基于simulink的QPSK的调制解调.docx

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基于simulink的QPSK的调制解调

基于simulink的QPSK调制解调

一、摘要

在21世界信息飞速发展的时代，各个国家对通信行业的支持更是不遗余力。

当前我国3G行业正值蓬勃发展，国家又在大力倡导三网融合。

好的技术能够快速地传递用户信息，并且有着高的准确性（即非常低的误码率）和可靠性。

QPSK调制解调技术以其高的解调速率、低的误码率，在CDMA领域得到广泛应用。

本文设计本文主要介绍了正交相移键控（QPSK）的概况，以及正交相移键控（QPSK）的调制解调概念和原理，传输比特错误率和符号错误率的计算，了解Simulink中涉及到QPSK的各种模块的功能。

这次QPSK调制解调采用了正交调制和相干解调，包含了串并转换、电平转换、载波调制、信号合成、相干解调、抽样判决，和并串转换一系列系统的设计，并利用Matlab中的Simulink模块对QPSK的调制解调系统进行了仿真，对QPSK在高斯白噪声信道中的性能进行分析，进而验证了QPSK调制技术的优越性。

【关键词】MatlabQPSKSimulnk仿真

ABSTRACT

Inthe21stworldoftherapiddevelopmentoftheinformationage,eachcountrytocommunicationindustryissparenoefforttosupport.The3gindustryinourcountryasvigorousdevelopment,thecountryshouldbeadvocatedandthreenetsfusion.Goodtechnologycanquicklytransferuserinformation,andhasahighaccuracy（thatis,verylowbiterrorrate）andreliability.QPSKdemodulationtechnologywithitshighdemodulationrate,lowerrorrate,inCDMAareastobewidelyapplied.Thepaperpresentsthedesignofthispapermainlyintroducesthephotographisshiftkeying（QPSK）profile,andpositivephotographshiftkeying（QPSK）modulationdemodulationconceptandprinciple,transmissionbiterrorrateandsymbolerrorratecalculation,understandinvolvedinSimulinkQPSKvariousmodulesfunction.TheQPSKmodulationdemodulationadoptedorthogonalmodulationandcoherentdemodulation,containsthestringandconversion,levelconversion,carriermodulation,signalsynthesis,coherentdemodulation,samplingjudgment,andstringconversionaseriesofsystemdesign,andusetheMatlabSimulinkmoduleforQPSKmodulationdemodulationsystemsimulation,theQPSKwhitegaussiannoisechannelintheperformanceanalysis,andthenverifytheQPSKmodulationtechnologysuperiority.

【Keywords】MatlabQPSKSimulinkSimulation

二、设计目的和意义

（1）通过完成专业方向的设计内容，加深对通信原理理论的理解，熟悉通信系统的基本概念，复习正交相位偏移键控（QPSK）调制解调的基本原理和误比特率的计算方法，了解调制解调方式中最基础的方法。

（2）学会使用MATLAB中的simulink仿真软件，了解其各种模块的功能，用simulink实现QPSK的调制和仿真过程，得到调制信号经高斯白噪声信道，再通过解调恢复原始信号，分析QPSK在高斯信道中的性能，计算传输过程中的误码率。

通过此次设计，在仿真中形象的感受到QPSK的调制和解调过程，有利于深入了解QPSK的原理。

（3）通过Simulink建模完成QPSK调制解调系统的仿真，以及误码率测试，通过整个仿真建模的系统了解QPSK整个的调制解调流程，并通过示波器观察各点的波形，拿得出的响应波形与理论波形进行比较，分析仿真的结果。

（4）掌握了simulink的使用，增强了我们学习通信的兴趣，培养通信系统的仿真建模能力。

三、设计原理

（1）QPSK的调制

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

，

，

，

。

相应的，可将发射信号定义为：

=，0

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。

因为输入信息是二进制序列，所以需要将二进制数据变换成四进制数据，才能和四进制的载波相位配合起来。

采取的办法是将二进制数字序列中每两个序列分成一组，共四种组合（00,01,10,11），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每次调制可传输两个信息比特。

图1的（a）、（b）、（c）原理框图即为QPSK的三种调制方式，本次专业方向设计主要采用的是正交调制方式。

正交调制方式如下图（a）所示，首先信号产生，进行串并转换，再由单极性码转变为双极性码，两路信号分别乘以载波，两路载波相位相差180度，最后两路信号合并，采用这种方法是比较简单，也好理解的。

（2）QPSK的解调

QPSK信号可以用两个正交的载波信号实现相干解调，相干解调就是调制信号乘一个与开始载波同频同相的波。

它的相干解调器如图2所示，正交路分别设置两个匹配滤波器，得到I（t）和Q（t），经电平判决和并转串即可恢复出原始信息

图2QPSK想干解调

四、详细设计步骤

（1）QPSK调制电路

查阅资料，熟悉simulink的工作环境，理解simulink的模块功能，根据图1（a）的方框图搭建QPSK调制电路（图3）：

采用Buffer缓冲器和Demux分解器将信号源进行串并转换，UnipolartoBipolar实现电平转换，即由单极性码转变成双极性码，转换后乘以正弦波进行调制，再两路调制信号合并就可以得到最终的调制信号。

QPSK的调制仿真图如下：

图3QPSK调制仿真图

（2）AWGN信道模型

本次实验使用的是高斯信道。

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，AWGN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。

在AWGN两边加了Zero-OrderHold模块，这个模块是为了让两边信号模式匹配，不然会出错。

通过这样高斯信道模块仿真，可以看到在在经过高斯信道过后的信号，方便与开始信号比较。

图4高斯信道模块

（3）QPSK解调电路

根据图2的方框图搭建QPSK解调电路（图5）：

载波采用调制时的载波信号，解调后的信号经位定时后，经过积分器积分然后再通过一个延时器判决得到并行二进制序列，在采用积分器时，设置参数要谨慎。

本次设置了积分上下线，因为积分后的曲线波动很小，如果没有积分上下线，按默认值判决后误差会很大，并采用上升沿触发。

Relay延时器是一个滞环比较器，起到抽样判决的作用，经过relay后，就出现二进制序列，上下两路二进制序列合并后，最后再经并转串输出二进制序列。

QPSK的调制解调仿真电路如下：

图5QPSK解调仿真电路

图6QPSK调制解调总框图

（4）比特错误率统计

比特错误率统计使用ErrorRateCalculation模块，该模块可自动比较发送序列与接收序列并作出比较，进行错误统计，使用display模块显示将比特错误率输出。

图7比特错误率仿真图

五、设计结果及分析

（1）仿真结果分析

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0.05s，除了在理想信道时误码率为零，高斯信道的采样时间与Zero-OrderHold的参数时间设置皆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。

具体测试数据如下表：

表1信噪比与误码率的关系

Es/No（dB）

-5

0

1

3

误码率

0.5115

0.4965

0．4925

0.4875

由上表可以看出，信道噪声功率谱密度越大，信号信噪比越小，误码率越高，这符合实际情况。

（2）举例分析

为了能更好的观察波形变换，我们现把载波的频率参数设置为50Hz，信号源的采样时间设置为0.01s。

图8信号源和转变后的

由上图看出，由bermoullibinarygenerator模块产生随机单极性码信号，经过Buffer缓冲器和Demux分解器将信号源进行串并转换，UnipolartoBipolar实现电平转换，实现了由单极性码转变成双极性码，用于调制。

图9上支路的载波及调制信号

图10下支路的载波及调制信号

图11上下支路相加后得到的调制信号

由图9，图10，图11可以看到，经过两路相差180度的载波信号调制后，调制信号发生了相位差，相差180度，跟2PSK的调制原理相符，调制时，遇高电平保持原波形，低电平波形反向。

图12经过高斯信道后的调制信号

图13上支路积分后的信号

由图12看出，信号经过高斯信道后，波形发生变化，会有些失真，并且由表1知，信道噪声功率谱密度越大，信号信噪比越小，误码率越高，失真度也越大，符合实际情况。

信号积分后有波形看出是调制信号经过积分器幅度变小，通过设置参数上下限的值变小，可以便于看清积分后的波形，由波形知符合实际情况，即接近正弦波调制后积分后的波形图。

图14上支路判决后的信号

图15源信号流和经过调制解调后的信号流对比

由图14，图15可以看出，因为整个系统模块有引进噪声，以及电路使用了积分、采样保持模块，还原后的信号幅度差异较大，通过判决门限后，得到原来的二进制信号。

因而由上述仿真结果可以看出QPSK的调制解调全过程，解调速率高，误码率低等优越性。

仿真的各种条件都是理想化的，除了噪声之外不会发生任何错误，和实际情况相比，在相同的信噪比之下，比特错误率理应要小的多，但是仿真所得结果的误码率偏大，可能是因为使用了zero-orderhold这个器件，但如不使用zero-orderhold这个器件，高斯信道模块会在仿真运行时报错，从而无法进行仿真实验。

所以为了使实验进行下去，选择这个器件，即使会出现不小的误差。

并且QPSK的误码还可能来源于高斯信道的噪声干扰，以及信号的码间串扰。

其次由于位定时不准确也会造成抽样判决错误，导致信号与原始信号不同，产生误码。

六、总结

为了使仿真正常进行，把所有的数据设为了double类型，buffer模块的输出信号首先通过信号转换模块，由此增加了Simulink仿真的内存占用率，也降低了仿真效率。

还有就是时钟信号的设置和积分器上升沿和复位的问题，要经过不停地调试，才能解决。

在搭建整个QPSK调制解调系统中首先的问题就是所需信号的串并转换问题，Simulink中没有可以直接解决串并变换的模块，于是通过利用buffer这个模块，来完成串并变换的功能，由此却引入了两个单位的时延。

再者是示波器的显示问题，如果载波频率设置过高的话，在采样点很多的情况下，示波器就只会显示部分波形且波形较密，无法看清波形。

另外采样点如果过密的话，就会出现显示失真，所以载波的频率不能设置过高。

在高斯信道模块遇到的是数据类型不符的问题，因为buffer、模块输出的信号为帧信号，高斯信道要求输入和输出皆为采样信号，为了解决这一问题，加入了zero-orderhold这个器件，但也因此产生了较大的误码率。

由于要把单极性数据转化为双极性数据类型，所以，整个系统看上去比较复杂和繁琐。

在仿真建模过程中还是有许多问题，以上的这些问题是比较明显的。

所有问题基本上都可以通过看书，查资料，咨询指导老师来完成，在这个过程中，也丰富了自己的知识。

QPSK调制解调技术已经非常成熟的今天，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。

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。

七、体会

这次课程设计让我深刻体会到数字信号的QPSK调制传输及解调过程，利用Simulink专业库CommunicationsBlockset中的Modulation模块库所提供的“QPSKModulatorBaseband”“QPSKDemodulatorBaseband”等模块实现QPSK的系统设计，并输出误码率，信道中的噪声为高斯白噪声。

两周的专业方向设计很快结束了，不仅检验了我所学的通信原理的基本知识，同时让我熟悉了Matlab的simulink仿真的一些基本操作。

刚开始时连正弦信号在scope中显示都很难做到，正弦信号的参数设计也是一大难题，经过查阅资料，终于弄清楚最基本的模块的用法。

这次设计中遇到的最大的问题是数据源的串转并和并转串模块，此模块花费很多时间去设计，最终设计出的串转并和并转串模块虽不理想（存在延时）但是实现了数据的串转并和并转串。

各个模块参数的设计是设计中最难的一部分，因为一个参数设计不对会导致结果错误。

最终经过不断的查找资料请教老师，终于完成了QPSK的调制与解调。

八、参考文献

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[4]钟麟，王峰.MATLAB仿真技术与应用教程[M]..国防工业出版社，2004

[5]邓华.MATLAB通信仿真及应用实例讲解[M].人民邮电出版社，2003

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西安机电信息研究所，2010

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[10]]QPSK[EB/OL].

[11]Matlab[EB/OL]

[12]QPSK[EB/OL].通信百科.