基于simulink的QPSK的调制解调.doc

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1、目录一、 摘要1二、设计目的和意义2三、设计原理2四、详细设计步骤4五、设计结果及分析6六、总结9七、体会10八、参考文献10一、 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

2、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】 Matlab QPSK Simulnk 仿真ABSTRACTIn the 21st world of the rapid development of the information age, each country to communication industry is s

3、pare no effort to support. The 3 g industry in our country as vigorous development, the country should be advocated and three nets fusion. Good technology can quickly transfer user information, and has a high accuracy (that is, very low bit error rate) and reliability. QPSK demodulation technology w

4、ith its high demodulation rate, low error rate, in CDMA areas to be widely applied. The paper presents the design of this paper mainly introduces the photograph is shift keying (QPSK) profile, and positive photograph shift keying (QPSK) modulation demodulation concept and principle, transmission bit

5、 error rate and symbol error rate calculation, understand involved in Simulink QPSK various modules function. The QPSK modulation demodulation adopted orthogonal modulation and coherent demodulation, contains the string and conversion, level conversion, carrier modulation, signal synthesis, coherent

6、 demodulation, sampling judgment, and string conversion a series of system design, and use the Matlab Simulink module for QPSK modulation demodulation system simulation, the QPSK white gaussian noise channel in the performance analysis, and then verify the QPSK modulation technology superiority. 【Ke

7、y words】Matlab QPSK Simulink Simulation 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QP

8、SK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，

9、i1，2，3，4。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

10、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2 QPSK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

11、行串并转换，Unipolar to Bipolar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3 QPSK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-Order Hold，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

12、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-Order Hold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

13、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5 QPSK解调仿真电路图6 QPSK调制解调总框图（4）比特错误率统计比特错误率统计使用Error Rate Calculation 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4

14、000Hz，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-Order Hold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4000 Hz，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)-5013误码率0.51150.4965049250.4875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

15、样时间设置为0.01s。图8 信号源和转变后的由上图看出，由bermoulli binary generator 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，Unipolar to Bipolar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

16、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

17、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-order hold 这个器件，但如不使用zero-order hold 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

18、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

19、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-order hold 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

20、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Communications Blockset中的Modulation模块库所提供的“QPSK Modu

21、lator Baseband”“QPSK Demodulator Baseband”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

22、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1 吴成柯，樊昌信，徐炳祥等，通信原理M.国防工业出版社，20012 曹志刚，钱亚生，现代通信原理M.清华大学出版社，20003 JOHN G.PROAKIS著，张力军译，数字通信(第四版) M.电子工业出版社，20034 钟麟，王峰.MATLAB仿真技术与应用教程M.国防工业出版社， 20045 邓华.MATLAB通信仿真及应用实例讲解M.人民邮电出版社，20036 张力, 罗忠相. 基于软件无线电的QPSK 解调器仿真及实现 J.中国有线电视, 2005,7 高博. 杨燕. 胡建军. 基于MATLAB的QPSK系统设计仿真R.西安：西安机电信息研究所，20108 韩丽英. 基于MATLAB的QPSK仿真与分析 N.长春理工大学光电信息学院学报，20109 张国华， 杨旭， 田龙， 周钦，高速QPSK数字解调器的Simulink建模仿真R.西安：西安空间无线电技术研究所，200310 QPSK EB/OL. 11 MatlabEB/OL12QPSK EB/OL.通信百科. 11