多進制載波相位調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)仿真與實現(xiàn)

1、 1 / 41本本科科畢畢業(yè)業(yè)設設計計 ( (論論文文 ) )題目題目 多進制載波相位調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)的仿真實現(xiàn)多進制載波相位調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)的仿真實現(xiàn) 2 / 41目錄摘要摘要 2 2ABSTRACTABSTRACT3 3第一章緒論第一章緒論 4 41.1 選題意義 41.2 本論文的主要內(nèi)容 5第二章數(shù)字調(diào)制技術概述第二章數(shù)字調(diào)制技術概述 5 52.1 數(shù)字調(diào)制技術簡介 52.2 調(diào)制技術分類 52.3 調(diào)相技術的初步研究 6第三章第三章 QPSKQPSK 與與 QDPSKQDPSK 調(diào)制原理調(diào)制原理 6 63.1 相移鍵控 73.2 QPSK 調(diào)制與解調(diào) 73.3QDPSK 調(diào)制與解調(diào) 113.

2、4 QPSK 和 QDPSK 系統(tǒng)的功率譜密度 163.5 MPSK 系統(tǒng)的抗噪聲性能 17第四章第四章 QPSKQPSK 和和 QDPSKQDPSK 系統(tǒng)仿真系統(tǒng)仿真 18184.1MATLAB 介紹 184.2 QPSK 系統(tǒng)和 QDPSK 系統(tǒng)的仿真 19 3 / 414.2.1 仿真流程圖 194.2.2 仿真結(jié)論 25第五章結(jié)束語第五章結(jié)束語 2626參考文獻參考文獻 2626致致謝謝 2727附錄附錄 2727 4 / 41摘 要數(shù)字通信是用數(shù)字信號作為載體來傳輸信息，或用數(shù)字信號對載波進行數(shù)字調(diào)制后再傳輸?shù)耐ㄐ欧绞剑诂F(xiàn)代通信中有著十分重要的地位且應用廣泛。在數(shù)字信號調(diào)制中 QP

3、SK（Quadrature Phase Shift Keying）是目前最常用的一種衛(wèi)星數(shù)字信號調(diào)制方式 ,它具有較高的頻譜利用率、較強的抗干擾性、在電路上實現(xiàn)也較為簡單。 (QDPSK Quadrature Differential Phase Shift Keying ) 除了可以實現(xiàn)對于調(diào)制解調(diào)制度的要求的目標以外，還擁有抗噪聲性能好，適應信道變化的能力強，頻帶利用率高，相對鄰頻道的干擾小，盡量節(jié)省發(fā)送功率，設備簡單并易于制造等優(yōu)點。本文主要通過 MATLAB 軟件針對對 QPSK 和 QDPSK 調(diào)制系統(tǒng)搭建仿真平臺，從信號波形、功率譜密度與誤碼率三方面對二者展開討論比較。首先研究了數(shù)

4、字通信的研究背景和國內(nèi)外研究動態(tài)；然后對 QPSK 和 QDPSK 調(diào)制系統(tǒng)的工作原理和調(diào)制解調(diào)的基本方法進行了研究，從信號波形、功率譜密度和抗噪聲性能三個方面進行理論值分析和比較；最后用 MATLAB 軟件對 QPSK 和 QDPSK調(diào)制系統(tǒng)進行了仿真，并將仿真結(jié)果和相位理想狀態(tài)下的分析數(shù)據(jù)進行了對比。以四進制為例對比 MPSK 與 MDPSK 系統(tǒng)的抗噪聲性能。關鍵詞：關鍵詞：數(shù)字通信 QPSK QDPSK 仿真 性能分析ABSTRACTDigital communication is a very important and widely used means of communicat

5、ion which using digital signal as a carrier to transmit information, or making digital modulation and transmission for the carrier by the digital signal in modern communication.QPSK (Quadrature Phase Shift Keying) is one of the most commonly used satellite digital signal modulation method in digital

6、 signal modulation, it has a high spectral efficiency, a strong anti-interference, relatively simple implementation in the 5 / 41circuit. (QDPSK Quadrature Differential Phase Shift Keying) modulation and demodulation for can be achieved in addition to the requirements of the target system, it also h

7、as anti-noise performance, adapt to changes in channel capacity, bandwidth utilization, and high adjacent channel interference is relatively small, try to save transmission power, the device is simple and easy to manufacture and so on.In this paper, through the MATLAB software for QDPSK of QPSK modu

8、lation system and build a simulation platform, from the signal waveforms, power spectral density and error rate compared tripartite discussions between the two face. First studied digital communication research background and research trends; Then QDPSK of QPSK modulation system and the working prin

9、ciple and the basic modulation and demodulation method is studied, from the signal waveforms, power spectral density and noise performance three aspects theoretical analysis and comparison; finally using MATLAB software and QDPSK QPSK modulation system is simulated, and the simulation results under

10、ideal conditions and phase analysis data were compared. In contrast quaternary example MDPSK MPSK systems with anti-noise performance.Key words：Digital communication; QPSK; QDPSK; Simulation; Performance analysis 6 / 41第一章第一章 緒論緒論1.1 選題意義當今的社會已經(jīng)成為一個信息化的社會，信息化也成為了世界和社會發(fā)展的重要主題之一，作為信息交互的重要組成，通信越來越被人們所關

11、注。理想的通信目標是在任何時候、在任何地方、與任何人都能與時的進行最小出錯率的溝通聯(lián)系、以與信息交流。隨著人們對各種通信業(yè)務的需求迅速增加，正向著小型化、智能化、高速大容量的方向迅速發(fā)展的數(shù)字通信的應用已經(jīng)越來越廣泛。從高數(shù)據(jù)率這個特點來看，隨著科學技術的不斷發(fā)展，人們對信息全球化的要求越來越高，巨增的遠程多媒體通信流量必須依靠高速的無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，其中包括衛(wèi)星通信系統(tǒng)。衛(wèi)星通信中，衛(wèi)星多媒體數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)、衛(wèi)星遙測遙感數(shù)據(jù)下傳，具有數(shù)據(jù)量大的特點，需要高數(shù)據(jù)率的傳輸系統(tǒng)。數(shù)字調(diào)制解調(diào)技術在數(shù)字通信中占有非常重要的地位，隨著越來越多調(diào)制方式的使用，調(diào)制解調(diào)技術也在不斷的向前發(fā)展，并應用于各個領域。

12、現(xiàn)在常用的數(shù)字調(diào)制方式有二相移相鍵控(BPSK：Binary Phase Shift Keying)、正交移相鍵控(QPSK：Quadrature Phase Shift Keying)、相對移相鍵控(QDPSK： Quadrature differential Phase Shift Keying)、最小移頻鍵控(MSK：Minimum Shift Keying)等。它們具有一樣的功率效率。BPSK 頻譜利用率差，抗非線性能力差，實現(xiàn)簡單；QPSK 頻譜利用率好，抗非線性能力一般，實現(xiàn)復雜度一般；QDPSK 抗噪聲性能好，適應信道變化的能力強，頻帶利用率高，相對鄰頻道的干擾小，盡量節(jié)省發(fā)送功

13、率，設備簡單并易于制造；MSK 頻譜利用率一般，抗非線性能力好，實現(xiàn)最復雜度。綜合考慮，QPSK 和 QDPSK 調(diào)制綜合性能相對較好，而被廣泛應用于數(shù)字通信系統(tǒng)。QPSK 和 QDPSK 調(diào)制解調(diào)符合本解調(diào)器應用環(huán)境的信道特點對調(diào)制性能的要求。因為便攜式發(fā)射設備能源有限和工業(yè)噪聲、大氣等對無線通信的影響，實際應用中無線通信信道是功率和帶寬受限的非線性信道。在選用系統(tǒng)調(diào)制方式時，應綜合考慮頻譜利用率、功率利用率、抗非線性能力和實現(xiàn)復雜度幾方面因素。QPSK 和 QDPSK 適合用于實際應用環(huán)境要求下的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，是發(fā)展的一種趨勢。因此，研究基于 MATLAB 的 QPSK 和 QDPSK 調(diào)

14、制解調(diào)系統(tǒng)的仿真實現(xiàn)具有理論指導意義，而且具有重要的實際應用價值。1.2 本論文的主要內(nèi)容本論文主要研究的是 QPSK 調(diào)制系統(tǒng)和 QDPSK 調(diào)制系統(tǒng)的性能比較。第二章首先簡要介紹了模擬通信，然后主要介紹數(shù)字通信的概念、特點和常用的數(shù)字調(diào)制解調(diào)方式。第三章是對具體的 QPSK 調(diào)制系統(tǒng)和 QDPSK 調(diào)制系統(tǒng)的原理介紹與理論值分析。第四章則是利用 MATLAB 軟件對 QPSK 和 QDPSK 調(diào)制系統(tǒng)進行仿真，得到各自的信號波形、功率譜密度和誤碼率的仿真模型，并根據(jù)仿真結(jié)果分析比較兩種調(diào)制方式的性能。此外，由于在仿真的時候需要用 7 / 41到 MATLAB 軟件，因此，在對系統(tǒng)進行仿真之

15、前，對 MATLAB 進行了簡單的介紹。第二章第二章 數(shù)字調(diào)制技術概述數(shù)字調(diào)制技術概述2.1 數(shù)字調(diào)制技術簡介數(shù)字調(diào)制一般指調(diào)制信號是離散的，而載波是連續(xù)波的調(diào)制方式。數(shù)字調(diào)制是指用數(shù)字基帶信號對載波的某些參量進行控制，使載波的這些參量隨基帶信號的變化而變化。根據(jù)控制的載波參量的不同，數(shù)字調(diào)制有調(diào)幅(AM)、調(diào)相(PM)和調(diào)頻(FM)三種基本形式，并可以派生出多種其他形式。由于傳輸失真、傳輸損耗以與保證帶內(nèi)特性的原因，基帶信號不適合在各種信道上進行長距離傳輸。為了進行長途傳輸，必須對數(shù)字信號進行載波調(diào)制，將信號頻譜搬移到高頻處才能在信道中傳輸。因此，大部分現(xiàn)代通信系統(tǒng)都使用數(shù)字調(diào)制技術。2.2

16、 調(diào)制技術分類三種基本形式:調(diào)幅(AM) 用調(diào)制信號控制載波的振幅，使載波的振幅隨著調(diào)制信號變化。已調(diào)波稱為調(diào)幅波。調(diào)幅波的頻率仍是載波頻率，調(diào)幅波包絡的形狀反映調(diào)制信號的波形。調(diào)幅系統(tǒng)實現(xiàn)簡單，但抗干擾性差，傳輸時信號容易失真。調(diào)頻(FM）：用調(diào)制信號控制載波的振蕩頻率，使載波的頻率隨著調(diào)制信號變化。已調(diào)波稱為調(diào)頻波。調(diào)頻波的振幅保持不變，調(diào)頻波的瞬時頻率偏離載波頻率的量與調(diào)制信號的瞬時值成比例。調(diào)頻系統(tǒng)實現(xiàn)稍復雜，占用的頻帶遠較調(diào)幅波為寬，因此必須工作在超短波波段?？垢蓴_性能好，傳輸時信號失真小，設備利用率也較高。調(diào)相(PM）：用調(diào)制信號控制載波的相位，使載波的相位隨著調(diào)制信號變化。已調(diào)波

17、稱為調(diào)相波。調(diào)相波的振幅保持不變，調(diào)相波的瞬時相角偏離載波相角的量與調(diào)制信號的瞬時值成比例。在調(diào)頻時相角也有相應的變化，但這種相角變化并不與調(diào)制信號成比例。在調(diào)相時頻率也有相應的變化，但這種頻率變化并不與調(diào)制信號成比例。在模擬調(diào)制過程中已調(diào)波的頻譜中除了載波分量外在載波頻率兩旁還各有一個頻帶，因調(diào)制而產(chǎn)生的各頻率分量就落在這兩個頻帶之內(nèi)。這兩個頻帶統(tǒng)稱為邊頻帶或邊帶。位于比載波頻率高的一側(cè)的邊頻帶，稱為上邊帶。位于比載波頻率低的一側(cè)的邊頻帶，稱為下邊帶。在單邊帶通信中可用濾波法、相移法或相移濾波法取得調(diào)幅波中一個邊帶，這種調(diào)制方法稱為單邊帶調(diào)制(SSB） 。單邊帶調(diào)制常用于有線載波和短波無線電

18、多路通信。在同步通信中可用平衡調(diào)制器實現(xiàn)抑制載波的雙邊帶調(diào)制（DSB-SC） 。在數(shù)字通信中為了提高頻帶利用率而采用殘留邊帶調(diào)制(VSB） ，即傳輸一個邊帶（在鄰近載波的部分也受到一些衰減）和另一個邊帶的殘留部分。在解調(diào)時可以互相補 8 / 41償而得到完整的基帶。MASK，又稱多進制數(shù)字調(diào)制法。在二進制數(shù)字調(diào)制中每個符號只能表示 0和 1(+1 或-1)。但在許多實際的數(shù)字傳輸系統(tǒng)中卻往往采用多進制的數(shù)字調(diào)制方式。與二進制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)相比，多進制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)具有如下兩個特點：第一：在一樣的信道碼源調(diào)制中，每個符號可以攜帶 log2M 比特信息，因此，當信道頻帶受限時可以使信息傳輸率增加，提高

19、了頻帶利用率。但由此付出的代價是增加信號功率和實現(xiàn)上的復雜性。 第二，在一樣的信息速率下，由于多進制方式的信道傳輸速率可以比二進制的低，因而多進制信號碼源的持續(xù)時間要比二進制的寬。加寬碼元寬度，就會增加信號碼元的能量，也能減小由于信道特性引起的碼間干擾的影響等。二進制 2ASK 與四進制 MASK 調(diào)制性能的比較：在一樣的輸出功率和信道噪聲條件下，MASK 的解調(diào)性能隨信噪比惡化的速度比 OOK 要迅速得多。這說明 MASK 應用對 SNR 的要求比普通 OOK 要高。在一樣的信道傳輸速率下 M 電平調(diào)制與二電平調(diào)制具有一樣的信號帶寬。即在符號速率一樣的情況下，二者具有一樣的功率譜。2.3 調(diào)

20、相技術的初步研究在實際通信中，不少信道都不能直接傳送基帶信號，必須用基帶信號對載波波形的某些參量進行控制，即對基帶信號進行調(diào)制。調(diào)制即是按照調(diào)制信號（基帶信號）的變化規(guī)律去改變載波某些參數(shù)的過程。調(diào)制不僅可以對被調(diào)制信號進行頻譜搬移和擴頻，而且對系統(tǒng)的傳輸有效性和傳輸可靠性有很大影響，因此，調(diào)制方式往往決定了一個通信系統(tǒng)的性能。在傳輸脈沖時，傳輸系統(tǒng)會產(chǎn)生噪聲，如果其幅度為反極性并超過脈沖的幅度，則產(chǎn)生誤碼。在以脈沖調(diào)制載波時，也有同樣現(xiàn)象產(chǎn)生。但是，在一定的噪聲情況下，根據(jù)對載波的調(diào)制方法和解調(diào)方法的不同，誤碼的發(fā)生概率也不同。一般，數(shù)字調(diào)制方式的選擇往往是頻帶利用率、誤比特率、Eb/n0（

21、或S/N）和設備實現(xiàn)復雜性等因素綜合考慮的結(jié)果，必須根據(jù)具體使用條件進行比較才能做出判斷。數(shù)字調(diào)制方式有三種：幅度鍵控、頻移鍵控和相移鍵控。它們分別對應于用正弦波的幅度、頻率和相位來傳遞數(shù)字基帶信號。當調(diào)制信號為二進制數(shù)字信號時，該調(diào)制稱為二進制數(shù)字調(diào)制。而當調(diào)制信號為多進制數(shù)字信號時，則稱為多進制數(shù)字調(diào)制。相移鍵控有很多方式，如PSK、DPSK、QPSK、OQPSK等。本設計重點對QPSK、QDPSK兩種方式進行研究和仿真。 第三章第三章 QPSKQPSK 與與 QDPSKQDPSK 調(diào)制原理調(diào)制原理本章主要介紹 QPSK 和 OQPSK 的調(diào)制解調(diào)技術，首先引入的是通信的基本構(gòu)架，了解調(diào)制

22、解調(diào)在通信系統(tǒng)中所處的位置，以便對調(diào)制解調(diào)可能要面臨的問題的背景有一個整體的認識。 9 / 413.1 相移鍵控相移鍵控 PSK 是時間離散的調(diào)制信號的每一特征狀態(tài)都由已調(diào)制信號的相位與調(diào)制前載波相位之間特定的差來表示的角度調(diào)制5。在 PSK 調(diào)制時，載波的相位隨調(diào)制信號狀態(tài)不同而改變。如果兩個頻率一樣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，此時它們就處于 “同相”狀態(tài)；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”。把信號振蕩一次（一周）作為360 度。如果一個波比另一個波相差半個周期，兩個波的相位差180 度，也就是反相。當傳輸數(shù)字信號

23、時，“1”碼控制發(fā) 0 度相位， “0”碼控制發(fā) 180度相位。PSK 相移鍵控調(diào)制技術在數(shù)據(jù)傳輸中，尤其是在中速和中高速的數(shù)傳機（2400bit/s4800bit/s）中得到了廣泛的應用。相移鍵控有很好的抗干擾性,在有衰落的信道中也能獲得很好的效果。主要討論二相和四相調(diào)相，在實際應用中還有八相與十六相調(diào)相。PSK 也可分為二進制 PSK（2PSK 或 BIT/SK）和多進制 PSK（MPSK） 。在這種調(diào)制技術中，載波相位只有0 和 兩種取值，分別對應于調(diào)制信號的“0”和“1”。傳“1”信號時，發(fā)起始相位為 的載波；當傳 “0”信號時，發(fā)起始相位為 0 的載波。由“0”和“1”表示的二進制調(diào)

24、制信號通過電平轉(zhuǎn)換后，變成由“1”和“1”表示的雙極性 NRZ（不歸零）信號，然后與載波相乘，即可形成 2PSK 信號，在 MPSK 中，最常用的是四相相移鍵控 QPSK，在衛(wèi)星信道中傳送數(shù)字電視信號時采用的就是QPSK 調(diào)制方式?？梢钥闯墒怯蓛蓚€ 2PSK 調(diào)制器構(gòu)成的。PSK 信號也可以用矢量圖表示，矢量圖 中通常以零度載波相位作為參考相位。四相相移調(diào)制是利用載波的四種不同相位差來表征輸入的數(shù)字信息，是四進制移相鍵控。 QPSK 是在 M=4 時的調(diào)相技術，它規(guī)定了四種載波相位，分別為 45，135，225，275。調(diào)制器輸入的數(shù)據(jù)是二進制數(shù)字序列，為了能和四進制的載波相位配合起來，則需要

25、把二進制數(shù)據(jù)變換為四進制數(shù)據(jù)，這就是說需要把二進制數(shù)字序列中每兩比特分成一組，共有四種組合，即 00，01，10，11，其中每一組稱為雙比特碼元。每一個雙比特碼元是由兩位二進制信息比特組成的，它們分別代表四進制四個符號中的一個符號。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。解調(diào)器根據(jù)星座圖與接收到的載波信號的相位來判斷發(fā)送端發(fā)送的信息比特。3.2 QPSK 調(diào)制與解調(diào)四進制移向鍵控 QPSK（Quaternary Phase Shift Keying）又名四相相移鍵控，它利用載波的四種不同相位來表示數(shù)字信息，由于每一種載波相位代表兩個比特信息，因此每

26、個四進制碼元可以用兩個二進制碼元的組合來表示。兩個二進制碼元中的前一個碼元用 a 表示，后一個碼元用 b 表示。ab 有 4 種排列，即 10 / 4100、01、10、11。然后用 4 種相位之一去表示每種排列。各種排列的相位之間的關系通常都按照格雷碼安排，表 3-1 列出了 QPSK 信號的這種編碼方案之一，其矢量圖見圖 3-2。表 3-1 QPSK 信號的編碼abi005/4 013/4 117/4 10/4 01110010載波相位 /4、3/4、5/4、7/4圖 3-2 QPSK 信號的矢量圖QPSK 信號的正弦載波有四個可能的離散相位狀態(tài)，每個載波相位攜帶 2個二進制符號，其信號的

27、表示為（3.3-1）i為正弦載波的相位，有四種可能狀態(tài)：i為 /4、3/4、5/4、7/4，此初始相位為 /4 的 QPSK 信號的矢量圖如圖 3-2 所示。下面分析 QPSK 信號的產(chǎn)生。將信號表達式進行改寫（3.3-2）若 i為 /4、3/4、5/4、7/4， ，則（3.3-3）于是，信號表達式可寫成（3.3-4）（3.3-5） 由此可得到 QPSK 調(diào)制的產(chǎn)生方法。QPSK 信號可以看作兩個載波正交2PSK 信號的合成，下圖表示 QPSK 正交調(diào)制器。 11 / 41圖 3-3 QPSK 調(diào)制框圖圖 3-3 中輸入基帶信號是二進制不歸零雙極性碼元，它被“串/并變換”電路變成兩路馬元 a

28、和 b。變成并行碼元 a 和 b 后，其每個碼元的持續(xù)時間是輸入碼元的 2 倍如圖 3-4 所示。這兩路并行碼元序列分別用以和兩路正交載波相乘。相乘結(jié)果用虛線矢量示于圖 3-5 中。圖中矢量 a(1)代表 a 路的信號碼元二進制“1”，a(0)代表 a 路信號碼元二進制“0”；類似的，b(1)代表 b 路信號碼元二進制“1”，b(0)代表 b 路信號碼元二進制“0”。這兩路信號在相加電路中相加后得到輸出矢量，每個矢量代表 2b，如圖中實線矢量所示。應當注意的是，上述二進制信號碼元“0”和“1”在相乘電路中與不歸零雙極性矩形脈沖振幅的關系：二進制碼元“1”雙極性脈沖“+1”；二進制碼元“0”雙極

29、性脈沖“-1”。0241350 12 3 4 5（a）輸入基帶碼元（b）并行支路 a 碼元（c）并行支路 b 碼元ttt圖 3-4 碼元串/并變換 12 / 41b（1）11a（1）10b（0）00a（0）圖 3-5 QPSK 矢量的產(chǎn)生由 QPSK 信號的調(diào)制可知，對它的解調(diào)可以采用與 2PSK 信號類似的解調(diào)方法進行解調(diào)。解調(diào)原理如圖 3-6 所示，同相支路和正交支路分別采用相干解調(diào)方式解調(diào)，得到和，經(jīng)過抽樣判決和并/串交換器，將上下支路得到( )I t( )Q t的并行數(shù)據(jù)恢復成串行數(shù)據(jù)。圖 3-6 QPSK 解調(diào)框圖由圖 3-6 可見，兩路 2PSK 信號分別調(diào)至在相互正交的載波上，這

30、也是QPSK 信號被稱為正交載波調(diào)制的原因?，F(xiàn)在以一個二進制輸入序列為為例解釋串并變換是如何將二進制轉(zhuǎn)化為四進制的。令輸入為 1011010011，經(jīng)過串并轉(zhuǎn)換和映射可以得到原始信號與 I 路信號和 Q 路信號的關系，分析可得出 I 路與 Q 路的信號值，轉(zhuǎn)化成雙極性脈沖信號見表 3-2。表 3-2 QPSK 基帶信號與支路信號基帶信號1011010011I 路11-1-11Q 路-111-11則經(jīng)過相乘電路的調(diào)制，兩路信號合并得到 QPSK 調(diào)制信號，理論分析結(jié)果如圖 3-7。01 13 / 41s(t)0 2T 4T 6T 8T 10TtI 路Q 路圖 3-7 QPSK 信號波形3.3QD

31、PSK 調(diào)制與解調(diào)4 進制 DPSK 通常記為 QDPSK。圖 3-8 給出了 QDPSK 的 A 方式的編碼方式。表中k是相對于前一相鄰碼元的相位變化。A 方式中的 k取值00、900、1800、2700。在 ITU-T 的建議 V.22 中速率 1200b/s 的雙工調(diào)制解調(diào)標準采用的就是 A 方式的編碼規(guī)則。表 3-8 QDPSK 信號的編碼abk00/2010113/210 QDPSK 信號的產(chǎn)生方法和 QPSK 信號的產(chǎn)生方法類似，只是需要把輸入的基帶信號先經(jīng)過碼變換器把絕對碼變成相對碼再去調(diào)制載波。圖 3-9 給出了按照 A 方式規(guī)則產(chǎn)生 QDPSK 信號的原理方框圖。圖中 a 和

32、 b 為經(jīng)過串/并變換后的一對碼元，它需要再經(jīng)過碼變換器變換成相對碼 c 和 d 后才能與載波相乘。c和 d 對載波的相乘實際是完成絕對相移鍵控。這部分電路和產(chǎn)生 QPSK 信號的原理方框圖 3-3 完全一樣，只是為了改用 A 方式編碼，而采用兩個 /4 相移器代替一個 /2 相移器。碼變換器的功能是使由 cd 產(chǎn)生的絕對相移符合由 ab 產(chǎn)生的相對相移規(guī)則。由于當前的一對碼元 ab 產(chǎn)生的相移是附加在前一時刻已調(diào)載波相位之上的，而前一時刻載波相位有 4 種可能取值，故碼變換器輸出的 cd 間有 16 種可能關系。這 16 種關系如圖 3-10 所示。 14 / 41 A(t）圖 3-9 QD

33、PSK 調(diào)制框圖當前輸入的一對碼元與要求的相對相移前一時刻經(jīng)過碼變換后的一對碼元與所產(chǎn)生的相位當前時刻應當給出的變換后一對碼元和相位a kb kkck-1 dk-1k-1ck d kk0 09000 0 0 1 1 1 1 000900180027000 1 1 1 1 0 0 090018002700000 1000 00 11 11 000900180027000 0 0 1 1 1 1 000900180027001 127000 00 11 11 000900180027001 0 0 0 0 1 1 127000090018001 018000 0 0 1 1 10090018001

34、 1 1 0 0 01800270000+/4串/并變換相乘電路-/4載波產(chǎn)生相乘電路碼變換相加電路 15 / 41 1 02700 0 1900圖 3-10QDPSK 碼變換關系在上圖中，若當前時刻輸入的一對碼元 a kb k為“00” ，則應該產(chǎn)生相對相移 k =900。另一方面，當前時刻的載波相位有 4 種可能的取值，即 900 00 2700 1800，它們分別對應前一時刻變換后的一對碼元 ck-1 dk-1的 4 種取值。所以，現(xiàn)在的相移 k應該視前一時刻的狀態(tài)加到對應的前一時刻載波相位 k-1上。設前一時刻的載波相位 k-1為 1800，則現(xiàn)在應該在 1800基礎上增加到2700，

35、故要求的 ck d k為“10” 。也就是說，這時的碼變換器應該將輸入一對碼元“00”變換為“10” 。碼變換器可用圖 3-11 所示的電路實現(xiàn)。 a kck b k d kck-1 dk-1圖 3-11 碼變換器我們用“0”和“1“代表二進制碼元。但是，在電路中用于相乘的信號應該是不歸零二進制雙極性矩形脈沖。設此脈沖的幅度為“+1”和“-1”則對應關系是：二進制碼元“0”對應“+1” ；二進制碼元“1”對應“-1” 。表 3-12 QDPSK 基帶信號與支路信號基帶信號1011010011I 路-1-111-1Q 路1-1-11-1解調(diào)方法：極性比較法的解調(diào)原理框圖如圖 3-12 所示只讀存

36、儲器TT 16 / 41圖 3-12QDPSK 解調(diào)原理框圖QDPSK 信號的極性比較法解調(diào)原理和 QPSK 信號的一樣，只是多一步逆碼變換，將相對碼變成絕對碼。逆碼變換原理框圖如圖 3-13 所示。ck a kck-1ck-1ck-1dk-1dk-1d k b kb k圖 3-13 逆碼變換器原理框圖設第 k 個接收信號碼元可以表示為（3.3-6）相干載波：上支路： 下支路：相乘電路低通濾波抽樣判決逆碼變換串/并變換抽樣判決低通濾波相乘電路載波提取定時提取+/4-/4)cos()(0kkttsTktkT) 1( )4cos(0t)4cos(0t延遲 T延遲 T交叉直通電路 17 / 41信號

37、和載波相乘的結(jié)果：上支路：（3.3-7）下支路：（3.3-8）低通濾波后：上支路：下支路：判決規(guī)則按照k 的取值不同，此電壓可能為正，也可能為負，故是雙極性電壓。在編碼時曾經(jīng)規(guī)定：二進制碼元“0” “ 1”二進制碼元“1” “ 1”現(xiàn)在進行判決時，也把正電壓判為二進制碼元“0” ，負電壓判為“1” ，即“ ” 二進制碼元“0” “ ” 二進制碼元“1” 判決規(guī)則表 3-13：判決器輸出信號碼元相位k上支路輸出下支路輸出cd09018027001100011逆碼變換器設逆碼變換器的當前輸入碼元為 ck 和 dk ，當前輸出碼元為 ak 和 bk ，前一輸入碼元為 ck-1 和 dk-1 。為了正

38、確地進行逆碼變換，這些碼元之間的關系應該符合碼變換時的規(guī)則。為此，現(xiàn)在把碼變換表中的各行按 ck-1 和 dk-1 的組合為序重新排列。逆碼變換表 3-14前一時刻輸入的一對碼元當前時刻輸入的一對碼元當前時刻應當給出的逆變換后的一對碼元ck-1dk-1ck dkakbk)4cos(21)4(2cos21)4cos()cos(000kkkttt)4cos(21)4(2cos21)4cos()cos(000kkkttt)4cos(21k)4cos(21k 18 / 4100001101100011011001001101101001001111001101101100100110001101100

39、1101100表中的碼元關系可以分為兩類：(1)當時， (2)當時， 3.4 QPSK 和 QDPSK 系統(tǒng)的功率譜密度對于 QPSK 系統(tǒng)，有（3.5-1）0( )()cos()SkkS tg tkTw t 式 3.5-1 中，g(t)為基帶波形，為碼元寬度，對應有四種取值。STkS（t）還可以寫成（3.5-2）0000( )()coscos()sinsincossinskskkkkkkS tg tkTw tg tkTw taw tbw t式 3.5-2 中111kkdc11kkkkkkccbdda011kkdc11kkkkkkddbcca 19 / 41cos()sin()2kkskkss

40、bag tkTbg tkTTTS（t）信號含有四種不同的值，與四進制數(shù)字信號對應。根據(jù)式 3.5-2，k等概率取值時，可以計算得到 QPSK 信號的功率譜為k（3.5-3）22001( )()()2sW ffG ffG ff式中，=1/=2，G（f）為基帶波形 g(t)的傅立葉變換。對于矩形波基sTfbT帶數(shù)字信號，設其幅度為 S，碼元寬度為，則sT（3.5-4）sin( )sSsfTW fATfT因而，QPSK 信號單邊功率譜為2200sin()( )()sssff TW fA Tff TQDPSK 信號單邊帶功率譜密為（3.5-5）3.5QPSK 系統(tǒng)的抗噪聲性能通信設備的性能指標在很大程

41、度上與噪聲和干擾有關，噪聲與干擾可能來自接收系統(tǒng)外部，也可能來自系統(tǒng)內(nèi)部，但都表現(xiàn)為干擾有用信號的某種不期望的擾動。在 QPSK 系統(tǒng)中，由其矢量圖（圖 3-2）可以看出，錯誤判決是由于信號矢量的相位因噪聲而發(fā)生偏離造成的。例如，假設發(fā)送矢量的相位為 45，它代表的基帶信號碼元為“11”，若因為噪聲的影響使接收矢量的相位變成 135，則將錯判為“01”。當不同發(fā)送矢量等概率出現(xiàn)時，合理的判決門限應該設定在和相鄰矢量等距離的位置。則在圖 3-2 中，對于矢量“11”來說，判決門限就應該設定在 0到 90，一旦接收矢量的相位超出這一范圍，則發(fā)生錯判。已知 MPSK 信號碼元展開式可寫成 20 /

42、41 （3.6-1）式中：，?？傻茫?QPSK 碼元的相位時，故信號碼元相當于是互相正交的兩個 2PSK 碼元，其幅度分別為接收信號幅度的（）倍，功率為接收信號功率的（1/2）倍。另知接收信號與噪聲之和為式中：；n(t)的方差為，噪聲的兩個正交分量的方差為。若把此 QPSK 信號當做兩個 2PSK 信號分別在兩個相干檢測其中解調(diào)時，只有和 2PSK 信號同相的噪聲才有影響。由于誤碼率決定于各個相干檢測器輸入的信噪比，而此處信號功率為接收信號功率的 1/2 倍，噪聲功率為。若輸入信號的信噪比為 r，則每個解調(diào)器輸入端的信噪比將為 r/2，則誤碼率為所以，正確概率為。因為只有兩路正交的相干檢測都

43、正確，才能保證 QPSK 信號的調(diào)制輸出正確。由于兩路正交相干檢測都正確的概率為，所以 QPSK 信號解調(diào)錯誤的概率為（3.6-2）QDPSK 的誤碼率近似為：（3.6-3）第四章第四章 QPSK 和和 QDPSK 系統(tǒng)仿真系統(tǒng)仿真本章利用 MATLAB 軟件編寫程序，對 QPSK 系統(tǒng)和 QDPSK 系統(tǒng)進行仿真，分別得到兩個數(shù)字調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)的信號波形、功率譜密度以與誤碼率，分析比較二者的相關性能。4.1MATLAB 介紹MATLAB 是矩陣實驗室（Matrix Laboratory）的簡稱，是美國 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)分析以與數(shù)值計算的

44、高級技術計算語言和交互式環(huán)境，主要包括 MATLAB 和 Simulink 兩大部分。20 世紀 70 年代，美國新墨西哥大學計算機科學系主任 Cleve Moler 為了減輕學生編程的負擔，用 FORTRAN 編寫的最早的 MATLAB。1984 年由 Math Works 公司正式推向市場。到 20 世紀 90 年代，MATLAB 已經(jīng)成為國際控制界的標準計算軟件。時至今日，經(jīng)過 Math Works 公司的不斷完善，MATLAB 已經(jīng)發(fā)展成為適合多種學科、多種工作平臺的功能強勁的大型軟件。 21 / 41MATLAB 和 Mathematica、Maple 并稱為三大數(shù)學軟件。它在數(shù)學類

45、科技應用軟件中在數(shù)值計算方面首屈一指。 MATLAB 可以進行矩陣運算、繪制函數(shù)和數(shù)據(jù)、實現(xiàn)算法、創(chuàng)建用戶界面、連接其他編程語言的程序等，主要應用于工程計算、控制設計、信號處理與通訊、圖像處理、信號檢測、金融建模設計與分析等領域。 MATLAB 語言是一種高級的基于矩陣 /數(shù)組的語言，其最突出的特點就是簡潔，利用其豐富的函數(shù)資源，使編程人員從繁瑣的程序代碼中解放出來。MATLAB 用更直觀的、符合人們思維習慣的代碼，代替了C 和 FORTRAN語言的冗長代碼，給用戶帶來最直觀、最簡潔的程序開發(fā)環(huán)境。以下簡單介紹一下 MATLAB 的主要特點。語言簡潔緊湊，使用靈活方便，庫函數(shù)極其豐富。MATL

46、AB 程序書寫形式自由，利用其豐富的庫函數(shù)避開繁雜的子程序編程任務，壓縮了一切不必要的編程工作。運算符豐富。由于 MATLAB 是用 C 語言編寫的，MATLAB 提供了和 C 語言幾乎一樣多的運算符，靈活使用 MATLAB 的運算符將使程序變得極為簡短。MATLAB 既具有結(jié)構(gòu)化的控制語句（如 for 循環(huán)、while 循環(huán)、break 語句和 if 語句） ，又有面向?qū)ο缶幊痰奶匦?。MATLAB 的圖形功能強大。在 FORTRAN 和 C 語言里，繪圖都很不容易，但在 MATLAB 里，數(shù)據(jù)的可視化非常簡單。MATLAB 還具有較強的編輯圖形界面的能力。MATLAB 的缺點是，他和其他高級

47、程序相比，程序的執(zhí)行速度較慢。由于MATLAB 的程序不用編譯等預處理，也不生成可執(zhí)行文件，程序為解釋執(zhí)行，所以速度較慢。功能強勁的工具箱是 MATLAB 的另一重大特色。MATLAB 包含兩個部分：核心部分和各種可選工具箱。源程序的開放性，也是 MATLAB 最受人歡迎的特點。除內(nèi)部函數(shù)以外，所有MATLAB 的核心文件和工具箱文件都是可讀可改的源文件。4.2 QPSK 系統(tǒng)和 QDPSK 系統(tǒng)的仿真4.2.1 仿真流程圖根據(jù) QPSK、QDPSK 系統(tǒng)調(diào)制解調(diào)的原理，制定仿真思路見圖 4-1設置參數(shù)QPSK/QDPSK調(diào)制加性高斯白噪聲QPSK/QDPSK 解調(diào)計算誤碼率得到已調(diào)信號和功率

48、譜密度 22 / 41圖 4-1 QPSK/QDPSK 系統(tǒng)仿真流程圖00.511.522.533.544.55-0.500.511.5仿 仿 仿 仿 p00.511.522.533.544.55-101QPSK仿 仿 仿 仿 I仿 仿 仿00.511.522.533.544.55-101QPSK仿 仿 仿 仿 Q仿 仿 仿00.511.522.533.544.55-101QPSK仿 仿 仿 仿 仿 仿 仿 s=s1-s2圖 4-2 QPSK 信號波形 23 / 4100.511.522.533.544.55-0.500.511.5仿 仿 仿 仿 p00.511.522.533.544.55-

49、101QDPSK仿 仿 仿 仿 I仿 仿 仿00.511.522.533.544.55-101QDPSK仿 仿 仿 仿 Q仿 仿 仿00.511.522.533.544.55-101QDPSK仿 仿 仿 仿 仿 仿 仿 s=s1+s2圖 4-3 QDPSK 信號波形用間接法求信號的功率譜，對上述的 QPSK 已調(diào)信號和 QDPSK 已調(diào)信號求自相關函數(shù)，再進行傅里葉變換得到功率譜密度如 圖 4-4 和圖 4-5 所示。050100150200250300350400450500-40-30-20-100102030QPSK仿 仿 仿 仿 仿 24 / 41圖 4-4QPSK 功率譜密度圖 4-

50、5QDPSK 功率譜密度分析 QPSK 系統(tǒng)和 QDPSK 系統(tǒng)的誤碼率,仿真實現(xiàn)采用蒙特卡洛方法，仿真思路如圖 4-6 所示 r c 2 比特符號 n s均勻隨機數(shù)發(fā)生器高斯隨機數(shù)發(fā)生器QPSK 或QDPSK 映射檢測器高斯隨機數(shù)發(fā)生器比較比特差錯計數(shù)器符號差錯計數(shù)器 25 / 41圖 4-6 誤碼率仿真框圖02468101214161810-1510-1010-5100SNR (dB)BERQPSK仿 仿 AWGN仿 仿 仿 仿 BER仿 仿 BER圖 4-7 QPSK 誤碼率曲線QPSK 系統(tǒng)仿真條件：即對于進制數(shù) M=4 時，信噪比范圍在 0-30dB 下，輸入 100000 個隨機數(shù)

51、，通過蒙特卡洛仿真方法，得出 QPSK 系統(tǒng)的誤碼率曲線。QPSK 系統(tǒng)仿真結(jié)果：從圖 4-7 可以看出，對于 QPSK 系統(tǒng)誤碼率隨著信噪比的增大而減小，并且隨著信噪比的增大，仿真誤碼率越來越接近理論誤碼率，這也與理論上比較符合。 26 / 410246810121416182010-1510-1010-5100SNR (dB)BERQDPSK仿 仿 AWGN仿 仿 仿 仿 BER仿 仿 BER圖 4-8 QDPSK 誤碼率曲線QDPSK 系統(tǒng)仿真條件：即對于進制數(shù) M=4 時，信噪比范圍在 0-20dB 下，輸入 40000 個隨機數(shù)，通過蒙特卡洛仿真方法，得出 QDPSK 系統(tǒng)的誤碼率曲

52、線。QDPSK 系統(tǒng)仿真結(jié)果：從圖 4-8 可以看出，對于 QDPSK 系統(tǒng)誤碼率也是隨著信噪比的增大而減小，對于信噪比從 0-12dB 范圍內(nèi)仿真值與理論值的擬合程度比較好，但是信噪比超過 12dB 后，仿真值與理論值有細微差別。在得出的理論值與仿真值做比較上還是有差別的。隨機數(shù)越大仿真值越接近理論值。 27 / 410246810121416182010-1510-1010-5100SNR (dB)BERQPSK仿 QDPSK仿 仿 仿 仿 仿 QPSK BERQDPSK BER圖 4-9 QPSK 與 QDPSK 誤碼率曲線比較QPSK與QDPSK 誤碼率比較仿真條件輸入 100000

53、個隨機數(shù)，信噪比范圍在 0-20dB 下，QPSK 系統(tǒng)與 QDPSK 系統(tǒng)的誤碼率比較QPSK 與 QDPSK 誤碼率比較從圖 4-9 可以看出，對于 QPSK 與 QDPSK 系統(tǒng)這兩個系統(tǒng)的誤碼率都是隨著信噪比的增大而減小，但是同一信噪比下，QPSK的誤碼率比 QDPSK 的誤碼率要小，要使 QDPSK 的誤碼率與 QPSK 的誤碼率一樣，要通過增大 QDPSK 系統(tǒng)的信噪比才可以達到，因此 QPSK 的抗噪聲性能要優(yōu)于 QDPSK 系統(tǒng)。 28 / 414.2.2 仿真結(jié)論通過 QPSK 與 QDPSK 的誤碼率曲線，我們可以看到在進制數(shù) M 一定的情況下，誤碼率隨著信噪比的增大而減小

54、。并且對于 QPSK 系統(tǒng)隨著信噪比的增大仿真值越接近理論值。對于 QPSK 與 QDPSK 系統(tǒng)，在同一信噪比下，QPSK 的誤碼率比 QDPSK 的誤碼率要小，要使 QDPSK 的誤碼率與 QPSK 的誤碼率一樣，要通過增大 QDPSK系統(tǒng)的信噪比才可以達到，因此 QPSK 的抗噪聲性能要優(yōu)于 QDPSK 系統(tǒng)。第五章第五章 結(jié)束語結(jié)束語QPSK 調(diào)制解調(diào)和 QDPSK 調(diào)制解調(diào)因其相對較高的性能而廣泛應用于數(shù)字通信的調(diào)制解調(diào)當中。通過 MATLAB 仿真，對二者的性能進行比較分析，加深了對基本的調(diào)制解調(diào)方式與其性能的理解。本次設計課題內(nèi)容涉與的 QPSK 和 QDPSK 調(diào)制都是在專業(yè)課

55、學習當中基礎且重要的知識內(nèi)容，要想對其進行進一步深入的模擬仿真和性能比較，就不僅僅局限于課本上的簡單介紹的理論知識了。經(jīng)過一系列前期準備，在搜集了更多相關知識之后，結(jié)合所學利用 MATLAB 軟件編程仿真兩種調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)。仿真的過程大致上分為設計仿真思路、編程調(diào)試、得到仿真結(jié)果并分析三大步。在實際的仿真過程當中，第一次得到的結(jié)果往往與理論值有很大的誤差，經(jīng)過多次更改程序可以縮小誤差使得仿真結(jié)果更貼近理論值。QPSK 和 QDPSK 信號波形和功率譜密度的仿真相對順利，但是對于誤碼率的仿真則較難得到理想結(jié)果，這同時也能反映出自身對誤碼率相關知識掌握的欠缺。本次畢業(yè)設計讓我收獲頗多，不僅加深了對數(shù)

56、字通信、QPSK 系統(tǒng)和QDPSK 系統(tǒng)相關知識的理解，鞏固了自己的專業(yè)知識，還鍛煉了綜合運用所學的知識來解決面臨的實際問題的能力；同時也反映出自己在專業(yè)知識的儲備方面還十分的欠缺。希望經(jīng)過這次設計，自己能夠取長補短，為以后的學習和工作積累寶貴的經(jīng)驗。參考文獻參考文獻1 馬俊杰.淺談數(shù)字通信的優(yōu)點以與應用.價值工程.2012 年 09 期：1452 曹志剛、錢亞生.現(xiàn)代通信原理.：清華大學，19923 姬宗嶺.數(shù)字通信技術的應用與發(fā)展.兵團教育學院學報,1999 年 04 期4 楊震中.數(shù)字通信技術的進展與趨向.現(xiàn)代有線傳輸,1995 年 01 期5樊昌信、曹麗娜.通信原理.6 版.：國防工業(yè)

57、出版，2010.2:1882336 鄧華.MATLAB 通信仿真與應用實例詳解.：人民郵電，2003.9:2943187 D.Divsalar, M.K.Simon.Multiple-Symbol Differential 29 / 41DetectionofMPSKJ.IEEETransactions on Communications.1990:300308.8 D.Makrakis,K.Feher.Optimal Noncoherent Detection of PSKSignalsJ. Elect.Lett.1990:146155.9侯光華、韋武鋼、楊森.衛(wèi)星通信中的OQPSK調(diào)制技術

58、分析.無線互聯(lián)科技.2012年01期:131510求是科技.MATLAB 7.0從入門到精通.人民郵電.200611 陳懷琛、吳大正、高西全.MATLAB 與在電子信息課程中的應用.3 版.：電子工業(yè)，2006.312約翰.G.普羅克斯、馬蘇德.薩勒赫.現(xiàn)代通信系統(tǒng)使用 MATLAB.劉樹棠譯.西安：西安交通大學，2001.11:26827813 Andrea Goldsmith、Stanford University. WIRELESS COMMUNICATIONS. Cambridge University Press.200514周炯磐、龐沁華等，通信原理，郵電大學，2004年6月15

59、郭文彬、桑林，通信原理基于MATLAB的計算機仿真，郵電大學，2006年6月16徐明遠、邵玉斌，MATLAB仿真在通信與電子工程中的應用，西安電子科技大學，2005年6月17Proakis John G. Digital Communication, （影印版，第3版） ，：電子工業(yè)，1998；致致謝謝本論文是在林霏老師的悉心指導下完成的，從選題、前期準備、研究到論文的構(gòu)思、寫作和修改，無不凝結(jié)了老師的心血。在論文完成之際，首先衷心感謝林老師對我的深切關懷和諄諄教導。林老師淵博的學識、嚴謹?shù)闹螌W態(tài)度、謙和的為人、忘我的科研精神深深地感染了我，使我在學術品質(zhì)與治學態(tài)度上受益匪淺，在此謹向林老師致

60、以誠摯的謝意和崇高的敬意。 最后衷心感謝電氣學院的所有給予我指導和幫助的領導、老師和同學，衷心的感謝你們！附錄附錄主程序：%QPSK 信號波形clc;clear all;close all;%全局變量Ts=0.01; %時間分辨率(時點間間隔） ，抽樣時間間 30 / 41隔t=0:Ts:5; %時間坐標 sN=length(t);fs=1/Ts;df=fs/(N-1); %df 為頻率分辨率（頻率間隔）n=-(N-1)/2:(N-1)/2;f=n*df; %頻率坐標%基帶信號figure;p=1 0 1 1 0 1 0 0 1 1; %待傳送的編碼串d1=0:0.5:t(end)-0.5;