基于MATLAB的QPSK調(diào)制系統(tǒng)的誤碼性能研究

1、專業(yè)課程設計報告 題 目： 基于MATLAB的QPSK調(diào)制系統(tǒng)的誤碼性能研究 姓 名：專 業(yè)：通信工程班級學號：同 組 人 ：指導教師： 南昌航空大學信息工程學院20 16 年 6 月 27 日 專業(yè) 課程設計任務書20 1520 16 學年 第 2 學期第 15 周 18 周 題目基于MATLAB的QPSK調(diào)制系統(tǒng)的誤碼性能研究內(nèi)容及要求 設計內(nèi)容：仿真研究QPSK調(diào)制系統(tǒng)的誤碼性能。 基本要求： 理解和掌握BPSK、QPSK的調(diào)制與解調(diào)原理。 掌握MATLAB的編程方法。 用仿真的方法研究BPSK和QPSK系統(tǒng)的符號錯誤率并作圖。 研究仿真實驗次數(shù)與結(jié)果精確度的關系。 完成課程設計報告。進

2、度安排15周：相關資料收集，確定仿真實驗的數(shù)學模型。16-17周：方案設計,編程，系統(tǒng)調(diào)試。18周：設計結(jié)果驗收，報告初稿的撰寫。學生姓名： 指導時間 周一 周三 周五指導地點：E樓 607 室任務下達20 16 年 6 月6 日任務完成20 16 年 6 月 30 日考核方式1.評閱 2.答辯 3.實際操作 4.其它指導教師系（部）主任注：1、此表一組一表二份，課程設計小組組長一份；任課教師授課時自帶一份備查。2、課程設計結(jié)束后與“課程設計小結(jié)”、“學生成績單”一并交院教務存檔。摘 要QPSK正交相移鍵控，是一種數(shù)字調(diào)制方式，四相相移鍵控信號。在現(xiàn)代通信系統(tǒng)中，調(diào)制與解調(diào)是必不可少的重要手段

3、。調(diào)制就是把信號轉(zhuǎn)換成適合在信道中傳輸?shù)男问降囊环N過程。解調(diào)則是調(diào)制的相反過程，而從已調(diào)制信號中恢復出原信號。QPSK技術具有抗干擾能力好、誤碼率低、頻譜利用效率高等一系列優(yōu)點。本設計主要介紹了BPSK、QPSK的調(diào)制與解調(diào)原理，在Matlabsimulink 中對比了BPSK和QPSK系統(tǒng)的符號錯誤率，并研究了仿真試驗次數(shù)與結(jié)果精度的關系。關鍵詞:正交相移鍵控 調(diào)制解調(diào) Matlabsimulink 誤碼性能目 錄第一章 課程設計內(nèi)容介紹11.1 設計目的11.2 MATLABSimulink簡介11.3 通信系統(tǒng)基本模型1第二章 MPSK調(diào)制解調(diào)原理22.1 QPSK、BPSK基本原理介紹

4、22.2 BPSK調(diào)制原理22.3 BPSK調(diào)制原理42.4 QPSK調(diào)制原理52.5 QPSK解調(diào)原理6第三章 MPSK系統(tǒng)誤碼性能研究73.1 BPSK系統(tǒng)及其模塊參數(shù)配置73.2 QPSK系統(tǒng)及其模塊參數(shù)配置93.3 QPSK&BPSK系統(tǒng)誤碼率對比113.4 仿真實驗次數(shù)與結(jié)果精確度的關系12第四章 課程設計總結(jié)14參考文獻15附錄 BPSK&QPSK誤碼率曲線對比代碼16第1章 課程設計內(nèi)容介紹1.1 設計目的1、 掌握MATLAB的編程方法和學會使用simulink仿真。2、 理解和掌握BPSK、QPSK的調(diào)制解調(diào)原理，比較BPSK、QPSK調(diào)制系統(tǒng)誤碼性能。3、

5、研究仿真實驗次數(shù)與結(jié)果精確度的關系。1.2 MATLABSimulink簡介MATLAB是MATrix LABoratory的縮寫，是一款由美國Math Works公司出品的商業(yè)數(shù)學軟件，用于算法開發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值計算的高級技術計算語言和交互式環(huán)境。又因為大量額的工具箱使它也適合于不同領域的應用,如控制系統(tǒng)設計與分析、圖像處理和信號處理和通信、金融建模和分析等。Simulink是MATLAB最重要的組件之一，它提供一個動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和綜合分析的集成環(huán)境。具有適應面廣、結(jié)構(gòu)和流程清晰及仿真精細、效率高、貼近實際、等優(yōu)點，已被廣泛應用于控制理論和數(shù)字信號處理的復雜仿真和設計，同

6、時有大量的第三方軟件和硬件應用于Simulink。1.3 通信系統(tǒng)基本模型通信系統(tǒng)主要包括發(fā)出信號的信號源，調(diào)制器，傳輸信號的信道和解調(diào)器以及接收信號的信宿，其模型如圖1.1所示。信號源解調(diào)器信道信宿調(diào)制器 噪聲圖1.3 通信系統(tǒng)模型第2章 MPSK調(diào)制解調(diào)原理2.1 QPSK、BPSK基本原理介紹MPSK是多進制數(shù)字相位調(diào)制，又稱多相制，是二相制的推廣。如果將載波的相位進一步細分，分成m個不同的相位，一般m=2N，N是正整數(shù)。常見的有m=2，4，8，16，32，分別稱,2PSK、4PSK、8PSK等。這樣，每個具有特定相位的載波就代表N比特的信息量。BPSK是在M=2時的數(shù)字的調(diào)相技術，它通

7、過約定的兩種載波相位，分別為0°和180°，它是將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)值的轉(zhuǎn)換方式之一，利用偏離相位的復數(shù)波浪組合來表現(xiàn)信息鍵控移相方式。BPSK使用了基準的正弦波和相位反轉(zhuǎn)的波浪，使一方為0，另一方為1，從而可以同時傳送接受1比特的信息。QPSK是在MPSK技術上使用載波的四個各不相同的相位差來表示輸入的信息，是具有四進制的相移鍵控。QPSK是在M=4時的數(shù)字的調(diào)相技術，它通過約定的四種載波相位，分別為45°，135°，225°，275°，輸入數(shù)據(jù)為二進制的數(shù)字序列，因為載波相位是四進制的，所以我們需要把二進制的數(shù)據(jù)變?yōu)樗倪M制的，即把

8、二進制序列中每兩個比特分成一組，四種排列組合，即00，01，10，11，雙比特碼元即為一組。每兩位二進制信息比特構(gòu)成每一組，它們分別表示著著四個符號中的某一個符號。QPSK中每次調(diào)制可傳輸2個信息比特，這些信息比特是通過載波的四種相位來傳遞的。  2.2 BPSK調(diào)制原理BPSK是兩個頻率相同的載波同時開始振蕩，這兩個頻率同時達到正最大值，同時達到零值，同時達到負最大值，它們應處于"同相"狀態(tài)；如果其中一個開始得遲了一點，就可能不相同了。如果一個達到正最大值時，另一個達到負最大值，則稱為"反相"。一般把信號振蕩一次（一周）作為360度

9、。如果一個波比另一個波相差半個周期，我們說兩個波的相位差180度，也就是反相。當傳輸數(shù)字信號時，"1"碼控制發(fā)0度相位，"0"碼控制發(fā)180度相位。載波的初始相位就有了移動，也就帶上了信息。相移鍵控是利用載波的相位變化來傳遞數(shù)字信息，而振幅和頻率保持不變。在2PSK中，通常用初始相位0和分別表示二進制“1”和“0”。因此，2PSK信號的時域表達式為 （1）式中，jn表示第n個符號的絕對相位： （2）因此，上式可以改寫為 （3）由于兩種碼元的波形相同，極性相反，故BPSK信號可以表述為一個雙極性全占空矩形脈沖序列與一個正弦載波的相乘： （4）式中 （5）這

10、里s(t)為雙極性全占空(非歸零)矩形脈沖序列，g(t)是脈寬為Ts的單個矩形脈沖，而an的統(tǒng)計特性為 （6）開關電路S(t)e2psk(t)1800移相coswctp0BPSK信號的調(diào)制原理框圖如圖2-2所示。與2ASK信號的產(chǎn)生方法相比較，只是對是S(t)的要求不同。在2ASK中S(t)是單極性的，而在BPSK中S(t)是雙極性的基帶信號。圖2.2 BPSK調(diào)制原理框圖2.3 BPSK調(diào)制原理BPSK信號的解調(diào)方法是相干解調(diào)法。由于PSK信號本身就是利用相位傳遞信息的，所以在接收端必須利用信號的相位信息來解調(diào)信號。下圖2.3.1中給出了一種2PSK信號相干接收設備的原理框圖。圖中經(jīng)過帶通濾

11、波的信號在相乘器中與本地載波相乘，然后用低通濾波器濾除高頻分量，在進行抽樣判決。判決器是按極性來判決的。即正抽樣值判為1，負抽樣值判為0。Ts1010 tb1 tt ttt11100adecCoswct be2psk(t)e輸出dca帶通濾波器相乘器低通濾波器抽樣判決器定時脈沖圖2.3.1 BPSK解調(diào)原理框圖圖2.3.2 BPSK解調(diào)原理過程波形圖波形圖中，假設相干載波的基準相位與BPSK信號的調(diào)制載波的基準相位一致（通常默認為0相位）。但是，由于在BPSK信號的載波恢復過程中存在著的相位模糊，即恢復的本地載波與所需的相干載波可能同相，也可能反相，這種相位關系的不確定性將會造成解調(diào)出的數(shù)字基

12、帶信號與發(fā)送的數(shù)字基帶信號正好相反，即“1”變?yōu)椤?”，“0”變?yōu)椤?”，判決器輸出數(shù)字信號全部出錯。這種現(xiàn)象稱為BPSK 方式的“倒現(xiàn)象”或“反相工作”。這導致了BPSK方式在實際中很少采用。另外，在隨機信號碼元序列中，信號波形有可能出現(xiàn)長時間連續(xù)的正弦波形，致使在接收端無法辨認信號碼元的起止時刻。為了克服BPSK這一缺點，在實際使用中常采用DPSK，即差分相移鍵控。2.4 QPSK調(diào)制原理首先將輸入的串行二進制信息序列經(jīng)串并變換，變成m=log2M個并行數(shù)據(jù)流，每一路的數(shù)據(jù)率是R/m，R是串行輸入碼的數(shù)據(jù)率。I/Q信號發(fā)生器將每一個m比特的字節(jié)轉(zhuǎn)換成一對（pn，qn）數(shù)字，分成兩路速率減半

13、的序列，電平發(fā)生器分別產(chǎn)生雙極性二電平信號I(t)和Q(t)，然后對coswct和sinwct進行調(diào)制，相加后即得到QPSK信號。圖2.4.1 QPSK調(diào)制原理框圖圖2.4.2 QPSK調(diào)制符號相位圖由相位圖可以看出： 當輸入的數(shù)字信息為“11”碼元時，輸出已調(diào)載波 當輸入的數(shù)字信息為“01”碼元時，輸出已調(diào)載波 當輸入的數(shù)字信息為“00”碼元時，輸出已調(diào)載波 當輸入的數(shù)字信息為“10”碼元時，輸出已調(diào)載波 2.5 QPSK解調(diào)原理由于QPSK信號可以看作兩個正交2PSK信號的疊加，解調(diào)框如圖2.5.1，用相干解調(diào)方法，即用兩路正交的相干載波，可以很容易的分離出這兩路正交的2PSK信號。解調(diào)后

14、的兩路基帶信號碼元a和b，經(jīng)過并串變換后，成為串行輸出。圖2.5.1 QPSK解調(diào)原理框圖第3章 MPSK系統(tǒng)誤碼性能研究3.1 BPSK系統(tǒng)及其模塊參數(shù)配置圖3.1.1 BPSK系統(tǒng)模型圖圖3.1.2 隨機整數(shù)信源參數(shù)配置圖 圖3.1.3 AWGN信道參數(shù)配置圖圖3.1.4調(diào)制器參數(shù)配置圖圖3.1.5解調(diào)器參數(shù)配置圖圖3.1.6保存誤碼率模塊參數(shù)配置圖3.2 QPSK系統(tǒng)及其模塊參數(shù)配置圖3.2.1 QPSK系統(tǒng)模型圖圖3.2.2 隨機整數(shù)信源參數(shù)配置圖 圖3.2.3 AWGN信道參數(shù)配置圖圖3.2.4調(diào)制器參數(shù)配置圖圖3.2.5解調(diào)器參數(shù)配置圖圖3.2.6保存誤碼率模塊參數(shù)配置圖3.3 Q

15、PSK&BPSK系統(tǒng)誤碼率對比圖3.3 BPSK& QPSK系統(tǒng)誤碼率曲線仿真結(jié)果分析：由圖可以看出BFSK和QPSK調(diào)制方式的符號誤碼率在高斯信道下相差不大，在相同信噪比下，BPSK系統(tǒng)的誤碼率總是比QPSK系統(tǒng)誤碼率要低。兩者在仿真系統(tǒng)下，理論值與實際值契合得比較理想，共同點是隨著信噪比逐漸增大，誤碼率實際值迅速減小，性能十分優(yōu)越。因此相對BPSK和QPSK而言，在選擇對誤碼性能要求較高的系統(tǒng)時，選擇BPSK較合適，它的誤碼率較低。3.4 仿真實驗次數(shù)與結(jié)果精確度的關系 圖3.4.1 BPSK系統(tǒng)仿真實驗次數(shù)與誤碼率曲線精確度關系圖3.4.2 QPSK系統(tǒng)仿真實驗次數(shù)與誤碼

16、率曲線精確度關系仿真結(jié)果分析： 由上兩幅仿真圖可知，無論是BPSK系統(tǒng)還是QPSK系統(tǒng)，當實驗次數(shù)N值較小時，實際仿真誤碼率都在理想誤碼率曲線上下抖動得，兩者偏差較大。當實驗次數(shù)N值逐漸增大時，實際仿真誤碼率逐漸逼近理想誤碼率曲線，偏差減小。當實驗次數(shù)N值取足夠大時，實際仿真誤碼率曲線變成一條圓滑的曲線與理論值近似相同。由此分析可得：研究仿真實驗次數(shù)與結(jié)果精確度的關系是一個數(shù)量龐大的統(tǒng)計實驗，實驗仿真次數(shù)N越大，仿真誤差就越小，得到的仿真結(jié)果的精確度越高。第4章 課程設計總結(jié)本次仿真主要理解和掌握BPSK、QPSK的調(diào)制與解調(diào)原理，掌握MATLAB的編程方法，以及用仿真的方法（基于simuli

17、nk）在AWGN信道中誤碼性能進行了仿真，研究BPSK和QPSK系統(tǒng)的符號錯誤率并作圖，了解它們的誤碼性能并作比較，最后研究仿真實驗次數(shù)與結(jié)果精確度的關系。在這次課程設計過程中，遇到了不少問題，首先是對于simulink仿真的不熟悉，對各模塊的參數(shù)配置存在很多疑惑，在老師的指導下建立好了仿真模型。其次是在仿真畫圖中發(fā)現(xiàn)作出的圖橫坐標信噪比總是不能顯示出預先設計的數(shù)值，經(jīng)過多次嘗試和檢查才發(fā)現(xiàn)是取的碼元不夠多導致計算不了設置好的參數(shù)值下的誤碼率。本次課程設計得出結(jié)論如下：由于仿真中各種條件都是理想化的，包括數(shù)據(jù)在傳輸過程中，除了噪聲影響以外不會發(fā)生任何錯誤，所以相對實際情況來說，在相同的信噪比之

18、下，比特錯誤率要小的多，但仿真所得結(jié)果與事實規(guī)律一致。從仿真數(shù)據(jù)可知，BPSK和QPSK調(diào)制方式的符號誤碼率在高斯信道下相差不大，在相同信噪比下，BPSK誤碼性能始終比QPSK較好。且BPSK系統(tǒng)和QPSK系統(tǒng)都隨著實驗仿真次數(shù)N增大，誤差減小，仿真結(jié)果的精確度越高。參 考 文 獻1 樊昌信.通信原理（第六版）.北京：國防工業(yè)出版社，2012.82 王正林.MATLAB/Simulink與控制系統(tǒng)仿真.北京：電子工業(yè)出版社，20023 王沫然.Simulink建模及動態(tài)仿真.北京：電子工業(yè)出版社，20024 李賀冰.Simulink 通信仿真教程.北京：國防工業(yè)出版社，20065 蔡旭暉.MATLAB基礎與應用教程.北京：人民郵電出版社，2009附錄 BPSK&QPSK誤碼率曲線對比代碼x=0:14; %x表示信噪比的取值范圍%y=x; %y表示BPSK的誤比特率for i=1:length(x) %信噪比依次取向量的數(shù)值 SNR=x(i); sim('untitledbpsk'); %運行BPSK模型 y(i)=mean(BER); %從BER中獲得調(diào)制信號的誤碼率endsemilogy(x,y,'r'); %繪制信噪比與誤碼率的關系曲線grid on; %增添