1、QPSK 调制与解调系统的 MATLAB 实现及性能分析摘要：Q PSK 是 英 文 QuadraturePhaseShiftKeying 的 缩 略 语 简 称 ， 意 为 正 交相 移 键 控 ， 是 一 种 数 字 调 制 方 式 。 四 相 相 移 键 控 信 号 简 称 “QPSK”。 在现代通信系统中，调制与解调是必不可少的重要手段。所谓调制，就是把信号转换成适合在信道中传输的形式的一种过程。解调则是调制的相反过程，而从已调制信号中恢复出原信号。本 课 程 设 计 主 要 介 绍 通过进行 QPSK 调制解调的基带仿真，对实现中影响该系统性能的几个重要问题进行了研究。针对 QPSK
2、 的特点，调制前后发生的变化，加上噪声后波形出现的各种变化，通过星座图、眼图、波形图等来观察。程序设计与仿真均采用 MATLAB 集成环境下的Simulink 仿真平台 ，最后仿真详单与理论分析一致。1 引言本课程设计主要是学会运用 MATLAB 中的 Simulink 来实现数字基带信号的模拟传输。在知道其传输原理的情况下，将仿真电路到 Simulink 之中。并且对正交振幅调制、解调过程的频谱和波形的分析，同时在无噪声和有噪声的进行分析，加入高斯白噪声，瑞利噪声，莱斯噪声分析调制解调后的频谱、波形，观察其误码率。1.1 课程设计的目的通过本课程的学习我们不仅能加深理解和巩固理论课上所学的有
3、关 QPSK 调制与解调的基本概念、基本理论和基本方法，而且能锻炼我们分析问题和解决问题的能力；同时对我们独立工作的习惯和科学素质进行培养，为今后参加科学工作打下良好的基础。1.2 课程设计的内容利用 MATLAB 集成环境下的 Simulink 仿真平台,设计一个 QPSK 调制与解调系统.用示波器观察调制前后的信号波形;用频谱分析模块观察调制前后信号频谱的变化;加上各种噪声源,用误码测试模块测量误码率;最后根据运行结果和波形来分析该系统性能。1.3 课程设计的要求1）熟悉 MATLAB 环境下的 Simulink 仿真平台，熟悉 QPSK 系统的调制解调原理，构建 QPSK 调制解调电路图
4、.2）用示波器观察调制前后的信号波形，用频谱分析模块观察调制前后信号的频谱的变化。并观察解调前后频谱有何变化以加深对该信号调制解调原理的理解。3）在调制与解调电路间加上各种噪声源，用误码测试模块测量误码率,并给出仿真波形，改变信噪比并比较解调后波形，分析噪声对系统造成的影响。 4）在老师的指导下，要求独立完成课程设计的全部内容。2 设计原理2.1 MPSK 的介绍MPSK 即多进制相移键控，又称为多相制。这种键控方式是多进制键控的主要方式。在 M 进制的相移键控信号，用 M 个相位不同的载波分别代表 M 个不同的符号。如果载波有 2n个相位，它可以代表 n 位二进制码元的的不同组合的码组。多进
5、制相移键控也分为多进制绝对相移键控和多进制相对相移键控。在 MPSK 信号中，载波相位有 M 种可能取值，q n=2n/M(n=1,2,M)。因此MPSK 信号可表示为S(t) = cos( 0t+ n) = cos ( 0t+2n/M)若载波频率是基带信号速率的整数倍，则上式可改写为S(t)=g(t-nT s)cos( 0t+ n)=cos 0tg(t-nT s)cos n-sin 0tg(t-nT)sin n式中 g(t)是高度为 1、宽度为 Ts的矩形脉冲。式中表明，MPSK 信号可等效为两个正交载波的 MASK 信号之和。所以，MPSK 信号的带宽和 MASK 信号的带宽相同。因此，M
6、PSK 系统是一种高效率的信息传输方式。但是，当 M 的取值增加时，载波间的相位差也随之减少，这就使它的抗噪声性能变差。2.2 8PSK 的原理在八相调相中，把载波相位的一个周期 0-2 等分成 8 种相位，已调波相邻相位之差为 2/8=/4。二进制信码的三比码组成一个八进制码元，并与一个已调波的相位对应。所以在调制时必须将二进制的基带串行码流经过串/并变换，变为三比特码元，然后进行调相。三比特码元的组合不同，对应的已调波的相位就不同。8PSK 信号可用正交调制法产生，方法如图 2.1 所示。输入的二进制信息序列经串/并变换后，分为三路并行序列 BAC，每一组并行的 BAC 称为三比特码元。每
7、路的码元速率是输入数据速率的 1/3。A 和 C 送入同相支路的 2/4 电平变换器，输出的电平幅度值为 ak;B 和 C 送入正交支路的 2/4 电平变换器，输出的电平幅度值为 bk。将 ak和 bk这两个幅度不同而相互正交的矢量合成后就能得到 8PSK信号。在图 2.1 中，A 用于决定同相支路信号的极性（A 为“1”码时，a k为正；A 为“0”码时，a k为负） 。B 用于决定正交支路信号的极性（B 为“1”码时，bk为正；B 为“0”码时，b k为负） 。C 则用于确定同相支路和正交支路信号的幅度（C 为“1”码时，|a k|bk|；C 为“0”码时，|a k|bk|） 。串/并变换
8、2/4 电平变换2/4 电平变换倒相移相/2 二进制信息序列ACB Q（t）I(t)cos 0tsin 0takbk8PSK图 2.1 正交调制法产生 8PSK 信号方框图8PSK绝对移相调制利用载波的8种不同相位来表征数字信息。它把输入的二进制信号序列经过串并变换每次把一个3 位的码组映射为一个符号的相位，因此符号率为比特率的1 / 3，它们与载波相位的映射关系如图2.2所示图2.2 位信息比特到8PSK符号的映射关系图系统根据映射后的相位，计算出I ,Q两路的数值，经过成形滤波，送入信道传输。在接收端，首先经过匹配滤波滤除带外噪声和干扰，然后经过抽样相位判决，相位解码，并串变换，恢复出原始
9、的数据流。整个8PSK调制解调系统的基带仿真框图如下图2.3所示串并变换相位编码形成滤波信道并串编码相位解码匹配滤波抽样相位判 决输入数据恢复数据流图2.3 8PSK的调制解调原理图由于8PSK存在相位模糊问题，因此可采用差分编码技术，将3 位码组映射的相位值作为实际相位的增加量；在接收端，抽样判决后的相位值也须先经过相应的差分解码，恢复出原始相位值，之后再进行相位解码和并串转换就可恢复出原始数据流。采用这样的带差分编码的8PSK（即D8PSK.）就可解决相位模糊的问题.3 模块设计与仿真图形分析3.1 8PSK 的调制解调基本原理图熟悉 SIMULINK 的调制与解调原理，初步设置了 8PS
10、K 基本原理图，由数字源随机整数产生器（Random Integer Generator ）输出具有均匀分布的随机整数。此时通过了一个转换器，形成了基带信号与调制信号的波形比较，以计算延迟，同时观察调制与解调的星座图。图 3.1 8PSK 原理图原理图中各模块的参数设置如下：图 3.2 8PSK 的基带信号参数设置图 3.3 调制器的参数设置图 3.4 解调器的参数设置图 3.5 Buffer 的参数设置图 3.6 Eye Diagram Scopel 的参数设置图 3.7 Error Rate Calulation 的参数设置图 3.8 Display 的参数设置在此仿真图中，有两个眼图的比较，如下所示：
