QPSK调制解调技术的设计与仿真.docx
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QPSK调制解调技术的设计与仿真
QPSK调制解调技术的设计与仿真
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实践教学
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兰州理工大学
计算机与通信学院
2012年春季学期
计算机通信课程设计
题目：
QPSK调制解调技术的设计与仿真
专业班级：
姓名：
学号：
指导教师：
成绩：
前言
当今社会已经步入信息时代，在各种信息技术中，信息的传输及通信起着支撑作用。
而对于信息的传输，数字通信已经成为重要的手段。
因此，数字信号的调制就显得非常重要。
在实际通信过程中，由于噪声的存在，要完成实际通信系统的实验研究相当困难。
近几年，随着仿真软件的日趋成熟，使得对通信系统的研究也日趋方便。
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，无需大量书写程序，而只需要通过简单直观的鼠标操作，就可构造出复杂的系统。
Simulink具有适应面广、结构和流程清晰及仿真精细、贴近实际、效率高、灵活等优点，并基于以上优点Simulink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软件和硬件可应用于或被要求应用于Simulink。
simulink完全可以完成数字基带的仿真。
已知的ASK、FSK、PSK等，这三种数字调制方式在抗干扰噪声能力和信号频谱利用率等方面，以相干解调PSK的性能最好，本实验就是对四进制相移键控调制、解调过程的频谱和波形的分析。
实验过程首先设置实验项目和对各个模块的参数分析，通过simulink的仿真实验，主要着手于QPSK传输系统仿真，信源使用数字信号，信道使用瑞利信道，调制方法运用QPSK，终端数据要求能够比较误码率，包括噪声下的信号眼图、星座图观测，调制信号频谱测量，噪声环境下的星座图观测级误码率测量。
发现实验中实现的性能和实验中的问题，并得出传输系统的仿真，对瑞利信道的各种影响因素，分析其物理意义，并做出最后的系统性能评价。
第一章绪论
1.1通信技术的发展历程
1.1.1通信的概念
通信就是克服距离上的障碍，从一地向另一地传递和交换消息。
消息是信息源所产生的，是信息的物理表现，例如，语音、文字、数据、图形和图像等都是消息（Message）。
消息有模拟消息（如语音、图像等）以及数字消息（如数据、文字等）之分。
所有消息必须在转换成电信号（通常简称为信号）后才能在通信系统中传输。
所以，信号（Signal）是传输消息的手段，信号是消息的物质载体。
相应的信号可分为模拟信号和数字信号，模拟信号的自变量可以是连续的或离散的，但幅度是连续的（分别如图1-2-1所示），如电话机、电视摄像机输出的信号就是模拟信号。
数字信号的自变量可以是连续的或离散的，但幅度是离散的（分别如图1-2-2所示），如电船传机、计算机等各种数字终端设备输出的信号就是数字信号。
通信的目的是传递消息，但对受信者有用的是消息中包含的有效内容，也即信息（Information）。
消息是具体的、表面的，而信息是抽象的、本质的，且消息中包含的信息的多少可以用信息量来度量。
通信技术，特别是数字通信技术近年来发展非常迅速，它的应用越来越广泛。
通信从本质上来讲就是实现信息传递功能的一门科学技术，它要将大量有用的信息无失真，高效率地进行传输，同时还要在传输过程中将无用信息和有害信息抑制掉。
当今的通信不仅要有效地传递信息，而且还有储存、处理、采集及显示等功能，通信已成为信息科学技术的一个重要组成部分。
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，包括信息源、发送设备、信道、接收设备和信宿（受信者），它的一般模型如图1.2.1所示。
图1.1通信系统一般模型
通信系统可分为数字通信系统和模拟通信系统。
数字通信系统是利用数字信号来传递消息的通信系统，其模型如图1.2.2所示
图1.2.2数字通信系统模型
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1.2.3所示。
图1.2.3模拟通信系统模型
数字通信系统较模拟通信系统而言，具有抗干扰能力强、便于加密、易于实现集成化、便于与计算机连接等优点。
因而，数字通信更能适应对通信技术的越来越高的要求。
近二十年来，数字通信发展十分迅速，在整个通信领域中所占比重日益增长，在大多数通信系统中已代替模拟通信，成为当代通信系统的主流。
1.1.2通信的发展史简介
远古时代,远距离的传递消息是以书信的形式来完成的,这种通信方式明显具有传递时间长的缺点。
为了在尽量短的时间内传递尽量多的消息,人们不断地尝试所能找到的各种最新技术手段。
1837年发明的莫尔斯电磁式电报机标志着电通信的开始,之后，利用电进行通信的研究取得了长足的进步。
1866年利用海底电缆实现了跨大西洋的越洋电报通信。
1876年贝尔发明了电话,利用电信号实现了语音信号的有线传递，使信息的传递变的既迅速又准确，这标志着模拟通信的开始，由于它比电报更便于交流使用，所以直到20世纪前半叶这种采用模拟技术的电话通信技术比电报的到了更为迅速和广泛的发展。
1937年瑞威斯发明的脉冲编码调制标志数字通信的开始。
20世纪60年代以后集成电路、电子计算机的出现，使得数字通信迅速发展。
在70年代末在全球发展起来的模拟移动电话在90年代中期被数字移动电话所代替，现有的模拟电视也正在被数字电视所代替。
数字通信的高速率和大容量等各方面的优越性也使人们看到了它的发展前途。
1.2通信技术的发展现状和趋势
进入20世纪以来，随着晶体管、集成电路的出现与普及、无线通信迅速发展。
特别是在20世纪后半叶，随着人造地球卫星的发射，大规模集成电路、电子计算机和光导纤维等现代技术成果的问世，通信技术在以下几个不同方向都取得了巨大的成功。
微波中继通信使长距离、大容量的通信成为了现实。
移动通信和卫星通信的出现，使人们随时随地可通信的愿望可以实现。
光导纤维的出现更是将通信容量提高到了以前无法想象的地步。
电子计算机的出现将通信技术推上了更高的层次，借助现代电信网和计算机的融合，人们将世界变成了地球村。
微电子技术的发展，使通信终端的体积越来越小，成本越来越低，范围越来越广。
例如，2003年我国的移动电话用户首次超过了固定电话用户。
根据国家信息产业部的统计数据，到2005年底移动电话用户近4亿。
随着现代电子技术的发展，通信技术正向着数字化、网络化、智能化和宽带化的方向发展。
随着科学技术的进步，人们对通信的要求越来越高，各种技术会不断地应用于通信领域，各种新的通信业务将不断地被开发出来。
到那时人们的生活将越来越离不开通信。
第二章设计原理
2.1数字调制与解调
在数字基带传输系统中，为了使数字基带信号能够在信道中传输，要求信道应具有低通形式的传输特性。
然而，在实际信道中，大多数信道具有带通传输特性，数字基带信号不能直接在这种带通传输特性的信道中传输。
必须用数字基带信号对载波进行调制，产生各种已调数字信号。
图1.1数字调制系统的基本结构
数字调制与模拟调制原理是相同的，一般可以采用模拟调制的方法实现数字调制。
但是，数字基带信号具有与模拟基带信号不同的特点，其取值是有限的离散状态。
这样，可以用载波的某些离散状态来表示数字基带信号的离散状态。
基本的三种数字调制方式是：
振幅键控（ASK）、移频键控（FSK）和移相键控（PSK或DPSK）。
2.2MPSK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，qn=2πn/M（n=1,2,…M）。
因此MPSK信号可表示为
S（t）=cos（ω0t+θn）=cos（ω0t+2πn/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-nTs）cos（ω0t+θn）=cosω0tΣg（t-nTs）cosθn-sinω0tΣg（t-nT）sinθn
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，MPSK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。
2.3QPSK的基本原理
2.3.1四相相移键控
四相相移键控（QPSK）又名四进制移相键控，该信号的正弦载波有四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，其信号的表示为
θi为正弦载波的相位，有四种可能状态：
θi为π/4、3π/4、5π/4、7π/4，此初始相位为π/4的QPSK信号的矢量图如图1所示。
图2.3QPSK信号的矢量
下面分析QPSK信号的产生。
将信号表达式进行改写
若θi为π/4、3π/4、5π/4、7π/4，，则
于是，信号表达式可写成
由此可得到QPSK调制的产生方法。
图2.3.1QPSK实现框图
由框图可见，两路2PSK信号分别调至在相互正交的载波上，这也是QPSK信号被称为正交载波调制的原因。
此外相位的映射采用格雷映射。
2.3.22PSK的实现
数字调制技术的两种方法：
①利用模拟调制的方法去实现数字式调制，即把数字调制看成是模拟调制的一个特例，把数字基带信号当做模拟信号的特殊情况处理；②利用数字信号的离散取值特点通过开关键控载波，从而实现数字调制。
这种方法通常称为键控法，比如对载波的相位进行键控，便可获得相移键控（PSK）基本的调制方式。
数字调相：
如果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π分别表示二进制“1”和“0”。
二进制移相键控信号的调制原理图如图1.3.2所示.其中图（a）是采用模拟调制的方法产生2PSK信号，图（b）是采用数字键控的方法产生2PSK信号。
（a）
（b）
图2.3.22PSK信号的调制原理图
2PSK信号的解调通常都是采用相干解调,解调器原理图如图2-3所示.在相干解调过程中需要用到与接收的2PSK信号同频同相的相干载波。
2PSK信号相干解调各点时间波形如图2-4所示，当恢复的相干载波产生180°倒相时，解调出的数字基带信号将与发送的数字基带信号正好是相反，解调器输出数字基带信号全部出错。
图2.3.32PSK信号的解调原理图
图1.3.42PSK信号相干解调各点时间波形
图1.3.4是2PSK解调器在无噪声情况下能对2PSK信号的正确解调。
（a）是收到的2PSK信号；（b）是本地载波提取电路提取的同频同相载波信号；（c）是接收的2PSK信号与本地载波相乘得到的波形示意图，此波形经过低通滤波器滤波后得到低通信号；（d）是取样判决器在位定时信号；（e）是对（d）波形取样，再与门限进行比较，做出相应的判决得到恢复的信号；需要注意的是判决规则应与调制规则一致。
2.4QPSK的调制与解调
四进制绝对相移键控（QPSK）直接利用载波的四种不同相位来表示数字信息。
如下：
图2.4.1QPSK信号相位φn矢量图
由于每一种相位代表两个比特信息，因此每个四进制码元可以用两个二进制码元的组合来表示。
两个二进制码元中的前一比特用a来表示，后一比特用b表示，则双比特ab与载波相位的关系入下图：
表1双比特ab与载波相位的关系
双比特码元
载波相位（φn）
a
b
A方式
B方式
0
1
1
0
0
0
1
1
0o
90o
180o
270o
225o
315o
45o
135o
四进制信号可等效为两个正交载波进行双边带调制所得信号之和。
这样，就把数字调相和线性调制联系起来，为四相波形的产生提供依据。
（1）QPSK调制原理：
QPSK的调制方法有正交调制方式（双路二相调制合成法或直接调相法）、相位选择法、插入脉冲法等。
这里我们采用正交调制方式。
QPSK的正交调制原理如图3所示：
它可以看成是由两个载波正交的2PSK调制器构成的。
图中串/并变换器将输入的二进制序列分为速度减半的两个并行双极性序列a和b（a,b码元在事件上是对齐的），再分别进行极性变换，把极性码变为双极性码（0→-1，1→+1）然后分别调制到cosωct和sinωct两个载波上，两路相乘器输出的信号是相互正交的抑制载波的双边带调制（DSB）信号，其相位与各路码元的极性有关，分别由a和b码元决定。
经相加电路后输出两路的合成波形，即是4PSK信号。
图中两个乘法器，其中一个用于产生0o与180o两种相位状态，另一个用于产生90o与270o两种相位状态，相加后就可以得到45o，135o，225o，和315o四种相位。
图2.4.24PSK正交调制原理方框图
图2.4.3QPSK信号解调器原理方框图
（2）QPSK解调原理
4PSK信号是两个载波正交的2PSK信号的合成。
所以，可以仿照2PSK相干检测法，用两个正交的相干载波分别检测两个分量a和b，然后还原成二进制双比特串行数字信号。
此法称作极性比较法（相干解调加码反变换器方式或相干正交解调发）
在不考虑噪声及传输畸变时，接收机输入的4PSK信号码元可表示为：
yi（t）=Acos（ωct+φn）
表2抽样判决器的判决准则
输入相位
φn
cosφn
的极性
Sinn
的极性
判决器输出
a
b
45o
135o
225o
315o
+
-
-
+
+
+
-
-
1
0
0
1
1
1
0
0
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0.两路抽样判决器输出a、b，经并/串变换器就可将并行数据恢复成串行数据。
第三章QPSK调制解调系统仿真
3.1MATLAB/Simulink简介
美国Mathworks公司于1967年推出了矩阵实验室“MatrixLaboratory”（缩写为Matlab）这就是Matlab最早的雏形。
开发的最早的目的是帮助学校的老师和学生更好的授课和学习。
从Matlab诞生开始，由于其高度的集成性及应用的方便性，在高校中受到了极大的欢迎。
由于它使用方便，能非常快的实现科研人员的设想，极大的节约了科研人员的时间，受到了大多数科研人员的支持，经过一代代人的努力，目前已发展到了7.X版本。
Matlab是一种解释性执行语言，具有强大的计算、仿真、绘图等功能。
由于它使用简单，扩充方便，尤其是世界上有成千上万的不同领域的科研工作者不停的在自己的科研过程中扩充Matlab的功能，使其成为了巨大的知识宝库。
可以毫不夸张的说，哪怕是你真正理解了一个工具箱，那么就是理解了一门非常重要的科学知识。
科研工作者通常可以通过Matlab来学习某个领域的科学知识，这就是Matlab真正在全世界推广开来的原因。
目前的Matlab版本已经可以方便的设计漂亮的界面，它可以像VB等语言一样设计漂亮的用户接口，同时因为有最丰富的函数库（工具箱），所以计算的功能实现也很简单，进一步受到了科研工作者的欢迎。
另外，,Matlab和其他高级语言也具有良好的接口，可以方便的实现与其他语言的混合编程，进一步拓宽了Matlab的应用潜力。
可以说，Matlab已经也很有必要成为大学生的必修课之一，掌握这门工具对学习各门学科有非常重要的推进作用。
Simulink是MATLAB中的一种可视化仿真工具，也是目前在动态系统的建模和仿真等方面应用最广泛的工具之一。
确切的说，Simulink是一个用来对动态系统进行建模、仿真和分析的软件包，它支持线性和非线性系统，连续、离散时间模型，或者是两者的混合。
系统还可以使多种采样频率的系统，而且系统可以是多进程的。
Simulink工作环境进过几年的发展，已经成为学术和工业界用来建模和仿真的主流工具包。
在Simulink环境中，它为用户提供了方框图进行建模的图形接口，采用这种结构画模型图就如同用手在纸上画模型一样自如、方便，故用户只需进行简单的点击和拖动就能完成建模，并可直接进行系统的仿真，快速的得到仿真结果。
它的主要特点在于：
1、建模方便、快捷；2、易于进行模型分析；3、优越的仿真性能。
它与传统的仿真软件包微分方程和差分方程建模相比，具有更直观、方便、灵活的优点。
Simulink模块库（或函数库）包含有Sinks（输出方式）、Sources（输入源）、Linear（线性环节）、Nonlinear（非线性环节）、Connection（连接与接口）和Extra（其他环节）等具有不同功能或函数运算的Simulink库模块（或库函数），而且每个子模型库中包含有相应的功能模块，用户还可以根据需要定制和创建自己的模块。
用Simulink创建的模型可以具有递阶结构，因此用户可以采用从上到下或从下到上的结构创建模型。
用户可以从最高级开始观看模型，然后用鼠标双击其中的子系统模块，来查看其下一级的内容，以此类推，从而可以看到整个模型的细节，帮助用户理解模型的结构和各模块之间的相互关系。
在定义完一个模型后，用户可以通过Simulink的菜单或MATLAB的命令窗口键入命令来对它进行仿真。
菜单方式对于交互工作非常方便，而命令行方式对于运行仿真的批处理非常有用。
采用Scope模块和其他的显示模块，可以在仿真进行的同时就可立即观看到仿真结果，若改变模块的参数并再次运行即可观察到相应的结果，这适用于因果关系的问题研究。
仿真的结果还可以存放到MATLAB的工作空间里做事后处理。
模型分析工具包括线性化和整理工具，MATLAB的所有工具及Simulink本身的应用工具箱都包含这些工具。
由于MATLAB和SIMULINK的集成在一起的，因此用户可以在这两种环境下对自己的模型进行仿真、分析和修改模型。
但是Simulink不能脱离MATLAB而独立工作。
3.22PSK调制解调系统的仿真
在二进制数字调制中,当正弦载波的相位随二进制数字基带信号离散变化时,则产生二进制移相键控（2PSK）信号.在此用已调信号载波的0°和180°分别表示二进制数字基带信号的1和0.用两个反相的载波信号进行调制，其方框图如下：
2PSK调制与解调及误码分析的总体仿真模型：
图3.12PSK调制与解调及误码分析的总体仿真模型
仿真系统由两个2PSK组成，以实现QPSK。
伯努利二进制随机数产生器：
幅度为2，周期为3，占0比为1/2。
两个异相的载波发生器产生4Hz的载波。
载波频率本来应该很高，但是为了波形观察方便，故频率设为4Hz。
载波频率为4HZ，而基带号带宽为1HZ，考滤到滤波器的边沿缓降，故设置为2~7HZ。
低通滤波器参数：
截止频率为1HZ；二进制序列的带宽为1HZ，故取1HZ。
取样判决器设置：
门限值取为0.5，取样时间为1；设置依据：
当大于0.5时输出1，当小于0.5时输出0，能达到在0变1不变的取样规则下正确解码的目的。
第四章仿真结果与分析
（1）各点的时间波形
图4.1各点的时间波形
（2）2PSK解调各点的时间波形
图4.22PSK解调各点的时间波形
（3）结果分析
由图可以看出其误码率为0.6667，由于没有噪声的影响所以误码率一般在0.5，由于系统的不准确性和码间影响所以误码率稍微偏大。
综上所述，用计算机仿真电子通信系统，具有广泛的适应性和极高的灵活性。
在硬件试验中改变系统参数也许意味着重做硬件，而在软件中只需对特定的参数进行相应设置，同时利用Simulink可视化建模仿真和Matlab简单编程的特点，可以实现较为复杂的系统，因此，Matlab/Simulink在通信系统仿真方面具有强大的功能和优越性。
设计总结
本次设计通过了理论和实践上的验证。
我想这对于自己以后的学习和工作会有很大的帮助。
本设计研究了2PSK的调制和解调原理，以及利用MATLAB对其调制和解调进行了编程和编译仿真，得到的结论和理论上是一致的，简单而快捷。
同时利用MATLAB中的SIMYULINK对2PSK的通信系统进行了仿真，研究了其传输的特性，及传输中噪声对系统的影响。
通过本次的计算机通信课程设计，让我在除了对课本知识加深理解之外，对QPSK调制解调的工作原理有了更好的更深刻的理解。
在开始设计之前我查阅了大量资料，但是当我真正设计时却遇到了很多的问题，给我们的设计带来了难度，但同时也是一次大的挑战，最终，在老师以及同学的帮助下，克服了种种困难，顺利的完成了本次计算机通信的课程设计。
这次课程设计使我懂得了理论与实际结合的必要性，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从实践中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考能力。
感谢本次设计中帮助过我的老师和同学
参考文献
[1]吴玲达等编.计算机通信原理与技术.国防科技大学
[2]李鹏主编.计算机通信技术及其程序设计.西安电子科技大学
[3]谭杨林等编.数字通信原理.湖南大学
[4]张辉等编.现代通信原理与技术.西安电子科技大学
[5]王仲文等编著.计算机数据通信基础.兵器工业出版社
[6]张燕主编.计算机数据通信教程.西安电子科技大学出版社
[7]WilliamStallings著.葛秀慧等译，数据通信：
原理、技术与应用.清华大学出版社
[8]李斯伟,雷新生编著.数据通信技术.人民邮电出版社
[9]蒋占军主编.数据通信技术教程.机械工业出版社
[10]杨心强等编著.数据通信与计算机网络.电子工业出版社
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