行设计打下一定的基础。
课程设计的任务是：
（1）掌握一般通信系统设计的过程、步骤、要求、工作内容及设计方法；掌握用计算机仿真通信系统的方法。
（2）训练学生网络设计能力。
（3）训练学生综合运用专业知识的能力，提高学生进行通信工程设计的能力。
2QPSK通信系统
2.1QPSK通信系统基本介绍
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。
四相相移调制是利用载波的四种不同相位差来表征输入的数字信息,是四进制移相键控。
QPSK是在M=4时的调相技术,它规定了四种载波相位,分别为45°,135°,225°,315°,调制器输入的数据是二进制数字序列,为了能和四进制的载波相位配合起来,则需要把二进制数据变换为四进制数据,这就是说需要把二进制数字序列中每两个比特分成一组，共有四种组合,即00,01,10,11,其中每一组称为双比特码元。
每一个双比特码元是由两位二进制信息比特组成,它们分别代表四进制四个符号中的一个符号。
QPSK中每次调制可传输2个信息比特,这些信息比特是通过载波的四种相位来传递的。
解调器根据星座图及接收到的载波信号的相位来判断发送端发送的信息比特。
在数字信号的调制方式中QPSK四相移键控是目前最常用的一种卫星数字信号调制方式,它具有较高的频谱利用率、较强的抗干扰性、在电路上实现也较为简单。
在HFC网络架构中,从用户线缆调制解调器发往上行通道的数据采用QPSK方式调制并用TDMA方式复用到上行通道。
在有线电视系统中,卫星,大锅,输出的就是QPSK信号。
在实际的调谐解调电路中,采用的是非相干载波解调。
本振信号与发射端的载波信号存在频率偏差和相位抖动因而解调出来的模拟I、Q基带信号是带有载波误差的信号。
这样的模拟基带信号即使采用定时准确的时钟进行取样判决,得到的数字信号也不是原来发射端的调制信号,误差的积累将导致抽样判决后的误码率增大,因此数字QPSK解调电路要对载波误差进行补,减少非相干载波解调带来的影响。
此外,ADC的取样时钟也不是从信号中提取的,当取样时钟与输入的数据不同步时,取样将不在最佳取样时刻进行所得到的取样值的统计信噪比就不是最高，误码率就高，因此，在电路中还需要恢复出一个与输入符号率同步的时钟，来校正固定取样带来的样点误差，并且准确的位定时信息可为数字解调后的信道纠错解码提供正确的时钟。
校正办法是由定时恢复和载波恢复模块通过某种算法产生定时和载波误差，插值或抽取器在定时和载波误差信号的控制下，对A/D转换后的取样值进行抽取或插值滤波，得到信号在最佳取样点的值，不同芯片采用的算法不尽相同，例如可以采用据辅助法（DA）载波相位和定时相位联合估计的最大似然算法。
2.2QPSK通信系统基本原理
四相相移调制是利用载波的四种不同相位差来表征输入的数字信息，是四进制移相键控。
QPSK是在M=4时的调相技术，它规定了四种载波相位，分别为45°、135°、225°、315°,调制器输入的数据是二进制数字序列，为了能和四进制的载波相位配合起来，则需要把二进制数据变换为四进制数据，这就是说需要把二进制数字序列中每两个比特分成一组，共有四种组合，即00，01，10，11，如图2.1.1所示，其中每一组称为双比特码元。
每一个双比特码元是由两位二进制信息比特组成，它们分别代表四进制四个符号中的一个符号。
QPSK中每次调制可传输2个信息比特，这些信息比特是通过载波的四种相位来传递的。
解调器根据星座图及接收到的载波信号的相位来判断发送端发送的信息比特。
QPSK信号的星座如图1所示：
图1QPSK信号星座图
2.3QPSK通信系统的模型
图2QPSK通信系统框图
2.4QPSK通信系统的性能指标
2.4.1有效性指标
数字通信系统的有效性指标用用传输速率和频带利用率来表征。
（1）传输速率有两种表示方法：
码元传输速率RB和信息传输速率Rb。
在N进制下，设信息速率为Rb（bit/s）,码元速率为RBN（Baud）。
（2）频带利用率η
在比较不同的通信系统有效性时，但看他们的传输速率是不够的，还应看在这样的传输速率下占有信道的频带宽度。
频带利用率有两种不同的表示方式：
码元频带利用率和信息频带利用率。
码元频带利用率是指单位频带内的码元传输速率，即η=RB/B（Baud/HZ）。
信息频带利用率是指每秒钟在单位频带上传输的信息量，即η=Rb/Bbit/（s.HZ）
2.4.2可靠性指标
数字通信系统的可靠性指标用差错率来衡量。
差错率越小，可靠性越高。
差错率也有两种表达方式误码率与误信率。
（1）误码率：
指接收到的错误码元数和总的传输码元个数之比，即在传输中出现错误码元的概率，记为Pe=
（2）误信率：
又叫误比特率，是指接收到的错误比特数和总的传输比特数之比，即在传输中出现的错误信息量的概率，记为Pb=
性能分析：
信号经过调制、信道、解调过程。
在接收端，将得到的数与原始信号源数据比较，得到在特定信噪比下的误码率。
改变系统信噪比，从而得到系统的误码率曲线图，并给出各关健点信号图及星座图。
3QPSK通信系统主要模块
3.1信源/信宿及其编译码
信号源：
模拟的正弦波语音信号4KHz。
SAMPLE：
抽样器，对模拟信号进行抽样，抽样频率8KHz。
A-LAW：
量化器，A-LAW十三折线法。
PCM：
编码器，将量化后的信号进行PCM编码，变成1个传输速率为64Kbit/s的数字信号。
信道编码：
可以选择分组码、卷积码、RS码等。
调制：
从QPSK、2PSK中选择一种调制方式。
信道：
信号经过调制以后，通过信道。
信道可以选择高斯加性白噪声信道、二进制对称信道、多径瑞利（Rayleigh）衰落信道、莱斯（Rician）衰落信道等。
设置不同的信道信噪比，对系统进行仿真，分析不同信噪比情况下的系统性能。
解调：
根据调制方式，选择对应的解调方式。
译码：
根据信道编码方式，选择对应的信道解码方式。
性能分析：
信号经过调制、信道、解调过程。
在接收端，将得到的数据与原始信号源数据比较，得到在特定信噪比下的误码率。
改变系统信噪比，从而得到系统的误码率曲线图，并给出各关健点信号图及星座图。
3.2基带信号处理
从消息传输的角度看，一个数字通信系统包括两个重要的变换，即消息与数字基带信号之间的变换；数字基带信号与信道信号之间的变换。
通常，前一个变换由发收终端设备来完成，它把无论是离散的还是连续的消息转换成数字的基带信号，而后一变换则由调制和解调器完成。
在数字通信中，有些场合可以不经过载波调制和解调过程而让基带信号直接进行传输。
这种不用载波调制解调装置而直接传送基带信号的系统，我们称它为基带传输系统，它的基本结构如图3所示：
基带脉冲输出
输入
干扰
图3基带传输系统
图3.2.1信道信号形成器用来产生适合于信道传输的基带信号，信道可以是允许基带信号通过的媒质（例如能够通过从直流到高频的有线线路）；接收滤波器用来接收信号和尽可能排除信道噪声和其他干扰；抽样判决器则是在噪声背景下用来判定与再生基带信号。
与此对应，我们把包括了载波调制和解调过程的传输系统称为频带传输系统，如图4所示：
干扰
基带脉冲基带脉
输入输入
图4频带传输系统的基本结构
虽然在实际使用的数字通信系统中基带传输不如频带传输那样广泛，但是，对于基带传输系统的研究仍然是十分有意义的。
第一，即使在频带传输制里也同样存在基带传输问题，也就是说，基带传输系统的许多问题也是频带传输系统必须考虑的问题；第二，随着数字通信技术的发展，基带传输这种方式也有迅速发展的趋势，目前，它不仅用于低速数据传输，而且还用于高速数据传输；第三，理论上也可以证明，任何一个采用线形调制的频带传输系统，总是可以由一个等效的基带传输系统所替代。
3.3调制/解调
3.3.1QPSK调制
QPSK的调制有两种产生方法相乘电路法和选择法。
相乘法：
输入信号是二进制不归零的双极性码元，它通过“串并变换”电路变成了两路码元。
变成并行码元后，每个码元的持续时间是输入码元的两倍。
用两路正交载波去调制并行码元。
其原理框图如图5所示：
图5相乘法
QPSK的调制中，QPSK信号可以看成是两个载波正交的2PSK信号调制器构成。
原理分析如下：
基本原理和系统结构QPSK与二进制PSK一样，传输信号包含的信息都存在于相位中。
个别的载波相位取四个等间隔值之一，如л/4、3л/4、5л/4、7л/4。
相应的，可将发射信号定义为：
其中，i＝1，2，3，4；E是发射信号的每个符号的能量，T为符号的持续时间，载波频率f等于nc/T，nc为固定整数。
每一个可能的相位值对应于一个特定的二位组。
下面介绍QPSK信号的产生和检测。
如图为典型的QPSK发射机框图。
输入的二进制数据序列首先被不归零（NRZ）电平编码转换器转换为极性形式，即负号1和0分别用
和-
表示。
该二进制波形被分接器分成两个分别由输入序列的奇数位偶数位组成的彼此独立的二进制波形，这两个二进制波形分别用a1（t）和a2（t）表示。
此时，在任何一信号时间间隔内a1（t），和a2（t）的幅度恰好分别等于Si1和Si2，即由发送的二位组决定。
这两个二进制波形a1（t）和a2（t）被用来调制一对正交载波：
。
这样就得到一对二进制PSK信号。
和
的正交性使这两个信号可以被独立地检测。
最后，将这两个二进制PSK信号相加，从而得期望的QPSK。
选择法：
输入基带信号经过串并变换后用于控制一个相位选择电路，按照当时的输入双比特ab，决定选择哪个相位的载波输出。
其框图如图6所示：
图6选择法
QPSK调制原理框图如图7所示：
图7调制原理框图
3.3.2QPSK解调原理
QPSK接收机由一对共输入地相关器组成。
这两个相关器分别提供本地产生地相干参考信号
和
。
相关器接收信号x（t）,相关器输出地x1和x2被用来与门限值0进行比较。
如果x1>0,则判决同相信道地输出为符号1；如果x1<0,则判决同相信道的输出为符号0。
如果正交通道也是如此判决输出。
最后同相信道和正交信道输出这两个二进制数据序列被复加器合并，重新得到原始的二进制序列。
在AWGN信道中，判决结果具有最小的负号差错概率。
用两路具有相互正交特性的载波来解调信号，可以分离这两路正交的2PSK信号。
相干解调后，并行码元经过并/串变换后，最终得到串行的数据流。
QPSK解调原理框图如图8所示：
图8相干解调原理框图
3.4信道
本次实验使用的是高斯信道和理想信道。
实验所需的高斯噪声我们可以由高斯信道模块来提供，用到了Zero-OrderHold，和子模块，即SubSystem，通过子模块建立新的封装（Mask）功能模块其中参数设置中信噪比为Es/No，Es/No为信号能量比噪声功率谱密度。
AWGN信道模块可以将加性高斯白噪声加到一个实数的或复数的输入信号。
现在输入信号是实数，这个模块增加了实数的高斯噪声，产生一个实数的输出信号。
此块继承它的输入信号的采样时间。
模块使用信号处理模块随机产生的噪声。
初始种子可以是一个标量或矢量的长度相匹配的输入信号通道数。
种子的详细资料初次，查看随机源模块库文件参考页面中设置的信号处理。
该端口的数据类型都继承自该驱动器的信号块。
注意权力的所有值假设一个1欧姆的标称阻抗。
图9高斯信道模块
4MATLAB对QPSK通信系统的仿真
4.1MATLAB主要模块
4.1.1PCM-code模块
PCM-code模块实现了QPSK通信系统的抽样，量化，编码功能。
信号源为模拟的正弦波语音信号4KHz。
抽样器（SAMPLE），对模拟信号进行抽样，抽样频率8KHz。
A-LAW：
量化器，A-LAW十三折线法。
PCM：
编码器，将量化后的信号进行PCM编码，变成1个传输速率为64Kbit/s的数字信号。
如图所示为PCM-code模块。
图10信源编码PCM-code模块
4.1.2Frame-buffer/frame-buffer1模块
Frame-buffer是对信号进行信道编码，frame-buffer1模块是对信号进行译码。
单极性信号转化为双极性信号，因为QPSK的调制信号要求的是双极性信号，所以用伯努利随机生成二进制Generator模块产生的信号必须经过转化才能够被使用。
利用加法模块和常数产生模块将1和0的序列各自减去1/2，再利用比例运算模块乘以2，就得到了1和-1的双极性序列。
如图所示为Frame-buffer/frame-buffer1模块:
图11串并转换Frame-buffer/frame-buffer1模块
4.1.3
PCM-decode模块
Pcm-decode模块是pcm-decode模块的反过程，信号经过调制，信道加噪声，解调之后，经过串并变换之后经过pcm-decode进行解码。
如图所示。
图12信宿译码PCM-decode模块
4.2MATLAB主要参数设置
图13信号发生器参数设置框图
图14QPSK调制模块参数设置框图
图15QPSK解调模块参数设置框图
图16AWGN信道参数设置框图
4.3QPSK通信系统的仿真图和结果分析
4.3.1QPSK通信系统的总原理图
图17QPSK无信道总原理图
图18QPSK加信道总原理图
4.3.2QPSK通信系统的仿真与结果分析
（1）无信道星座图
图19无信道星座图
图20解调后眼图图21调制后眼图
如图所示，因为在理想无信道情况下，所以在调制与解调后眼图都是端正，无叠影。
图22QPSK理想信道仿真总原理图
QPSK系统在理想情况下，无需加信道，原始信号经过抽样量化编码后，经过信号调制模块调制过后直接进入信号解调模块，此间无噪声干扰。
信号经过解码后得到原来的波形。
如图所示。
（2）有信道加信噪比仿真图
图23加信道调制后眼图图24加信道解调后眼图
当噪声存在时，调制后产生的眼图为理想的，端正的眼图。
信号经过信道加噪声后，噪声叠加在信号上，眼图线迹出现叠影，“眼睛”也就更小。
图25加信道调制星座图图26加信道解调后星座图
同理眼图，加信道后星座图前后比对信号经过信道加噪声后会出现星座点模糊的现象。
图27QPSK加信道总原理仿真图
PSK系统在加信道情况下，原始信号经过抽样量化编码后，经过信号调制模块调制过后直接进入信号解调模块，此间加噪声干扰。
信号经过解码后得到与原来的不同波形。
如图所示。
4.4加入噪声及干扰时系统性能指标的变化分析
通过设置不同的Es/No的值，可得到不同的误码率。
本次实验统计误码率时，设置的载波频率为4000Hz，信号源的采样时间为0.01s，除了在理想信道时误码率为零，高斯信道的采样时间以载波的频率为参考依据，现载波频率为4000Hz，则我们设这两个时间参数设置为0.00025，即得到下表。
当然如果这两个时间参数设置的更小的话，会得到更小的误码率。
当QPSK无信道时，误码率一直为0。
当原理图加信道高斯白噪声时，信噪比与误码率关系如下表所示。
表1信噪比与误码率的关系
Es/No（dB）
0
20
50
100
0.4945
0.2255
0
0
SNR
0
20
50
100
0.2031
0.1023
0
0
误码率程序：
clc;
xSimulationTime=10;
x=-50:
50;
y1=x;
y2=x;
fori=5:
length（x）;
xSNR=x（i）;
sim（'wumalv'）;
y1（i）=xErrorVec
（1）;
end
semilogy（x,y1,'*'）
holdon
fori=1:
length（x）;
xSNR=exp（x（i）*log（10）/10）;
y2（i）=1-（1-1/2*erfc（sqrt（xSNR）））.^2;
end
semilogy（x,y2,'-r'）;
legend（'*仿真值','-理论值'）;
xlabel（'信噪比r/dB'）;
ylabel（'误码率Pe'）;
title（'误码率与信噪比关系曲线'）;
gridon;
图28误码率与信噪比关系曲线
5总结
这次的课程设计是在MATLAB的SIMULINK环境下仿真实现QPSK的调试与解调，刚开始是没有完全理解QPSK的的原理，通过出现的问题，我看到了自己的不足，也学会了SIMULINK模块的运用，更重要的是了解了多进制的调制与解调原理。
QPSK的调制技术已广泛应用于生活的各个方面。
在单一的数字调制技术且通信技术飞速发展的今天，早已无法满足现代通信的要求，根据不同通信方式，采取不同的调制方法。
对于我本人来讲，QPSK的调制和解调原理早已经在通信原理的课程中学习过，同时也在通信原理的实验课中观察过其仿真结果。
通过课程设计来巩固通信原理与数字信号的专业知识内容，同时也运用理论知识与实际电路的设计相结合了起来，通过综合分析，找出了自己学习过程中的不足，为今后的学习提供实践依据，打下了基础。
但在此次实验过程中，使用了Simulink平台搭建QPSK系统，在原本理解QPSK基本原理的基础上，同时也了解了许多其他新的东西。
当然，本次实验所搭建的QPSK调制解调系统中还有很多问题需要去解决，更需要得到进一步完善。
6参考文献
[1]樊昌信曹丽娜编著，通信原理，国防工业出版社，2009年1月
[2]苗云长等主编，现代通信原理及应用。
电子工业出版社，2005年
[3]张志涌编著，MATLAB教程，北京航空航天大学出版社，2006年
[4]周建兴等编著，MATLAB入门到精通。
人民邮电出版社，2008年
[5]樊昌信曹丽娜编著，通信原理，国防工业出版社，2009年1月
[6]邵玉斌，Matlab/Simulink通信原理建模与仿真实例分析，清华大学出版社，2008
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