基于Matlab的QPSK通信系統(tǒng)建模與仿真

基于Matlab的QPSK通信系統(tǒng)建模與仿真一.題目意義1.Matlab仿真：一個(gè)實(shí)際的工程項(xiàng)目的步驟：理論論證，仿真建模，F(xiàn)PGA燒寫，調(diào)試。Matlab仿真是一個(gè)實(shí)際項(xiàng)目的第一步。具有重要意義。只有仿真成功，下一步的工作才能順利進(jìn)行。減少成本，節(jié)約時(shí)間，提高效率。2.QPSKQPSK中文全稱是“正交相移鍵控”。從名字可以看出屬于“相位”調(diào)制。QPSK四相移鍵控是目前最常用的一種衛(wèi)星數(shù)字信號(hào)調(diào)制方式。優(yōu)點(diǎn)：(1)頻譜效率比較高，(2)誤碼率小（抗干擾能力強(qiáng)），(3)電路實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單。二.QPSK調(diào)制解調(diào)基本原理2.1QPSK調(diào)制說(shuō)明：基帶信號(hào)A(t)是單極性不歸零雙極性碼元，串/并轉(zhuǎn)換之后變成并行碼元a和b。這兩路碼元分別用兩路正交的載波相乘。相加之后即可得到QPSK信號(hào)。原因：QPSK信號(hào)可以看成是兩路BPSK信號(hào)相加的結(jié)果。上面的每一路其實(shí)是一個(gè)BPSK調(diào)制。

2.2QPSK解調(diào)說(shuō)明：QPSK信號(hào)是兩個(gè)正交的2PSK信號(hào)的合成，所以可仿照2PSK信號(hào)的相干解調(diào)法，用兩個(gè)正交的相干載波分別檢測(cè)A和B兩個(gè)分量，然后還原成串行二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)，即可完成解調(diào)。2.3QPSK信號(hào)的星座圖信號(hào)矢量端點(diǎn)的分布圖稱為星座圖。將碼元與相位對(duì)應(yīng)的方式用矢量圖表示。三、帶通信號(hào)的低通仿真模型實(shí)際的仿真中，由于仿真采樣頻率的限制，要產(chǎn)生頻帶（帶通）信號(hào)，必須有大量的采樣值。因此，頻帶信號(hào)一般不用在實(shí)際的仿真中。仿真中用帶通信號(hào)的低通表示，會(huì)極大地加快仿真的運(yùn)行，并能大大降低數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和信號(hào)處理的要求。實(shí)質(zhì)：用信號(hào)的復(fù)包絡(luò)代替信號(hào)。QPSK信號(hào)的復(fù)包絡(luò)：四、關(guān)鍵技術(shù)研究4.1無(wú)碼間串?dāng)_的傳輸系統(tǒng)碼間串?dāng)_：直方脈沖的波形在時(shí)域內(nèi)比較尖銳，因而在頻域內(nèi)占用的帶寬是無(wú)限的。如果讓這個(gè)脈沖經(jīng)過(guò)一個(gè)低通濾波器，即讓它的頻率變窄，那么它在時(shí)域內(nèi)就一定會(huì)變寬。因?yàn)槊}沖是一個(gè)序列，這樣相鄰的脈沖間就會(huì)相互干擾。這種現(xiàn)象被稱為碼間串?dāng)_（InterSymbolInterference，ISI）。消除方法：

用根升余弦脈沖函數(shù)進(jìn)行頻譜成形。4.2鎖相環(huán)技術(shù)問(wèn)題的提出：實(shí)際的通信系統(tǒng)會(huì)帶來(lái)一定的頻偏和初始相偏，會(huì)對(duì)系統(tǒng)的性能產(chǎn)生不利的印象。問(wèn)題的解決：用鎖相環(huán)跟蹤系統(tǒng)的相位，加以消除。鎖相環(huán)：是一個(gè)以相位誤差為控制對(duì)象的反饋控制系統(tǒng)，是將參考信號(hào)與受控振蕩器輸出信號(hào)之間的相位進(jìn)行比較，產(chǎn)生相位誤差電壓來(lái)調(diào)整受控振蕩器輸出信號(hào)的相位，從而使受控振蕩器輸出頻率與參考信號(hào)頻率相一致。4.3最佳接收機(jī)最佳接收：(1)最小誤碼率準(zhǔn)則的最佳接收機(jī)最小差錯(cuò)概率。最大似然準(zhǔn)則。是后驗(yàn)概率最大。(2)匹配濾波器準(zhǔn)則下的最佳接收機(jī)用線性濾波器對(duì)接收信號(hào)濾波時(shí)，使抽樣時(shí)刻上輸出信號(hào)噪聲比最大的線性濾波器。理論分析和實(shí)踐都表明，如果濾波器的輸出端能夠獲得最大信噪比，則我們就能最佳地判斷信號(hào)的出現(xiàn)，從而提高系統(tǒng)的檢測(cè)性能。在仿真中用到的是匹配濾波器準(zhǔn)則下的最佳接收機(jī)。4.4實(shí)際通信系統(tǒng)框圖4.5Matlab關(guān)鍵點(diǎn)程序1.原始信息序列的產(chǎn)生original_code1=round(rand(1,code_length));original_code=[ones(1,N_guide)original_code1];2.成形濾波BB=rcosfir(0.3,delay,rate,2/fb,'sqrt');D_sam=conv(D_sam,BB);Q_sam=conv(Q_sam,BB);3.相偏的預(yù)測(cè)Discriminator_Out(pos_timing)=(sign(D_timing(pos_timing))*(Q_timing(pos_timing))-sign(Q_timing(pos_timing))*D_timing(pos_timing))/(sqrt(2)*abs(D_timing(pos_timing)+1j*Q_timing(pos_timing)));4.實(shí)時(shí)濾波D_buffer2(1)=D_pll(1,ii);D_afterMF(ii)=D_buffer2*BB';D_buffer2=circshift(D_buffer2,[0,1]);5.星座圖旋轉(zhuǎn)角度的求得sum_D=sum(D_afterMF(1:rate*N_guide/2));sum_Q=sum(Q_afterMF(1:rate*N_guide/2));delta_angle=angle(sign(sum_D)+1j*sign(sum_Q))-pi/4;五.仿真結(jié)果及其分析5.1關(guān)鍵點(diǎn)波形在解調(diào)時(shí)，由于加入了頻偏和隨機(jī)相偏，解調(diào)后的信號(hào)的幅度不是如當(dāng)初那么平直。并且由于FFT粗捕獲精度有限，捕獲后的頻差不是準(zhǔn)確等于信號(hào)收的的頻差，故FFT捕獲混頻前的波形如圖所示。為了便于比較，我們把鎖相后的波形與鎖相前的波形放到了一起。可以看出，鎖相后的波形基本消除了相偏和頻偏，只存在一定的延時(shí)和倒pi現(xiàn)象。此延時(shí)和倒pi是由于鎖相環(huán)造成的。5.2關(guān)鍵點(diǎn)散點(diǎn)圖分析圖顯示的是原始信號(hào)的散點(diǎn)圖和抽樣后信號(hào)的散點(diǎn)圖。左圖為原始信號(hào)的散點(diǎn)圖，串并轉(zhuǎn)換后和單雙極性碼變換后的序列取值可能為-1和+1，故散點(diǎn)圖有四個(gè)點(diǎn)（1，1），（1，-1），（-1,1），（-1，-1）。抽樣后，由于噪聲的存在和不同模塊的增益不同，若算法正確，可得到信號(hào)的散點(diǎn)圖如圖所示。圖中顯示，抽樣后的散點(diǎn)圖基本集中在（0.8，0.8），（0.8，-0.8），（-0.8，0.8），（-0.8，-0.8）。信號(hào)越集中，說(shuō)明收到的干擾越小，誤碼率就越小。抽樣后的信號(hào)的散點(diǎn)圖可以作為判別信號(hào)解調(diào)正確的一種重要判別手段。5.3誤比特率曲線5.3.1信噪比SNR與比特能量比/噪聲功率譜密度的轉(zhuǎn)換QPSK通信系統(tǒng)不存在頻偏時(shí)，為了得到統(tǒng)一的誤比特率曲線，我們用Eb/No作為我們的自變量。關(guān)于Eb/No與SNR的關(guān)系有以下說(shuō)明：EbNo就是Eb/No。Eb表示單位比特的能量，單位是焦耳（Joules）。No表示功率譜密度，單位是瓦特/赫茲（Watts/Hz）。SNR就是S/R。S表示信號(hào)功率，單位是瓦特（Watts）。N表示噪聲功率，單位是瓦特（Watts）。顯然SNR單位是無(wú)量綱的。EbNo的單位是Joules·Hz/Watts，其實(shí)也是無(wú)量綱的。因?yàn)閃atts表示是焦耳/秒（Joules/s），而1Hz=1/s。EbNo與SNR關(guān)系轉(zhuǎn)換：兩邊取對(duì)數(shù)，可得5.3.2左上以EbNo為變量的誤碼率曲線?？梢园l(fā)現(xiàn)，其和理論值對(duì)應(yīng)的很好。

左下，由于頻偏的存在，我們得到的有頻偏存在時(shí)的誤碼率仿真曲線必定比理論曲線要稍微高一點(diǎn)，這一點(diǎn)從圖中可以看出。而且，當(dāng)噪聲強(qiáng)