基于SystemView的QPSK系统仿真.docx
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四川师范大学成都学院宽带通信网方向课程设计
基于SystemView的QPSK系统仿真
学生姓名
张静
学号
2013101013
所在学院
通信工程学院
专业名称
通信工程
班级
2013级宽带通信方向
指导教师
梅芳芳
成绩
四川师范大学成都学院
二○一六年五月
课程设计任务书
学生姓名
张静
学生学号
2013101013
学生专业
通信工程
学生班级
宽带通信方向
指导教师
梅芳芳
职称
讲师
发题日期
2016年3月18日
完成日期
2016年5月20日
设计题目
基于SystemView的QPSK系统仿真
设计目的：
1.加深对所学的通信原理知识的理解。
2.熟练应用systemview仿真软件进行通信系统进行仿真设计。
3.增强分析问题和解决问题的能力，了解通信系统的新技术、新发展。
具体任务及要求：
1.理解QPSK数字调制解调基本原理。
2设计V.26标准的QPSK调制解调系统，其调制信号的码元速率为2.4kb/s，经串并变换后I、Q通道的码元速率为1.2kb/s；调制载波为1.8khz的正弦波，数据采样频率为9.6kb/s。
3.合理设置各模块参数，在systemview平台进行系统仿真。
课程设计进度安排：
序号
内容安排
时间
课程设计参考文献：
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
指导教
师签字
院长审核签字
基于SystemView的QPSK系统仿真
内容摘要：
数字调制解调技术在数字通信中占有非常重要的地位。
当前在移动通信、卫星通信以及航天的测量跟踪控制中，应用比较多的数字载波调制解调技术就是多进制相移键控。
其中，四相相移键控具有一系列的优点，比如抗干扰能力强，在恒参信道下，QPSK调制技术与FSK、2PSK、ASK调制技术相比，不但抗干扰能力强，而且能更经济有效的利用频带，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。
根据当今现代通信技术的发展，对QPSK信号的调制解调问题进行了分析。
研究了QPSK调制解调的原理，该设计运用SystemView仿真软件搭建QPSK调制与解调仿真电路。
QPSK利用载波的四种不同相位表征数字信息。
其中调制部分采用正交调相法，解调部分采取正交相干解调的方法解调。
并用动态系统设计、仿真和分析软件systemview进行系统仿真，对各个模块参数进行了设置，而且分析了仿真结果，并对载波相位变化的实现，串并转换的实现，中频数字下变频、载波同步、位同步等技术进行了详细的研究。
关键词：
SystemViewQPSK调制解调
TheQPSKsystemsimulationbasedonSystemView
Abstract：
Digitalmodulationanddemodulationtechnologyindigitalcommunicationplaysaveryimportantroleinthisyear.Inthecurrent,themobilecommunications,satellitecommunicationsandspacemeasurementtrackingcontrol,applicationmoredigitalcarrierdemodulationtechnologyistheMPSK.QPSKwithaseriesofadvantages,suchasstrongantiinterference,Fixedparametersinthechannelcases,ThemodulationtechnologyofQPSKcomparewithothermodulationtechnologysuchasFSK2PSKASK,Itisnotonlystronganti-interferenceability,andcanbemoreeconomicandeffectiveuseoffrequencyband，Soitiswidelyusedinwirelesscommunication,moderncommunicationandbecomeakindofveryimportantdemodulationmethod.
Thispaperaccordingtothedevelopmentofthemoderncommunicationtechnology,andanalyzesthedemodulationoftheQPSKsignal.ThispaperstudiestheprincipleofdemodulationoftheQPSK,ThedesignbySystemViewsimulationsoftwaretobuildQPSKmodulationanddemodulationcircuitsimulation.QPSKfourdifferentphasesofthecarrierwavedigitalcharacterizationinformation.Whereinthephasemodulationmethodoforthogonalmodulationsection,demodulatingsectiontakenorthogonalcoherentdemodulationmethoddemodulation.byusingdynamicsystemdesign,simulationandanalysisthesoftwareSystemviewforsystemsimulation,Eachmoduleparametersaresetup,andanalyzesthesimulationresults,andwemakeadetailedstudyoftherealizationofthecarrierphasechange,andRealizetheserialdataandparalleldataconversion,intermediatefrequencydigitalfrequencyconversion,carriersynchronization,asynchronoustechnology.
Keywords：
SystemviewQPSKmodulationdemodulation
目录
前言
1设计课题原理
1.1QPSK调制
1.2QPSK解调
1.3QPSK调制器的原理及原理框图
2SystemView软件
2.1设计窗口
2.1.1基本库
2.1.2扩展功能库
2.2分析窗介绍
3基于SystemView软件QPSK系统仿真
3.1QPSK仿真框图
3.2波形的观察以及原理的理解
3.2.1解调部分的波形
3.2.2对应功率谱观察和低通滤波器输出波眼图
3.3调制解调技术概述
4结束语
参考文献
基于SystemView的QPSK系统仿真
前言
通信技术与计算机技术，数字信号处理技术三者的结合是现代通信技术的标志，它在融入数字信号处理技术和计算机技术后发生了巨大的变化。
从广义上讲，通信是指使用不同的方法，通过任何传输介质将有效信息进行两个不同地方的传递，其实，通信就是为了进行消息的交换及有效传递。
作为这个领域中极为重要的一部分，数字调制解调技术得到了迅速发展。
一方面，随着全数字调制解调专用集成电路的发展，发送与接受设备在通信传输中可以更加紧凑，从而降低成本和功耗，并且大大提高了设备的可靠性。
另一方面，全数字调制解调技术的使用，有可能使各类现在调制解调技术融为一体。
数字调制主要包括频移键控（FSK）、二进制相移键控（BPSK）、正交幅度调制（QAM）、正交相移键控（QPSK）。
在这些调制方式中，四相相移键控（QPSK）信号由于抗干扰能力强、频带利用率高、在电路上实现比较简单并在目前卫星、微波和有线电视上行通信中得到广泛的应用。
数字调制解调技术最初的发展是从模拟信号的调制解调技术开始的，随着数字通信技术的快速发展，数字调制技术也得到了相应的发展以及广泛的应用。
数字调制信号又称为键控信号，载波包含3个变量：
频率、相位和振幅，而且二进制信号色状态只包含高、低电平两个逻辑量，所以，在调制的过程中，可以采用键控的方法，通过基带信号对载频信号上网3个变量进行调制，主要的方法包括：
相移键控（PSK）、频移键控（FSK）和振幅键控（ASK）。
目前国内外已经有一些关于全数字QPSK调制解调器方面的科研成果和专用芯片问世。
国外的比如ST公司的ST550，ST5518；比利时的Newtec公司的NTC-2077/FT；OKI公司的MSM7582TS；美国休斯公司的BCD4C-M500；美国HARRIS公司和德国赫斯曼公司也都有相关上网专用芯片。
国内的如北京海尔集成电路设计有限公司研发制作，符合DVB-S标准的卫星信道编码器HQPSK-DVB。
1设计课题原理
QPSK调制与相干解调原理仿真
以v26标准的QPSK信号为为表转，在SystemView平台上仿真QPSK调制与解调的通信系统的仿真方法。
v26信号的一些参数如下：
该信号为差分编码正变调制的QPSK信号，其调制信号的码速率为2.4kb／s，经串并变换后，I、Q通道的码速率分别为1.2kb／s；调制载波为1.8kHz的正弦波，为实现软解调，其数据采样频率为9.6kb／s。
要求取得的数据结果是：
比较输入数据和输出数据的波形图，观看I通路输出码元序列的眼图
QPSK信号载波提取相干解调
其相关参数与上一样，但在仿真中利用载波提取环，也就是说利用用于QPSK信号解调的载波跟踪环，可以从QPSK信号中提取载波从而完成相干解调。
要求取得的数据结果是：
比较输入数据和输出数据的波形图，VCO的控制信号、滤波器输出信号的眼图、VCO输出信号的频谱。
1.1QPSK调制
QPSK信号的产生方法可分为调相法和相位选择法。
用调相法产生QPSK信号的组成方框图如图1-1（a）所示。
图中，串/并变换器将输入的二进制序列依次分为两个并行的双极性序列。
设两个序列中的二进制数字分别为a和b，每一对ab称为一个双比特码元。
双极性的a和b脉冲通过两个平衡调制器分别对同相载波及正交载波进行二相调制，得到图1-1（b）中虚线矢量。
将两路输出叠加，即得如图1-1（b）中实线所示的四相移相信号，其相位编码逻辑关系如表1-1所示。
（a）
（b）
图1-1QPSK调制
表1-1QPSK信号相位编码逻辑关系
将信号源产生的伪随机码进行串/并变换。
串/并变换器将输入的二进制序列分为两个并行的双极性序列。
双极性的a和b脉冲通过两个平衡调制器分别对同相载波及正交载波进行二相调制，然后将两路输出叠加，即得到QPSK调制信号。
1.2QPSK解调
图1-2QPSK相干解调器
由于四相绝对移相信号可以看作是两个正交2PSK信号的合成，故它可以采用与2PSK信号类似的解调方法进行解调，即由两个2PSK信号相干解调器构成，其组成方框图如图
1-2所示。
图中的并/串变换器的作用与调制器中的串/并变换器相反，它是用来将上、下支路所得到的并行数据恢复成串行数据的。
相干载波直接从调制端引入，因此解调器中的载波与调制部分的载波同频同相。
在实际系统中，相干载波是通过载波同步获取的，相干载波的频率和相位只有和调制端相同时，才能完成相干解调。
载波调制的模拟相乘器输出包括高频和低频信号，经过低通滤波器滤除高频成份，得到低频调制信号。
定时抽样判决实现帧同步和位同步并将方波信号变成数字基带信号。
I、Q两路基带信号实现并/串转换。
1.3QPSK调制器的原理及原理框图
对于该系统的仿真，关键是构建QPSK调制与解调系统，具体的QPSK调制与解调仿真系统如下。
在QPSK中，数字序列相继两个码元的4种组合对应4个不同相位的正弦载波，即00、01、10、11分别对应，，，，其中0≤t＜2T，T为比特周期。
图1-3（a）是QPSK相位矢量图，图中I表示同相信号，Q表示正交信号。
图1-3（b）是QPSK星座图，星座图中星座间的距离越大，信号的抗干扰能力就越强，接收端判决再生时就越不容易出现误码。
星座间的最小距离表示调制方式的欧几里德距离，欧几里德距离d可表示为信号平均功率S的函数。
QPSK信号的欧几里德距离与平均功率的关系为。
图1-3QPSK的矢量图和星座图
图1-4QPSK调制器的原理框图
2SystemView软件
SystemView是一个用于现代工程与科学系统设计及仿真的动态系统分析平台。
从滤波器设计、信号处理、完整通信系统的设计与仿真，直到一般的系统数学模型建立等各个领域，SystemView在友好而且功能齐全的窗口环境下，为用户提供了一个精密的嵌入式分析工具。
SystemView是美国ELANIX公司推出的，基于Windows环境下运行的用于系统仿真分析的可视化软件工具，它使用功能模块（Token）描述程序。
利用SystemView，可以构造各种复杂的模拟、数字、数模混合系统和各种多速率系统，因此，它可用于各种线性或非线性控制系统的设计和仿真。
用户在进行系统设计时，只需从SystemView配置的图标库中调出有关图标并进行参数设置，完成图标间的连线，然后运行仿真操作，最终以时域波形、眼图、功率谱等形式给出系统的仿真分析结果。
SystemView的用户环境包括两个常用的界面设计窗口和分析窗口
2.1设计窗口
设计窗口如图2-1所示
图2-1设计窗口
systemview的所有功能图符，可供读者快速查阅。
它是一个高度浓缩了的图符功能表，您可以快速选取或查阅所需的图符功能，而不用频繁的翻阅英文使用说明书。
2.1.1基本库
SystemView的基本库包括信源库、算子库、函数库、信号接收器库等，它为该系统仿真提供了最基本的工具。
SystemView为我们提供了16种信号源，可以用它来产生任意信号；
功能强大的算子库多达31种算子，可以满足您所有运算的要求；
32种函数尽显函数库的强大库容；
12种信号接收方式任你挑选，要做任何分析都难不倒它；
2.1.2扩展功能库
扩展功能库提供可选择的能够增加核心库功能的用于特殊应用的库。
它允许通信、DSP、射频/模拟和逻辑应用。
包含有大量的通信系统模块的通信库，是快速设计和仿真现代通信系统的有力工具。
这些模块从纠错编码、调制解调、到各种信道模型一应俱全。
DSP库能够在你将要运行DSP芯片上仿真DSP系统。
该库支持大多DSP芯片的算法模式。
例如乘法器、加法器、除法器和反相器的图标代表真正的DSP算法操作符。
还包括高级处理工具：
混合的RadixFFT、FIR和IIR滤波器以及块传输等。
逻辑运算自然离不开逻辑库了，它包括象与非门这样的通用器件的图标、74系列器件功能图标及用户自己的图标等。
射频/模拟库支持用于射频设计的关键的电子组件，例如：
混合器、放大器和功率分配器等。
2.2分析窗介绍
设置好系统定时参数后，单击“系统运行”快捷功能按钮，计算机开始运算各个数学模型间的函数关系，生成曲线待显示调用。
此后，单击“分析窗口”快捷功能按钮进入分析窗
（SystemViewAnalysis）进行操作。
为便于查看演示结果，在进入分析窗前，首先运行SystemView自带的锁相环实验，具体步骤如下：
Ø进入到SystemView的主界面，在屏幕中央的工作区单击右键，在弹出菜单中选择Demo项进入到系统自带的锁相环实验中。
Ø在出现的WelcometoSystemView窗口中，选择StartDemo开始演示，选择Exit退出演示。
这里请按StartDemo开始演示。
Ø在演示过程中，会分阶段多次出现的SystemViewDemonstration窗口。
其中Continue代表继续演示，Exit代表退出演示，也可以拖动DemoSpeed上的滑块来改变演示的速度。
建议演示速度不要调节得过快。
Ø此后的演示实验中，将由SystemView自动控制鼠标来建立锁相环系统并进行仿真。
在此过程中，动用鼠标有可能扰乱系统的运行，除非有必要，请不要改变系统原有设置。
在运行Demo自动建立的系统后，进入分析视窗如图2-2所示。
图2-2分析窗口
分析窗口的主要功能是显示系统窗中信宿（主要是Analysis块）处的几类分析波形、功率谱、眼图、信号星座图等信息，每个信宿对应一个活动波形窗口，可以多种排列方式，同时或单独显示，也可将若干个波形合成在同一个窗口中显示，以便进行结果对比。
在分析窗口下，第一行为“主菜单栏”，包括：
File、Edit、Preferences、Windows、Help五个功能栏：
第二行为“工具栏”，自左至右的图标按钮依次为：
按钮l：
绘制新图；按钮2：
打印新图；按钮3：
恢复；
按钮4：
点绘；按钮5：
连点；按钮6：
显示坐标；
按钮7：
X轴标记；按钮8：
竖排显示；按钮9：
横排显示；
按钮lO：
层叠显示；按钮11：
X轴对数化；按钮12：
Y轴对数化；
按钮13：
所有窗口最小化；按钮14：
打开所有窗口；按钮15：
动画模拟；
按钮16：
各窗口数据信息；按钮17：
微型窗口；按钮18：
快速缩放；
按钮19：
极坐标；按钮20：
输入APG；按钮21：
返回系统视窗；
3基于SystemView软件QPSK系统仿真
四相绝对移相键控QPSK利用四种不同的相位表征数字信息。
首先将一路随机序列通过串并转换分成两路（分别延时一个、两个码元周期，采样，保持），分别对同相载波及正交载波进行二相调制，将两路输出叠加形成调制信号。
调制信号通过信道传输后在接收部分进行解调，接收信号分别与正交的相干载波相乘，通过低通滤波器抽样判决（采样器保持器使波形幅度均衡），形成两路PSK信号，通过并串转换（输入一串01脉冲序列选择上下支路的码元）合成一路4PSK即QPSK信号。
3.1QPSK仿真框图
图3-1QPSK系统原理仿真总电路图
参数设置：
Token0：
伪随机PN序列发生器（Amp=1V,Rate=2400Hz,Levels=2）。
Token23、24：
采样器（Rate=1200Hz）。
Token25、26：
保持器（Gain=1,HoldLastSample）。
Token13、15：
载波－正弦信号发生器（Amp=1V,Freq=1800Hz,Phase=0）。
Token19、20：
线性系统与滤波器（ButterworthLowpassIIR,3Poles,Fc=1200Hz）。
Token61、65、69：
子系统（61为串并变换，65为并串变换，69为波形恢复子系统）。
图3-2子系统--串并变换子系统电路（61）
参数设置：
Token2：
采样器（Rate=2400Hz）。
Token53、54、：
数字延迟器（Delay=1Sample）。
Token7、8：
保持器（Gain=1,HoldLastSample）。
图3-3波形恢复子系统电路图（65）
参数设置：
Token59：
保持器（Gain=1,HoldLastSample）。
Token58：
比较器（Comparison=′>=′,TrueOutput=1V,FalseOutput=-1V）。
图3-4并串变换子系统电路（69）
a参数设置
Token42：
采样器（Rate=2400Hz）。
Token52、：
数字延迟器（Delay=1Sample）。
Token41：
方波序列发生器（Amp=1V,Freq=1200Hz,PulseW=416.7μs）。
b运行时间设置
开始时间0s，采样频率9.6kHz，采样点数8192个。
3.2波形的观察以及原理的理解
原理理解：
下面图3-5就是原始码元数字数列（频率R），经过串并子程序生成两频率R/2并行码元（抽样延迟），然后分别与两载波相乘（此2载波由一正弦信号发生器产生，因为其本身就提供同相和正交两种，故不需要相移器）进行ASK（幅度键控）调制后得到两BPSK信号，其相加得如图3-6QPSK（sink35为原始码元，sink46为QPSK信号）。
图3-5输入原始信号
图3-6QPSK的信号
3.2.1解调部分的波形
原理理解：
相干解调，QPSK与同相同频正弦波相乘再经接收低通滤波器滤除高频分量得同相和正交两路码元，再恢复，两路采样器分别以1.2kHz的采样频率对原采样序列采样。
其中一路先经过一个码元宽度的时间延迟，这样一路采第奇数个码元；另一路采第偶数个码元，完成串并变换。
为了使两路信号采样后在相位上对齐，采奇数个码元的支路也加入了相应的时间延迟。
图3-7同相码元
图3-8正交码元
图3-9恢复波形
3.2.2对应功率谱观察和低通滤波器输出波眼图
3.3调制解调技术概述
数字信号调制是用基带数字信号控制高频载波，把基带数字信号变换为频带数字信号的过程，数字信号的调制设备包括数字信号处理（编码）单元和调制单元。
图3-1 数字通信调制系统框图
首先将模拟信号数字化，然而数字信号序列进行编码，码流是不能或不适合直接通过传输信道进行传输的，必须经过某种处理，使之变成适合在规定信道中传输的形式。
在通信原理上，这种处理称为信道编码，一般包括扰码，R-S编码，卷积交织，卷积编码这几部分；有关调制单元的调制类型的分类：
l按数据类型数字调制可分为二进制调制和多进制调制两种。
l按已调信号的结构形式可分为线性调制和非线性调制两种。
l按数字调制方式分为调幅、调频和调相三种基本形式。
数字通信解调设备的构成如图3-2所示，主要包括解调单元、信码再生单元和译码单元。
其中，载波同步和定时同步是解调器的2个核心单元，它们直接决定着解调器的误码性能。
图3-2 数字通信解调系统框图
在传统的数字通信系统中，接收机的解调单元都是用模拟处理方法和器件实现的。
其中，共同之处在于使用了模拟滤波器、鉴相器（乘法器）和压控振荡器（VOC）。
这种传统的模拟解调单元电路体积大、形式复杂，调试周期长而且受人为因素影响大：
器件内部噪声大，易受环境影响，可靠性差，因此，这种传
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