QPSK調(diào)制解調(diào)的simulink仿真

1、QPSK調(diào)制解調(diào)的simulink仿真與性能分析一、 設(shè)計目的和意義學(xué)會使用MATLAB中的simulink仿真軟件，了解其各種模塊的功能，用simulink實(shí)現(xiàn)QPSK的調(diào)制和仿真過程，得到調(diào)制信號經(jīng)高斯白噪聲信道，再通過解調(diào)恢復(fù)原始信號，繪制出調(diào)制前后的頻譜圖，分析QPSK在高斯信道中的性能，計算傳輸過程中的誤碼率。通過此次設(shè)計，在仿真中形象的感受到QPSK的調(diào)制和解調(diào)過程，有利于深入了解QPSK的原理。同時掌握了simulink的使用，增強(qiáng)了我們學(xué)習(xí)通信的興趣，培養(yǎng)通信系統(tǒng)的仿真建模能力。二、 設(shè)計原理（一）QPSK星座圖QPSK是Quadrature Phase Shift Keyin

2、g的簡稱，意為正交移相鍵控，是數(shù)字調(diào)制的一種方式。它規(guī)定了四種載波相位，分別為0, , , (或者，)，星座圖如圖1（a）、（b）所示。 （a）（b） 圖1 QPSK星座圖（二）QPSK的調(diào)制因為輸入信息是二進(jìn)制序列，所以需要將二進(jìn)制數(shù)據(jù)變換成四進(jìn)制數(shù)據(jù)，才能和四進(jìn)制的載波相位配合起來。采取的辦法是將二進(jìn)制數(shù)字序列中每兩個序列分成一組，共四種組合（00,01,10,11），每一組稱為雙比特碼元。每一個雙比特碼元是由兩位二進(jìn)制信息比特組成，它們分別代表四進(jìn)制四個符號中的一個符號。QPSK每次調(diào)制可傳輸兩個信息比特。圖2的（a）、(b)、(c)原理框圖即為QPSK的三種調(diào)制方式，本次課程設(shè)計主要采

3、用的是正交調(diào)制方式。（a）正交調(diào)制法（b）相位選擇法圖2 QPSK的主要調(diào)制方式（c）脈沖插入法（三）QPSK的解調(diào)QPSK信號可以用兩個正交的載波信號實(shí)現(xiàn)相干解調(diào)，它的相干解調(diào)器如圖3所示，正交路分別設(shè)置兩個匹配濾波器，得到I（t）和Q（t），經(jīng)電平判決和并轉(zhuǎn)串即可恢復(fù)出原始信息。圖3 QPSK相干解調(diào)器三、 詳細(xì)設(shè)計步驟（一）QPSK調(diào)制電路查閱資料，熟悉simulink的工作環(huán)境，理解simulink的模塊功能，根據(jù)圖2（a）的方框圖搭建QPSK調(diào)制電路（圖4）：采用Buffer和Demux將信號源進(jìn)行串并轉(zhuǎn)換，Unipolar to Bipolar實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換。圖4 QPSK調(diào)制仿真圖

4、（二）AWGN信道模型AWGN信道模塊可以將加性高斯白噪聲加到一個實(shí)數(shù)的或復(fù)數(shù)的輸入信號。當(dāng)輸入信號是實(shí)數(shù)時，這個塊增加了實(shí)的高斯噪聲，產(chǎn)生一個實(shí)數(shù)的輸出信號。當(dāng)輸入信號是復(fù)數(shù)的，這個模塊增加了復(fù)數(shù)的高斯噪聲，產(chǎn)生復(fù)數(shù)的輸出信號。此模塊繼承它的輸入信號的采樣時間。由于輸入信號為連續(xù)的信號，所以控制信道信噪比的方式選擇控制高斯噪聲標(biāo)準(zhǔn)差的方式器變量之間關(guān)系為：其中Es/No 為信號能量比噪聲功率譜密度。（三）QPSK解調(diào)電路根據(jù)圖3的方框圖搭建QPSK解調(diào)電路（圖5）：載波采用調(diào)制時的載波信號，解調(diào)后的信號經(jīng)位定時后判決得到并行二進(jìn)制序列，再經(jīng)并轉(zhuǎn)串輸出二進(jìn)制序列。圖5 QPSK解調(diào)仿真電路（四

5、）比特錯誤率統(tǒng)計比特錯誤率統(tǒng)計使用Error Rate Calculation 模塊，該模塊可自動比較發(fā)送序列與接收序列并作出比較，進(jìn)行錯誤統(tǒng)計，使用display 模塊顯示將比特錯誤率輸出。由于采用buffer會產(chǎn)生時延，誤碼率較高，所以在設(shè)計時采用simulink里已有的QPSK 調(diào)制模塊QPSK Modulator baseband和解調(diào)模塊QPSK Demodulator Baseband對信號進(jìn)行調(diào)制和解調(diào)，信號源采用隨機(jī)信號源Random Integer Generator,搭建出QPSK的調(diào)制解調(diào)仿真圖，如圖6所示。圖6 QPSK系統(tǒng)框圖（五）主要的參數(shù)設(shè)計1) Random i

6、nteger generator參數(shù)：M-ary number4;Sample time-0.000005;2) QPSK Modulator Baseband參數(shù): Input type-Integer;Phase offset-pi/4；3) AWGN參數(shù):Mode-Variance from mask;Variance 1；4) QPSK Demodulator Baseband參數(shù)：Output type-Integer;Phase offset-pi/4；5) Error Rate Calculation參數(shù)：Receive delay-0;Output data-port；6) 載

7、波（Sine Wave）參數(shù):Frequency-2*pi*30000000;Phase-正弦0（余弦pi/2）；四、 設(shè)計結(jié)果及分析（一）信號調(diào)制解調(diào)后的時域波形圖由于仿真時示波器采樣時間過少時會造成波形失真，而信號頻率很高時仿真時間過長，所以采用數(shù)據(jù)低傳輸速率，載波也采用低頻信號進(jìn)行模擬仿真。如圖7。圖7 QPSK調(diào)制時域波形圖從模擬仿真圖中可以看出QPSK調(diào)制過程產(chǎn)生了四種相位，與理論相符合。（二）數(shù)據(jù)源的頻譜圖圖8 數(shù)據(jù)源的頻譜圖（三）QPSK調(diào)制后的頻譜圖9 QPSK調(diào)制后的頻譜（四）QPSK解調(diào)后的頻譜圖10 QPSK解調(diào)后的頻譜上面調(diào)制解調(diào)結(jié)果顯示，完成QPSK信號在高斯通道上的

8、調(diào)制，傳輸，解調(diào)過程，調(diào)制過程中采用上變頻進(jìn)行調(diào)制后再在高斯通道上傳輸，再通過下變頻解調(diào)出QPSK調(diào)制信號，最后解調(diào)，通過Error Rate Calculation 模塊統(tǒng)計出在高斯標(biāo)準(zhǔn)差 =0時，無噪聲時，誤比特率為0.63%；標(biāo)準(zhǔn)差=0.8時，Es/No =-6.0dB時，誤比特率為4.5%；高斯標(biāo)準(zhǔn)差 =2，Es/No =-10dB時，誤比特率為18.8%。（五）星座圖（a)未經(jīng)高斯信道的星座圖（b)經(jīng)高斯通道的星座圖圖11 QPSK星座圖從兩星座圖比較可以得出，經(jīng)過高斯通道后，信號發(fā)生了誤碼，但大部分還是保留了原來的特性。(六)誤碼曲線圖本次課程設(shè)計主要采用matlab的bertoo

9、l工具下的Bit Error Rate Analysis Tool模塊進(jìn)行誤碼統(tǒng)計的，設(shè)置如圖11所示，該工具能夠直接繪制出Simulink仿真的誤碼曲線圖。得到的誤碼曲線圖如圖12所示。圖11 bertool設(shè)置圖圖12 高斯通道下的QPSK誤碼曲線圖QPSK的誤碼主要來源于高斯信道的噪聲干擾，以及信號的碼間串?dāng)_。其次由于位定時不準(zhǔn)確也會造成抽樣判決錯誤，導(dǎo)致信號與原始信號不同，產(chǎn)生誤碼。五、 體會這次課程設(shè)計讓我深刻體會到數(shù)字信號的QPSK調(diào)制傳輸及解調(diào)過程，利用Simulink專業(yè)庫Communications Blockset中的Modulation模塊庫所提供的“QPSK Modul

10、ator Baseband”“QPSK Demodulator Baseband”等模塊實(shí)現(xiàn)QPSK的系統(tǒng)設(shè)計，并輸出誤碼率，信道中的噪聲為高斯白噪聲。三周的課程設(shè)計很快結(jié)束了，不僅檢驗了我所學(xué)的通信原理的基本知識，同時讓我熟悉了Matlab的simulink仿真的一些基本操作。剛開始時連正弦信號在scope中顯示都很難做到，正弦信號的參數(shù)設(shè)計也是一大難題，經(jīng)過查閱資料，終于弄清楚最基本的模塊的用法。這次設(shè)計中遇到的最大的問題是數(shù)據(jù)源的串轉(zhuǎn)并和并轉(zhuǎn)串模塊，此模塊花費(fèi)很多時間去設(shè)計，最終設(shè)計出的串轉(zhuǎn)并和并轉(zhuǎn)串模塊雖不理想（存在延時）但是實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的串轉(zhuǎn)并和并轉(zhuǎn)串。各個模塊參數(shù)的設(shè)計是設(shè)計中最難的一部分，因為一個參數(shù)設(shè)計不對會導(dǎo)致結(jié)果錯誤。最終經(jīng)過不斷的查找資料請教老師，終于完成了QPSK的調(diào)制與解調(diào)。最后感謝我的指導(dǎo)老師劉偉老師，老師嚴(yán)謹(jǐn)細(xì)致、一絲不茍的作風(fēng)一直是我們工作、學(xué)習(xí)中的榜樣，以及熱情回答我的每一個問題，這給了我很大的幫助，才使得我完成這門課程設(shè)計。六、 參考文獻(xiàn)曹志剛，現(xiàn)代通信原理，清華大學(xué)出版社，2011年沈輝，SIMUL