基于-MATLAB-的QPSK系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1、通信系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)實(shí)訓(xùn)報(bào)告1. 課題名稱： 基于 MATLAB 的QPSK 系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)學(xué)生學(xué)號(hào)：學(xué)生姓名：所在班級(jí)：任課教師：2016年 10月 25 日13 3 3 333. 4 4. 56 6 7目錄1.1QPSK系統(tǒng)的應(yīng)用背景簡(jiǎn)介1.2 QPSK實(shí)驗(yàn)仿真的意義1.3 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1.3.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái) 1.3.2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 二、系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)框圖和分析 .2.1 、QPSK調(diào)制部分， . .2.2 、QPSK解調(diào)部分 . 三、實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析 3.1 、理想信道下的仿真3.2 、高斯信道下的仿真3.3 、先通過(guò)瑞利衰落信道再通過(guò)高斯信道的仿真 8總結(jié)： . 10參考文獻(xiàn)： . 1112

2、附錄 .1.1QPSK系統(tǒng)的應(yīng)用背景簡(jiǎn)介QPSK是英文 Quadrature Phase Shift Keying 的縮略語(yǔ)簡(jiǎn)稱，意為正交相移 鍵控，是一種數(shù)字調(diào)制方式。在 19 世紀(jì) 80 年代初期 , 人們選用恒定包絡(luò)數(shù)字調(diào) 制。這類數(shù)字調(diào)制技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是已調(diào)信號(hào)具有相對(duì)窄的功率譜和對(duì)放大設(shè)備沒(méi)有 線性要求,不足之處是其頻譜利用率低于線性調(diào)制技術(shù)。 19世紀(jì) 80 年代中期以 后, 四相絕對(duì)移相鍵控 （QPSK）技術(shù)以其抗干擾性能強(qiáng)、誤碼性能好、頻譜利用率 高等優(yōu)點(diǎn) , 廣泛應(yīng)用于數(shù)字微波通信系統(tǒng)、數(shù)字衛(wèi)星通信系統(tǒng)、寬帶接入、移動(dòng) 通信及有線電視系統(tǒng)之中。1.2 QPSK實(shí)驗(yàn)仿真的意義通過(guò)完

3、成設(shè)計(jì)內(nèi)容， 復(fù)習(xí) QPSK調(diào)制解調(diào)的基本原理，同時(shí)也要復(fù)習(xí)通信系 統(tǒng)的主要組成部分， 了解調(diào)制解調(diào)方式中最基礎(chǔ)的方法。 了解 QPSK的實(shí)現(xiàn)方法及 數(shù)學(xué)原理。 并對(duì)“通信”這個(gè)概念有個(gè)整體的理解， 學(xué)習(xí)數(shù)字調(diào)制中誤碼率測(cè)試 的標(biāo)準(zhǔn)及計(jì)算方法。 同時(shí)還要復(fù)習(xí)隨機(jī)信號(hào)中時(shí)域用自相關(guān)函數(shù)， 頻域用功率譜 密度來(lái)描述平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程的特性等基礎(chǔ)知識(shí)，來(lái)理解高斯信道中噪聲的表示方 法，以便在編程中使用。理解QPSK調(diào)制解調(diào)的基本原理， 并使用MATLA編B程實(shí)現(xiàn) QPSK信號(hào)在高斯信道 和瑞利衰落信道下傳輸， 以及該方式的誤碼率測(cè)試。 復(fù)習(xí)MATLA編B 程的基礎(chǔ)知識(shí) 和編程的常用算法以及使用 MATLA

4、仿B 真系統(tǒng)的注意事項(xiàng)，并鍛煉自己的編程能 力，通過(guò)編程完成 QPSK調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)的仿真， 以及誤碼率測(cè)試， 并得出響應(yīng)波形。 在完成要求任務(wù)的條件下，嘗試優(yōu)化程序。通過(guò)本次實(shí)驗(yàn)，除了和隊(duì)友培養(yǎng)了默契學(xué)到了知識(shí)之外，還可以將次實(shí)驗(yàn)作 為一種推廣，讓更多的學(xué)生來(lái)深入一層的了解 QPSK以至其他調(diào)制方式的原理和實(shí) 現(xiàn)方法。可以方便學(xué)生進(jìn)行測(cè)試和對(duì)比。足不出戶便可以做實(shí)驗(yàn)。1.3 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1.3.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)本實(shí)驗(yàn)是基于 Matlab 的軟件仿真，只需 PC機(jī)上安裝 MATLAB 6.0或者以上 版本即可。（本實(shí)驗(yàn)附帶基于 Matlab Simulink （模塊化）仿真，如需使用必須安裝

5、simulink 模塊）1.3.2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1.構(gòu)建一個(gè)理想信道基本 QPSK仿真系統(tǒng) ,要求仿真結(jié)果有a. 基帶輸入波形及其功率譜b. QPSK信號(hào)及其功率譜c. QPSK信號(hào)星座圖2. 構(gòu)建一個(gè)在 AWG（N高斯白噪聲）信道條件下的 QPSK仿真系統(tǒng)，要求仿真 結(jié)果有a. QPSK信號(hào)及其功率譜b. QPSK信號(hào)星座圖c. 高斯白噪聲信道條件下的誤碼性能以及高斯白噪聲的理論曲線， 要求所有 誤碼性能曲線在同一坐標(biāo)比例下繪制3 驗(yàn)可選做擴(kuò)展內(nèi)容要求：構(gòu)建一個(gè)先經(jīng)過(guò) Rayleigh （瑞利衰落信道），再通過(guò) AWG（N高斯白噪聲）信 道條件下的條件下的 QPSK仿真系統(tǒng)，要求仿真結(jié)果有a.

6、QPSK信號(hào)及其功率譜b. 通過(guò)瑞利衰落信道之前和之后的信號(hào)星座圖，前后進(jìn)行比較c. 在瑞利衰落信道和在高斯白噪聲條件下的誤碼性能曲線，并和二 .2.c 中 所要求的誤碼性能曲線在同一坐標(biāo)比例下繪制、系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)框圖和分析2.1 、 QPSK調(diào)制部分 ， 原理框圖如圖 1 所示1（t）cos(2 fct)sin(2 fct)圖1原理分析：基本原理及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)QPSK 與二進(jìn)制 PSK一樣，傳輸信號(hào)包含的信息都存在于相位中。的別的載波 相位取四個(gè)等間隔值之一，如 /4, 3/4,5 /4, 和 7/4 。相應(yīng)的，可將發(fā)射 信號(hào)定義為2E /t cos2 ft （2 i 1） / 4 0 tTSi（t

7、） 0 。， 其他其中，i 1，2，2，4；E為發(fā)射信號(hào)的每個(gè)符號(hào)的能量， T 為符號(hào)持續(xù)時(shí)間，載 波頻率 f 等于 nc/T ， nc 為固定整數(shù)。每一個(gè)可能的相位值對(duì)應(yīng)于一個(gè)特定的二 位組。例如，可用前述的一組相位值來(lái)表示格雷碼的一組二位組： 10，00， 01， 11。下面介紹 QPSK信號(hào)的產(chǎn)生和檢測(cè)。如果 a 為典型的 QPSK發(fā)射機(jī)框圖。輸入 的二進(jìn)制數(shù)據(jù)序列首先被不歸零（ NRZ）電平編碼轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為極性形式，即負(fù)號(hào) 1 和 0 分別用 Eb 和 Eb 表示。接著，該二進(jìn)制波形被分接器分成兩個(gè)分別 由輸入序列的奇數(shù)位偶數(shù)位組成的彼此獨(dú)立的二進(jìn)制波形， 這兩個(gè)二進(jìn)制波形分 別用 a

8、1（t ），和 a2（t ）表示。容易注意到，在任何一信號(hào)時(shí)間間隔內(nèi) a1（ t ）， 和 a2（ t ）的幅度恰好分別等于 Si1 和 Si2 ，即由發(fā)送的二位組決定。這兩個(gè)二 進(jìn)制波形 a1（t ），和 a2（t ）被用來(lái)調(diào)制一對(duì)正交載波或者說(shuō)正交基本函數(shù)： 1（t） 2T cos（2 f）ct ， 2（t） 2T sin（2 f）ct 。這樣就得到一對(duì)二進(jìn)制 PSK 信號(hào)。 1（t ）和 2（t ）的正交性使這兩個(gè)信號(hào)可以被獨(dú)立地檢測(cè)。最后，將 這兩個(gè)二進(jìn)制 PSK信號(hào)相加，從而得期望的 QPSK。2.2 、QPSK解調(diào)部分 ，原理框圖如圖 2 所示：1（t） 同相信道門(mén)限 02（t）正

9、交信道門(mén)限 0圖2原理分析：QPSK 接收機(jī)由一對(duì)共輸入地相關(guān)器組成。這兩個(gè)相關(guān)器分別提供本地產(chǎn)生地 相干參考信號(hào) 1（t ）和 2（t ）。相關(guān)器接收信號(hào) x（t ），相關(guān)器輸出地 x1 和 x2 被用來(lái)與門(mén)限值 0進(jìn)行比較。如果 x1>0,則判決同相信道地輸出為符號(hào) 1；如 果 x1<0 , 則判決同相信道的輸出為符號(hào) 0 。；類似地。如果正交通道也是如此判 決輸出。最后同相信道和正交信道輸出這兩個(gè)二進(jìn)制數(shù)據(jù)序列被復(fù)加器合并， 重 新得到原始的二進(jìn)制序列。 在 AWGN信道中，判決結(jié)果具有最小的負(fù)號(hào)差錯(cuò)概率。三、實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析根據(jù)圖 1 和圖 2 的流程框圖設(shè)計(jì)仿真程序，得出結(jié)

10、果并且分析如下：3.1 、理想信道下的仿真，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖 3 所示圖3實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析：如圖上結(jié)果顯示，完成了 QPSK 信號(hào)在理想信道上的調(diào)制，傳輸，解調(diào)的過(guò) 程，由于調(diào)制過(guò)程中加進(jìn)了載波， 因此調(diào)制信號(hào)的功率譜密度會(huì)發(fā)生變化。 并且 可以看出調(diào)制解調(diào)的結(jié)果沒(méi)有誤碼。3.2 、高斯信道下的仿真，結(jié)果如圖 4 所示：圖4實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析：由圖 4 可以得到高斯信道下的調(diào)制信號(hào)，高斯噪聲，調(diào)制輸出功率譜密度曲 線和 QPSK 信號(hào)的星座圖。在高斯噪聲的影響下，調(diào)制信號(hào)的波形發(fā)生了明顯的變化，其功率譜密度函 數(shù)相對(duì)于圖 1 中的調(diào)制信號(hào)的功率譜密度只發(fā)生了微小的變化， 原因在于高斯噪 聲是一個(gè)均值為 0

11、的白噪聲， 在各個(gè)頻率上其功率是均勻的， 因此此結(jié)果是真確 的。星座圖反映可接收信號(hào)早高斯噪聲的影響下發(fā)生了誤碼， 但是大部分還是保 持了原來(lái)的特性。3.3 、先通過(guò)瑞利衰落信道再通過(guò)高斯信道的仿真。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖 5 所示：圖5實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析：由圖 5 可以得到瑞利衰落信道前后的星座圖， 調(diào)制信號(hào)的曲線圖及其功率譜 密度。最后顯示的是高斯信道和瑞利衰落信道的誤碼率對(duì)比。 由圖可知瑞利衰落 信道下的誤碼率比高斯信道下的誤碼率高。至此，仿真實(shí)驗(yàn)就全部完成。結(jié)論本論文運(yùn)用 MATLAB中的動(dòng)態(tài)仿真工具箱 Simulink 仿真實(shí)現(xiàn)了 PCM系統(tǒng)的全部過(guò)程。根據(jù) PCM系統(tǒng)的組成原理，在 Simulin

12、k 模塊庫(kù)中找到相應(yīng)的模塊， 然后選擇合適的模塊以及設(shè)置適當(dāng)?shù)膮?shù)， 建立了 PCM通信系統(tǒng)的仿真模型， 最 后在給定仿真的條件下，運(yùn)行了仿真系統(tǒng)。仿真結(jié)果表明：1. 在正常的信噪比條件下，該通信系統(tǒng)失真較小，達(dá)到了預(yù)期的目的。 2.Simulink 仿真工具箱操作簡(jiǎn)單方便、調(diào)試直觀，為通信系統(tǒng)的軟件仿真 實(shí)現(xiàn)提供了極大的方便。參考文獻(xiàn)：1、MATLAB 寶典 陳杰等編著 電子工業(yè)出版社2、MATLAB 信號(hào)處理 劉波, 文忠 , 曾涯編著 北京電子工業(yè)出版社3、數(shù)字信號(hào)處理的 MATLAB 實(shí)現(xiàn) 萬(wàn)永革編著 北京科學(xué)出版社4、網(wǎng)上資料附錄MATLAB 程序% 調(diào)相法 clear all cl

13、ose allt=-1:0.01:7-0.01; tt=length(t);x1=ones(1,800);for i=1:ttif (t(i)>=-1 & t(i)<=1) | (t(i)>=5& t(i)<=7); x1(i)=1;else x1(i)=-1; end end t1=0:0.01:8-0.01; t2=0:0.01:7-0.01; t3=-1:0.01:7.1-0.01; t4=0:0.01:8.1-0.01;tt1=length(t1); x2=ones(1,800); for i=1:tt1if (t1(i)>=0 &

14、 t1(i)<=2) | (t1(i)>=4& t1(i)<=8); x2(i)=1;else x2(i)=-1; end end f=0:0.1:1;xrc=0.5+0.5*cos(pi*f);y1=conv(x1,xrc)/5.5;y2=conv(x2,xrc)/5.5;n0=randn(size(t2);f1=1; i=x1.*cos(2*pi*f1*t);q=x2.*sin(2*pi*f1*t1);I=i(101:800);Q=q(1:700);QPSK=sqrt(1/2).*I+sqrt(1/2).*Q;QPSK_n=(sqrt(1/2).*I+sqrt(1

15、/2).*Q)+n0;n1=randn(size(t2);i_rc=y1.*cos(2*pi*f1*t3);q_rc=y2.*sin(2*pi*f1*t4);I_rc=i_rc(101:800);Q_rc=q_rc(1:700);QPSK_rc=(sqrt(1/2).*I_rc+sqrt(1/2).*Q_rc);QPSK_rc_n1=QPSK_rc+n1;figure(1)subplot(4,1,1);plot(t3,i_rc);axis(-1 8 -1 1);ylabel('a 序列 '); subplot(4,1,2);plot(t4,q_rc);axis(-1 8 -1

16、1);ylabel('b 序列 '); subplot(4,1,3);plot(t2,QPSK_rc);axis(-1 8 -1 1);ylabel(' 合成序列 '); subplot(4,1,4);plot(t2,QPSK_rc_n1);axis(-1 8 -1 1);ylabel(' 加入噪聲 ');效果圖：%M 巴旨 >駕S詡C-ear a=C-OSe a=%biflin H randfcle3 嚴(yán)01三H brin=21e3=brQ H brin(221e3=dafa一 HM*br+1 八 daIQ HM*brQ+l -dal 二

17、 HrePmaf (dasl-20八 daIQl HrePmaXdafaIQ-ZO L =forIil = e4dal-2(illdasl 二(三 daIQ2(iHdasIQl(三end八f=0:0.1:1;xrc=0.5+0.5*cos(pi*f);data_I2_rc=conv(data_I2,xrc)/5.5; data_Q2_rc=conv(data_Q2,xrc)/5.5;f1=1;t1=0:0.1:1e3+0.9;n0=rand(size(t1); I_rc=data_I2_rc.*cos(2*pi*f1*t1);Q_rc=data_Q2_rc.*sin(2*pi*f1*t1);

18、QPSK_rc=(sqrt(1/2).*I_rc+sqrt(1/2).*Q_rc);QPSK_rc_n0=QPSK_rc+n0;% 解調(diào) I_demo=QPSK_rc_n0.*cos(2*pi*f1*t1);Q_demo=QPSK_rc_n0.*sin(2*pi*f1*t1);% 低通濾波 I_recover=conv(I_demo,xrc); Q_recover=conv(Q_demo,xrc);I=I_recover(11:10010);Q=Q_recover(11:10010); t2=0:0.05:1e3-0.05;t3=0:0.1:1e3-0.1;% 抽樣判決 data_recove

19、r=;for i=1:20:10000data_recover=data_recover I(i:1:i+19) Q(i:1:i+19); end;bit_recover=;for i=1:20:20000if sum(data_recover(i:i+19)>0 data_recover_a(i:i+19)=1; bit_recover=bit_recover 1;elsedata_recover_a(i:i+19)=-1; bit_recover=bit_recover -1;enderror=0;dd = -2*bit_in+1; ddd=dd' ddd1=repmat(d

20、dd,20,1);for i=1:2e4 ddd2(i)=ddd1(i);endfor i=1:1e3if bit_recover(i)=ddd(i) error=error+1;endend p=error/1000;figure(1)解調(diào)后序列 ');subplot(2,1,1);plot(t2,ddd2);axis(0 100 -2 2);title(' 原序列 '); subplot(2,1,2);plot(t2,data_recover_a);axis(0 100 -2 2);title('效果圖：f=0:0.1:1;19% 設(shè)定 T=1, 不加噪聲

21、clear all close all% 調(diào)制bit_in = randint(1e3, 1, 0 1); bit_I = bit_in(1:2:1e3); bit_Q = bit_in(2:2:1e3);data_I = -2*bit_I+1;data_Q = -2*bit_Q+1;data_I1=repmat(data_I',20,1); data_Q1=repmat(data_Q',20,1);for i=1:1e4 data_I2(i)=data_I1(i); data_Q2(i)=data_Q1(i);end;t=0:0.1:1e3-0.1;xrc=0.5+0.5*c

22、os(pi*f);data_I2_rc=conv(data_I2,xrc)/5.5;data_Q2_rc=conv(data_Q2,xrc)/5.5;f1=1;t1=0:0.1:1e3+0.9;I_rc=data_I2_rc.*cos(2*pi*f1*t1);Q_rc=data_Q2_rc.*sin(2*pi*f1*t1);QPSK_rc=(sqrt(1/2).*I_rc+sqrt(1/2).*Q_rc);% 解調(diào)I_demo=QPSK_rc.*cos(2*pi*f1*t1);Q_demo=QPSK_rc.*sin(2*pi*f1*t1);I_recover=conv(I_demo,xrc);

23、Q_recover=conv(Q_demo,xrc);I=I_recover(11:10010);Q=Q_recover(11:10010);t2=0:0.05:1e3-0.05;t3=0:0.1:1e3-0.1;data_recover=;for i=1:20:10000data_recover=data_recover I(i:1:i+19) Q(i:1:i+19);end;ddd = -2*bit_in+1;ddd1=repmat(ddd',10,1);for i=1:1e4ddd2(i)=ddd1(i);end figure(1) subplot(4,1,1);plot(t3,

24、I);axis(0 20 -6 6); subplot(4,1,2);plot(t3,Q);axis(0 20 -6 6); subplot(4,1,3);plot(t2,data_recover);axis(0 20 -6 6); subplot(4,1,4);plot(t,ddd2);axis(0 20 -6 6);效果圖：% QPSK 誤碼率分析SNRindB1=0:2:10;SNRindB2=0:0.1:10;for i=1:length(SNRindB1) pb,ps=cm_sm32(SNRindB1(i); smld_bit_err_prb(i)=pb; smld_symbol_e

25、rr_prb(i)=ps;end;for i=1:length(SNRindB2)SNR=exp(SNRindB2(i)*log(10)/10); theo_err_prb(i)=Qfunct(sqrt(2*SNR);end;title('QPSK 誤碼率分析 ');semilogy(SNRindB1,smld_bit_err_prb,'*');axis(0 10 10e-8 1);hold on;% semilogy(SNRindB1,smld_symbol_err_prb,'o'); semilogy(SNRindB2,theo_err_prb);legend('仿真比特誤碼率 ','理論比特誤碼率 '); hold off;functiony=Qfunct(x) y=(1/2)*erfc(x/sqrt(2);functionpb,ps=cm_sm32(SNRindB)