学士学位论文通信原理课程设计基于simulink的qpsk的调制与解调.docx
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学士学位论文通信原理课程设计基于simulink的qpsk的调制与解调
通信原理课程设计
题目：
基于SIMULINK的QPSK的调制与解调仿真设计
——QPSK的解调设计
学院 计算机与通信工程学院
专业 通信工程
学号
姓名
指导老师
2015年12月
通信原理课程设计评分标准
评分项目
得分
报告书写
及格式
具有题目、摘要、目录、正文、参考文献（10）
正文格式，图、表、参考文献引用等正确，排版美观（10）
基础原理
报告中是否体现被仿真系统的原理以及原理框图（10）
仿真目的，仿真方法，仿真结果的意义表述清楚（10）
M文件仿真
或
Simulink仿真
做出信源，调制信号，解调信号波形（15）
仿真参量丰富（如对频谱，信噪比，误码率等的分析），仿真波形直观。
（15）
是否实现设计功能，各个模块的设计参数是否清晰（10）
框图直观，有对不同参数条件下的仿真对比及结论（10）
仿真参量丰富（如对频谱，信噪比，误码率等的分析），仿真波形直观。
（10）
答辩
是否存在抄袭（10）
对所仿真系统原理的提问回答情况（10）
对仿真过程提问的回答情况（10）
总分（100）
摘要
随着移动通信技术的发展，以前在数字通信系统中采用FSK、ASK、PSK等调制方式，逐渐被许多优秀的调制技术所替代。
本文设计出一个产生QPSK信号的仿真模型，通过此次实验，可以更好地了解QPSK系统的工作原理。
正交相移键控，是一种数字调制方式。
四相绝对移相键控（QPSK）技术具有抗干扰能力好、误码率低、频谱利用效率高等一系列优点。
现正广泛地应用于数字微波通信系统、数字卫星通信系统、宽带接入、移动通信和有线电视系统之中。
论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）的解调概念和原理，了解Simulink中涉及到QPSK的各种模块的功能，利用Matlab中的Simulink模块对QPSK的调制系统进行了仿真，并对QPSK调制性能进行了分析。
从中了解QPSK调制的原理及对现代通信的影响和意义。
关键词：
QPSK调制Simulink仿真Matlab
第1章绪论1
1.1引言1
1.2概念及基本组成部分1
1.3QPSK系统简介2
1.4课题研究现状4
1.5本文主要研究工作及研究目的4
1.5.1研究工作4
1.5.2选题的目的和意义5
1.6本章小结5
第2章QPSK的调制与解调原理7
2.1数字调相7
2.1.1数字基带传输系统7
2.1.2正弦载波数字调制系统8
2.2QPSK调制和解调原理10
2.2.1调制8
2.2.2解调9
2.2.3QPSK的调制原理10
2.2.4QPSK解调的工作原理11
2.3QPSK的产生12
2.3.1QPSK的星座图12
2.3.2QPSK的产生方法13
2.4本章小结15
第3章Matlb/Simulink简介13
3.1Matlab简介13
3.2Simulink简介13
3.2.1Simulink概述13
3.2.2Simulink特点14
3.2.3Simulink常用模块库14
第4章基于simulink的QPSK系统仿真分析16
4.1正交调相法产生QPSK信号16
4.2QPSK调制过程主要器件的功能及参数设置20
4.2.1产生需要的信号源20
4.2.2串并变换21
4.2.3单极性信号转双极性信号模块组22
4.2.4调制模块23
4.2.5星座图模块24
4.3simulink仿真结果25
4.3.1仿真波形25
4.3.2仿真星座图30
4.4仿真结果分析31
4.4.1仿真结果31
4.4.2遇到的问题及解决情况31
4.4.3未解决的问题32
4.5本章小结32
结论33
参考文献25
附录系统总框图26
第1章绪论
1.1引言
数字通信是用数字信号作为载体来传输消息,或用数字信号对载波进行数字调制后再传输的通信方式。
它可传输电报、数字数据等数字信号,也可传输经过数字化处理的语声和图像等模拟信号。
模拟信号数字化有多种方法,最基本的是脉码调制（PCM）、差值编码（DPCM）、自适应差值编码（ADPCM）以及各种类型的增量调制。
数字通信的早期历史是与电报的发展联系在一起的。
1937年,英国人A.H.里夫斯提出脉码调制（PCM）,从而推动了模拟信号数字化的进程。
1946年,法国人E.M.德洛雷因发明增量调制。
1950年C.C.卡特勒提出差值编码。
1947年,美国贝尔实验室研制出供实验用的24路电子管脉码调制装置,证实了实现PCM的可行性。
1953年发明了不用编码管的反馈比较型编码器,扩大了输入信号的动态范围。
1962年,美国研制出晶体管24路1.544兆比/秒脉码调制设备,并在市话网局间使用。
数字通信与模拟通信相比具有明显的优点。
它抗干扰能力强,通信质量不受距离的影响,能适应各种通信业务的要求,便于采用大规模集成电路,便于实现保密通信和计算机管理。
不足之处是占用的信道频带较宽。
20世纪90年代,数字通信向超高速大容量长距离方向发展,高效编码技术日益成熟,语声编码已走向实用化,新的数字化智能终端将进一步发展。
1.2概念及其基本组成部分
数字通信是用数字信号作为载体来传输消息,或用数字信号对载波进行数字调制后再传输的通信方式。
它可传输电报、数字数据等数字信号,也可传输经过数字化处理的语声和图像等模拟信号。
图1-1显示了一个数字通信系统的功能性框图和基本组成部分，信源输出的可以是模拟信号，如音频或视频信号，在数字通信中，由信源产生的信息变换成二进制数字序列。
理论上，应当用尽可能少的二进制数字表示信源输出（消息）。
换句话说，我们要寻求一种信源输出的有效表示方法，使其很少产生或不产生冗余。
将模拟或数字信源的输出有效地变成二进制序列的处理过程成为信源编码或信源码。
图1-1数字通信系统基本组成部分
由信源编码器输出的二进制序列成为信息序列，它被传送到信道编码器。
信道编码器的目的是在二进制信息序列中以受控的方式引入一些冗余，以便于在接收机中来克服信号在信道中传输所受的噪声和干扰的影响。
因此，所增加的冗余是用来提高接收数据的可靠性以及改善接收信号的逼真度。
事实上，信息序列中的冗余有助于接收机译出期望的信息序列。
信道编码器输出的二进制序列送至数字调制器，它是通信信道的接口。
因为在实际中遇到的几乎所有的通信信道都能够给传输电信号（波形），所以数字调制的主要目的是将二进制信息序列映射成信号波形。
通信信道是用来将发送机的信号发送给接收机的物理媒质。
在无线传输中，信道可以是大气。
另一方面，电话信道通常使用各种各样的物理媒质，包括有线线路、光缆和无线等。
无论用什么物理媒质来传输信息，其基本特点是发送信号随机地受到各种可能机理的恶化。
在数字通信系统的接收端,数字解调器对受到信道恶化的发送波形进行处理,并将该波形还原成一个数的序列,该序列表示发送数据符号的估计值。
这个数的序列被送至信道编码器,它根据信道编码器所用的关于码的知识及接收数据所含的冗余度重构初始的信息序列。
解调器和译码器工作性能好坏的一个度量是译码序列忠发生差错的频度。
更准确地说,在译码器输出端的平均比特错误概率是解调器-译码器组合性能的一个量度。
作为最后一步,需要模拟输出时,信源译码器从信道译码器接收其输出序列,并根据所采用的信源编码方法的有关知识重构由信源发出的原始信号。
由于信道译码的差错以及信源编码器可能引入失真,在信源译码器输出端的信号只是原始信源输出的一个近似。
在原始信号与重构信号之间的信号差或信号差的函数就是数字通信系统引入失真的一个量度。
1.3QPSK的系统简介
数字通信现已广泛应用于各个频段和各种通信方式中,成为当今通信发展的一种必然趋势。
所谓数字通信即用数字信号传送信息进行通信,也可以说通信的数字化。
数字通信的主要优点在于用数字信号传送信息易于再生,可减小传输中的失真易于用脉冲数字电路来实现,设备可做到体积小、重量轻可以引入计算技术,应用微处理器及单片微机,发挥各种数字信号处理及智能化控制功能数字信号易于加密便于采用纠错编码和扩频技术,提高抗干扰能力。
数字通信之所以取得迅速的发展不是偶然的现象,有其理论上、技术上和客观需求上的基础从理论分析开始,人们早就认识到数字通信在理论上比模拟通信具有一系列优点。
除上述各点外,在频带和功率的有效利用方面也更为有利计算技术和微电子学的进展为通信的数字化提供了坚实的技术基础人们在社会生活中对多种功能综合服务的需要是数字通信发展的强大动力。
全数字调制技术作为通信领域中极其重要的一个方面，近些年得到了飞速的发展。
数字专用集成电路的发展使得通信传输中的发送与接收设备可以更加变得更加紧凑，使用的成本更低，并大大减小了功耗，同时也提高了设备的安全性。
另一方面，全数字调制解调技术的采用有可能使各类现代调制解调技术融合一体，使该调制解调器不仅适用于各种调制和解调的体制，同时它还具有可变速率这一特性。
目前，无论是模拟通信还是数字通信，在不同的通信业务中都得到了广泛的应用。
但是，数字通信的发展速度已明显超过模拟通信，成为当代通信技术的主流。
与模拟通信相比，数字通信具有以下一些优点：
易于控制传输中的差错。
具有较强的抗干扰能力，且噪声不积累。
易于加密处理，且保密性好。
易于集成，使通信设备微型化，重量轻。
便于和现今用数字信号处理技术去处理、存储需要的数字信息。
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弥补,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。
1.4课题研究现状
人类社会通信建立在信息交流的基础上，通信是推动人类社会文明进步与发展的巨大动力。
近年来，移动通信已显著的技术特点和优越性能得以迅速发展，已经得到社会各界用户的广泛认同。
随着这个通信行业向3G时代发展的同时基带调制技术也在飞速发展，目前应用的主流技术为8PSK,16QAM和64QAM.但在建筑物较多、地形复杂的地区就必须用QPSK调制确保信噪比从而确保通信的准确性和有效性。
QPSK调制全称QuadraturePhaseShiftKeying意为正交相移键控，是一种数字调制方式。
QPSK是一种频谱利用率高、抗干扰性强的数字调制方式，它被广泛用于各种通信系统中，适合卫星广播。
目前已经广泛用于无线通信中，成为现代通信中一种十分重要的调制解调方式。
随着数字技术的飞速发展与应用数字信号处理在通信系统中的应用越来越重要。
数字信号传输系分为基带传输系统和频带传输系统。
频带传输系统也叫数字调制系统,该系统对基带信号进行调制，使其频谱搬移到适合信道传输的频带上数字调制信号又称为键控信号。
在调制的过程中可用键控的方法由基带信号对载频信号的振幅，频率及相位进行调制。
在技术和工艺进步的基础上，数字通信中调制解调算法的实现已不再是一件可望不可及的事情。
可以说，无论是通信系统的内在要求（即算法复杂性决定接收的质量），还是外在条件（技术和工艺）都在促使通信系统的调制解调向数字化发展。
1.5本文主要研究工作及研究目的
1.5.1研究工作
本文研究的主要内容是利用软件来实现QPSK的调制。
本次课题利用的软件是MATLAB软件SUMLINK仿真功能模块来进行对QPSK调制过程的仿真。
其主要内容包括：
1.研究QPSK的调制原理和解调原理；
2.分析QPSK的调制过程；
3.利用SUMULINK设计QPSK调制仿真模型，并使用示波器显示调制过程中各点波形，验证是否与理论相符。
4.掌握Matlab的基本用法，以及Simulink的基本方法使用，和Simulink中各个模块的使用。
1.5.2选题的目的和意义
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“基于Simulink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。
1.6本章小结
随着计算机技术的发展，信号处理技术，得到越来越多的关注。
任何信息携带的一切都可以作为一个信号，信号是信息的物理性能。
信号处理的主要目标是一个物理信号，如电信号，光信号，声信号和振动信号。
对信号包含的信息进行处理，提取人想要的信息。
数字信号处理技术作为一门新兴学科，由于先进的技术和应用的广度，越来越显示出强大的生命力，那些需要各种信号的频谱分析，过滤，压缩，其他领域的科学和工程领域使用它，这种趋势还在发展。
数字信号处理技术已广泛应用于语音处理，通信系统，声纳，雷达，地震信号，空间技术，自动化控制系统，仪器仪表，生物医学工程和家用电器及其他。
信号处理一直为通信技术的发展提供了各种分析工具，如：
压缩，转换编码，过滤，洗澡，检测，评估，绩效评估工具，还提供了多种实施工具，如：
VI.SI，收缩阵列，但同时也促进一代在通信技术领域具有划时代意义的事件，如：
速度和数字视频，调制解调器，均衡器，天线阵列。
再加上集成的半导体技术，计算机和通信设备的发展，通过WWW广泛的互联网接入，电缆连接的快速发展和最终用户对服务的需求增加蜂窝，所有这一切都鼓励人们努力实现“任何人，任何时间，任何地点”可以实现通信的梦想。
现代通信技术正在经历一个戏剧性的变化。
通信和计算设备集成，互联网的广泛使用提供潜力无限的电话会议，视频点播，万维网和互联网电话的用户。
同时，近年来快速发展的无线接入，是世界电信业发展的最强动力。
在不久的将来，“任何人，任何时间，任何地方都可以很方便的通信的梦想成为现实，但也有困难的技术挑战：
需要新的理论和复杂的信号处理技术，高速光纤连接，包括无线，有线和数字预环为未来的多媒体通信网络的设计技术，最重要的特征之一，在今天的通信技术的发展趋势是多样化的通信需求。
正交相位偏移键控（QPSK）是目前微波、卫星和有线电视上行通信中最常用的一种单载波调制方式，其在电路上实现比较简单，频带利用率高，具有较强的抗干扰性等特点。
随着数字技术的快速发展和应用数字信号处理在通信系统中的应用越来越广泛，正交相位偏移键控（QPSK）将会发挥越来越重要的作用。
第2章QPSK的调制与解调原理
2.1数字调相
2.1.1数字基带传输系统
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。
例如，在市内利用电传机直接进行电报通信，或者利用中继方式在长距离上直接传输PCM信号等。
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，它的基本结构如下：
图2-1基带传输系统
图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2-2所示：
图2-2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。
2.1.2正弦载波数字调制系统
上面我们简单的提了一下数字基带传输系统。
然而，实际通信中不少信道都不能直接传送基带信号，必须用基带信号对载波波形的某些参量进行控制，使载波的这些参量随基带信号的变化而变化，即所谓正弦载波调制。
下面，我们将以QPSK为主讨论以正弦波作为载波的数字调制系统。
从原理上来说，受调载波的波形可以是任意的，只要已调信号适合于信道传输就可以了。
但实际上，在大多数数字通信系统中，都选择正弦信号作为载波。
这是因为正弦信号形式简单，便于产生及接收。
和模拟调制一样，数字调制也有调幅、调频和调相三种基本形式，并可以派生出多种其他形式。
数字调制与模拟调制相比，其原理并没有什么区别。
不过模拟调制是对载波信号的参量进行连续调制在接收端则对载波信号的调制参量连续地进行估值；而数字调制都是用载波信号的某些离散状态来表征所传送的信息，在接收端也只要对载波信号的离散调制参量进行检测。
根据已调信号的频谱结构特点的不同，数字调制也可分为线形调制和非线形调制。
在线形调制中，已调信号的频谱结构与基带信号的频谱结构相同，只不过频率位置搬移了；在非线形调制中，已调信号的频谱结构与基带信号的频谱结构不同，不是简单的频谱搬移，而是有其他新的频率成分出现。
振幅键控属于线形调制，而移频键控常属于非线形调制。
我们主要讨论的是多进制的相位调制，因此，先来看看与二进制数字调制相比，它有哪些特点：
1.在相同的码元传输速率下，多进制系统的信息传输速率显然比二进制系统的高。
四进制系统的信息速率是二进制系统的两倍；
2.在相同的信息速率下，由于多进制码元传输速率比二进制的低，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。
2.2QPSK调制和解调原理
2.2.1调制原理
在无线电通信系统中，为实现电信号的传输，需要将待传送信号的频谱移到较高的频率范围，这种频谱的搬移称为信号的调制。
需要调制的原因有两方面。
一方面，由电磁波辐射理论可知，只有当发射天线的尺寸等于信号波长的1/10或更大些，新号才能有效的通过天线发射出去；因为声音、图像等形成的电信号的频率很低，所以需要的天线尺寸应达到几十公里甚至几百公里，这显然是不可行的。
另一方面，即使能把低频信号发射出去，也会造成各种低频信号的相互干扰，无法接受。
利用调制过程将每一个信号的频谱搬移到互不重叠的频率范围，使接受信号时，不致相互干扰。
这个问题的解决使得在一个信道中可以传输多个信号，即实现了信道的“频分多路复用”。
调制，通常是由低频信号（又称调制信号）去控制一个高频振荡的振幅、频率或初相位等参数之中的任意一个来达到的，分别称为幅度调制、频率调制和相位调制；频率调制和相位调制又称角度调制。
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л/4,3л/4,5л/4,和7л/4。
相应的，可将发射信号定义为
（
）
（2.2-5）
其他
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。
调制部分原理方框图如下：
图2-4调制原理框图
2.2.2解调原理
QPSK信号是两个正交的2PSK信号的合成,所以可仿照2PSK信号的相平解调法,
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