QPSK调制解调课设完整版教学文案.docx

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QPSK调制解调课设完整版教学文案

QPSK调制解调课设完整版

2012专业综合课程设计

————————————通信专业

姓名：

***

班级：

0902402

学号：

090240212

题目：

利用matlab设计并仿真数字通信系统

一、题目要求

利用matlab软件设计并仿真下面的无线通信系统

要求：

1、输入信号为比特流形式，比特速率通常为100kbps数量级。

2、载波频率自定。

通常为MHz数量级。

3、信道为多径信道（仿真中2径即可），信道中噪声为加性高斯白噪声。

4、信噪比自行设定。

5、画出图中各点波形。

6、画出系统误码率与接收端信噪比SNR的关系（蒙特卡洛仿真）。

7、在给定信噪比情况下，分析多径延时大小对系统性能有没有影响？

画出系统误码率与多径延时大小之间的关系。

2、设计过程

1）概念理解：

QPSK即四进制移向键控（QuaternaryPhaseShiftKeying），它利用载波的四种不同相位来表示数字信息，由于每一种载波相位代表两个比特信息，因此每个四进制码元可以用两个二进制码元的组合来表示。

两个二进制码元中的前一个码元用a表示，后一个码元用b表示。

2）调制：

QPSK信号可以看作两个载波正交2PSK信号的合成，下图表示QPSK正交调制器。

原理分析：

由randint函数产生一个1x20的二进制随机矩阵，作为基带信号data；然后转换成极性码（极性NRZ电平编码器）；然后按奇偶次序抽出随机数后组成1x10的矩阵（分离器）；将这两个矩阵中码元宽度增大为原来的2倍（采用增加点数）；如图在a路Idata与余弦载波相乘，b路同理；最后代数相加，此时便产生QPSK调制信号作为输出。

3）解调：

解调原理图如下所示。

1（t）同相信道门限＝0

2（t）正交信道门限＝0

原理分析：

同相支路和正交支路分别采用相干解调方式解调，得到

和

，经过低通滤波器（LPF）抽样判决和并/串交换器，将上下支路得到的并行数据恢复成串行数据demodata（1x20），此过程在复接器实现，此时便得到QPSK解调信号（应该和基带信号一样）。

4）高斯信道：

应题目要求，通过无线信道传输的调制信号会加入高斯噪声，使用awgn（si，SNR）函数来实现；实现多径信道，将延时后的信号s1加到未延时信号s0合并作为输出信号即可。

5）带通滤波器（BPF）：

使用butter（N,[wp1,wp2],‘’）和filter函数实现，其中的参数通过计算公式可知

Wp1=2*delta_t*（fc-f）;

Wp2=2*delta_t*（fc+f）;

三、仿真结果及分析

图一

随机产生一个1x20的二进制随机矩阵data,图中基带每个码元由抽样间隔delta_t间隔的离散点构成，总共2000个点（即每个码元由100个点构成），I/Q路信号的码元应该为原来的2倍，所以每个码元由200个点构成，这样长度才能和原序列等长。

实现的部分代码如下：

data=randint（1,nb）;

%调用一个随机函数（0or1），输出到一个1*100的矩阵

datanrz=data.*2-1;%变成极性码

data1=zeros（1,2000）;%创建一个1*nb/delta_T的零矩阵

%将基带信号变换成对应波形信号

data0=zeros（1,2000）;%创建一个1*nb/delta_T的零矩阵

forq=1:

nb

data0（（q-1）*100+1:

q*100）=data（q）;%将非极性码变成对应的波形信号

end

%串并转换，将奇偶位数据分开

idata=datanrz（1:

ml:

（nb-1））;%将奇偶位分开，因此间隔m1为2

idata0=zeros（1,2000）;%创建一个1*nb/delta_T的零矩阵

forq=1:

nb/2

idata0（2*（q-1）*100+1:

2*q*100）=idata（q）;%将其码元宽度扩展成为原来码元的2倍

end

qdata=datanrz（2:

ml:

nb）;

qdata0=zeros（1,2000）;

forq=1:

nb/2

qdata0（2*（q-1）*100+1:

2*q*100）=qdata（q）;

end

图二：

部分代码如下：

%%%%%%%%QPSK信号的调制%%%%%%%%%%%%

forii=1:

N

a（ii）=cos（2*pi*fc*t（ii））;

end

idata1=idata0.*a;%奇数位数据与余弦函数相乘，得到一路的调制信号

forjj=1:

N

b（jj）=-sin（2*pi*fc*t（jj））;

end

qdata1=qdata0.*b;%偶数位数据与余弦函数相乘，得到另一路的调制信号

s0=idata1+qdata1;%将奇偶位数据合并，s即为QPSK调制信号

%%%%%%%延迟信号%%%%%%%%

delay=0.0019;

forii0=1:

N

a_dl（ii0）=cos（2*pi*fc*t（ii0）+delay）;

end

idata1_dl=idata0.*a_dl;%奇数位数据与余弦函数相乘，得到一路的调制信号

forjj0=1:

N

b_dl（jj0）=-sin（2*pi*fc*t（jj0）+delay）;

end

qdata1_dl=qdata0.*b_dl;%偶数位数据与余弦函数相乘，得到另一路的调制信号

s1=idata1_dl+qdata1_dl;%将奇偶位数据合并，s即为QPSK调制信号

%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%

%高斯信道

si=s0+s1;

图三：

通过带通滤波器（PLF）后，上下的毛刺（即高斯噪声）得到了很好的滤除，但是和图二中的调制信号相比，有点儿失真。

部分代码如下：

%高斯信道

si=s0+s1;

sk=awgn（si,SNR）;%通过高斯信道之后的信号

%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%

%butter数字带通滤波器

[B,A]=butter（4,[0.08,0.12],'bandpass'）;

sr=filter（B,A,sk）;

图四：

在通过同相支路和正交支路分别采用相干解调方式解调后，得到

和

，其中包络为低频，在经过低通滤波器后（LPF）后，能很好的滤除高频部分（载波），得到低频部分，和图一的I/Q路信号对比，基本不失真；然后进行抽样判决和并/串交换器，将上下支路得到的并行数据恢复成串行数据demodata（1x20），此时便得到QPSK解调信号，基本保持不失真。

部分代码如下：

%%%%%%%%%%%解调部分

idata_lpf=sr.*a;%这里面其实隐藏了一个串并转换的过程

qdata_lpf=sr.*b;%对应的信号与正余弦信号相乘

%%%%%%低通滤波器%%%%%%%%%

[W,M]=butter（4,0.03365,'low'）;

idata2=filter（W,M,idata_lpf）;

qdata2=filter（W,M,qdata_lpf）;

idata3=zeros（1,nb/2）;%建立1*nb/2数组，以存放解调之后的信号

qdata3=zeros（1,nb/2）;

%抽样判决的过程，与0作比较，data>=0,则置1，否则置0

forn=1:

nb/2

ifsum（idata2（（n-1）*200+1:

n*200））>=0

idata3（n）=1;

elseidata3（n）=0;

end

ifsum（qdata2（（n-1）*200+1:

n*200））>=0

qdata3（n）=1;

elseqdata3（n）=0;

end

end

%将判决之后的数据存放进数组

demodata=zeros（1,nb）;%解调信号

demodata（1:

ml:

（nb-1））=idata3;%存放奇数位

demodata（2:

ml:

nb）=qdata3;%存放偶数位

%为了显示，将它变成波形信号（即传输一个1代表单位宽度的高电平）

demodata1=zeros（1,2000）;%创建一个1*nb/delta_T的零矩阵

forq=1:

nb

demodata1（（q-1）*100+1:

q*100）=demodata（q）;%将极性码变成对应的波形信号

end

%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%

图五：

系统误码率与接收端信噪比SNR的关系（蒙特卡洛仿真）。

本实验将SNR=0:

6设为大循环，里面包含一个for循环（10000次）；每当循环10000次，统计误码数p（h），计算出误码率perror；随着信噪比的增大，误码率呈现下降趋势，在SNR=5,6时，基本误码率为0。

部分代码如下：

forSNR=0:

6%信噪比

10000次

forf=1:

500

......

......

end

%误码率计算

forv=1:

length（data）;

ifdata（v）~=demodata（v）;

p（h）=p（h）+1;

end

end

end

perror（y）=p（h）/10000;

y=y+1;

h=h+1;

End

figure（8）

SNR=0:

6;

plot（SNR,perror）;title（'误码率和信噪比的关系'）;

axis（[0600.008]）;

图六：

误码率和延时的关系：

在一个周期内，可以看出0~0.2.......1.2~1.4之间呈现上升趋势，这是因为误码率随着延时在一定范围的增大而增大，而在整个0~2内，具有周期性变化，周期为1/fc。

部分代码如下：

clc;

y=1;

h=1;

dd=1;

SNR=3.6;%此处涉信噪比为3.6

MINtime=0;

MAXtime=50*1e-7;

delay_t=1e-7;

p=zeros（1,50）;

perror=zeros（1,50）;

fordelay=MINtime:

delay_t:

MAXtime-delay_t

for

........

..........

End%在SNR=3.6,每取定一个delay,就得出一个误码率

End

figure（9）

delay=MINtime:

delay_t:

MAXtime-delay_t;

stem（delay,perror）;title（'PERROR&&DELAY'）;

axis（[MINtimeMAXtime00.01]）;

四、实验小结

1）设计缺点：

用了for循环的方式一增加点数实现对I/Q路信号的码元宽度进行拓宽，可以参考ceil函数；低通滤波器的截止频率并没有设置为2*delta_t*f，因为这样误码率非常大，所以设置了一个比其稍大的参数；最后的误码率和延时的关系图由于取点（n=20）较少，所以并没有很好的反映出他们的关系。

2）设计优点：

程序进一步优化后，再取大量点时运行速度较为理想；误码率实现了10*（-4）级的理想化；判决时通过使用sum（..）

与0的比较来更为准确的做出判决，减小了误码率，若采用中点取点（如：

0~200，在100处来判决），这样偶然误差较大，从而译码器准度不高。

3）学到了什么：

在短短的2周内，基于matlab对QPSK的信号调制解调过程有了更为清晰的理解，怎么去实现产生随机矩阵，怎么去按奇偶抽取点数，怎么增大码元宽度，怎么模拟高斯信道，怎么产生多径信道，以及对BPF,LPF的简单使用，怎么更好的实现判决......都有了初步的入门，加深了对通信原理的某一部分的理解吧！

附总代码：

clc;

y=1;

h=1;

p=zeros（1,7）;

perror=zeros（1,7）;

forSNR=0:

6%信噪比

forf=1:

500

%初始化参数

T=1e-5;%基带信号宽度，也就是频率

fc=5/T;%载波频率

ml=2;%调制信号类型的一个标志位

nb=20;%传输的比特数

delta_T=T/100;%采样间隔

fs=1/delta_T;%采样频率

t=0:

delta_T:

nb*T-delta_T;%限定t的取值范围

N=length（t）;%采样数

%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%调制部分

%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%

%基带信号的产生

data=randint（1,nb）;%调用一个随机函数（0or1），输出到一个1*100的矩阵

datanrz=data.*2-1;%变成极性码

data1=zeros（1,2000）;%创建一个1*nb/delta_T的零矩阵

%将基带信号变换成对应波形信号

data0=zeros（1,2000）;%创建一个1*nb/delta_T的零矩阵

forq=1:

nb

data0（（q-1）*100+1:

q*100）=data（q）;%将非极性码变成对应的波形信号

end

%串并转换，将奇偶位数据分开

idata=datanrz（1:

ml:

（nb-1））;%将奇偶位分开，因此间隔m1为2

idata0=zeros（1,2000）;%创建一个1*nb/delta_T的零矩阵

forq=1:

nb/2

idata0（2*（q-1）*100+1:

2*q*100）=idata（q）;%将其码元宽度扩展成为原来码元的2倍

end

qdata=datanrz（2:

ml:

nb）;

qdata0=zeros（1,2000）;

forq=1:

nb/2

qdata0（2*（q-1）*100+1:

2*q*100）=qdata（q）;

end

%%%%%%%%QPSK信号的调制%%%%%%%%%%%%

forii=1:

N

a（ii）=cos（2*pi*fc*t（ii））;

end

idata1=idata0.*a;%奇数位数据与余弦函数相乘，得到一路的调制信号

forjj=1:

N

b（jj）=-sin（2*pi*fc*t（jj））;

end

qdata1=qdata0.*b;%偶数位数据与余弦函数相乘，得到另一路的调制信号

s0=idata1+qdata1;%将奇偶位数据合并，s即为QPSK调制信号

%%%%%%%延迟信号%%%%%%%%

delay=0.0019;

forii0=1:

N

a_dl（ii0）=cos（2*pi*fc*t（ii0）+delay）;

end

idata1_dl=idata0.*a_dl;%奇数位数据与余弦函数相乘，得到一路的调制信号

forjj0=1:

N

b_dl（jj0）=-sin（2*pi*fc*t（jj0）+delay）;

end

qdata1_dl=qdata0.*b_dl;%偶数位数据与余弦函数相乘，得到另一路的调制信号

s1=idata1_dl+qdata1_dl;%将奇偶位数据合并，s即为QPSK调制信号

%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%

%高斯信道

si=s0+s1;

sk=awgn（si,SNR）;%通过高斯信道之后的信号

%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%

%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%

%butter数字带通滤波器

[B,A]=butter（4,[0.08,0.12],'bandpass'）;

sr=filter（B,A,sk）;

%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%

%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%

%%%%%%%%%%%解调部分

idata_lpf=sr.*a;%这里面其实隐藏了一个串并转换的过程

qdata_lpf=sr.*b;%对应的信号与正余弦信号相乘

%%%%%%低通滤波器%%%%%%%%%

[W,M]=butter（4,0.03365,'low'）;

idata2=filter（W,M,idata_lpf）;

qdata2=filter（W,M,qdata_lpf）;

idata3=zeros（1,nb/2）;%建立1*nb/2数组，以存放解调之后的信号

qdata3=zeros（1,nb/2）;

%抽样判决的过程，与0作比较，data>=0,则置1，否则置0

forn=1:

nb/2

%A1（n）=sum（idata2（（n-1）/delta_T+1:

n/delta_T））;

ifsum（idata2（（n-1）*200+1:

n*200））>=0

idata3（n）=1;

elseidata3（n）=0;

end

ifsum（qdata2（（n-1）*200+1:

n*200））>=0

qdata3（n）=1;

elseqdata3（n）=0;

end

end

%将判决之后的数据存放进数组

demodata=zeros（1,nb）;%解调信号

demodata（1:

ml:

（nb-1））=idata3;%存放奇数位

demodata（2:

ml:

nb）=qdata3;%存放偶数位

%为了显示，将它变成波形信号（即传输一个1代表单位宽度的高电平）

demodata1=zeros（1,2000）;%创建一个1*nb/delta_T的零矩阵

forq=1:

nb

demodata1（（q-1）*100+1:

q*100）=demodata（q）;%将极性码变成对应的波形信号

end

%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%

%误码率计算

forv=1:

length（data）;

ifdata（v）~=demodata（v）;

p（h）=p（h）+1;

end

end

end

perror（y）=p（h）/10000;

y=y+1;

h=h+1;

end

figure

（1）

subplot（311）;

plot（data0）,title（'基带信号'）;

axis（[02000-1.51.5]）;

subplot（312）;

plot（idata0）,title（'i路信号'）;

axis（[02000-33]）;

subplot（313）;

plot（qdata0）,title（'q路信号'）;

axis（[02000-33]）;

figure

（2）

plot（si）,title（'过高斯信道前的调制信号'）;

axis（[02000-44]）;

figure（3）

plot（a）,title（'载波信号'）;

axis（[0200-33]）;

figure（4）

plot（sk）,title（'过高斯信道后的调制信号'）;

axis（[02000-44]）;

figure（5）

plot（sr）,title（'过带通滤波器后的调制信号'）;

axis（[02000-44]）;

figure（6）

subplot（311）;

plot（idata_lpf）,title（'i路相乘信号'）;

axis（[02000-33]）;

subplot（312）;

plot（qdata_lpf）,title（'q路相乘信号'）;

axis（[02000-33]）;

subplot（313）;

plot（demodata1）,title（'解调信号'）;

axis（[02000-1.51.5]）;

figure（7）

subplot（211）;

plot（idata2）;title（'lpf_i'）;

subplot（212）;

plot（qdata2）;title（'lpf_q'）;

figure（8）

SNR=0:

6;

plot（SNR,perror）;title（'误码率和信噪比的关系'）;

axis（[0600.008]）;