基于Matlab的QPSK调制解调仿真设计与研究

通信工程专业计说明基于Matlab/Simulink的调解调仿真设计与研究目录摘要.....................................................................2第一章前言.............................................................1.1专设计任务及要求.1.2简介............................................................21.3下的简................................................1.4通系统模型..........................................................第二章调...........................................................2.1介............................................................2.2调原理........................................................2.2.1相法......................................................................................................................42.2.2选法......................................................................................................................52.3调原框图2.4调方式的仿...........................................62.5调方式Matlab-simulink仿真...........................................................................72.5.1调建模..................................................72.5.2调仿真结果..............................................................................................8第三章解..........................................................133.1QPSK解调原理......................................................133.2解原框图3.3QPSK解调方式仿...........................................133.4QPSK解调方式的Matlab-simulink仿真.................................143.4.1QPSK解建模..................................................143.4.2传信道.3.4.3仿结果.3.5仿结果分.第四章通系统性能分析..............................................19第五章结论...............................................................19参考文献...................................................................20附录.....................................................................1摘

要正交相移键（QPSK种数字调制方式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论文主要介绍了正交相移键控QPSK)的概况以及正交相移键控QPSK的调制解调概念和原理利用MatlabM文件和Simulink模块对QPSK的制解调系统进行了仿真，对QPSK在高斯白噪声信道中的性能进行了，分析了解Simulink中涉及到的各种模块的功能。【关键】QPSKSimulnk仿真第一章专业设计任务及要求

前

言了解并掌握QPSK调制与解调的基本原理；在通信原理课程的基础上设计与分析简单的通信系统；学会利用MATLAB7.0编写程序进行仿真根据实验结果能分析所设计系统的性能。学习MATLAB的基本知识，熟悉MATLAB成环境下的Simulink的仿真平台。利用通信原理相关知识在仿真平台中设计QPSK调与解调仿真系统并用示波器观察解调后的波形在指导老师的指导下，独立完成课程设计的全部内容，能正确的阐述和分析设计和实验结果。介MATLAB是MATrixLABoratory的写，是一款由美国MathWorks公司出品的商业数学软件。MATLAB是一种用于算法开发、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。除了矩阵运算、绘制函/数据图像等常用功能外MATLAB还可以用来创建用户界面及与调用其它语言(包括CC++和FORTRAN)编写的程序。尽管主要用于数值计算,但是因为大量的额外2的工具箱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除了一个完整的包,提供了一个可视化的开发环境,通常用于系统仿真、动态/嵌入式系统开发等。下的简介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在该环境中只要通过简单的鼠标操作就可以构造出复杂的系统。Simulink提供了一个建立模型方块图的图形用户接口，这个创建过程只需单击和拖动鼠标操作就能完成它提供了一种更快捷直接明了的方式而且用户可以立即看到系统的仿真结果Simulink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，基于以上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时有大量的第三方软件和硬件应用于Simulink。

通信系统型通信系统就是传递信息所需要的一切技术设备和传输媒质的总和括信息源、发送设备、信道、接收设备和信宿(受信者，它的一般模型如图1.4.1所示。信息源发送设备信接收设备受信者噪声源图1.4.1通系统一般模型模拟通信系统是利用模拟信号来传递消息的通信系统，其模型如图1.4.2所示。器信器受信者噪声源图1.4.2模通信系统模型3第二章QPSK调QPSK介绍QuadraturePhaseShift通过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。是M=4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有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00，0110，11，双比特码元即为一组。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调制原理QPSK的调制有两种产生方法相乘电路法和选择法。2.2.1

相乘法输入信号是二进制不归零的双极性码元它通“串并变换电路变成了两路码元变成并行码元后每个码元的持续时间是输入码元的两倍用两路正交载波去调制并行码元。4t和-被用来调制一对正交载波：t和-被用来调制一对正交载波：,。这样tt图2.2.1选法QPSK的调制中信号可以看成是两个载波正交2PSK信号调制器构成。原理分析如下：基本原理和系统结构与二进制PSK样，传输信号包含的信息都存在于相位中。个别的载波相位取四个等间隔值之一，如/4、3л/4、5л/4、7л/4。相应的，可将发射信号定义为：2E/tcos[2i()40,其他其中，i＝1，2，3，4E是发射信号的每个符号的能量，T为符号的持续时间，载波频率于nc/T，nc为固定整数。每一个可能的相位值对应于一个特定的二位组面介绍信号的产生和检测图为典型的QPSK发射机框图。输入的二进制数据序列首先被不归零(平编码转换器转换为极性形式，即负号1和0分别用

EEb

表示。该二进制波形被分接器分成两个分别由输入序列的奇数位偶数位组成的彼此独立的二进制波形两个二进制波形分别用a1(t)和a2(t)表示。此时，在任何一信号时间间隔a1(t)，和a2(t)的幅度恰好分别等Si1和Si2发送的二位组决定两个二进制波a1(t)和a2(t)sin1c2c就得到一对二进制PSK信号。和的正交性使这两个信号可以被独立地检测。最后，将这两个二进制PSK信号相加，从而得期望的QPSK。2.2.2选择法输入基带信号经过串并变换后用于控制一个相位选择电路，按照当时的输5入双比特ab，决定选择哪个相位的载波输出。图2.2.2选法QPSK调制原理框图图2.3调原理框图QPSK调制方式的Matlab真I路信号是用余弦载波，由进制数据流的奇数序列组成；Q路信号用正弦载波，由2进制数据流的偶数序列组成。下面的是Idata，b就是Qdata，它们分布与各自的载波相乘分别输出I路信号和Q路信号信号加上Q路信6号就是QPSK输出信号。当路载波信号是0相位时为1，是180°相位时为0；当Q路载波信号是0相位时为1，是180°相位时为。1列序a

0-1-11

012345678列序b

0-1-11

012345678列序成合

0-1-10123456782.4matlab调制仿真图QPSK调制方式Matlab-simulink仿真2.5.1制建模图调框图7（1)生要信源在搭建QPSK制解调系统中使用伯努力信号发生器产生随机的比特序列，每两比特代表就一个符号。Bernoulli模块利用伯努利分布的原理，相应得到参数为p的伯努利分布。伯努利分布的均值1-p和方差–p)的。一个零概率参数指p。本次实验中设置为，01等概。采样时间可根据需要进行设置，例如测误码率时采样时间设为。图2.5.2信源参数设置（2串变我们先通过使用buffer这个模块来实现将信号源信号转变为两路信号。Buffer模块可以重新分配缓冲区块的输入样本，用到了Demux可以将一个复合输入转化为多个单一输出即可以输出多个采样率较低的帧信号但会产生与缓冲区容量相同的时延。所以，我们可以设置的参数容量为。图2.5.3Buffer的参数设置8（3单性号化双性号因为QPSK的调制信号要求的是双极性信号，所以用伯努利随机生成二进制Generator模块产生的信号必须经过转化才能够被使用利用加法模块和常数产生模块将1和0的序列各自减去1/2，再利用比例运算模块乘以，就得到了1和-1的双极性序列。（4调模分别将两路信号乘以相位相差

л/2的载波，然后相加。载波由正弦信号发生器产生正弦波模块的参数设置为可基于时间的模式时间设为使用仿真时间，我们设载波信号的幅度1，载波频率可根据需要来进行设置，两路载波同频正交相位相差л

我们设上支路的相位为0下支路的相位为

л/2。图2.5.4上路载波参数9图2.5.5下路载波参数102.5.2simulink调制仿真结果图信源和转变后的双极性信号图上路载波11图2.5.8下路载波图调信号12第三章

QPSK调解调原理QPSK接收机由一对共输入地相关器组成。这两个相关器分别提供本地产生地相干参考信号和器接收信号x(t),相关器输出地x1x2被用来与门限值0进行比较果x1>0,则判决同相信道地输出为符号1果x1<0,则判决同相信道的输出为符号0。如果正交通道也是如此判决输出。最后同相信道和正交信道输出这两个二进制数据序列被复加器合并新得到原始的二进制序列。在AWGN信道中，判决结果具有最小的负号差错概率。用两路具有相互正交特性的载波来解调信号，可以分离这两路正交的信号。相干解调后，并行码元经过并/串变换后，最终得到串行的数据流。3.2

解调原理框图图3.2相解调原理框图解调方式Matlab真正交支路和同相支路分别设置两个相关器或配滤波),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。I_demo=QPSK_rc_n0.*cos(2*pi*f1*t1);%解调(相干解调，与载波相乘Q_demo=QPSK_rc_n0.*sin(2*pi*f1*t1);13I_recover=conv(I_demo,xrc);%低通滤波Q_recover=conv(Q_demo,xrc);原序列20-220-220-220

0102030405060I支路解调0102030405060Q支路解调0102030405060解调后序列

708090100708090100708090100-2

0102030405060708090100图3.3matlab解调仿真图解调方式的Matlab-simulink仿真3.4.1解建模首先将从高斯信道送过来的信号分别乘以与调制时的载波同频的载波相位相差为л/2载波。解调可以使用相关器或者匹配滤波器进行解调，本次实验使用的是相关器这时信号需要通过设置的积分器因为积分器设置为使用积分器时需要在时间t=T时使得积分器复位所以需要设置积分模块续设置在时钟下降沿时复位并需要设置参数为使用外部信号此时时钟设置为与该支路码元时间相同即是发送信号码元时间的两倍输入然后积分后的信号经过采样并保持模块，即sampleandhold模块，此时，设置这个模块为触发上升沿，同样使用时钟设置为与该支路码元时间相同，即是发送信号码元时间的两倍输入。此各传的信相应一个单位的时延产生。然后使用autothreshold模块该模块根据输入的信号数据自动设置出阀值由此可对14输入信号做出判定，再输出相应的二进制比特序列，并可输出阀值。最后使用N-sampleswitch模块来实现并串转换，因为我们最后需要的是最原始的信号，将两路信号合二为一在第一路信号发出一个样本时间后样本时间设置为发送信号码元时间开关会自动转换到第二路信号此时换做第二路信号输入一个码元时间后模块重置如此循环同样的此模块也需要两倍的发送信号码元时间输入。图积器设置图3.4.2采和保持设置15图解模块3.4.2传输信道本次实验使用的是高斯信道和理想信道验所需的高斯噪声我们可以由高斯信道模块来提供，用到了Zero-OrderHold，和子模块，即SubSystem通过子模块建立新的封装Mask)能模块其中参数设置中信噪比为Es/No，Es/No为信号能量比噪声功率谱密度。信道模块可以将加性高斯白噪声加到一个实数的或复数的输入信号现在输入信号是实数这个模块增加了实数的高斯噪声产生一个实数的输出信号此块继承它的输入信号的采样时间模块使用信号处理模块随机产生的噪声始种子可以是一个标量或矢量的长度相匹配的输入信号通道数种子的详细资料初次查看随机源模块库文件参考页面中设置的信号处理该端口的数据类型都继承自该驱动器的信号块注意权力的所有值假设一个1欧姆的标称阻抗。图高信道模块3.4.3

仿真结果16图信源和转变后的双极性信号图3.4.5经高斯信道后的调制信号图3.4.6上路积分和采样后的信号17图上路判决后的信号图3.4.8下路积分和采样后的信号图下路判决后的信号

图3.4.10源信流和经过调制解调后的信号流对比仿真结果析18从上述图中可以看出为整个系统模块有引进噪声及电路使用了积分、采样保持模块还原后的信号幅度差异较大通过判决门限后得到原来的二进制信号我们从仿真结果图中看出信道噪声功率谱密度越大号信噪比越小，误码率越高这也符合实际情况仿真的各种条件都是理想化的除了噪声之外不会发生任何错误和实际情况相比在相同的信噪比之下比特错误率理应要小的多，但是仿真所得结果的误码率偏大。第四章QPSK通信系统性能分（1）从仿真结果中看出，信号信噪比越小，错误率越高，跟实际情况比较符合。（2）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信噪比下比特错误率要小的多，但是仿真所得结果与事实规律并不违背。总结：第五章

结论在搭建QPSK调制解调系统中首先遇到的问题就是串并转换问题，simulink中没有可以直接解决这个问题的模块经过网上的搜索与查阅相关资料最终选取buffer模块，完成可串并转换的功能，但是带人了两个单位的延迟。之后便是示波器的显示问题，此次产生的信号采样速率设置为1秒，载波频率1HZ，对仿真过程中的波形分析带来很多的方便。（3完成的QPSK系统的simulink仿真中于方便起见波大小设为，与实际的调制解调中所用载波相差甚远但若将载波设置变大会对实验仿真和分析带来极大的不便。19参考文献[1]苗长云沈保锁现代通信原理及应用第2版)[M]北京电子工业出版社，2009.[2]樊昌信，曹丽娜．通信原理第6版)[M]．国防工业出版社，2009.1．[3]刘国,二.基于的QPSK调制器的设计与实现[J]．电子设计工程,2011(9).[4]高博燕建军基于Matlab的QPSK系统设计仿真[.科学技术与工程，2010(5)[5]谢斌,蔡虔,钟文涛.基于MATLAB/SIMULINK的通信系统仿真[J].科技广场,2006(1).附

录（）制clearallall%x1是似-1-1-11]的布作用是控制相位的180反转。%于仿真中载波的频率是，以1s的隔内有一个完整周期的正波。%t共个据-1~7st1=[0:0.01:8-0.01];也800个据，~8s%tt=800fori=1:ttif(t(i)>=-1&t(i)<=1)|(t(i)>=5&t(i)<=7);x1(i)=-1;=是700个据点，是QPSK_rc绘的下标=-1:0.01:7.1-0.01;有个数据点，是的间变量=0:0.01:8.1-0.01;有810个据点，是的时间变量tt1=length(t1);%x2是类似[1-11111]分布,作用是控制相位的°反转20forif&t1(i)<=2)t1(i)<=8);x2(i)=-1;f=0:0.1:1;%xrc是个低通特性的传输函数%y1和x1实上没什么区别仅仅是上升沿下沿有点过渡带%y2和实上没什区别，仅仅是上升沿、下降沿有点过渡带n0=randn(size(t2));%就Idataq=x2.*sin(2*pi*f1*t1);%x2就QI=i(101:800);QPSK=sqrt(1/2).*I+sqrt(1/2).*Q;n1=randn(size(t2));是Idata，i_rc可能是贴近实际的波,i则理波形就data，可是贴近实际的波,则理想波形Q_rc=q_rc(1:700);QPSK_rc=(sqrt(1/2).*I_rc+sqrt(1/2).*Q_rc);QPSK_rc_n1=QPSK_rc+n1;figure(1)subplot(3,1,1);plot(t3,i_rc);axis([-18-11]);ylabel('a序列'8-11]);ylabel('b序列);subplot(3,1,3);plot(t2,QPSK_rc);axis([-18合成序列'（）调clearallallbit_in=randint(1e3,1,[01]);bit_I=%bit_I为”奇数序列数序列是同相分量，以cos为波=bit_in(2:2:1e3);%bit_Q是bit_in的所有偶数下标成的数序列为波data_I=-2*bit_I+1;将bit_I中1变，0变成1;