通信系统仿真

1、课程设计报告书课程名称：通信系统的计算机仿真设计QPSK 通信系统性能分析与 MATLAB仿真电子工程学院杨 浩评语：成绩：签名：日期：基于MATLAB的 QPSK通信系统的设计与仿真1 绪论随着通信系统复杂性不断增加 ,传统设计已不能适应发展的需要,通信系统的模拟仿真技术越来越受到重视 ,因此在设计新系统时 ,要对原有的系统做出修改或者进行相关研究,通常要进行建模和仿真 ,通过仿真结果来衡量方案的可行性 ,从中选择合理的系统配置和参数设置 ,然后进行实际应用。MATLAB 作为一种功能强大的数据分析和工程计算高级语言,已被广泛应用于现代科学技术研究和工程设计的各个领域。调制解调技术在通信系统

2、中不可或缺，因此，基于 MATLAB的调制解调模块仿真设计对通信系统的教学和科研都具有积极的意义。本次课程设计是根据“通信工程专业培养计划”要求而制定的。通信系统的计算程中出现的各类技术问题，巩固和扩大所学知识面，为以后走向工作岗位进行设计打下一定的基础。1）掌握一般通信系统设计的过程、步骤、要求、工作内容23）训练学生综合运用专业知识的能力，提高学生进行通信工程设计的能力。QPSK是英文 QuadraturePhaseShiftKeying是一种数字调制方式。在 19世纪 80年代初期,人们选用恒定包络数字调制。这类数字调制技术的优点是已调信号具有相对窄的功率谱和对放大设备没有线性要求,不足

3、之处是其频谱利用率低于线性调制技术。19世纪 80年代中期以后,四相绝对移相键控(QPSK)技术以其抗干扰性能强、误码性能好、频谱利用率高等优点,广泛应用于数字微波通信系统、数字卫星通信系统、宽带接入、移动通信及有线电视系统之中。2 QPSK通信系统本次设计，应用 Matlab进行仿真，仿真采用蒙特卡罗模型。仿真框图如图 2.1：码元传输速率通常又称为码元速率，传码率，码率，信号速率或波形速率，直单位时间内传输码元的数目，单位为波特，常用 B表示。信息传输速率 Rb信息传输速率简称信息速率，又称比特率，表示单位时间内传送的比特数，单位为 bit/s。频带利用率指的是传输效率问题，即定义为：单位

4、频带内码元传输速率的大小，b码元差错率简称误码率，指接受错误的码元数在传送码元数中所占的比例。准确的说，误码率就是码元在传输系统中被传错的概率，表示为：Pe=单位时间内接收的错误码元数/单位时间内系统传输的总码元数。例。表示为：Pb=/单位时间内系统传输本次设计用的信源是模拟的正弦波信号 4KHz，信宿用示波器，以观察接收信号。3.1.2信源编码与解码PCM 即脉冲编码调制，在通信系统中完成将语音信号数字化功能。PCM的实现主要包括三个步骤完成：抽样、量化、编码。分别完成时间上离散、幅度上离散、及量 CCITT 量化，有两种建议方式，分别为 A 律和律方式，我国采用了 A 律方式，由于 A 律

5、压缩实现复杂，常使用 13 折线法编码。PCM编码过程：如图 3.1抽样后进行【-1,1】范围的限幅，通过 Relay器件提取出该抽样值的极性，如果极性为负，则判为01样值加上绝对值，经过 A 律压缩器后放大 127 倍，由量化器进行量化，变成 7 位二进制码，与极性码组成 8 位并行码输出。PCM 3.2 8 位的PCM Relay 器件进行判断，如果是107 位码通过Converter 由二进制转化成十进制数并减小为原来的1/127，经过A 率解压缩后与极性相乘，得到的数即为PCM 解调后的抽样值。 3.2.1 二进制 RS 码编码器二进制 RS编码器产生一个 m进制(n,k)Reed-S

6、olomon码。与整型 RS编码器不同 RSm位二进制码来表示一个 M进制符号，其中 M=2m。因此，输入信号的长度应该是 m*k的倍数，同时输出信号的长度是 m*n的倍数。表 3-1是二进制 RS码编码器参数设置情况。表 3-1 二进制 RS码编码器参数设置二进制 RS解码器对以二进制序列型时表示的 M进制(n,k)Reed-Solomon码的解码，其中 M=2m。二进制 RS解码器的输入信号和输出信号都是二进制符号，并且 m个二进制符号表示一个 M进制整数。二进制 RS解码器只能处理帧格式数据，输入帧长度是 m*n的整数倍，输出的长度是 m*k的整数倍。二进制 RS解码器其参数设置如表3-

7、2所示。选中 Output Port for number of corrected errors后，二进制 RS解码器有两RS(n,k)RS码能够纠正(n-k)/2个 M RS码的纠错能力时，第二输出端口的输出信号是-1.二进制 RS解码器主要有以下几个参数。Codeword length N(码字长度）RS码的码字长度 n。二进制输入信号 RS码解码器的输出向量的长度等于 m*n。Message length K(信息位长度）RS码信息位的长度 k。二进制输入信号 RS码解码器的输入向量的长度等于 m*k。四相相移键控（QPSK，Quadrature Phase Shift Keying)

8、是一种多进制数字相位调制方式它把输入信号 0、1、2、3分别映射为 4个不同的相位，这些相位之间的间隔等于 Pi/2。假设 QPSK调制的输入信号为 x，其中 x的取值范围是 0、1、2、3，则输出信号 y=exp（j +j*x*pi/2 是相位偏移。 QPSK 基带调制器（ QPSKModulatorBaseband)对输入信号实施 QPSK调制，产生复数形式的基带调制信号，其参数设置如表 3-3所示。表 3-3 QPSK基带调制器参数设置BitBinaryPhaseOffset1QPSK基带调制器可以接受两种类型的输入信号：Integer或 Bit。当输入信号类型设置为 Inter时，QP

9、SK基带调制器的输入信号是介于 0和 3号类型设置为 Bit时，QPSK进制表示一个四进制整数。当输入信号类型设置为 Bit时，QPSK基带调制器输入信号中得每两个二进制位表示一个四进制整数，这两个二进制位既可以是自然二进制编码序列，也可以是 Gray码序列，他们产生不同的星座图。当 constellationordering设置为 binary时，输入信号是自然二进制编码序列；当 constellationordering设置为 gray时，输入信号是 gray码序列。QPSK基带调制的相位偏移 对应于每一个输入信号 QPSK基带调制产生的输出信号的抽样点的个数。QPSK基带解调器（QPSK

10、 demodulator baseband）对输入的 QPSK基带调制信号进行解调，这QPSK解调器的输入信号为 y移等于 ，则当 y=exp（j +j*m* /2）时，输出信号 z=m。QPSK基带解调器的输出 2 3-4所示，表 3-4 QPSK基带解调器参数设置BitBinaryPhaseOffset1 过程。加性高斯白噪声的均值为 0，方差表现为噪声功率的大小。一般情况下，噪声功率越大，信号的波动幅度就越大，接收端接收到的信号的误比特率就越高。在研究本次设计用的信道是加性高斯白噪声信道模块。加性高斯白噪声信道（Channel)模块位于 Blockets|Communications B

11、lockset|Channels|AWGN Channel,它3-4所示是加性高斯白噪声信道其属性设表 3-4 加性高斯白噪声信道参数设置SNR1Input signal power(watts)信号，也可以是复信号。当操作模式设置为 Variance from port时，加性高斯白噪 串并/在本实验中，PCM 编码出来的是 8 位的并行码，QPSK调制要求其必须进行并串QPSK解调后的串行码也必须经过串并转换才能进行 PCM /串并转换使用 Buffer 实现，具体搭建如图 3.8（ab）所示。 在通信系统仿真过程中，眼图、发散图和轨迹图经常用于观测调制信号以及调制信号通过信道之后特征，以

12、此来衡量调制方式和信道条件。3.6.1 离散时间眼图离散时间眼图（Discrete Eye Diagram Scope）是用来产生眼图的模块，通常用于显示调制信号的输出。离散时间眼图模块只有一个输入端口，用于输入离散时间信号。这个信号既可以是实信号，也可以是复信号。离散时间眼图参数设置如表3-5所示。表 3-5离散时间眼图其参数设置New traces per display离散时间发散图（Discrete-Time Scatter Plot Scope)通常用来观测调制信号的特性和信道对调制信号的干扰特征。离散时间发散图模块接收复信号，并且根据输入信号绘制发散图。发散图的横坐标是输入复信号的

13、的支路分量，纵坐标则是输入复信号的 Q支路分量。离散时间发散图参数设置如表 3-6所示。表 3-6离散时间发散图参数设置New points per display误码率统计模块（Error Rate Calculation)分别从发送端和接收端得到输入数据，对这两个输入数据进行比较，并且根据比较的结果计算误码率。如果输入信号是二进制数据，则统计的结果是误比特率，否则，统计得到的结果是错误符号率。误码率统计模块只比较两个输入信号的正负关系，而不具体地比较它们的大小。误码率统%x表示信噪比的取值范围%设置 QPSK调制的初始相位%信噪比依次取向量 x的数值%绘制有信道编码信噪比与误码率的关系曲线

14、xlabel(信噪比/dB);ylabel(误码率);%绘制无信道编码信噪比与误码率的关系曲线title(有无信道编码信噪比与误码率关系对比);图 4.2 QPSK调制后的星座图图 4.3 经信道后的星座图图 4.4 有无信道编码接收到的信号与原信号对比图图 4.7 信噪比与误码率的关系曲线表 4-2 不同信道编码的误码率情况要低，所以信道编码提高了系统的可靠性，使信号更适合在信道中传输。相同的信噪比的情况下，不同的干扰噪声对误码率的影响也是不同的。从表4-1 可以看出，其中加莱斯噪声时误码率最大，加高斯噪声时误码率最小。从表4-2 可以看出，不同道编码方式对误码率的影响也是不同的，RS 随着

15、信噪比的变大，信道中原有的噪声趋于 0，固定干扰噪声的功率对误码率的影响趋于瓶颈状态，当然这个猜想有待实验去论证。还有个细节的现象，就是当信噪比由10dB 变为 20dB，加瑞利噪声时，误码率反而增大了，我猜想可能是瑞利噪声和信道中的高斯噪声相互作用从而使对误码率的影响有所减小，当信噪比很大时，信道中得噪声比较小，这种作用消弱了，所以会有一个变大。通过这次课程设计，我学到了很多东西。一开始从对 simulink 的一无所知到现在的运用自如，过程是曲折的，结果是甜蜜的。刚接触到这个课题时，我先查阅相关资料，大概有几十本书，然后从中选了几本跟该课题相关的教材作了一个精读，在掌握相关原理后，才开始进行搭建模型。首先，我把这个模型分为一个一个的模块，对没一个模块进行搭建然后仿真，每个模块的搭建是很容易的，但是仿真时各种问题就遇见不懂的英文就查字典上网百度啊等方法，逐个击破。最后功夫不负有心人，每个模块仿真都成功了，可接下来更大的难题出现了，就是每个模块之间的协调问题，每2 类型不同，需要串并转换，刚开始不懂，都有点抓狂了。后来慢慢地查阅资料，知道了问题的