基于Matlab的QPSK系统设计仿真.pdf

1、第 10卷 第 5期 2010年 2月1671 - 1815 (2010) 521124205科 学 技 术 与 工 程Science Technology and EngineeringVol110 No15 Feb12010Z 2010 Sci1Tech1Engng1生 物 技 术基 于 Matlab的 QPSK系 统 设 计 仿 真高 博 杨 燕 胡 建 军(西 安 机 电 信 息 研 究 所 ,西 安 710065)摘 要 介 绍 了 数 字 通 信 中 的 QPSK调 制 解 调 的 原 理 ,通 过 用 Matlab编 写 脚 本 程 序 对 QPSK通 信 系 统 的 发 射 和

2、 接 收 过 程 的 具体 实 现 进 行 模 拟 仿 真 ,绘 出 信 号 在 理 想 信 道 和 加 噪 信 道 中 模 拟 传 输 时 的 时 域 图 ,并 对 各 模 块 进 行 了 频 谱 分 析 ,所 得 到 的 结 果 与理 论 基 本 相 符 ,对 于 理 解 QPSK系 统 的 性 能 并 在 系 统 的 实 际 应 用 上 作 进 一 步 的 设 计 ,提 供 了 有 效 的 参 考 依 据 。关 键 词 数 字 通 信 四 相 相 位 键 控 (Quadrature Phase Shift Keying, QPSK) 仿 真 MATLAB中 图 法 分 类 号 TN761

3、18; 文 献 标 志 码 A2009年 11月 12日 收 到第 一 作 者 简 介 :高 博 (1985 ) ,男 ,陕 西 华 县 人 ,硕 士 研 究 生 ,研 究方 向 :现 代 遥 控 遥 测 技 术 。随 着 数 字 技 术 的 飞 速 发 展 与 数 字 器 件 的 广 泛 使用 ,数 字 信 号 处 理 在 通 信 系 统 中 的 应 用 已 经 越 来 越重 要 。 数 字 信 号 传 输 系 统 分 为 基 带 传 输 系 统 和 频 带传 输 系 统 ,频 带 传 输 系 统 也 叫 数 字 调 制 系 统 ,该 系 统对 基 带 信 号 进 行 调 制 ,使 其 频

4、谱 搬 移 到 适 合 在 信 道(一 般 为 带 通 信 道 )上 传 输 的 频 带 上 。 数 字 调 制 和模 拟 调 制 一 样 都 是 正 弦 波 调 制 ,即 被 调 制 信 号 都 为高 频 正 弦 波 。 数 字 调 制 信 号 又 称 为 键 控 信 号 ,数 字调 制 过 程 中 处 理 的 是 数 字 信 号 ,而 载 波 有 振 幅 、 频 率和 相 位 3个 变 量 ,且 二 进 制 的 信 号 只 有 高 低 电 平 两个 逻 辑 量 即 1和 0,所 以 调 制 的 过 程 可 用 键 控 的 方 法由 基 带 信 号 对 载 频 信 号 的 振 幅 、 频 率

5、 及 相 位 进 行 调制 ,最 基 本 的 方 法 有 3种 :正 交 幅 度 调 制 (QAM )、 频移 键 控 ( FSK)、 相 移 键 控 ( PSK)。 根 据 所 处 理 的 基带 信 号 的 进 制 不 同 分 为 二 进 制 和 多 进 制 调 制 (M进制 )。 多 进 制 数 字 调 制 与 二 进 制 相 比 ,其 频 谱 利 用 率更 高 。 在 数 字 通 信 、 数 字 视 频 广 播 、 数 字 卫 星 广 播 等领 域 中 ,广 泛 采 用 M进 制 的 调 制 方 式 1 。理 论 分 析 指 出 ,在 恒 参 信 道 中 利 用 PSK方 式 可以 获

6、得 最 佳 接 收 性 能 ,在 接 收 机 噪 声 的 作 用 下 , PSK误 码 率 最 低 。 本 文 用 Matlab软 件 对 M = 4的 四 相 相位 调 制 解 调 (QPSK)进 行 模 拟 ,并 对 各 模 块 进 行 了 频谱 分 析 。1 QPSK调 制 解 调 技 术1. 1 QPSK调 制 原 理四 相 相 位 调 制 解 调 是 利 用 载 波 的 四 种 不 同 相 位差 来 表 征 输 入 的 数 字 信 息 ,是 四 进 制 移 相 键 控 。QPSK是 在 M = 4时 的 调 相 技 术 ,它 规 定 了 四 种 载 波相 位 ,分 别 为 45 ,

7、135 , 225 , 275 ,调 制 器 输 入 的 数据 是 二 进 制 数 字 序 列 ,为 了 能 和 四 进 制 的 载 波 相 位配 合 起 来 ,则 需 要 把 二 进 制 数 据 变 换 为 四 进 制 数 据 ,这 就 是 说 需 要 把 二 进 制 数 字 序 列 中 每 两 个 比 特 分 成一 组 ,共 有 四 种 组 合 ,即 00, 01, 10, 11,其 中 每 一 组 称为 双 比 特 码 元 。 每 一 个 双 比 特 码 元 是 由 两 位 二 进 制信 息 比 特 组 成 ,它 们 分 别 代 表 四 进 制 四 个 符 号 中 的一 个 符 号 。

8、QPSK中 每 次 调 制 可 传 输 2个 信 息 比 特 ,这 些 信 息 比 特 是 通 过 载 波 的 四 种 相 位 来 传 递 的 。 解调 器 根 据 星 座 图 及 接 收 到 的 载 波 信 号 的 相 位 来 判 断发 送 端 发 送 的 信 息 比 特 。数 字 调 制 用 “ 星 座 图 ” 来 描 述 ,星 座 图 中 定 义 了一 种 调 制 技 术 的 两 个 基 本 参 数 : ( 1)信 号 分 布 ; ( 2)5期 高 博 ,等 :基 于 Matlab的 QPSK系 统 设 计 仿 真与 调 制 数 字 比 特 之 间 的 映 射 关 系 。 星 座 图 中

9、 规 定 了星 座 点 与 传 输 比 特 间 的 对 应 关 系 ,这 种 关 系 称 为 “ 映射 ” ,一 种 调 制 技 术 的 特 性 可 由 信 号 分 布 和 映 射 完 全定 义 ,即 可 由 星 座 图 来 完 全 定 义 3 。在 QPSK调 制 中 , QPSK信 号 可 以 看 作 两 个 载 波正 交 的 2PSK调 制 器 构 成 。 串 /并 变 换 器 将 输 入 的二 进 制 序 列 分 为 速 率 减 半 的 两 个 并 行 的 双 极 性 序列 ,然 后 分 别 对 sin c t和 cos c t调 制 ,相 加 后 得 到QPSK调 制 信 号 。 Q

10、PSK同 相 支 路 和 正 交 支 路 可 分别 采 用 相 干 解 调 方 式 解 调 ,得 到 I ( t)和 Q ( t)。 经 抽样 判 决 和 并 /串 变 换 器 ,将 上 、 下 支 路 得 到 的 并 行 数据 恢 复 成 串 行 数 据 。图 1 QPSK相 干 解 调 框 图1. 2 QPSK解 调 原 理在 QPSK解 调 中 ,正 交 支 路 和 同 相 支 路 分 别 设置 两 个 相 关 器 (或 匹 配 滤 波 器 ) ,得 到 I ( t)和 Q ( t) ,经 电 平 判 决 和 并 /串 变 换 后 即 可 恢 复 原 始 信 息 4 。图 2 QPSK相

11、 干 解 调 框 图从 发 射 机 发 射 的 已 调 信 号 经 过 传 输 媒 质 传 播 到接 收 端 ,接 收 机 接 收 到 的 己 调 信 号 为 :SQ PS K ( t) = I( t) cos c t + Q ( t) sin c t (1)I( t)、 Q ( t)分 别 为 同 相 和 正 交 支 路 , c为 载 波 频率 ,那 么 相 干 解 调 后 ,同 相 支 路 相 乘 可 得 :Ii ( t) = SQ PS K ( t) cos c t = I( t) cos c t +Q ( t) sin c t cos c t =I( t) cos2 wc t + Q

12、( t) sin wc t2 = I( t)2 -I ( t) cos 2 c t2 + Q ( t) sin 2 c t2 (2)正 交 支 路 相 乘 可 得 :Qq ( t) = SQ PS K ( t) sin c t = I( t) cos c t +Q ( t) sin c t sin c t = I( t) sin c t cos c t +Q ( t) sin2 c t = I( t) sin 2 c t2 +Q ( t)2 - Q ( t) cos 2 c t2 (3)经 过 低 通 滤 波 器 可 得 :Ii ( t) = I ( t)2 , Qq ( t) = Q ( t

13、)2 (4)2 计 算 机 仿 真2. 1 发 射 部 分 (调 制 部 分 )系 统 设 计 的 具 体 参 数 为 :数 据 速 率 : 2 5 Mbit/ s;载 波 频 率 : 30 MHz;本 地 振 荡 相 对 于 载 波 的 频 差 : - 100 kHz;信 道 加 入 高 斯 白 噪 声 : - 10 dB;仿 真 中 调 用 MATLAB函 数 randint来 产 生 一 定长 度 L的 随 机 数 data。 为 了 进 行 调 制 ,将 随 机 数 1,0映 射 为 1, - 1。首 先 将 输 入 的 串 行 二 进 制 信 息 序 列 经 串 /并 变换 ,变 成

14、 m = lg2 M 个 并 行 数 据 流 ,每 一 路 的 数 据 率是 R /m , R是 串 行 输 入 码 的 数 据 率 。 I/Q 信 号 发 生器 将 每 一 个 m 比 特 的 字 节 转 换 成 一 对 ( pn , qn )数 字 ,分 成 两 路 速 率 减 半 的 序 列 ,电 平 发 生 器 分 别 产 生 双极 性 二 电 平 信 号 I( t)和 Q ( t) ,即 为 同 相 数 据 ( I支 路数 据 )和 正 交 数 据 (Q支 路 数 据 )。 具 体 做 法 是 : I = data (1) , data ( 3) , data ( 5) , , da

15、ta (L - 1) , Q = data (2) , data (4) , data (6) , , data (L ) ,即 将 输 入数 据 data的 奇 数 列 数 据 赋 给 I,而 将 其 偶 数 列 数 据赋 给 Q。 然 后 I, Q 两 路 数 据 分 别 对 相 位 相 差 90的两 个 载 波 进 行 调 制 ,相 加 后 得 到 QPSK调 制 信 号 。5211科 学 技 术 与 工 程 10卷下 图 为 QPSK调 制 信 号 时 域 波 形 图 及 功 率 谱 图 :图 3 已 调 信 号 时 域 波 形 图图 4 已 调 信 号 功 率 谱 图2. 2 信 道

16、 部 分将 高 斯 白 噪 声 加 入 QPSK信 号 中 ,得 到 接 收 信号 时 域 波 形 图 及 功 率 谱 图 。图 5 接 收 信 号 时 域 波 形 图图 6 接 收 信 号 功 率 谱 图2. 3 接 收 部 分 (解 调 部 分 )接 收 信 号 在 I, Q 两 路 分 别 于 相 差 90度 的 载 波信 号 相 乘 ,并 经 过 低 通 滤 波 器 分 别 滤 出 低 频 分 量 。I, Q两 路 通 过 乘 法 器 信 号 与 低 频 滤 波 器 信 号 的 时 域波 形 图 分 别 如 图 7 图 10所 示 。根 据 调 制 端 的 编 码 规 则 ,判 决 规

17、 则 如 下 :图 7 上 支 路 通 过 乘 法 器 信 号 时 域 波 形 图图 8 上 支 路 通 过 低 通 滤 波 器 信 号 时 域 波 形 图图 9 下 支 路 通 过 乘 法 器 信 号 时 域 波 形 图图 10 下 支 路 通 过 低 通 滤 波 器 信 号 时 域 波 形 图I路 判 决 得 Ii ,规 则 如 下 :若 Ii 0,判 为 1,若 Ii 0,判 为 l,若Qq 0,判 为 0。经 过 抽 样 判 决 所 得 到 的 I, Q两 路 与 原 基 带 信 号完 全 一 样 ,再 经 过 并 /串 变 换 后 就 可 以 恢 复 出 原 来 的输 入 数 据 d

18、ata。 输 入 输 出 信 号 仿 真 结 果 波 形 及 功 率谱 对 比 见 下 图 11 图 14所 示 。由 信 号 仿 真 结 果 对 比 可 以 看 出 ,在 载 波 频 率 存在 一 定 频 差 的 情 况 下 ,文 中 所 设 计 的 程 序 仍 可 以 较62115期 高 博 ,等 :基 于 Matlab的 QPSK系 统 设 计 仿 真图 11 基 带 信 号 时 域 波 形 图图 12 解 调 信 号 时 域 波 形 图 Pn = - 10 dB图 13 基 带 信 号 功 率 谱 图图 14 解 调 信 号 功 率 谱 图 Pn = - 10 dB好 的 恢 复 基

19、带 信 号 ,这 也 与 理 论 值 基 本 一 致 。3 结 论MATLAB是 现 在 很 流 行 的 用 于 科 学 计 算 的 软 件工 具 ,它 集 数 值 分 析 、 矩 阵 运 算 、 信 号 处 理 、 图 像 显 示等 多 种 功 能 于 一 体 ,提 供 了 一 个 高 性 能 的 科 学 计 算环 境 ,因 此 在 通 信 、 自 动 化 等 领 域 都 得 到 了 广 泛 的 应用 。 同 时 也 是 理 论 教 学 和 实 验 教 学 的 有 力 工 具 。 借助 于 MATLAB可 大 大 拓 宽 研 究 分 析 的 视 野 ,提 高 研究 设 汁 的 效 率 ,具

20、有 重 要 的 推 广 和 应 用 价 值 。本 文 通 过 分 析 QPSK调 制 解 调 方 式 的 调 制 算 法和 解 调 方 式 设 计 出 相 应 的 MATLAB程 序 结 构 框 图来 仿 真 QPSK,文 章 主 要 讨 论 了 理 想 QPSK系 统 的 数学 建 模 和 仿 真 方 法 ,通 过 调 用 各 种 功 能 模 块 实 时 反映 QPSK的 调 制 解 调 过 程 ,经 过 MATLAB程 序 检 验 ,得 到 的 结 果 与 理 想 的 理 论 情 况 一 致 ,说 明 这 种 仿 真方 法 是 正 确 的 。 由 于 QPSK的 解 调 方 式 能 够 简

21、 化 硬件 并 且 QPSK占 有 较 小 的 频 谱 ,所 以 它 是 当 代 移 动通 信 中 使 用 较 多 的 一 种 线 性 调 制 解 调 方 式 。 因 此 对于 理 解 QPSK系 统 的 性 能 并 在 系 统 的 实 际 应 用 上 作进 一 步 的 设 计 ,提 供 了 有 效 的 参 考 依 据 。参 考 文 献1 樊 昌 信 ,詹 道 庸 . 通 信 原 理 . 北 京 :国 防 工 业 出 版 社 , 19952 约 翰 普 罗 克 斯 . 现 代 通 信 系 统 2使 用 MATLAB. 刘 树 棠 ,译 . 西安 : 西 安 交 通 大 学 出 版 社 , 20

22、013 路 布 新 . 基 于 FPGA的 全 数 字 QPSK通 信 系 统 的 研 究 . 南 京 :南 京理 工 大 学 硕 士 学 位 论 文 , 2006; 64 杨 东 亮 ,罗 志 强 ,许 家 栋 . 高 码 速 率 QPSK解 调 器 的 设 计 . 航 空 计算 技 术 , 2008; 38 (2) : 104 1065 侯 周 国 ,钱 盛 友 . 基 于 Matlab编 程 的 QPSK的 仿 真 . 广 西 师 范 大 学学 报 (自 然 科 学 版 ) , 2005; 23 (1) : 21 246 李 栋 ,余 能 海 ,沈 道 义 . 基 于 DSP的 软 件

23、无 线 电 QPSK相 干 解 调技 术 研 究 . 计 算 机 仿 真 , 2007; 24 (2) : 118 1217 Mitola J. The software radio Architecture. IEEE CommunicationMagazine,1995; (5) : 26 388 L iu Chiliang. /42QPSK modem s for satellite sound /data broadcastsystem s. IEEE Trans on B roadcasting, 1991; 37 (1) : 1 89 Robert H, Zargaoza M, S

24、hu L in. QPSK block2modulation codes ofunequal error Protection. IEEE Transaction on Information Theory,1995: 576 58110 Mengali U,MorelliM. Data2aided frequency estimation for burst digitaltransm ission. IEEE Trans Comm, 1997; 45 (1) : 23 25(下 转 第 1138页 )7211科 学 技 术 与 工 程 10卷within the boundary laye

25、r, aswell as induces a velocity component perpendicular to the wall and a favorable p ressuregradient in the streamwise direction. This leads to an increased ability of the boundary layer to resist the adversep ressure gradient, which is beneficial to the alleviation of the flow separation. W ith th

26、e rise of the incom ing flowvelocity, the p lasma effect decreases. So in order to obtain an effective flow control using p lasma, the intensity of theelectric field must be strengthened. Key words p lasma boundary layer flow control(上 接 第 1127页 )Design and Simulation for QPSK System Based on MATLAB

27、GAO Bo, YANG Yan, HU J ian2jun(Xi an Institute of Electromechanical Information Technology, Xi an 710065, P. R. China) Abstract The introduction was done with the p rincip le of the QPSK modulation and demodulation in digitalcommunications, a scrip t was written by usingMatlab p rogram to carry out

28、a simulation of the QPSK communicationsystem, which contains the concrete realization of transm it and receive p rocess. The time2domain diagram is drewseparately when the signal transm its in the ideal channel and in the channel with noise, spectral analysis of eachmodule is also done, the results

29、obtained with theoretical results in the main, which p rovides an effective frame ofreference for understanding the performance of QPSK system s, and the p ractical app lication in the system to makefurther designed. Key words digital communication QPSK simulation MATLAB(上 接 第 1131页 )Fuel Injection

30、Performance Detecting System ofD iesel Engine Based on LabVIEWYU W en2wen, L IANG Dong, MA Shi2you1 , L I Tian2gang2 , ZHENG Hai2qi(Mechanical Engineering College, Shijiazhuang 050003, P. R. China; A ir Defence Command College1 , Zhengzhou 450052, P. R, China;ShenyangM ilitary Rep resentative Bureau

31、 M ilitary Rep resentative Bureau Office resided in No. 672 Factory2 , Q iqihar 161006, P. R. China) Abstract The relationship is researched between elastic deformation of injection line and oil p ressures of thediesel engine fuel system, got the oil p ressure curve, and then test the dynam ic perfo

32、rmance of diesel engine. Builtthe fuel performance collection system of diesel engine based on virtual instrument, established the neural networkwhich can show the characterize parameter and normal2fault diagnosis of fuel system performance. The test and faultdiagnosis system is developed by LabV IEW. Key words LabV IEW diesel engine fuel injection performance condition detection8311