毕业论文（设计）：QPSK调制与解调的软件设计实现.doc

QPSK 调制与解调的软件实现 摘要：随着移动通信技术的发展，以前在数字蜂窝系统中采用 FSK、ASK、PSK 等调制方式，逐渐被许多优秀的调制技术所替代，其中四相移相键 控 QPSK 技术是无线通信技术中比较突出的一种二进制调制方法。本文主要介绍了 QPSK 调制与解调的实现原理框图，重点研究了用 MATLAB 软件中的 SIMULINK 仿真功能对 QPSK 调制与解调这一过程如何建立仿真模型，通过对仿真模型的运行， 得到了信号在 QPSK 调制与解调调过程中的信号时域变化图。通过该软件实现方式， 可以大大提高设计的灵活性，节约设计时间，提高设计效率，从而缩小硬件电路设 计的工作量，缩短开发周期。 关键词：数字蜂窝系统， 四相移相键控，调制，解调。 QPSK modulation and demodulation of software implementation Abstract：As mobile communications technology, and previously in the adoption of digital cellular system, ASK, FSK PSK modulation, etc. Gradually been many excellent modulation technology substitution, where four phase-shift keying QPSK technology is a wireless communications technology in a binary modulation method. This article primarily describes QPSK modulation and demodulation of the implementation of the principle of block diagrams, focuses on the MATLAB SIMULINK software emulation in on QPSK modulation and demodulation the process how to build a simulation model, through the operation of simulation model, I get signal in QPSK modulation and demodulation adjustment process domain change figure. The software implementation, can dramatically improve the design flexibility, saving design time, increase efficiency, design to reduce the workload of hardware circuit design, and shorten the development cycle. Key words：Digital cellular system, QPSK, modulation, demodulation. 目录 第 1 页 目录 第一章 绪论1 1.1 选题的目的与意义1 1.2 研究背景与现状1 1.3 数字调制解调技术的概述2 1.4 QPSK 技术的概述.3 1.5 本文的主要研究工作.4 第二章 QPSK 调制解调原理及结构设计.5 2.1 相移键控系统概述.5 2.1.1 二进制相移键控.5 2.1.2 四相相移键控.5 2.2 QPSK 调制的工作原理.6 2.3 QPSK 解调的工作原理.7 2.4 其它 QPSK 简介9 第三章 QPSK 调制解调的软件实现.10 3.1 SIMULINK 功能介绍.10 3.2 SIMULINK 特点.10 3.3 QPSK 调制解调的软件设计.11 3.3.1 QPSK 调制解调的软件实现方框图.11 3.3.2 QPSK 调制解调过程主要组件的功能.12 3.4 QPSK 调制解调仿真过程及其波形图.13 3.4.1 QPSK 调制过程及其波形图.13 3.4.2 QPSK 解调过程及其波形图.22 3.5 QPSK 调制解调仿真过程正确性的验证.28 结束语29 致谢30 参考文献31 附录32 1 第一章第一章 绪论绪论 1.11.1 选题的目的与意义选题的目的与意义 随着通信的发展，网络的日益普及，通信网络已经渗透到社会的各个领域， 通信产品也随处可见。通信技术现已成为人们学习、生活、工作的必备工具，但 我们在享受网络带给我们的便利的同时，又发现，速度是如此之慢。于是，如何 有效、可靠地把消息传输和交换成为了通信领域研究的重点。各种的 Internet 宽 带接入方式，如前期的 ISDN、现在的 ADSL 以及 Cable Modem 等等，都相继产 生。而充分利用频率资源，使用高效调制方式，实现尽量高的接入速率，成为宽 带技术的关键所在。本文针对当今宽带接入技术中应用最为广泛的 QPSK 调制技 术进行了理论研究，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。 1.21.2 研究背景与现状研究背景与现状 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，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。 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。 1.31.3 数字调制解调技术的概述数字调制解调技术的概述 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。 2 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： (1)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。 (2)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。 (3)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 12 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。 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 (VCO)。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，这种传统的 接收机不能完全发挥数字通信的优势，不能实现数字信号处理的最佳接收。 解调单元的载波同步和定时同步将完全在数字部分完成，而模数转换器的位 置决定了接收机的数字化程度。在全数字解调中，几乎所有的模拟解调单元和器 件都可以对应地找到它的数字化形式，如数字滤波器(FIR 或 IIR)、全数字乘法器 和数控振荡器等。但全数字解调并不是简单的将模拟解调中的器件全部数字化， 它具有以下的特点： (1)电路结构简单，易于调试； 3 (2)可以使用复杂的算法，从而实现最佳的接收； (3)便于计算机辅助设计，实现电子设计自动化(EDA)； (4)易于集成和大规模生产，价格低廉。 1.1.4 4 QPSKQPSK 技术的概述技术的概述 QPSK 是英文 Quadrature Phase Shift Keying 的缩略语简称，意为正交 相移键控，是一种数字调制方式。 四相相移调制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 45，135，225，275，调制器输入 的数据是二进制数字序列，为了能和四进制的载波 相位配合起来，则需要把 二进制数据变换为四进制数据，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，它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。解调器根据星座图及接收到的载波信号的相位 来判断发送端发送的信息比特。 在数字信号的调制方式中 QPSK 四相移键控是目前最常用的一种卫星数字 信号调制方式 ,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。 在 HFC 网络架构中，从用户线缆调制解调器发往上行通道的数据 采用 QPSK 方式调制，并用 TDMA 方式复用到上行通道。 在有线电视系统中， 卫星（大锅）输出的就是 QPSK 信号。在实际的调谐解调电路中，采用的是非 相干载波解调，本振信号与发射端的载波信号存在频率偏差和相位抖动，因而 解调出来的模拟 I、Q 基带信号是带有载波误差的信号。这样的模拟基带信号 即使采用定时准确的时钟进行取样判决，得到的数字信号也不是原来发射端的 调制信号，误差的积累将导致抽样判决后的误码率增大，因此数字QPSK 解调 电路要对载波误差进行补偿，减少非相干载波解调带来的影响。此外，ADC 的取样时钟也不是从信号中提取的，当取样时钟与输入的数据不同步时，取样 将不在最佳取样时刻进行所得到的取样值的统计信噪比就不是最高，误码率就 高，因此，在电路中还需要恢复出一个与输入符号率同步的时钟，来校正固定 取样带来的样点误差，并且准确的位定时信息可为数字解调后的信道纠错解码 提供正确的时钟。校正办法是由定时恢复和载波恢复模块通过某种算法产生定 时和载波误差，插值或抽取器在定时和载波误差信号的控制下，对A/D 转换 后的取样值进行抽取或插值滤波，得到信号在最佳取样点的值，不同芯片采用 的算法不尽相同，例如可以采用据辅助法 (DA)载波相位和定时相位联合估计 的最大似然算 法。 1.5 本文的主要研究工作本文的主要研究工作 本文研究的主要内容是利用软件来实现 QPSK 的调制与解调。本次课题利用 4 的软件是 MATLAB 软件中自带的 SIMULINK 仿真功能模块来进行对 QPSK 调制 与解调过程的设计和仿真。其主要内容包括： 1.研究 QPSK 的调制原理和解调原理； 2.利用 SUMULINK 设计 QPSK 调制和解调仿真模型； 3.分析 QPSK 的调制解调过程信号的时域变化过程； 第二章第二章 QPSKQPSK 调制与解调原理及结构设计调制与解调原理及结构设计 2.12.1 相移键控系统概述相移键控系统概述 相移键控是目前扩频系统中大量使用的调制方式，也是和扩频技术结合最成 熟的调制技术，原则上看是一种线性调制。从基带变换到中频以及射频，中间的 频谱搬移和信号放大需要一个要求较高的线性信道，因而，设计要求较高。 相移键控系统中，有待传输的基带数字脉冲控制着载波相位的变化，从而形 5 成振幅与频率不变，而相位取离散值变化的己调波。 2.1.12.1.1 二进制相移键控二进制相移键控 对于二迸制相移键控 BPSK(Binary Phase Shift Keying) 来说，就是二进制 的数字信号 0 和 1 分别用载波的 0 和 来表示。其表达式由公式(2-1)给出： ( )()cosBPSKnsc n Sta g tnTt (2-1) 式中， na为二进制数字， 1 1 na (2-2) 2.1.22.1.2 四相相移键控四相相移键控 四相相移键控 QPSK 是 MPSK 的一种特殊情况。它是利用载波四个不同的相位 来表征数字信息的调制方式。QPSK 信号可以表示为： ( )()cos()QPSKscn n Stg tnTt (2-3) 式中， c是载波的角频率， n 是第 k 个码元的载波相位取值，ST是一个 发送码元的持续时间，它将取可能的四种相位之一，甙 t)是发送码元的波形函数。 n 是可以取区问(0，2x)任何离散值的随机变量，可取的个数由调制方式的进制 来决定。在 QPSK 调制系统中，发送端可取的相位值为四个。 将上式展开，得到： ( )()coscos()sinsincQPSKsncsn nn Stg tnTtg tnTt (2-4) 令cos nnX，sinnnY，则两者的取值是随机的离散值，和选定的 相位有关，在星座图的映射中对应同相和正交分量，反映其在映射图中的矢量位 置。对于四种相位的选择，存在 /2 体系和 n=/4 体系。/2 体系对应 n=0，/2，3/2 四个离散值。/4 体系对应 n=/4，3/4，5/4，7/4 四个离散值。 从式(2_4)可以看出，四相调制的波形，可以看成是对两个正交载波进行二 进制幅度调制的信号之和。从nX和nY的取值，容易发现两者具有一定的矢量约束 关系，保证两者合成的矢量点在落在同一圆周上。这个关系意味着，系统的非线 概率为 P 概率为 1-P 6 形失真对 QPSK 系统的可靠性影响很小。 2.22.2 QPSKQPSK 调制的工作原理调制的工作原理 QPSK 信号有 00、01、10、11 四种状态。所以,对输入的二进制序列,首先必 须分组,每两位码元一组。然后根据组合情况,用载波的四种相位表征它们。QPSK 信号实际上是两路正交双边带信号,可由图 2.1 所示方法产生。 串/并 变 换 相乘 电路 相干载 波产生 /2 相移 相乘 电路 相加 电路 输入 信号 cosct 输出 信号 图 2.1 QPSK 调制原理图 由图 1，可以看出，QPSK 是由两路 BPSK 信号构成，且两路信号相互正交的, 即相位差相差 90，两路 BPSK 信号相加，即得到 QPSK 信号。图 2.1 是比较常用 的 QPSK 调制方式。 2.32.3 QPSKQPSK 解调的工作原理解调的工作原理 QPSK 信号是两个正交的 2PSK 信号的合成,所以可仿照 2PSK 信号的相平解调 法,用两个正交的相干载波分别检测 A 和 B 两个分量,然后还原成串行二进制数字 信号,即可完成。原理图如图 2.2 所示. 7 低通相乘抽判 /2 相乘低通抽判 并/串 载波 提取 定时 提取 cosct -sin ct QPSK 信号 输出 信号 图 2.2 QPSK 解调原理图 相干解调中，正交路和同相路分别设置两个相关器(或匹配滤波器)，得到 I(t) 和 Q(t)，经电平判决和并一串变换后即可恢复原始信息。当然，如果调制端是差 分编码的，那么解调中并串变换后还需一个差分解码。 假如已调信号为( )( )cos( )sin ccQPSKStI ttQ tt，I(t) 和 Q(t) 分别 为和正交路， c为载波频率，那么相干解调后，同相路相乘可得 ( )( )cos ( )cos( )sincosccccQPSKI tSttI ttQ ttt 2 ( )cos( )sincoscccI ttQ ttt (2-5) ( )sin2( )cos2( ) 222 ccQ ttI ttI t 正交路为 ( )( )sin ( )cos( )sinsinccccqQPSKQ tSttI ttQ ttt 2 ( )sincos( )sincccI tttQ tt (2- 6) ( )sin2( )cos2( ) 222 ccI ttQ ttQ t 8 经过低通滤波器后，可得 ( ) 2( ) ( ) 2 ( )t I t Q t Qq t I t (2- 7) 经过判决电路后，由上式，不难得到如下表所示结果（同相路和正交路是经 过极性转换的，1 对应于二进制数据 1，-1 对应于二进制数据 0） 。 解调过程中涉及到信号的采样、数字下变频、载波同步、位同步等关键技术。 信号的采样是模拟信号与数字信号之间的一个通道，是数字化解调过程中一 个及其关键的步骤。 数字下变频 DDC(Digital Down Converter)是随着数字信号处理技术的发展 而出现的，目前大量使用在数字中频技术中，它的根本任务就是实现数字中频到 基带信号的变换。数字下变频的组成与模拟下变频器类似，包括数字混频器、数 字控制振荡器(NCo)和低通滤波器(LPF)三部分组成。影响数字下变频器性能的主 要因素有两个：一是表示数字本振、输入信号以及混频乘法运算的样本数值的有 限字长所引起的误差；二是数字本振相位分辨率不够而引起数字本振样本数值的 近似取值。也就是说，数字混频器和数字本振的数据位数不够宽，存在尾数截断 的情况；数字本振相位的样本值存在近似的情况。它主要涉及数控振荡器 NCO， 抽取滤波器(即积分清洗滤波器)等技术。 在数字通信系统中，解调器的任务是恢复出传输来的原始数据系列。解调器 的构成方案通常可以分为两类：同步解调和异步解调。两者的区别在于，同步解 调需要一个相干同步的本地载波。一般地说，同步解调性能较为优良。但是，对 于抑制载波分量的调制信号来说，要从接收的信号中恢复出参考载波，必须进行 相应的处理。 在数字通信中，除了载波同步外，还需要位同步。因为消息是一串连续的码 元系列，解调时必须知道码元的起止时刻，即码同步。位同步可分为自同步和外 同步两种。自同步是直接从接收的信号中提取位同步信息，而外同步是在发射端 专门发射导频信号。例如，在基带信号频谱的零点，插入所需的导频信号，在接 收端，利用窄带滤波器，就可以从解调后的基带信号中提取所需的同步信息。插 入导频也可以使数字信号的包络，随同步信号的某种波形而变化。在相移或频移 键控时，在接收端只要进行包络检波就可得到同步信号。 2.42.4 其它其它 QPSKQPSK 简介简介 上面说的 QPSK 调制方式，当基带信号经过脉冲成形时(如升余弦滚降信号)， QPSK 信号将失去恒包络的性质，当发生幅度为 的相移时(每个符号间的两位都 改变)，将会导致信号包络瞬间过零点。任何一种在过零点的硬限幅或非线性放大， 9 都将由于信号在低电压时的失真而在传输过程中带来已被滤除的旁瓣，这显然是 并不希望的。为了防止旁瓣再生和频谱扩展，必须使用效率较低的线性放大器放 大 QPSK 信号。因而，产生了一种改进型的 QPSK 信号，OQPSK，即交错或参差 QPSK。它的原理是让两路信号 I(t)和 Q(t)错开，让在任意时刻只有两个比特中的 一个改变它的值，这样符号间的相移都只限制在90，消除了 180相位跳变 带来的负面影响。因为 180相位跳变消除了，所以 OQPSK 信号的带限不会导致 信号包络经过零点。带限处理会造成一定程度的 ISI, 特别是在 90相位点。但 是，包络的变化小多了，因此对 OQPSK 的硬限幅或非线性放大不会再生出像在 QPSK 中那么多的高频旁瓣。 还有一种 QPSK 调制方式，被称作 /4QPSK，它是 OQPSK 和 QPSK 的折衷， 它的符号间的最大相位跳变是135，因此，/4QPSK 比 QPSK 有更好的恒包络 性质，但是对包络的变化比 OQPSK 更敏感。但是，/4QPSK 的最吸引人的地方是 它能够非相干解调，可使接收端设计简化。 第三章第三章 QPSKQPSK 调制与解调的软件实现调制与解调的软件实现 3.13.1 SIMULINKSIMULINK 功能介绍功能介绍 Simulink 是 MATLAB 中的一种可视化仿真工具， 是一种基于 MATLAB 的框图 设计环境，是实现动态系统建模、仿真和分析的一个软件包，被广泛应用于线性 系统、非线性系统、数字控制及数字信号处理的建模和仿真中。Simulink 可以用 连续采样时间、离散采样时间或两种混合的采样时间进行建模，它也支持多速率 系统，也就是系统中的不同部分具有不同的采样速率。为了创建动态系统模型， Simulink 提供了一个建立模型方块图的图形用户接口(GUI) ，这个创建过程只需 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、 10 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。 3.23.2 SIMULINKSIMULINK 特点特点 1 丰富的可扩充的预定义模块库 2 交互式的图形编辑器来组合和管理直观的模块图 ； 3 以设计功能的层次性来分割模型，实现对复杂设计的管理； 4 通过 Model Explorer 导航、创建、配置、搜索模型中的任意信号、参 数、属性，生成模型代码 ； 5 提供 API 用于与其他仿真程序的连接或与手写代码集成 ； 6 使用 Embedded MATLAB 模块在 Simulink 和嵌入式系统执行中调用 M ATLAB 算法； 7 使用定步长或变步长运行仿真，根据仿真模式 (Normal,Accelerator, Rapid Accelerator)来决定以解释性的方式运行或以编译C 代码的形式来运 行模型； 8 图形化的调试器和剖析器来检查仿真结果，诊断设计的性能和异常行为 ； 9 可访问 MATLAB 从而对结果进行分析与可视化，定制建模环境，定义信 号参数和测试数据 ； 10 模型分析和诊断工具来保证模型的一致性，确定模型中的错误。 3.33.3 QPSKQPSK 调制与解调的软件设计调制与解调的软件设计 3.3.13.3.1 QPSKQPSK 调制与解调的软件实现方框图调制与解调的软件实现方框图 本课题采用 MATLAB 自带的 SIMULINK 来设计 QPSK 调制与解调的仿真过程，仿 真的方框图如图 3.1 所示。 11 图 3.1 QPSK 调制与解调 simulink 实现过程 如图 4.1 所示，上半部分是 QPSK 调制的过程，是将二进制伯努利随即信号调 制成为 QPSK 信号，而下半部分是其解调过程，是将上半部分的 QPSK 已调信号进 行解调。 3.3.23.3.2 QPSKQPSK 调制解调过程主要组件的功能调制解调过程主要组件的功能 1 串/并传换器 12 功能:此模块组是实现将一路串信号转按照奇数位输出一路信号，然后按照偶数位 输出另一路信号，即所谓的串/并传换器。 2 单极性信号转双极性信号模块组 功能:此模块组是实现将单极性伯努利二进制随机信号转换成双极性信号。 3 正弦相干载波产生器 功能：此模块组是实现给输入的信号加相干正弦载波。 4 抽样判决器 13 功能：此模块组是实现对输出信号进行抽样判决的作用。 5 并/传转换器 功能：此模块组是实现将奇数位信号和偶数位信号合并成一路串信号，即所谓的 并/串转换器。 3.43.4 QPSKQPSK 调制解调仿真过程及其波形图调制解调仿真过程及其波形图 3.4.13.4.1 QPSKQPSK 调制过程及其波形图调制过程及其波形图 本课题 QPSK 调制解调过程的信号源选定为伯努利二进制随机信号。 其参数如图 3.2 所示,波形如图 3.3 所示: 14 图 3.2 伯努利二进制信号发生器参数 图 3.3 输入( )s t数字信号序列 对输入基带数字信号有串并变换电路分为( )( ) ab s t s t两个并行序列，分别如下图 15 3.4 所示。其中图 3.4a 中( ) a s t是输入序列( )s t的奇数序列，图 3.4b 是( ) b s t实序列 的偶数序列: 图 3.4a ( )s t经过串并转换的序列( ) a s t 图 3.4b( )s t经过串并转换的序列( ) b s t 随后两路信号分别经过单/双极性转换器将此前的单极性信号转换为双极性信 号。其两路转换后相对应的波形如图 3.5a 和图 3.5b 所示： 16 图 3.5a ( ) a s t经过单/双极性转换后的序列( )cS t 图 3.5b ( ) b s t经过单/双极性转换后的信号( ) dS t 所加相干载波的波形分别为 3.6a 和 3.6b 所示: 17 图 3.6a 0 相位正弦载波信号sinct 图 3.6b 相位正弦载波信号-cosct 此时，经过双极性转换的信号一路与相位为 0 的正弦载波相干，另一路则与 相位为 的正弦载波相干。 信号相干后的波形如图分别为图 3.7a 和图 3.7b 所示： 18 图 3.7a ( )cS t经载波相干后的信号( )eS t 图 3.7b( )dS t经载波相干后的信号( )fS t 其中与信号相干的 0 相位正弦载波和 相位正弦载波的参数分别如图 3.8a 和图 3.8b 所示： 19 图 3.8a 0 相位相干正弦载波参数 20 图 3.8b 相位相干正弦载波参数 相干后的两路信号在经过一个相加模块，就得到了 QPSK 信号。 经调制后的 QPSK 信号( )QPSKSt 如图 3.9 所示： 21 图 3.9 ( )s t经调制后的 QPSK 信号( )QPSKSt 3.4.23.4.2 QPSKQPSK 解调过程及其波形图解调过程及其波形图 QPSK 信号通过加两路相位分别为 0 和 的正弦载波进行相干解调。 解调后信号( )( )ghS t S t的波形分别如图 3.10a 和 3.10b 所示： 22 图 3.10a 0 相位载波相干后信号( )gS t 图 3.10b 相位载波相干后信号( )hS t 其两路正弦载波的参数分别与图 7 和图 8 相一致。 经过载波相干后的信号通过低通滤波器进行低通滤波处理。 23 其低通滤波后的信号( ) ( )ijS t S t 的波形分别如图 3.11a 和 3.11b 所示 图 3.11a ( )gS t低通滤波后的信号( )iS t 图 3.11b( )hS t低通滤波后的信号( )jS t 此时信号( ) ( )ijS t S t 经过抽样判决后将模拟信号转换为数字信号序列( )( )mnS t S t 24 经抽样判决后信号( )( )mnS t S t的波形分别如图 3.12a 和 3.12b 所示： 图 3.12a ( )iS t经抽样判决后信号( )mS t 图 3.12b ( )jS t经抽样判决后信号( )nS t 然后将这两路双极性信号( )( )mnS t S t转换成单极性二进制信号( )( )pqS t S t ，转换 25 后的单极性二进制信号( )( )pqS t S t分别如图 3.13a 和 3.13b 所示： 图 3.13a ( )mS t经极性转换后的信号( )pS t 图 3.13b( )nS t经极性转换后的信号( )qS t 最后通过并/串转换器将信号( )pS t放置其奇数位，将另信号( )qS t放置其偶数 26 位，转换成一路二进制单极性信号，此时的信号即是 QPSK 信号解调后最终的信号 ( ) S t。 ( )QPSKSt 信号的解调信号 ( ) S t如图 3.14 所示： 图 3.14 ( )QPSKSt信号的解调信号 ( ) S t 3.53.5 QPSKQPSK 调制解调仿真过程正确性的验证调制解调仿真过程正确性的验证 为了最后能够更好的验证此次课题的正确性，本人将 QPSK 调制与解调过程放 27 置于一个系统中。所以从理论上来说，信号源发送的伯努利二进制随机信号经过 调制之后，再经过解调，结果得到信号应该与信号源发送的伯努利二进制随机信 号相一致。经验证，解调后的波形和调制前的波形是相一致，波形如图 3.15 所示： 图 3.15 发送信号( )S t与调制解调后信号 ( ) S t 由图 3.15 可见，解调后的波形和调制前的波形是一致的（其调制解调过程中会有 一定的延迟），因此可以证明此次 QPSK 调制解调的 SIMULINK 实现过程是正确的。 结束语结束语 经过了两个多月的学习和工作，我终于完成了QPSK 调制与解调的软件实现 的论文。从开始接到论文题目到系统的实现，再到论文文章的完成，每走一步对 我来说都是新的尝试与挑战，这也是我在大学期间独立完成的最大的项目。在这 28 段时间里，我学到了很多知识也有很多感受，从对 MATLAB 与 SIMULINK 等相关软 件很不了解的状态，我开始了独立的学习和试验，查看相关的资料和书籍，让自 己头脑中模糊的概念逐渐清晰，使自己非常稚嫩作品一步步完善起来，每一次改 进都是我学习的收获，每一次试验的成功都会让我兴奋好一段时间。从中我也充 分认识到了现代通信技术的神奇与魅力。 虽然我的论文作品不是很成熟，还有很多不足之处，但我可以自豪的说，这 里面的每一个模块组的搭建与设计，都有我的劳动。当看着自己的设计的，成天 相伴的系统能够正常完整的运行，真是莫大的幸福和欣慰。我相信其中的酸甜苦 辣最终都会化为甜美的甘泉。 这次做论文的经历也会使我终身受益，我感受到做论文是要真真正正用心去 做的一件事情，是真正的自己学习的过程和研究的过程，没有学习就不可能有研 究的能力，没有自己的研究，就不会有所突破，那也就不叫论文了。希望这次的 经历能让我在以后学习中激励我继续进步。 致谢致谢 本设计在刘密歌老师的悉心指导和严格要求下业已完成，从课题选择、方案 论证到具体设计和调试，无不凝聚着刘老师的心血和汗水，在四年的本科学习和 生活期间，也始终感受着导师的精心指导和无私的关怀，我受益匪浅。在此向刘 密歌老师表示深深的感谢和崇高的敬意。 不积跬步何以至千里，本设计能够顺利的完成，也归功于各位任课老师的认 真负责，使我能够很好的掌握和运用专业知识，并在设计中得以体现。正是有了 29 他们的悉心帮助和支持，才使我的毕业论文工作顺利完成，在此向西安文理学院 机电系的全体老师表示由衷的谢意。感谢他们四年来的辛勤栽培。 参考文献参考文献 1 樊昌信 曹丽娜编著。通信原理。国防工业出版社。2009 年 1 月 2 张志涌 杨祖樱编著。MATLAB 教程。北京航空航天大学出版社。2006 年 9 月 3 张肃文编著。高频电子线路。高等教育出版社。2008 年 2 月 4 周建兴等编著。MATLAB 从入门到精通。人民邮电出版社。2008 年 11 月 5 郭文彬 桑林编著。通信原理基于 matlab 的计算机仿真。北京邮电大学出 版社。2006 年 6 月 6 王正林等编著。MATLAB/simulink 与控制系统仿真。电子工业出版社。2008 年 7 月 30 7 曹志刚 钱亚生。现代通信原理。清华大学出版社。2008 年 03 月 8 张辉，曹丽娜 编著。现代通信原理与技术。西安电子科技大学出版社。2008 年 07 月 9 刘颖 编著。数字通信原理与技术。北京邮电大学出版社。1999 年 10 月 10 李宗豪 编著。基本通信原理通信原理课程建设教材系列。北京邮电大 学出版社。2006 年 02 月 11 吴伟陵，牛凯 编著。移动通信原理。电子工业出版社。2005 年 01 月 12 啜钢 等编著。移动通信原理与系统。北京邮电大学出版社。2005 年 09 月 13 王军选，张晓燕，张燕燕 编著。无线通信调制与编码。人民邮电出版社。 2008 年 04 月 14 王华奎 等编著。移动通信原理与技术。清华大学出版社。2009 年 01 月 15 杨家玮 盛敏 刘勤 编著。移动通信基础。电子工业出版社。2008 年 08 月 16 张亮 等编著。MATLAB7.x 系统建模与仿真。人民邮电出版社。2006 年 11 月 17 蒋青，于秀兰 编著。通信原理学习指导。人民邮电出版社。2007 年 05 月 18 达新宇 等编著。通信原理实验与课程设计。北京邮电大学出版社。2009 年 12 月 19 黄智伟 编著。调制解调器电路设计。西安电子科技大学出版社。2009 年 04 月 20 李环，任波，华宇宁 编著。通信系统仿真设计与应用。电子工业出版社。 2009 年 03 月 21 杨旭峰，刘岩涯 编著。通信原理应用实践指导。哈尔滨工程大学出版社。 2008 年 03 月 附录附录 Digital communication technology The move from analog communication to digital has advanced the use of QPSK. Eulers relation is used to assist analysis of multiplication of sine and cosine signals. A SPICE simulation is used to illustrate QPSK modulation of a 1MHz sine wave. A phasor diagram shows the impact of poor synchronization with the local oscillator. Digital processing is used to remove phase and frequency errors. Since the early days of electronics, as advances in technology were taking place, the boundaries of both local and global communication began eroding, resulting in a world that is smaller and hence more 31 easily accessible for the sharing of knowledge and information. The pioneering work by Bell and Marconi formed the cornerstone of the information age that exists today and paved the way for the future of telecommunications. Traditionally, local communication was done over wires, as this presented a cost-effective way of ensuring a reliable transfer of information. For long-distance communications, transmission of information over radio waves was needed. Although this was convenient from a hardware standpoint, radio-waves transmission raised doubts over the corruption of the information and was often dependent on high-power transmitters to overcome weather conditions, large buildings, and interference from other sources of electromagnetics. The various modulation techniques offered different solutions in terms of cost-effectiveness and quality of received signals but until recently were still largely analog. Frequency modulation and phase modulation presented a certain immunity to noise, whereas amplitude modulation was simpler to demodulate. However, more recently with the advent of low-cost microcontrollers and the introduction of domestic mobile telephones and satellite communications, digital modulation has gained in popularity. With digital modulation techniques come all the advantages that traditional microprocessor circuits have over their analog counterparts. Any shortfalls in the communications link can be eradicated using software. Information can now be encrypted, error correction can ensure more confidence in received data, and the use of DSP can reduce the limited bandwidth allocated to each service. As with traditional analog systems, digital modulation can use amplitude, frequency, or phase modulation with different advantages. As frequency and phase modulation techniques offer more immunity to noise, they are the preferred scheme for the majority of services in use today and will be discussed in detail below. With QPSK, the carrier undergoes four changes in phase (four symbols) and can thus represent 2 binary bits of data per symbol. Although this may seem insignificant initially, a modulation scheme has now been supposed that enables a carrier to transmit 2 bits of information instead of 1, thus effectively doubling the bandwidth of the carrier to increase the transmission rate. The mobile communications are welcomed a new leap. Broadband, intelligent, individuation, and more media-oriented world function, 32 environmental protection is the new trend of development of mobile communication. Mobile communications in economic development and social progress plays a more important role. 15 to 18 here at the worlds mobile communication meeting the mobile broadband information as the next industrial revolution breakthrough. Although 3G technology popularization of time is not long, but the mobile systems have focused on long-term evolution (including “technology“), LTE, and that the “technology field technical breakthroughs and promotion will greatly promote the global economy development. As a powerful next-generation wireless communication technology, the communication capacity than LTE cable networ