基于MATLAB的QPSK调制系统的误码性能研究

1、专业课程设计报告 题 目： 基于MATLAB的QPSK调制系统的误码性能研究 姓 名：专 业：通信工程班级学号：同 组 人 ：指导教师： 南昌航空大学信息工程学院20 16 年 6 月 27 日 专业 课程设计任务书20 1520 16 学年 第 2 学期第 15 周 18 周 题目基于MATLAB的QPSK调制系统的误码性能研究内容及要求 设计内容：仿真研究QPSK调制系统的误码性能。 基本要求： 理解和掌握BPSK、QPSK的调制与解调原理。 掌握MATLAB的编程方法。 用仿真的方法研究BPSK和QPSK系统的符号错误率并作图。 研究仿真实验次数与结果精确度的关系。 完成课程设计报告。进

2、度安排15周：相关资料收集，确定仿真实验的数学模型。16-17周：方案设计,编程，系统调试。18周：设计结果验收，报告初稿的撰写。学生姓名： 指导时间 周一 周三 周五指导地点：E楼 607 室任务下达20 16 年 6 月6 日任务完成20 16 年 6 月 30 日考核方式1.评阅 2.答辩 3.实际操作 4.其它指导教师系（部）主任注：1、此表一组一表二份，课程设计小组组长一份；任课教师授课时自带一份备查。2、课程设计结束后与“课程设计小结”、“学生成绩单”一并交院教务存档。摘 要QPSK正交相移键控，是一种数字调制方式，四相相移键控信号。在现代通信系统中，调制与解调是必不可少的重要手段

3、。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。QPSK技术具有抗干扰能力好、误码率低、频谱利用效率高等一系列优点。本设计主要介绍了BPSK、QPSK的调制与解调原理，在Matlabsimulink 中对比了BPSK和QPSK系统的符号错误率，并研究了仿真试验次数与结果精度的关系。关键词:正交相移键控 调制解调 Matlabsimulink 误码性能目 录第一章 课程设计内容介绍11.1 设计目的11.2 MATLABSimulink简介11.3 通信系统基本模型1第二章 MPSK调制解调原理22.1 QPSK、BPSK基本原理介绍

4、22.2 BPSK调制原理22.3 BPSK调制原理42.4 QPSK调制原理52.5 QPSK解调原理6第三章 MPSK系统误码性能研究73.1 BPSK系统及其模块参数配置73.2 QPSK系统及其模块参数配置93.3 QPSK&BPSK系统误码率对比113.4 仿真实验次数与结果精确度的关系12第四章 课程设计总结14参考文献15附录 BPSK&QPSK误码率曲线对比代码16第1章 课程设计内容介绍1.1 设计目的1、 掌握MATLAB的编程方法和学会使用simulink仿真。2、 理解和掌握BPSK、QPSK的调制解调原理，比较BPSK、QPSK调制系统误码性能。3、 研究仿真实验次数

5、与结果精确度的关系。1.2 MATLABSimulink简介MATLAB是MATrix LABoratory的缩写，是一款由美国Math Works公司出品的商业数学软件，用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境。又因为大量额的工具箱使它也适合于不同领域的应用,如控制系统设计与分析、图像处理和信号处理和通信、金融建模和分析等。Simulink是MATLAB最重要的组件之一，它提供一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境。具有适应面广、结构和流程清晰及仿真精细、效率高、贴近实际、等优点，已被广泛应用于控制理论和数字信号处理的复杂仿真和设计，同时有大量的第三方

6、软件和硬件应用于Simulink。1.3 通信系统基本模型通信系统主要包括发出信号的信号源，调制器，传输信号的信道和解调器以及接收信号的信宿，其模型如图1.1所示。信号源解调器信道信宿调制器 噪声图1.3 通信系统模型第2章 MPSK调制解调原理2.1 QPSK、BPSK基本原理介绍MPSK是多进制数字相位调制，又称多相制，是二相制的推广。如果将载波的相位进一步细分，分成m个不同的相位，一般m=2N，N是正整数。常见的有m=2，4，8，16，32，分别称,2PSK、4PSK、8PSK等。这样，每个具有特定相位的载波就代表N比特的信息量。BPSK是在M=2时的数字的调相技术，它通过约定的两种载波

7、相位，分别为0和180，它是将模拟信号转换成数据值的转换方式之一，利用偏离相位的复数波浪组合来表现信息键控移相方式。BPSK使用了基准的正弦波和相位反转的波浪，使一方为0，另一方为1，从而可以同时传送接受1比特的信息。QPSK是在MPSK技术上使用载波的四个各不相同的相位差来表示输入的信息，是具有四进制的相移键控。QPSK是在M=4时的数字的调相技术，它通过约定的四种载波相位，分别为45，135，225，275，输入数据为二进制的数字序列，因为载波相位是四进制的，所以我们需要把二进制的数据变为四进制的，即把二进制序列中每两个比特分成一组，四种排列组合，即00，01，10，11，双比特码元即为一

8、组。每两位二进制信息比特构成每一组，它们分别表示着着四个符号中的某一个符号。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。2.2 BPSK调制原理BPSK是两个频率相同的载波同时开始振荡，这两个频率同时达到正最大值，同时达到零值，同时达到负最大值，它们应处于同相状态；如果其中一个开始得迟了一点，就可能不相同了。如果一个达到正最大值时，另一个达到负最大值，则称为反相。一般把信号振荡一次（一周）作为360度。如果一个波比另一个波相差半个周期，我们说两个波的相位差180度，也就是反相。当传输数字信号时，1码控制发0度相位，0码控制发180度相位。载波的初始相位就有了

9、移动，也就带上了信息。相移键控是利用载波的相位变化来传递数字信息，而振幅和频率保持不变。在2PSK中，通常用初始相位0和分别表示二进制“1”和“0”。因此，2PSK信号的时域表达式为 （1）式中，jn表示第n个符号的绝对相位： （2）因此，上式可以改写为 （3）由于两种码元的波形相同，极性相反，故BPSK信号可以表述为一个双极性全占空矩形脉冲序列与一个正弦载波的相乘： （4）式中 （5）这里s(t)为双极性全占空(非归零)矩形脉冲序列，g(t)是脉宽为Ts的单个矩形脉冲，而an的统计特性为 （6）开关电路S(t)e2psk(t)1800移相coswctp0BPSK信号的调制原理框图如图2-2所

10、示。与2ASK信号的产生方法相比较，只是对是S(t)的要求不同。在2ASK中S(t)是单极性的，而在BPSK中S(t)是双极性的基带信号。图2.2 BPSK调制原理框图2.3 BPSK调制原理BPSK信号的解调方法是相干解调法。由于PSK信号本身就是利用相位传递信息的，所以在接收端必须利用信号的相位信息来解调信号。下图2.3.1中给出了一种2PSK信号相干接收设备的原理框图。图中经过带通滤波的信号在相乘器中与本地载波相乘，然后用低通滤波器滤除高频分量，在进行抽样判决。判决器是按极性来判决的。即正抽样值判为1，负抽样值判为0。Ts1010 tb1 tt ttt11100adecCoswct be

11、2psk(t)e输出dca带通滤波器相乘器低通滤波器抽样判决器定时脉冲图2.3.1 BPSK解调原理框图图2.3.2 BPSK解调原理过程波形图波形图中，假设相干载波的基准相位与BPSK信号的调制载波的基准相位一致（通常默认为0相位）。但是，由于在BPSK信号的载波恢复过程中存在着的相位模糊，即恢复的本地载波与所需的相干载波可能同相，也可能反相，这种相位关系的不确定性将会造成解调出的数字基带信号与发送的数字基带信号正好相反，即“1”变为“0”，“0”变为“1”，判决器输出数字信号全部出错。这种现象称为BPSK 方式的“倒现象”或“反相工作”。这导致了BPSK方式在实际中很少采用。另外，在随机信

12、号码元序列中，信号波形有可能出现长时间连续的正弦波形，致使在接收端无法辨认信号码元的起止时刻。为了克服BPSK这一缺点，在实际使用中常采用DPSK，即差分相移键控。2.4 QPSK调制原理首先将输入的串行二进制信息序列经串并变换，变成m=log2M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)，然后对coswct和sinwct进行调制，相加后即得到QPSK信号。图2.4.1 QPSK调制原理框图图2.4.2 QPSK调制符号相位图由相位图

13、可以看出： 当输入的数字信息为“11”码元时，输出已调载波 当输入的数字信息为“01”码元时，输出已调载波 当输入的数字信息为“00”码元时，输出已调载波 当输入的数字信息为“10”码元时，输出已调载波 2.5 QPSK解调原理由于QPSK信号可以看作两个正交2PSK信号的叠加，解调框如图2.5.1，用相干解调方法，即用两路正交的相干载波，可以很容易的分离出这两路正交的2PSK信号。解调后的两路基带信号码元a和b，经过并串变换后，成为串行输出。图2.5.1 QPSK解调原理框图第3章 MPSK系统误码性能研究3.1 BPSK系统及其模块参数配置图3.1.1 BPSK系统模型图图3.1.2 随机

14、整数信源参数配置图 图3.1.3 AWGN信道参数配置图图3.1.4调制器参数配置图图3.1.5解调器参数配置图图3.1.6保存误码率模块参数配置图3.2 QPSK系统及其模块参数配置图3.2.1 QPSK系统模型图图3.2.2 随机整数信源参数配置图 图3.2.3 AWGN信道参数配置图图3.2.4调制器参数配置图图3.2.5解调器参数配置图图3.2.6保存误码率模块参数配置图3.3 QPSK&BPSK系统误码率对比图3.3 BPSK& QPSK系统误码率曲线仿真结果分析：由图可以看出BFSK和QPSK调制方式的符号误码率在高斯信道下相差不大，在相同信噪比下，BPSK系统的误码率总是比QPS

15、K系统误码率要低。两者在仿真系统下，理论值与实际值契合得比较理想，共同点是随着信噪比逐渐增大，误码率实际值迅速减小，性能十分优越。因此相对BPSK和QPSK而言，在选择对误码性能要求较高的系统时，选择BPSK较合适，它的误码率较低。3.4 仿真实验次数与结果精确度的关系 图3.4.1 BPSK系统仿真实验次数与误码率曲线精确度关系图3.4.2 QPSK系统仿真实验次数与误码率曲线精确度关系仿真结果分析： 由上两幅仿真图可知，无论是BPSK系统还是QPSK系统，当实验次数N值较小时，实际仿真误码率都在理想误码率曲线上下抖动得，两者偏差较大。当实验次数N值逐渐增大时，实际仿真误码率逐渐逼近理想误码

16、率曲线，偏差减小。当实验次数N值取足够大时，实际仿真误码率曲线变成一条圆滑的曲线与理论值近似相同。由此分析可得：研究仿真实验次数与结果精确度的关系是一个数量庞大的统计实验，实验仿真次数N越大，仿真误差就越小，得到的仿真结果的精确度越高。第4章 课程设计总结本次仿真主要理解和掌握BPSK、QPSK的调制与解调原理，掌握MATLAB的编程方法，以及用仿真的方法（基于simulink）在AWGN信道中误码性能进行了仿真，研究BPSK和QPSK系统的符号错误率并作图，了解它们的误码性能并作比较，最后研究仿真实验次数与结果精确度的关系。在这次课程设计过程中，遇到了不少问题，首先是对于simulink仿真

17、的不熟悉，对各模块的参数配置存在很多疑惑，在老师的指导下建立好了仿真模型。其次是在仿真画图中发现作出的图横坐标信噪比总是不能显示出预先设计的数值，经过多次尝试和检查才发现是取的码元不够多导致计算不了设置好的参数值下的误码率。本次课程设计得出结论如下：由于仿真中各种条件都是理想化的，包括数据在传输过程中，除了噪声影响以外不会发生任何错误，所以相对实际情况来说，在相同的信噪比之下，比特错误率要小的多，但仿真所得结果与事实规律一致。从仿真数据可知，BPSK和QPSK调制方式的符号误码率在高斯信道下相差不大，在相同信噪比下，BPSK误码性能始终比QPSK较好。且BPSK系统和QPSK系统都随着实验仿真

18、次数N增大，误差减小，仿真结果的精确度越高。参 考 文 献1 樊昌信.通信原理（第六版）.北京：国防工业出版社，2012.82 王正林.MATLAB/Simulink与控制系统仿真.北京：电子工业出版社，20023 王沫然.Simulink建模及动态仿真.北京：电子工业出版社，20024 李贺冰.Simulink 通信仿真教程.北京：国防工业出版社，20065 蔡旭晖.MATLAB基础与应用教程.北京：人民邮电出版社，2009附录 BPSK&QPSK误码率曲线对比代码x=0:14; %x表示信噪比的取值范围%y=x; %y表示BPSK的误比特率for i=1:length(x) %信噪比依次取向量的数值 SNR=x(i); sim(untitledbpsk); %运行BPSK模型 y(i)=mean(BER);