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(shè)計(jì)報(bào)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(jí)學(xué)號(hào)：同 組 人 ：指導(dǎo)教師： 南昌航空大學(xué)信息工程學(xué)院20 16 年 6 月 27 日 專業(yè) 課程設(shè)計(jì)任務(wù)書20 1520 16 學(xué)年 第 2 學(xué)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?jī)?nèi)容及要求 設(shè)計(jì)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(hào)錯(cuò)誤率并作圖。 研究仿真實(shí)驗(yàn)次數(shù)與結(jié)果精確度的關(guān)系。 完成課程設(shè)計(jì)報(bào)告。進(jìn)

2、度安排15周：相關(guān)資料收集，確定仿真實(shí)驗(yàn)的數(shù)學(xué)模型。16-17周：方案設(shè)計(jì),編程，系統(tǒng)調(diào)試。18周：設(shè)計(jì)結(jié)果驗(yàn)收，報(bào)告初稿的撰寫。學(xué)生姓名： 指導(dǎo)時(shí)間 周一 周三 周五指導(dǎo)地點(diǎn)：E樓 607 室任務(wù)下達(dá)20 16 年 6 月6 日任務(wù)完成20 16 年 6 月 30 日考核方式1.評(píng)閱 2.答辯 3.實(shí)際操作 4.其它指導(dǎo)教師系（部）主任注：1、此表一組一表二份，課程設(shè)計(jì)小組組長(zhǎng)一份；任課教師授課時(shí)自帶一份備查。2、課程設(shè)計(jì)結(jié)束后與“課程設(shè)計(jì)小結(jié)”、“學(xué)生成績(jī)單”一并交院教務(wù)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(hào)。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(hào)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(hào)中恢復(fù)出原信號(hào)。QPSK技術(shù)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(diǎn)。本設(shè)計(jì)主要介紹了BPSK、QPSK的調(diào)制與解調(diào)原理，在Matlabsimulink 中對(duì)比了BPSK和QPSK系統(tǒng)的符號(hào)錯(cuò)誤率，并研究了仿真試驗(yàn)次數(shù)與結(jié)果精度的關(guān)系。關(guān)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(shè)計(jì)內(nèi)容介紹11.1 設(shè)計(jì)目的11.2 MATLABSimulink簡(jiǎn)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(duì)比113.4 仿真實(shí)驗(yàn)次數(shù)與結(jié)果精確度的關(guān)系12第四章 課程設(shè)計(jì)總結(jié)14參考文獻(xiàn)15附錄 BPSK&QPSK誤碼率曲線對(duì)比代碼16第1章 課程設(shè)計(jì)內(nèi)容介紹1.1 設(shè)計(jì)目的1、 掌握MATLAB的編程方法和學(xué)會(huì)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(shí)驗(yàn)次數(shù)與結(jié)果精確度的關(guān)系。1.2 MATLABSimulink簡(jiǎn)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(xué)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(jì)算的高級(jí)技術(shù)計(jì)算語言和交互式環(huán)境。又因?yàn)榇罅款~的工具箱使它也適合于不同領(lǐng)域的應(yīng)用,如控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析、圖像處理和信號(hào)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(gè)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和綜合分析的集成環(huán)境。具有適應(yīng)面廣、結(jié)構(gòu)和流程清晰及仿真精細(xì)、效率高、貼近實(shí)際、等優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于控制理論和數(shù)字信號(hào)處理的復(fù)雜仿真和設(shè)計(jì)，同

6、時(shí)有大量的第三方軟件和硬件應(yīng)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(hào)的信號(hào)源，調(diào)制器，傳輸信號(hào)的信道和解調(diào)器以及接收信號(hào)的信宿，其模型如圖1.1所示。信號(hào)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(jìn)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(jìn)一步細(xì)分，分成m個(gè)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(gè)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(shí)的數(shù)字的調(diào)相技術(shù)，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(hào)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(fù)數(shù)波浪組合來表現(xiàn)信息鍵控移相方式。BPSK使用了基準(zhǔn)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(shí)傳送接受1比特的信息。QPSK是在MPSK技術(shù)上使用載波的四個(gè)各不相同的相位差來表示輸入的信息，是具有四進(jìn)制的相移鍵控。QPSK是在M=4時(shí)的數(shù)字的調(diào)相技術(shù)，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(jìn)制的數(shù)字序列，因?yàn)檩d波相位是四進(jìn)制的，所以我們需要把二進(jìn)制的數(shù)據(jù)變?yōu)樗倪M(jìn)制的，即把

8、二進(jìn)制序列中每?jī)蓚€(gè)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?jī)晌欢M(jìn)制信息比特構(gòu)成每一組，它們分別表示著著四個(gè)符號(hào)中的某一個(gè)符號(hào)。QPSK中每次調(diào)制可傳輸2個(gè)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(gè)頻率相同的載波同時(shí)開始振蕩，這兩個(gè)頻率同時(shí)達(dá)到正最大值，同時(shí)達(dá)到零值，同時(shí)達(dá)到負(fù)最大值，它們應(yīng)處于"同相"狀態(tài)；如果其中一個(gè)開始得遲了一點(diǎn)，就可能不相同了。如果一個(gè)達(dá)到正最大值時(shí)，另一個(gè)達(dá)到負(fù)最大值，則稱為"反相"。一般把信號(hào)振蕩一次（一周）作為360度

9、。如果一個(gè)波比另一個(gè)波相差半個(gè)周期，我們說兩個(gè)波的相位差180度，也就是反相。當(dāng)傳輸數(shù)字信號(hào)時(shí)，"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(dòng)，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(jìn)制“1”和“0”。因此，2PSK信號(hào)的時(shí)域表達(dá)式為 （1）式中，jn表示第n個(gè)符號(hào)的絕對(duì)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(hào)可以表述為一個(gè)雙極性全占空矩形脈沖序列與一個(gè)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(gè)矩形脈沖，而an的統(tǒng)計(jì)特性為 （6）開關(guān)電路S(t)e2psk(t)1800移相coswctp0BPSK信號(hào)的調(diào)制原理框圖如圖2-2所示。與2ASK信號(hào)的產(chǎn)生方法相比較，只是對(duì)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(hào)。圖2.2 BPSK調(diào)制原理框圖2.3 BPSK調(diào)制原理BPSK信號(hào)的解調(diào)方法是相干解調(diào)法。由于PSK信號(hào)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(hào)的相位信息來解調(diào)信號(hào)。下圖2.3.1中給出了一種2PSK信號(hào)相干接收設(shè)備的原理框圖。圖中經(jīng)過帶通濾

11、波的信號(hào)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(jìn)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(fù)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(shí)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(shè)相干載波的基準(zhǔn)相位與BPSK信號(hào)的調(diào)制載波的基準(zhǔn)相位一致（通常默認(rèn)為0相位）。但是，由于在BPSK信號(hào)的載波恢復(fù)過程中存在著的相位模糊，即恢復(fù)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(guān)系的不確定性將會(huì)造成解調(diào)出的數(shù)字基

12、帶信號(hào)與發(fā)送的數(shù)字基帶信號(hào)正好相反，即“1”變?yōu)椤?”，“0”變?yōu)椤?”，判決器輸出數(shù)字信號(hào)全部出錯(cuò)。這種現(xiàn)象稱為BPSK 方式的“倒現(xiàn)象”或“反相工作”。這導(dǎo)致了BPSK方式在實(shí)際中很少采用。另外，在隨機(jī)信號(hào)碼元序列中，信號(hào)波形有可能出現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)的正弦波形，致使在接收端無法辨認(rèn)信號(hào)碼元的起止時(shí)刻。為了克服BPSK這一缺點(diǎn)，在實(shí)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(jìn)制信息序列經(jīng)串并變換，變成m=log2M個(gè)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(hào)發(fā)生器將每一個(gè)m比特的字節(jié)轉(zhuǎn)換成一對(duì)（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(hào)I(t)和Q(t)，然后對(duì)coswct和sinwct進(jìn)行調(diào)制，相加后即得到QPSK信號(hào)。圖2.4.1 QPSK調(diào)制原理框圖圖2.4.2 QPSK調(diào)制符號(hào)相位圖由相位圖可以看出： 當(dāng)輸入的數(shù)字信息為“11”碼元時(shí)，輸出已調(diào)載波 當(dāng)輸入的數(shù)字信息為“01”碼元時(shí)，輸出已調(diào)載波 當(dāng)輸入的數(shù)字信息為“00”碼元時(shí)，輸出已調(diào)載波 當(dāng)輸入的數(shù)字信息為“10”碼元時(shí)，輸出已調(diào)載波 2.5 QPSK解調(diào)原理由于QPSK信號(hào)可以看作兩個(gè)正交2PSK信號(hào)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(hào)。解調(diào)后

14、的兩路基帶信號(hào)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(jī)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(jī)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(duì)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(hào)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(shí)際值契合得比較理想，共同點(diǎn)是隨著信噪比逐漸增大，誤碼率實(shí)際值迅速減小，性能十分優(yōu)越。因此相對(duì)BPSK和QPSK而言，在選擇對(duì)誤碼性能要求較高的系統(tǒng)時(shí)，選擇BPSK較合適，它的誤碼率較低。3.4 仿真實(shí)驗(yàn)次數(shù)與結(jié)果精確度的關(guān)系 圖3.4.1 BPSK系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)次數(shù)與誤碼率曲線精確度關(guān)系圖3.4.2 QPSK系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)次數(shù)與誤碼

16、率曲線精確度關(guān)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(dāng)實(shí)驗(yàn)次數(shù)N值較小時(shí)，實(shí)際仿真誤碼率都在理想誤碼率曲線上下抖動(dòng)得，兩者偏差較大。當(dāng)實(shí)驗(yàn)次數(shù)N值逐漸增大時(shí)，實(shí)際仿真誤碼率逐漸逼近理想誤碼率曲線，偏差減小。當(dāng)實(shí)驗(yàn)次數(shù)N值取足夠大時(shí)，實(shí)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(shí)驗(yàn)次數(shù)與結(jié)果精確度的關(guān)系是一個(gè)數(shù)量龐大的統(tǒng)計(jì)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)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(shè)計(jì)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(jìn)行了仿真，研究BPSK和QPSK系統(tǒng)的符號(hào)錯(cuò)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(shí)驗(yàn)次數(shù)與結(jié)果精確度的關(guān)系。在這次課程設(shè)計(jì)過程中，遇到了不少問題，首先是對(duì)于simulink仿真的不熟悉，對(duì)各模塊的參數(shù)配置存在很多疑惑，在老師的指導(dǎo)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(biāo)信噪比總是不能顯示出預(yù)先設(shè)計(jì)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(dǎo)致計(jì)算不了設(shè)置好的參數(shù)值下的誤碼率。本次課程設(shè)計(jì)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(huì)發(fā)生任何錯(cuò)誤，所以相對(duì)實(shí)際情況來說，在相同的信噪比之

18、下，比特錯(cuò)誤率要小的多，但仿真所得結(jié)果與事實(shí)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(hào)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(shí)驗(yàn)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(xiàn)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(dòng)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(chǔ)與應(yīng)用教程.北京：人民郵電出版社，2009附錄 BPSK&QPSK誤碼率曲線對(duì)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(yùn)行BPSK模型 y(i)=mean(BER); %從BER中獲得調(diào)制信號(hào)的誤碼率endsemilogy(x,y,'r'); %繪制信噪比與誤碼率的關(guān)系曲線grid on; %增添