基于simulink设计QPSK调制解调器毕业设计Word格式文档下载.docx
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四相移键控；
QPSK调制；
相干解调
SimulationdesignofQPSKmodembasedonsimulink
Abstract
ThispaperdescribesadesignbasedonsimulinkQPSKmodems,moderncommunicationsystemsrequirecommunicationdistance,largecommunicationcapacity,bettertransmissionquality.Asoneofthekeytechnologiesofmodemtechnologyithasbeenanimportantdirectionforresearchers.Fromanalogmodulationtodigitalmodulation,binary-arymodulationdevelopment,althoughmodulationvarietyofways,buttheyaremovinginmakecommunicationssystemsmorespeed,morereliabledirection.Thecommunicationqualityofasystemdependsheavilyonthemodulationschemeused.Indigitalcommunication,oftenusingfrequencyshiftkeying（FSK）andphaseshiftkeying（PSK）bothmethodsofdigitalsignalmodulationanddemodulation,soastoachievethepurposeoftransmittingthedigitalinformation.
Atpresent,phaseshiftkeying（PSK）generallyusethefour-phaseandmultiphasesystem.Phaseshiftkeying（PSK）isadigitalmodulationscheme,datatransfer,orchangingthephaseofthemodulatedcarriersignal.Alldigitalmodulationschemeusesalimitednumberofuniquesignalstorepresentdigitaldata.PSKwithalimitednumberofstages,eachstageisassignedauniquebinarydigitalmode.Ingeneral,anequalnumberofbitsofeachphaseencoding.Intheformofapatternofbitspersymbolisaspecificstage.Suchademodulator,whichisdesignedspecificallyforthepurposeofusingthesymbol-setmodulator,areceivedsignalanddeterminesthephaseofthereturnsymbol,whichalsorepresentsthemodulationanddemodulationoftheoutputdata,therebyrecoveringtheoriginaldata.Thisrequiresthereceivertothereceivedsignal,thereferencesignalcomparison-ofsuchasystemiscalledcoherent（orcalledCPSK）.Conceptsandprinciplesappliedaspectsofthispaper,thefour-phasesystemphase-shiftkeying（QPSK）technologyisdescribedindetail.AndforQPSK,systemsimulation,andimplementationalsomadeadetailedstatement.
Keywords:
phaseshiftkeying;
quadraturephaseshiftkeying;
QPSKmodulation;
coherentdemodulation
前言
随着经济危化的不断发展，人们对通信的要求也越来越高。
近年来，软件无线电作为解决通信体制兼容性问题的重要方法受到各方面的注意。
它的中心思想是在通用的硬件平台上，用软件来实现各种功能，包括调制解调类型、数据格式、通信协议等。
通过软件的增加、修改或升级就可以实现新的功能，充分体现了体制的灵活性、可扩展性等。
其中软件的增加、高频谱效率的调制解调模块是移动通信系统的关键技术，它的软件化也是实现软件无线电的重要环节。
本文主要研究“MATLAB的QPOSK通信系统仿真”利用MATLAB软件SUMLINK仿真实现QPSK调制方式。
QPSK调制系统目前正广泛地应用在无线通信领域，它具有较高的频谱利用率，较强的抗干扰性，在电路上实现也较为简单。
使用SUMLINK对QPSK调制、解调进行模拟。
具体解决了二进制信息在QPSK调制过程中的串-并变换，解调过程中对已调信号的滤波、抽样判决、并-串变换一系列问题。
通过利用MATLAB软件SUMLINK实现了QPSK通信系统的仿真，完成了QPSK通信系统的调制解调过程的仿真实现，使接收端能够准确地接收到来自发放的信息。
QPSK调制方式在通信工程中的应用十分广泛，其误码率随信噪比的增加而减少并最终可能为零。
在QPSK调制方式以后，还会出现进制更多的调制方式。
而我们着重要解决的问题也从如何提高相位谱利用率转变为如何减少误差以及提高传送速率。
阐述QPSK调制解调的实现过程，并运用软件实现手段对信号变换过程加以分析，希望有所收获。
自1897年意大利科学家GMARCONI首次使用无线电波进行信息传输并获得成功后，在一个多世纪的时间中，在飞速发展的计算机和半导体技术的推动下，无线通信的理论和技术不断取得进步，今天，无线移动通信已经发展到大规模商用并逐渐成为人们日常生活不可缺少的重要通信方式之一。
随着数字技术的飞速发展与应用数字信号处理在通信系统中的应用越来越重要。
数字信号传输系统分为基带传输系统和频带传输系统。
频带传输系统也叫数字调制系统，该系统对基带信号进行调制，使其频谱搬移到适合信道传输的频带上数字调制信号有称为键控信号。
在调制的过程中可用键控的方法由基带信号对载频信号的振幅，频率及相位进行调制。
最基本的方法有三种；
正交幅度调制（QAM），频移键控（FSK）和相移键控（PSK）随着大规模集成电路技术和工艺的进步，数字集成电路的复杂度和功能达到了前所未有的高度，推动了社会的数字化进程，以专用集成电路（ASIC）、数字信号处理器（DSP）和现场可编程逻辑门阵列（FPGA）为代表的IC，已经在工业生产中得到了大规模的应用。
在技术和工艺进步的基础上，数字通信中调制解调算法的实现已不再是一件可望不可及的事情。
可以说，无论是通信系统的内在要求（即算法复杂性决定接收的质量），还是外在条件（技术和工艺）都在促使通信系统的调制解调向数字化发展。
通信的目的是传输消息。
消息具有不同的形式，例如:
符号、文字、话音、音乐、数据、图片、活动图像等等。
因而，根据所传递消息的不同，目前通信业务可分为电报、电话、传真、数据传输即可视电话等。
如果从广义的角度看，则广播、电视、雷达、导航、遥测、遥控等也可以列入通信范畴。
QPSK是目前卫星、微波和有线电视上行通信中最常用的一种单载波调制方式，在电路上实现比较简单其频带利用率高，是BPSK的两倍，具有较强的抗干扰性，当发射功率一定时，和BPSK的误码率相同。
1QPSK调制解调器的总体设计
1.1设计任务与要求
1.了解且掌握QPSK调制和解调的基本原理；
2.在通信原理的基础上设计与分析通信系统；
3.学习MATLAB知识，熟悉Simulink在MATLAB集成环境下的仿真平台；
4.利用通信原理相关知识在仿真平台中设计QPSK调制与解调仿真系统并用示波器观察解调后的波形；
5.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。
1.2设计目的和意义
通过完成设计内容，复习QPSK调制解调的基本原理，同时也要复习通信系统的主要组成部分，了解调制解调方式中最基础的方法。
了解QPSK的实现方法及数学原理。
并对“通信”这个概念有个整体的理解，学习数字调制中误码率测试的标准及计算方法。
同时还要复习随机信号中时域用自相关函数，频域用功率谱密度来描述平稳随机过程的特性等基础知识，来理解高斯信道中噪声的表示方法，以便在编程中使用。
理解QPSK调制解调的基本原理，并使用MATLAB编程实现QPSK信号在高斯信道和瑞利衰落信道下传输，以及该方式的误码率测试。
复习MATLAB编程的基础知识和编程的常用算法以及使用MATLAB仿真系统的注意事项，并锻炼自己的编程能力，通过编程完成QPSK调制解调系统的仿真，以及误码率测试，并得出响应波形。
在完成要求任务的条件下，尝试优化程序。
1.3Matlab的简介
MATLAB是MATrixLABoratory的缩写，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。
除了矩阵算、绘制函数/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C，C++和FORTRAN）编写的程序。
尽管MATLAB主要用于数值计算，但是因为大量的额外的工具箱它也适合于不领域的应用，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Simulink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。
1.4Matlab下的simulink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应用于Simulink。
1.5Simulink的功能与特点
1.5.1Simulink的功能
连续采样时间、离散采样时间或两种混合的采样时间的需求都可以使用工具Simulink进行建模，在这种仿真平台之中，不同的系统部分可以运用不同的速率，即不同部分可以使用不一样的采样速率Simulink提供了一个建立模型方块图的图形用户接口（GUI）以创建动态系统模型，这个过程只需要使用鼠标即可，操作简单方便。
大量产品扩展了Simulink多领域建模功能这是构架在Simulink基础之上的。
Simulink是MATLAB中的一个仿真平台，它能够使用MATLAB中的各种的工具来进行各种所需的运算和仿真。
1.5.2Simulink的特点
1.以设计功能的层次性来分割模型，实现对复杂设计的管理；
2.丰富的可扩充的预定义模块库；
3.提供API用于与其他仿真程序的连接或与手写代码集成并且可以交互式的图形编辑器来组合和管理直观的模块图；
4.使用EmbeddedMATLAB模块在Simulink和嵌入式系统执行中调用MATLAB算法；
5.诊断设计的性能和异常行为的仿真结果观察方便。
1.6通信系统的模型
通信的目的是传输信息，进行信息的时空转移。
通信系统的作用就是将信息从信源发送到一个或多个目的地。
实现通信的方式和手段很多，如手势、语言、旌旗、烽火台和击鼓传令，以及现代社会的电报、电话、广播、电视、遥控、遥测、因特网和计算机通信等，这些都是消息传递的方式和信息交流的手段。
伴随着人类的文明、不和科学技术的发展，电信技术也是以一日千里的速度飞速发展，如今，在自然科学领域涉及“通信”这一术语时，一般指“电通信”。
广义来讲，光通信也属于电通信，因为光也是一种电磁波。
1.6.1一般模型
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，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1.6.1所示。
图1.6.1通信系统一般模型
1.信息源
信息源（简称信源）的作用是把各种消息转换成原始电信号。
根据消息的种类不同，信源可分为模拟信源和数字信源。
模拟信源输出连续的模拟信号，如话筒（声音—>
音频符号）、摄像机（—>
视频信号）；
数字信源则输出离散的数字信号，如电传机（键盘字符—>
数字信号）、计算机等各种数字终端。
并且，模拟信源送出的信号经数字化处理后也可送出数字信号。
2.发送设备
发送设备的作用是产生适合于在信道中传输的信号，即使发送信号的特性和信道特性相匹配，具有抗信道干扰的能力，并且具有足够的功率以满足远距离传输的需要。
因此，发送设备涵盖的内容很多，可能包含变换、放大、滤波、编码、调制等过程。
对于信息源发送设备信道接收设备受信者噪声源多路传输系统，发送设备还包括多路复用器。
3.信道
信道是一种物理媒质，用来将来自发送设备的信号传送到接收端。
在无线信道中，信道可以是自由空间；
在有线信道中，可以是明线、电缆和光纤。
有线信道和无线信道均有多种物理煤质。
信道既给信号以通路，也会对信号产生各种干扰和噪声。
信道的固有特性及引入的干扰和噪声直接关系到通信的质量。
上图中的噪声源是信道中的噪声及分散在通信系统及其他各处的噪声的集中表示。
噪声通常是随机的，形式多样的，它的出现干扰了正常信号的传输。
4.接收设备
接收设备的功能是将信号放大和反变换（如译码、解调等），其目的是从收到减损的接收信号中正确恢复出原始电信号。
对于多路复用信号，接收设备中还包括解除多路复用，实现正确分路的功能。
此外，它还要尽可能减小在传输过程中噪声与干扰所带来的影响。
5.受信者
受信者（简称信箱）是传送消息的目的地，其功能与信源相反，即把原始电信号还原成相应的消息，如扬声器等。
上图概括的描述了一个通信系统的组成。
根据我们研究的对象以及所关注的问题不同，因而相应有不同形式的、更具体的通信模型。
通常按照信道中传输的是模拟信号还是数字信号，相应的把通信系统分为模拟通信系统和数字通信系统。
1.6.2模拟通信模型
图1.6.2模拟通信系统模型
模拟通信系统是利用模拟信号来传递信息的通信系统，其模型如图1.6.2所示，其中包含两种重要变换，第一种变换是，在发送端把连续消息变换成原始电信号，在接收端进行相反的变换，这种变换由信源和信宿完成，这里所说的原始电信号通常称为基带信号。
有些信道可以直接传输基带信号，而以自由空间作为信道的无线电传输却无法直接传输这些信号，因此，模拟通信系统中常常需要进行第二种变换：
把基带信号变换成适合在信道传输的信号，并在接收端进行反变换，完成这种变换和反变换的通常是调制器和解调器。
除了上述两种变换，实际通信系统中可能还有滤波、放大、无线辐射等过程，上述两种变换其主要作用，而其他过程不会使信号发生质的变化，只是对信号进行放大和改善信号特性等。
1.6.3数字通信模型
目前，无论是模拟通信还是数字通信，在不同的通信业务中都得到了广泛的应用。
但是，数字通信的发展速度已明显超过了模拟通信，其模型如图1.6.3-1，数字通信成为当代通信技术的主流，具有以下优点：
1.抗干扰能力强（数字信号可多次再生，自动检错、纠错信道），可消除噪声积累；
2.差错可控，传输性能好。
可采用信道编码技术使误码率降低，提高传输的可靠性；
3.便于与各种数字终端接口，用现代计算技术对信号进行处理、加工、变换、存储，从而形成智能网；
4.便于集成化，从而使通信设备微型化；
5.便于加密处理，且保密强度高；
6.占用信道频带宽流。
图1.6.3-1数字通信系统模型
1.信源编码与译码
信源编码有两个基本功能：
一是提高信息传输的有效性，而是完成模/数（A/D）转换，信源编码是信源译码的逆过程。
2.信道编码与译码
信道编码的目的是增强数字信号的抗干扰能力。
接收端的信道译码器按相应的逆规则进行解码，从中发现错误或纠正错误，提高通信系统的可靠性。
3.加密与解密
在需要事先保密通信的场合，为了保证所传信息的拿权，人为地将被传输的数字序列扰乱，即加上密码，这种处理过程叫加密。
在接收端利用与发送端相同的密码复制品对收到的数字学列进行解密，恢复原来的信息。
。
4.数字调制与解调
数字调制就是把数字基带信号的频谱搬移到高频处，形成适合在信道中那个传输的带通信号。
在接收端可以利用相干解调或非相干解调还原数字基带信号。
数字调制的主要目的是将二进制信息序列映射成信号波形，是对编码信号进行处理，使其变成适合传输的过程。
即把基带信号转变为一个相对基带信号而言频率非常高的带通信号，易于发送。
数字调制一般是指调制信号是离散的，而载波是连续的调制方式。
主要的数字调制方式有：
1）ASK，又称幅移键控法。
这种调制方式是根据信号的不同调节正弦波波幅度。
2）PSK，相移键控法，载波相位受数字基带信号控制。
如基带信号为1时相位为π，基带信号为0时相位为0。
3）FSK，频移键控法，即用数字信号去调节载波频率。
4）QAM，正交幅度调制法，根据数字信号的不同，载波相位和幅度都发生变化。
5.同步
同步是使收发两端的信号在时间上保持步调一致，是保证数字通信系统有序/准确/可靠工作的前提条件。
6.信道
信道是通信传输信号的通道，是通信系统的重要组成部分。
其基本特点是发送信号随机地受到各种可能机理的恶化。
在通信系统的设计中，人们往往根据信道的数学模型来设计信道编码，以获得更好的通信性能。
常用的信道数学模型有：
加性噪声信道，线性滤波信道，线性时变滤波信道。
（1）加性噪声信道：
加性噪声信道是最简单的一种信道数学模型，噪声对信号的影响是加性的。
如下图1.6.3-2所示，
图1.6.3-2加性噪声数学模型
输入信号为s（t），噪声为n（t），输出为r（t）
=
s（t）+
n（t）
若加上衰减函数α，则r（t）=αs（t）+n（t）。
（2）线性滤波信道：
实际信道中，带宽均有所限制，所以为了确保信号不超出带宽一般会加上线性滤波器。
这样的信道便称为线性滤波信道，如图1.6.3-3所示。
输入信号为s（t），噪声为n（t），输出为r（t）：
r（t）
s（t）*c（t）
+
=
图1.6.3-3线性滤波数学模型
（3）线性时变滤波信道：
很多物理信道如电离层无线电信道等，其信道特点是时变的，于是线性滤波器也加上时变特性，如下图1.6.3-4，时变信道脉冲响应为c（τ;
t），τ表示可变的过去时间，，则r（t）=s（t）*c（τ;
t）+n（t）=
图1.6.3-4线性时变滤波数学模型
此种模型很好地反映了物理信道中的多路径信号传播，如手机蜂窝信道。
这是其中的一种特殊例子，若时变脉冲响应为：
；
其中
表现出时变信道的可能衰减，
代表时间延时，L则表示传播路径的数目。
将这一特例带到线性时变滤波信道中则可得输出信号为：
以上三个信道模型描述了我们在实际中利用的物理信道的大多数重要特点，便于我们对实际通信系统进行设计与分析。
图1.6.3-1是数字通信系统的一般化模型，实际的数字通信系统不一定包括图中的所有环节。
此外，模拟信号经过数字编码后可以在数字通信系统中传输，当然，数字信号也可以通过传统的电话往来传输，但需要使用调制解调器。
2Simulink下的QPSK
2.1QPSK系统的应用背景
QPSK是英文QuadraturePhaseShiftKeying的缩略语简称，意为正交相移键控，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。
2.2QPSK的简介
QuadraturePhaseShiftKeying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。
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°
，1
升级会员 