QPSK调制与解调系统的MATLAB实现.docx

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QPSK调制与解调系统的MATLAB实现

QPSK调制与解调系统的MATLAB实现和性能分析

摘要：

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。

四相相移键控信号简称“QPSK”。

在现代通信系统中，调制与解调是必不可少的重要手段。

所谓调制，就是把信号转换成适合在信道中传输的形式的一种过程。

解调则是调制的相反过程，而从已调制信号中恢复出原信号。

本课程设计主要介绍通过进行QPSK调制解调的基带仿真，对实现中影响该系统性能的几个重要问题进行了研究。

针对QPSK的特点，调制前后发生的变化，加上噪声后波形出现的各种变化，通过星座图、眼图、波形图等来观察。

程序设计与仿真均采用MATLAB集成环境下的Simulink仿真平台，最后仿真详单与理论分析一致。

1引言

本课程设计主要是学会运用MATLAB中的Simulink来实现数字基带信号的模拟传输。

在知道其传输原理的情况下，将仿真电路到Simulink之中。

并且对正交振幅调制、解调过程的频谱和波形的分析，同时在无噪声和有噪声的进行分析，加入高斯白噪声，瑞利噪声，莱斯噪声分析调制解调后的频谱、波形，观察其误码率。

1.1课程设计的目的

通过本课程的学习我们不仅能加深理解和巩固理论课上所学的有关QPSK调制与解调的基本概念、基本理论和基本方法，而且能锻炼我们分析问题和解决问题的能力；同时对我们独立工作的习惯和科学素质进行培养，为今后参加科学工作打下良好的基础。

1.2课程设计的内容

利用MATLAB集成环境下的Simulink仿真平台,设计一个QPSK调制与解调系统.用示波器观察调制前后的信号波形;用频谱分析模块观察调制前后信号频谱的变化;加上各种噪声源,用误码测试模块测量误码率;最后根据运行结果和波形来分析该系统性能。

1.3课程设计的要求

1）熟悉MATLAB环境下的Simulink仿真平台，熟悉QPSK系统的调制解调原理，构建QPSK调制解调电路图.

2）用示波器观察调制前后的信号波形，用频谱分析模块观察调制前后信号的频谱的变化。

并观察解调前后频谱有何变化以加深对该信号调制解调原理的理解。

3）在调制与解调电路间加上各种噪声源，用误码测试模块测量误码率,并给出仿真波形，改变信噪比并比较解调后波形，分析噪声对系统造成的影响。

4）在老师的指导下，要求独立完成课程设计的全部内容。

2设计原理

2.1MPSK的介绍

MPSK即多进制相移键控，又称为多相制。

这种键控方式是多进制键控的主要方式。

在M进制的相移键控信号，用M个相位不同的载波分别代表M个不同的符号。

如果载波有2n个相位，它可以代表n位二进制码元的的不同组合的码组。

多进制相移键控也分为多进制绝对相移键控和多进制相对相移键控。

在MPSK信号中，载波相位有M种可能取值，qn=2πn/M（n=1,2,…M）。

因此MPSK信号可表示为

S（t）=cos（ω0t+θn）=cos（ω0t+2πn/M）

若载波频率是基带信号速率的整数倍，则上式可改写为

S（t）=∑g（t-nTs）cos（ω0t+θn）=cosω0tΣg（t-nTs）cosθn-sinω0tΣg（t-nT）sinθn

式中g（t）是高度为1、宽度为Ts的矩形脉冲。

式中表明，MPSK信号可等效为两个正交载波的MASK信号之和。

所以，MPSK信号的带宽和MASK信号的带宽相同。

因此，MPSK系统是一种高效率的信息传输方式。

但是，当M的取值增加时，载波间的相位差也随之减少，这就使它的抗噪声性能变差。

2.28PSK的原理

在八相调相中，把载波相位的一个周期0-2π等分成8种相位，已调波相邻相位之差为2π/8=π/4。

二进制信码的三比码组成一个八进制码元，并与一个已调波的相位对应。

所以在调制时必须将二进制的基带串行码流经过串/并变换，变为三比特码元，然后进行调相。

三比特码元的组合不同，对应的已调波的相位就不同。

8PSK信号可用正交调制法产生，方法如图2.1所示。

输入的二进制信息序

列经串/并变换后，分为三路并行序列BAC，每一组并行的BAC称为三比特码元。

每路的码元速率是输入数据速率的1/3。

A和C送入同相支路的2/4电平变换器，

输出的电平幅度值为ak;B和C送入正交支路的2/4电平变换器，输出的电平幅度值为bk。

将ak和bk这两个幅度不同而相互正交的矢量合成后就能得到8PSK信号。

在图2.1中，A用于决定同相支路信号的极性（A为“1”码时，ak为正；A为“0”码时，ak为负）。

B用于决定正交支路信号的极性（B为“1”码时，bk为正；B为“0”码时，bk为负）。

C则用于确定同相支路和正交支路信号的幅度（C为“1”码时，|ak|>|bk|；C为“0”码时，|ak|<|bk|）。

图2.1正交调制法产生8PSK信号方框图

8PSK绝对移相调制利用载波的8种不同相位来表征数字信息。

它把输入的二进制信号序列经过串并变换每次把一个3位的码组映射为一个符号的相位，因此符号率为比特率的1/3，它们与载波相位的映射关系如图2.2所示

图2.2位信息比特到8PSK符号的映射关系图

系统根据映射后的相位，计算出I,Q两路的数值，经过成形滤波，送入信道传输。

在接收端，首先经过匹配滤波滤除带外噪声和干扰，然后经过抽样相位判决，相位解码，并串变换，恢复出原始的数据流。

整个8PSK调制解调系统的基带仿真框图如下图2.3所示

图2.38PSK的调制解调原理图

由于8PSK存在相位模糊问题，因此可采用差分编码技术，将3位码组映射的相位值作为实际相位的增加量；在接收端，抽样判决后的相位值也须先经过相应的差分解码，恢复出原始相位值，之后再进行相位解码和并串转换就可恢复出原始数据流。

采用这样的带差分编码的8PSK（即D8PSK.）就可解决相位模糊的问题.

3模块设计与仿真图形分析

3.18PSK的调制解调基本原理图

熟悉SIMULINK的调制与解调原理，初步设置了8PSK基本原理图，由数字源随机整数产生器（RandomIntegerGenerator）输出具有均匀分布的随机整数。

此时通过了一个转换器，形成了基带信号与调制信号的波形比较，以计算延迟，同时观察调制与解调的星座图。

图3.18PSK原理图

原理图中各模块的参数设置如下：

图3.28PSK的基带信号参数设置

图3.3调制器的参数设置

图3.4解调器的参数设置

图3.5Buffer的参数设置

图3.6EyeDiagramScopel的参数设置

图3.7ErrorRateCalulation的参数设置

图3.8Display的参数设置

在此仿真图中，有两个眼图的比较，如下所示：

图3.9调制端的眼图

图3.10解调端的眼图

根据各眼图模块可以看出：

数字源输出眼图与调制解调完了之后的眼图是一致的，符合要求，并且和调制后的眼图作比较可以看出其调制解调过程。

图3.11基带信号与调制信号的波形比较

图3.12无噪声的误码率

从图中可以看出，此调制解调在没有加入噪声的情况下没有误码率，没有延迟，误码率为0，符合要求，性能良好。

3.28PSK的无噪声simulink实现原理图

对该信道进行了改良，加入Squareroot模块，目的是为了使系统性能得到提高，由于加入了Squareroot模块，信号有了改变，对信道有了一定的影响，所

以我们引入了变数部分的时延，因此输入了2.66的延时。

后面再加上相位频率偏移，这样的调制比较适合在高斯信道中传输，减少噪声对信号的影响，在经过Squareroot后回复信号找回原来的滤波信号，再通过解调，就得到了原信号。

在此原理图中我们从调制端引出（Goto）了一个信号，然后在输入（From）解调端。

图3.13原理图中的参数设置

图中的模块的参数设置如下：

图3.14基带信号的参数设置

图3.15Squareroot的参数设置

图3.16VariableFractionalDelay的参数设置

图3.17PhaseFrequencyOffset的参数设置

图3.18高斯信道的参数设置

图3.19SquaringTimingRecovery的参数设置

图3.20M-PSKPhaseRecovery的参数设置

图3.21ErrorRateCalculation的参数设置

图3.22Display的参数设置

图3.23CarrierPhaseEstimate的参数设置

图3.24DelayEstimate的参数设置

图3.25Selector的参数设置

图3.26Goto的参数设置

图3.27From的参数设置

图3.28Discrete-TimeEyeDiagramScope的参数设置

图3.29Discrete-TimeScatterPlotScope的参数设置

将调制和解调端引出离散时间发散图，得出以下图形：

图3.30调制端形成滤波后的信号的离散时间发散图

图3.31解调端匹配滤波信号后的离散时间发散图

图3.32基带信号的眼图

图3.33解调信号的眼图

图3.34无噪声的8PSK的误码率

通过调制眼图和解调眼图以和误码率我们可以看出，眼图是一样的，误码率为0。

这个调制解调的性能良好。

3.38PSK的有噪声调制解调

和基本的调制解调相比，此电路图上多了高斯噪声模块（GaussianNoiseGenerator），一个离散时间发散图（Discrete-TimeScatterPlotScope）以观察被噪声影响后的离散时间发散图。

图3.35加高斯噪声的原理图

图3.36高斯噪声的参数设置

图3.37基带信号的参数设置

图3.38调制器的参数设置

图3.39解调器的参数设置

图3.40加高斯噪声的误码率

加入高斯噪声后，误码率就出现了。

以下是加入高斯噪声后的离散时间发散图，可以看出，高斯噪声对信道的影响。

图3.41加高斯噪声的离散时间发散图

图3.42加高斯噪声的调制端眼图

图3.43加高斯噪声解调端的眼图

从眼图的比较可以看出，高斯噪声对解调后的信号有一定的影响，但是信号的大体图形没有变化。

图3.44加高斯噪声的基带信与解调信号的波形比较

从波形图可以看出，这种8PSK的调制解调的方法只有误码率，没有延迟，因此延迟比较器的设置如下：

图3.45延迟比较器的参数设置

4结束语

这次的课程设计是在MATLAB的SIMULINK环境下仿真实现8PSK的调试与解调，刚开始是没有完全理解8PSK的的原理，以至于多走了很多的弯路，后来又因为没能正确的使用示波器而导致出现了很多的错误，后来加如噪声后，更是有很多的错误出现了，误码率也很大，星座图也跳跃不停。

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，通过课程设计来巩固本学期的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。

这次实习是运用MATLAB中的SIMULINK仿真出8PSK的调制与解调，这是多进制的调制与解调，我开始没能完全理解多进制的调制与解调，错误的使用了二进制的方式去调制与解调，输入了二进制的正弦波，也使用了只能显示二进制的示波器，导致实验过程中一直都有错，没能正确的运行，