QPSK频带传输系统的设计

南华大学电气工程学院《通信原理课程设计》设计题目：QPSK频带传输系统的设计专业：电子信息工程学生姓名:学号:起迄日期:2014年5月24日—2014年6月6日指导教师:李圣系主任：陈忠泽

《通信原理课程设计》任务书1．课程设计的内容和要求（包括原始数据、技术要求、工作要求等）：（0）通信原理课程设计的目的：巩固并拓展现代通信原理的基本概念、基本理论、分析方法和实现方法。结合EDA技术、数字通信技术、电子技术、仿真技术，学习现代通信系统的建模和设计方法，使学生理论结合实际，提升创新思维和设计能力，增强软件编程仿真能力和解决实际问题的动手能力。（1）技术要求1）用VHDL语言设计建模QPSK频带传输系统，2）用C或者Matlab语言编程设计QPSK频带传输系统的各个功能模块，并分析该系统通过高斯信道的性能。（2）工作要求：①查阅参考文献，利用通信原理基本理论，分析系统工作原理，设计系统方框图；②掌握计算机辅助设计方法，利用Matlab/Simulink、Systemview、Multisim、MaxPlusIII、QuartusII等软件进行仿真设计，具备独立设计能力；③熟悉通信系统的调试和测量方法；④掌握电子电路安装调试技术，选择合适的元器件搭接实际电路，掌握电路的测试和故障排除方法，提高分析问题和解决问题的能力。⑤不能直接从网上或其他资料下载拷贝，一旦发现雷同35%以上，则相关雷同设计的成绩都为不及格。⑥按时完成设计报告；提交的电子稿必须在附录中含有全套仿真源文件、或设计原图（电子稿是以“学生学号姓名”为命名的压缩文件）；并提交纸质设计报告书。⑦随机抽查，并进行最后答辩。

2．对课程设计成果的要求〔包括图表（或实物）等硬件要求〕：用Matlab等编程语言实现时，写出详细的注释，并画出各种信号的时域频域波形。设计电路，安装调试或仿真，分析实验结果，并写出设计说明书,语言流畅简洁，文字3500~5000字。仿真设计类要求有仿真流程图、调试时的电脑屏幕截图；实物设计类要求图纸布局合理，符合工程要求，使用Protel软件绘出原理图（SCH）和印制电路板(PCB),器件的选择要有计算依据。3．主要参考文献：1]樊昌信.通信原理（第6版）[M].北京：电子工业出版社,2012,12.[2]樊昌信,曹丽娜.通信原理教程(第3版)[M].北京：国防工业出版社,2006,9.[3]刘学勇.详解MATLAB/Simulink通信系统建模与仿真[M].北京：电子工业出版社,2011,11.[4]张水英,徐伟强.通信原理及MATLAB/Simulink仿真[M].北京：人民邮电出版社,2012,9.[5]赵鸿图,茅艳.通信原理MATLAB仿真教程[M].北京：人民邮电出版社,2010,11.[6]赵静,张瑾.基于MATLAB的通信系统仿真[M].北京：北京航空航天大学出版社,2010,1.[7]黄智伟.基于NIMultisim的电子电路计算机仿真设计与分析(修订版)[M].北京：电子工业出版社,2011,6.4．课程设计工作进度计划：序号起迄日期工作内容2014.5.24～2014.5.27查阅资料，系统方案设计2014.5.28～2014.6.1用编程语言、或者仿真软件进行设计2014.6.2～2014.6.4程序、软件、实物的调试，排除故障，分析实验结果2014.6.5～2014.6.6分析总结，整理设计报告主指导教师李圣日期：2014年5月20日附件二：《通信原理课程设计》设计说明书格式一、纸张和页面要求A4纸打印；页边距要求如下：页边距上下各为2.5厘米，左右边距各为2.5厘米；行间距取固定值（设置值为20磅）；字符间距为默认值（缩放100%，间距：标准）。二、说明书装订页码顺序(1)任务书(2)论文正文：包括中英文摘要、目录、绪论、方案设计、硬软件设计调试（仿真过程设计及调试）、分析结论(3)参考文献（5篇以上），(4)附录三、课程设计说明书撰写格式见范例范例设计任务及指标(黑体四号)☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆(首行缩进两个字，宋体小四号)1☆☆☆☆(黑体四号)正文……(首行缩进两个字，宋体小四号)（空一格）☆☆☆☆☆☆(黑体小四号)正文……(首行缩进两个字，宋体小四号)1.2☆☆☆☆☆☆、☆☆☆正文……(首行缩进两个字，宋体小四号)2☆☆☆☆☆☆(黑体四号)正文……(首行缩进两个字，宋体小四号)2.1☆☆☆☆、☆☆☆☆☆☆，☆☆☆(黑体小四号)正文……(首行缩进两个字，宋体小四号)☆☆☆，☆☆☆☆☆，☆☆☆☆(楷体小四号)正文……(首行缩进两个字，宋体小四号)（1）……①………………图1.工作波形示意图(图题，居中，宋体五号)5结论(黑体四号)☆☆☆☆☆☆(首行缩进两个字，宋体小四号)参考文献(黑体四号、顶格)参考文献要另起一页，一律放在正文后，不得放在各章之后。只列出作者直接阅读过或在正文中被引用过的文献资料，作者只写到第三位，余者写“等”，英文作者超过3人写“etal”。几种主要参考文献著录表的格式为：⑴专(译)著：[序号]著者.书名（译者）[M].出版地：出版者，出版年：起~止页码.⑵期刊：[序号]著者.篇名[J].刊名，年，卷号（期号）：起~止页码.⑶论文集：[序号]著者.篇名[A]编者.论文集名[C].出版地：出版者，出版者.出版年：起~止页码.⑷学位论文：[序号]著者.题名[D].保存地：保存单位，授予年.⑸专利文献：专利所有者.专利题名[P].专利国别：专利号，出版日期.⑹标准文献：[序号]标准代号标准顺序号—发布年，标准名称[S].⑺报纸：责任者.文献题名[N].报纸名，年—月—日（版次）.附录（居中,黑体四号）☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆（首行缩进两个字，宋体小四号。另起一页。附录的有无根据说明书（设计）情况而定，内容一般包括正文内不便列出的冗长公式推导、符号说明（含缩写）、计算机程序、整体原理图、印制电路板图等。)QPSK频带传输系统设计摘要四相相移键控信号（QPSK）具有一系列独特的优点，比如抗干扰能力强，在恒参信道下，能更加有效的利用频带，适合回传通道的技术为要求，而且误码性能好，频谱利用率高，因此被广泛应用于无线通信中，成为现代通信中一种十分重要的调制解调方式。本论文研究了QPSK的频带传输，利用Quartus=2\*ROMANII中VHDL语言设计建模，这种建模方式便于在目标芯片FPGA/CPLD上实现QPSK的调制解调功能。QPSK调制器根据其调制模型，采用分频器和选择开关来实现。通过理论推导和系统VHDL的编程设计与时序仿真，结果表明QPSK调制解调模型在理论和实用上是可行的，并且减小了硬件实现的复杂度。关键词：QPSKQuartus=2\*ROMANIIVHDL仿真目录数字频带传输系统....................................................1正交相移键控（QPSK）................................................12.1QPSK概述.........................................................12.2QPSK信号的产生...................................................22.2.1调相法......................................................22.2.2选择法......................................................42.3QPSK信号的平均功率谱密度.........................................42.4QPSK信号的接收及其平均误比特率...................................6QPSK的VHDL建模与程序设计...........................................83.1调制电路程序设计思想.............................................83.2仿真波形设置.....................................................83.3基带信号的设置...................................................83.4解调电路方框图...................................................93.5仿真图...........................................................93.5.1调制程序仿真波形图..........................................93.5.2调制程序的RTL电路图.......................................103.5.3调试分析...................................................103.5.4解调程序仿真波形图.........................................103.5.5解调程序的RTL电路图.......................................11心得体会............................................................11参考文献............................................................12附录................................................................13=2\*ROMANII仿真程序.................................................136.1.1调制电路VHDL程序..............................................136.1.2解调电路VHDL程序..............................................14QPSK频带传输系统的设计数字频带传输系统数字通信的基本特征是，它的消息或信号具有“离散”或“数字”的特征，从而使数字通信具有许多特殊的问题。数字通信中存在以下突出问题：第一，数字信号传输时，信道噪声或干扰所造成的差错，原则上是可以控制的，这是通过所谓的差错控制编码来实现的。于是就需要在发送端增加一个编码器，而在接收端相应需要一个解码器。第二，当需要实现保密通信时，可对数字基带信号进行人为“扰乱”（加密），此时在接收端就必须进行解密。第三，由于数字通信传输的是一个接一个按一定节拍传送的数字信号，因而接收端必须有一个与发送相同的节拍，否则，就会因收发步调不一致而造成混乱。另外，为了表述消息内容，基带信号都是按消息特征进行编组的，于是，在收发之间一组组的编码的规律也必须一致。否则接收时消息的真正内容将无法修复。在数字通信系统中，称节拍一致位“位同步”或“码元同步”，而称编组一致为“群同步”或“帧同步”，故数字通信中还必须有“同步”这个重要问题。综上所述，点对点的数字通信模型一般可用图1.1表示。图1.1数字频带传输通信系统模型通常把有调制器/解调器的数字通信系统称为数字频带传输通信系统。在实际通信中，不少信道都不能直接传送基带信号，必须用基带信号对载波波形的某些参量进行控制，即对基带信号进行调制。调制即是按照调制信号（基带信号）的变化规律去改变载波某些参数的过程。调制不仅可以对被调制信号进行频谱搬移和扩频，而且对系统的传输有效性和传输可靠性有很大的影响。正交相移键控（QPSK）QPSK意为正交相移键控，是一种数字调制方式。QPSK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°，135°,225°，315°，调制器输入的数据是二进制数字序列，为了能和四进制载波相位配合起来，则需要把二进制数据变为四进制数据，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，他们分别代表四进制四个符号中的一个符号。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。QPSK信号的产生调相法四相移相键控(QPSK)又叫四进制移相键控，该信号的载波有4个可能的离散相位状态，每个载波相位携带2个二进制符号，其信号表示式为：为四进制符号间隔，为载波的相位，有4种可能状态。若，则为0、、、，此初始相位为0的QPSK的矢量图于图（b）。若，则为、、、，此初始相位为的矢量图示于图（a）。QPSK信号矢量图下面，着重分析图(a)的QPSK信号的产生及解调。将公式写成：若为、、、，则；。于是，可写成：；根据上式可得到图所示的正交调制框图：图2.2产生QPSK信号的正交调制原理图从图看出，信息速率为的二进制序列(取值为+1或-1)，串并变换后分成两路速率减半的二进制序列，得到基带信号波形I(t)及Q(t)，这两路码元在时间上是对齐的，称这两支路为同相支路及正交支路，将它们分别对正交载波及进行2PSK调制，再将这两支路的2PSK信号相加即可得到QPSK信号。k1234567891011121314n+1+1-1+1+1-1+1-1+1+1-1-1-1+12n+1+1-1-1+1-1+12n-1+1-1+1+1+1-1-1图2.3QPSK串并变换及I(t)、Q(t)波形图从图及图看出，将二进制序列进行串并变换，其实质是完成二进制与四进制符号的变换，称并行支路所对应的每一对比特及为双比特码元，其符号间隔为四进制符号间隔（），每一组双比特码元与四进制符号之一相对应，而每个四进制符号()又与QPSK信号的载波相位相对应，称QPSK的载波相位与它所携带的双比特码元之间的关系。用上述正交调制法所产生的QPSK的相位逻辑关系通过下表作进一步解释。四进制码双比特码载波相位θ000(变换为+1，+1电平）/4110（-1，+1）3/4211（-1，-1）5/4301（+1，-1）7/4QPSK信号载波相位与双比特码元的关系从表看出，QPSK的载波相位与双比特码之间的关系正好符合格雷码的相位逻辑，即相邻四进制符号所对应的双比特码之间仅相差一个二进制信号。利用选择法产生QPSK信号的系统方框图如图2.4所示。它实际上是对调相法的一种简化，把几个电路合并后封装在一起。在图2.4中，四相载波发生器分别送出调相所需的四种不同相位的载波。按着串并变换器输出的双比特码元的不同，逻辑选相电路输出相应相位的载波。图2.4选择法产生QPSK信号由于QPSK信号是由两正交载波的2PSK线性叠加而成，所以QPSK信号的平均功率谱密度是同相支路及正交支路2PSK信号平均功率谱密度的线性叠加。2PSK信号的平均功率谱密度公式：即：假设QPSK与2PSK的信息速率及发送信号的平均功率均一致，则QPSK信号每个支路的2PSK信号的振幅为，符号间隔，QPSK的总功率谱是两支路功率谱之和，于是，得到QPSK功率谱密度公式根据上式，画出了2PSK信号及QPSK信号的平均功率谱密度，如图所示。图2.5在给定信息速率为条件下，2PSK及QPSK双边功率谱密度图表示在2PSK及QPSK的二进制信息速率相同时，QPSK信号的平均功率谱密度的主瓣宽度是2PSK平均功率谱主瓣宽度的一半。2.4QPSK信号的接收及其平均误比特率（1）在加性高斯白噪声信道条件下QPSK最佳接收在加性高斯白噪声干扰的信道条件下，利用匹配滤波器或相干解调器进行QPSK的解调，图为QPSK最佳接收框图。图2.6QPSK信号的最佳接收框图由于QPSK信号可看为同相及正交支路2PSK的叠加，所以在解调时可对两路信号分别进行2PSK的解调，然后进行并/串变换，得到所传输的数据。（2）在理想限带及加性高斯白噪声信道条件下QPSK最佳接收在理想限带及加性高斯白噪声信道条件下的QPSK最佳频带传输系统的框图如图所示，他在实际限带通信系统中获得广泛应用。图在理想限带及加性高斯白噪声信道条件下的QPSK最佳频带传输系统（3）QPSK解调的误比特率计算QPSK解调的误比特率的方法是沿用2PSK匹配滤波器解调的误比特率的计算公式。在加性高斯白噪声信道下，2PSK最佳接收的平均误比特率为：对于QPSK而言，在QPSK与2PSK的输入二进制信息速率相同，二者的发送功率相同，加性噪声的单边功率谱密度相同的条件下，QPSK与2PSK的平均误比特率是相同的。在给定二进制信息速率的条件下，QPSK的同相支路及正交支路的四进制符号速率是二进制信息速率的一半，即。在给定信号总发送功率的条件下，QPSK同相支路或正交支路的信号功率是总发送功率的一半。于是，得到I支路及Q支路的平均错判概率为：其中，是平均比特能量。由于QPSK发送信息源输出的二进制符号“1”和“0”等概出现，二进制码元经串并变换后在同相支路及正交支路也是等概分布的，所以在接收端的同相及正交支路解调的输出经并/串变换后的数据，其总的平均误比特率与I支路及Q支路的平均误判概率是相同的，即：其中，及分别是总的二进制码元出现在I支路及Q支路的概率，，因而QPSK的平均误比特率为：综上所述，将QPSK与2PSK相比较，在两者的信息速率、信号发送功率、噪声功率谱密度相同的条件下，QPSK与2PSK的平均误比特率是相同的，而QPSK的功率谱主瓣宽度比2PSK的窄一半。三QPSK的ＶＨＤＬ建模与程序设计QPSK主要是用四种相位表示四进制数，基带信号通过串并转换器得到2位并行信号，四选一开关根据该数据，选择载波对应的相位进行输出，即得到调制信号,如图2.8。图QPSK的调制电路方框图由于程序中一个四进制数持续的宽度是8个时钟周期，所以一个二进制数的宽度是4个时钟周期，start信号设置为高电平。本次设计基带信号的输入我选择的是10110001一个二进制序列，串并转换后变成10,11,00,01四进制数。clkclkstart调制信号计数器译码1加法器译码2并/串转换基带信号图QPSK解调电路方框图当调制为低电平时，译码器1根据记数器输出值。送人加法器相应的数据。加法器把运算结果送到寄存器。译码器2根据寄存器数据通过译码，输出两位并行信号，该信号再通过并／串转换即可得到解调后的基带信号，其调制框图如图所示。RTL电路图yy中的数实际上就是输入信号的并行输出，从图中可以看出，0110,0011,1100,1001四种不同的状态就对应了10,11,00,01四个数的不同相位输出，由此实现了QPSK调制输出。四．心得体会在数字频带通信系统中，QPSK调制解调技术已经比较成熟，在实际应用中也发挥着极为重要的作用。而在通信技术高速发展的今天，单一的数字调制技术已经无法满足通信的要求，根据不同通信方式而采取不同的调制方法，有时也会出现混合调制的方式，因此对基本的QPSK的研究与学习将为其他复杂的调制方法提供扎实的基础。这次的课程设计使我从中学到了一些很重要的东西，就是如何从理论到时间的转化，还可以充分体会到自己动手实践的乐趣，此次的课程设计给我奠定了一个实践基础。一开始做课程设计的时候，对于理论知识学习部够扎实的我，思绪全无，才感到“书到用时方恨少”，于是又重新看下书，梳理一下知识。而且只有当自己真正要用哪个知识的时候，才知道自己哪个地方还不会，哪个知识是自己会的，所以在以后的学习中应该把基础知识先学好，能够自己真正理解了，要善于思考，不能就是灌输知识，灌输进大脑的知识永远都不是自己的。在做课程设计中我们不断发现错误，不断的改正，不断的领悟，不断的获取，我认为这就是进步。五．参考文献[1]樊昌信，曹丽娜．通信原理[M]．北京：国防工业出版社，第6版.[2]潘松，黄继业.EDA技术使用教程—VHDL版.北京：科学出版社，2010.[3]陈萍．现代通信实验系统的计算机仿真[M]．北京：国防工业出版社，2003：171-260．[4]余智，余兆明.数字调制技术[J].中国多媒体视讯，2003（7）[5]陈萍．现代通信实验系统的计算机仿真[M]．北京：国防工业出版社，2003：171-260．

附录一．Quartus=2\*ROMANII仿真程序libraryieee;useieee.std_logic_arith.all;useieee.std_logic_1164.all;useieee.std_logic_unsigned.all;entityPL_QPSKisport(clk:instd_logic;--系统时钟start:instd_logic;--开始调制信号x:instd_logic;--基带信号y:outstd_logic);--调制信号endPL_QPSK;architecturebehavofPL_QPSKissignalq:integerrange0to7;--计数器signalxx:std_logic_vector(1downto0);--中间寄存器signalyy:std_logic_vector(1downto0);--2位并行码寄存器signalf:std_logic_vector(3downto0);--载波fbeginprocess(clk)--通过对clk分频，得到四种相begin位并完成基带信号的串并转换ifclk'eventandclk='1'thenifstart='0'thenq<=0;f<="0000";elsifq=0thenq<=1;f(3)<='1';f(2)<='1';f(1)<='0';xx(1)<=x;yy<=xx;elsifq=2thenq<=3;f(2)<='0';f(0)<='1';elsifq=4thenq<=5;f(3)<='0';f(1)<='1';xx(0)<=x;elsifq=6thenq<=7;f(2)<='1';f(0)<='0';elsifq=7thenq<=0;f<="0110";elseq<=q+1;endif;endif;endprocess;y<=f(0)whenyy="10"elsef(1)whenyy="11"elsef(2)whenyy="01"elsef(3);--根据yy寄存器数据，输出对应的载波endbehav;libraryieee;useieee.std_logic_arith.all;useieee.std_logic_1164.all;useieee.std_logic_unsigned.all;entitydemodulati