QPS的调制与解调.doc

通信专业课程设计一太原科技大学课 程 设 计（论 文）设计(论文)题目：QPSK的调制与解调姓 名 学 号 班 级 学 院 指导教师 2012年 12 月 14 日太原科技大学课程设计（论文）任务书学院（直属系）：电子信息工程学院 时间： 2012年12月5日学 生 姓 名指 导 教 师设计（论文）题目QPSK的调制与解调主要研究内容首先，对QPSK进行深一步的学习和研究，明白QPSK技术的优点和不足，以便为以后做实验做下基础。其次，利用所学知识如：二进制振幅键控（2ASK）、二进制频移键控（2FSK）、和二进制相移键控（2PSK），进行复习和巩固，进一步明白它们和QPSK的区别。最后，利用MATLAB工具对QPSK进行模拟和仿真。研究方法Matlab仿真，查阅资料主要技术指标(或研究目标)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。教研室意见教研室主任（专业负责人）签字： 年 月 日 QPSK的调制与解调摘 要在21世界信息飞速发展的时代，各个国家对通信行业的支持更是不遗余力。当前我国3G行业正值蓬勃发展，国家又在大力倡导三网融合。各个运营商都在极力扩展自己的业务。这也在为客户服务方面有了更高的要求、更高的质量。众所周知，调制解调技术是信号传输的基本和核心。好的技术能够快速地传递用户信息，并且有着高的准确性（即非常低的误码率）和可靠性。QPSK调制解调技术以其高的解调速率、低的误码率，在CDMA领域得到广泛应用。此项研究，对通信行业的发展有着积极推进的作用，利于提高我国通信行业的技术水准，以便于更好的为国家和人民服务。论文分作四部分，第一章是绪论，简单阐述QPSK课题的研究背景以及课题内容和整个论文的结构安排；第二章简单介绍了了QPSK调制解调的原理和方法，针对此次课题QPSK的调制解调提出具体的方案，按调制和解调的步骤，一步步编写出程序，第三章利用MATLAB工具对程序做出相应的仿真，在仿真过程中加入噪声分析，最后在对它的误码率做一个研究；第四章是对整个毕设的结论和总结，感悟自己在这一时间内的所学所感，对自己的努力做一个回顾，以便在今后的生活和学习中，有更进一步的提高。首先介绍了QPSK的调制解调原理，其次提出了一种基于MATLAB的调制解调方案，包括串并转换、电平转换、载波调制、信号合成、相干解调、抽样判决，和并串转换一系列系统的设计，对QPSK的星座图和调制解调进行了仿真，最后对系统性能进行了分析，进而证明QPSK调制技术的优越性。关键词：QPSK ；调制解调 ；电平转换 ；相干解调 ；抽样判决I目录摘 要I第1章 绪论11.1课题背景、目的及意义11.1.1 QPSK系统的应用背景简介11.1.2 QPSK仿真的意义11.2课题的主要内容21.3 本论文的结构安排2第2章 QPSK的调制与解调32.1设计步骤32.2 QPSK误码率分析4第3章 仿真及其结果分析63.1 QPSK在高斯噪声情况下调制63.2 QPSK在高斯噪声情况下解调8第4章 结论12附录14 第1章 绪论1.1课题背景、目的及意义在现代通信领域里，随着人民生活水平的提高，对于通信的质量及效率有着明显的要求，尤其是近几年，我国迅速步入了全民“3G”时代，通信业务需求的快速增长，高效的调制解调技术已经成为研究和发展的方向。1.1.1 QPSK系统的应用背景简介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。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。1.1.2 QPSK仿真的意义通过完成设计内容， 学习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。通过本次实验，除了培养了自主动手学到了知识之外，还可以将次研究作为一种推广，让自己来深入一层的了解QPSK以至其他调制方式的原理和实现方法。可以方便自己进行测试和对比。1.2课题的主要内容通过指导老师提供以及自己查阅的资料，首先，对QPSK进行深一步的学习和研究，明白QPSK技术的优点和不足，以便为以后做实验打下基础。其次，利用所学知识如：二进制振幅键控（2ASK）、二进制频移键控（2FSK）、和二进制相移键控（2PSK），进行复习和巩固，进一步明白它们和QPSK的区别。最后，利用MATLAB工具对QPSK进行模拟和仿真。1.3 本论文的结构安排第一章阐述QPSK的基本原理，了解它的调制解调原理。第二章分析了QPSK的特性，设计出合理的程序。第三章运用MATLAB对其仿真。第四章总结。第2章 QPSK的调制与解调2.1设计步骤QPSK即四进制移向键控（Quaternary Phase Shift Keying），它利用载波的四种不同相位来表示数字信息。若输入二进制数字信息，序列为1 0 1 0 0 1 0 1 1则应对其进行划分，每两个比特码编为一组。即为10,10,01,01，等等。然后用四种不同的相位来表示。所以QPSK又被称为双比特码元。由于每一种载波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。现在假设，在两个二进制码元中的前一个码元用a表示，后一个码元用b表示。则QPSK的调制解调可画出如下框图： 由于QPSK信号可以看作两个载波正交2PSK信号的合成，所以QPSK正调制器可参考通信原理（樊昌信，国防工业出版社，2007.8）。设计示意图如下：图2.1 QPSK调制原理通过上面对QPSK信号的调制，我门对QPSK有了更加深刻的认识。那么它的解调可以采用与2PSK信号类似的解调方法进行解调。同样参考通信原理（樊昌信，国防工业出版社，2007.8），同相支路和正交支路分别采用相干解调方式解调，之后可以得到二者的和，经过抽样判决和串、并变换器，将上下之路得到的并行数据恢复为串行数据。那么此时就得到我们最初的原始信号，它的解调原理图如下所示解调原理图：图2.2 QPSK解调原理因为QPSK的调制解调可以看做两个正交的二相调制解调的合成。所以QPSK的调制解调过程应该和2PSK调制解调相类似，同样可以分为调相法和相位选择法。我们就利用调相法设计出合理的源代码。2.2 QPSK误码率分析 对于QPSK，可以看成是由两个相互正交且独立的2PSK信号叠加而成。因此，利用2PSK误码率的分析方法，可得到M进制QPSK的误码率为： (2-1) 式中，Eb为每码元能量，n0为噪声单边功率谱密度。通过调整高斯白噪声信道的信噪比snr（Eb/No），可以得到如图所示的误码率图：误码率图：图2.3 QPSK误码率分析由图示可知，QPSK调制解调有比较低的误码率，所以因其抗干扰性能强、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。第3章 仿真及其结果分析3.1 QPSK在高斯噪声情况下调制 此次设计，把码元周期设定为T=0.1 s，载波频率设置为fc=10HZ，MATLAB工具中，采样频率设定为fs=1800HZ。为了更加接近实际情况，在调制解调过程中加入高斯白噪声。首先，按照编写的代码，输入序列1、 -1、 -1 、1、 1 、1 、-1、 1，利用MATLAB绘制出如3-1所示图例图3.1 输入的二进制码元我们按照上面的框图设计出QPSK的调制程序（此程序基于MATLAB进行操作），其中I路码元为奇数位码元，Q路码元为偶数位码元，将二者合成之后，就得到所谓的正交相移键控（QPSK），也就是四进制绝对调相4PSK。它的调制解调按照后边附录程序进行QPSK是由两路BPSK信一号构成，且两路信号相互正交的，即相位差相差90度，两路BPSK信号相加，即得到QPSK信号。下面所示图示即为I路和Q路的码元情况。图3.2 I路和Q路电平码在完成I路和Q路分离后，对两路信号加入正交的载波进行调制，调制情况如下所示图3.3 I路和Q路加载波信号在顺利完成I路和Q路电平码加入载波信号后，利用MATLAB进行仿真，I支路开始的1、-1是原始代码的第一和第三位；Q支路的-1、1是原始代码中的第二和第四位码元。符合理论分析的情况。那没下面就对I路和Q路码元进行叠加，就得到了QPSK表达式，仿真图形如下所示：图3.4 QPSK信号的形成3.2 QPSK在高斯噪声情况下解调我们已经完成了QPSK信号的调制过程，下面开始完成它的解调。按照流程图，将QPSK信号输入到带通滤波器中，然后利用和原来载波调制相同频率、相同信号的调制信号对QPSK信号进行解调，解调的MATLAB仿真示意图如下图3.5所示图3.5 QPSK的相干解调然后相干解调中，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,、分别为同相路和正交路，为载波频率，那么相干解调后，同相路相乘可得 = （3-1） =正交路为： = （3-2） =经过低通滤波后，可得： （3-3） 完成解调之后把相应的支路信号输入到滤波器中滤除不必要的噪声，以便可以恢复出更准确的码元信息。图3.6 将解调信号通过滤波器 在完成通过滤波器之后，将码元再通过并串转换，得到原始的码元1、-1、-1、1、1、1、-1、1将其和原始码元相比，发现准确无误。然后再做出QPSK信号功率谱密度图如下所示：QPSK码元恢复及功率谱密度：图3.7 QPSK码元恢复及功率谱密度第4章 结论经过学习和发现QPSK和2PSK有着许多的相似之处。QPSK即四进制移向键控（Quaternary Phase Shift Keying），它利用载波的四种不同相位（即:00、01、10、11）来表示数字信息即。而2PSK用0和1来表示。所以QPSK又被称为双比特码元。由于每一种载波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。借助2PSK的知识自己顺利的设计出了QPSK的调制解调框图，再根据框图和MATLAB知识以及设计2PSK的经验，最后得到了QPSK的程序。在查阅资料的过程中，也认识到了QPSK调制解调的优势。了解到了国内外的广泛应用和先进技术。现在我国全民进入了3G时代。随后的4G等等都会对调制解调有着更高的要求。不论在调制解调速度上还是在信号质量（即:误码率）上，或是安全性上。QPSK都满足当前所需。同时，三网融合也在顺利进行，所以，QPSK有着重要的应用意义。参考文献1 曹志刚.现代通讯原理.清华大学出版社,2007.8 2 张威.MATLAB基础与编程入门.西安电子科技大学出版社,2004.23 樊昌信.通信原理.国防工业出版社，2007.84 徐利民等，基于MATLAB的信号与系统实验教程清华大学出版社，2010年5 余智，余兆明.数字调制技术.中国多媒体视讯，2003.76 刘建军.浅谈QPSK调制技术.中国有线电视，2004.107 Stephen G.Wilson.Digital Modulation and Coding.Prentice Hall,Inc.19968 Berger T.Rate Distortion Theory.Prentice Hall.Inc.,19719 别志松，别红霞. 系统与通信系统仿真. 北京：北京邮电大学出版社，2010.附录全部代码如下：clear;N=8;bitstream=1 -1 -1 1 1 1 -1 1;figure(1) subplot(111) stem(bitstream);title(输入的二进制序列);xlabel(码元间距) ylabel(码元) fc=10; %载波频率fs=1800; %采样频率T=0.1; %每符号持续时间N_samples=T*fs; %每符号内的采样点数 t=0:T/N_samples:(T-T/N_samples); %串并转换 figure(2) in1=zeros(1,N/2);in2=zeros(1,N/2); for i=1:N/2 in1(i)=bitstream(2*(i-1)+1); in2(i)=bitstream(2*(i-1)+2);end subplot(211) stem(in1);title(I支路分量)xlabel(码元间距) ylabel(码元) subplot(212) stem(in2);title(Q支路分量)xlabel(码元间距) ylabel(码元) carrier1=cos(2*pi*fc*t); carrier2=sin(2*pi*fc*t); n=length(bitstream)/2; x1=zeros(1,length(carrier1)*n); y1=zeros(1,length(carrier1)*n); for i=1:length(in1) x1(N_samples*(i-1)+1):(N_samples*(i-1)+N_samples)=in1(i)*carrier1; end %载波调制 figure(3) t1=0:T/N_samples:(length(x1)/N_samples)*T-T/N_samples); subplot(211) plot(t1,x1) axis(0 0.4 -3 3 ); title(I支路分量加载波信号) xlabel(时间/s) ylabel(幅值) grid on; for i=1:length(in2) y1(N_samples*(i-1)+1):(N_samples*(i-1)+N_samples)=in2(i)*carrier2; end subplot(212) plot(t1,y1) axis(0 0.4 -3 3 ); title(Q支路分量加载波信号) xlabel(时间/s) ylabel(幅值) grid on; figure(4) z1=x1+y1; subplot(111) plot(t1,z1) axis(0 0.4 -3 3 ); title(QPSK调制信号) xlabel(时间/s) ylabel(幅值) grid on; k = 2; % 每个符号的比特数 EbNo = 5; % 解调门限In dB nsamp = 1; % 采样率 snr = EbNo + 10*log10(k) - 10*log10(nsamp); z2 = awgn(z1,snr,measured); figure(5) for i=1:length(z2)/N_samples x2(N_samples*(i-1)+1):(N_samples*(i-1)+N_samples)=carrier1; end x3=z2.*x2; subplot(211) plot(t1,x3) axis(0 0.4 -3 3 ); title(I支路分量相干解调信号) xlabel(时间/s) ylabel(幅值) grid on; for i=1:length(z2)/N_samples y2(N_samples*(i-1)+1):(N_samples*(i-1)+N_samples)=carrier2; end y3=z2.*y2; subplot(212) plot(t1,y3) axis(0 0.4 -3 3 ); title(Q支路分量相干解调信号) xlabel(时间/s) ylabel(幅值) grid on;%加噪信号通过滤波器 b,a=butter(3,0.1); x3=filter(b,a,x3); b,a=butter(2,0.1); y3=filter(b,a,y3); figure(6) subplot(211) plot(t1,x3); axis(0 0.2 -3 3 ); title(I支路分量相干解调信号通过滤波器) xlabel(时间/s) ylabel(幅值) grid on; subplot(212) plot(t1,y3); axis(0 0.2 -3 3 ); title(Q支路分量相干解调通过滤波器) xlabel(时间/s) ylabel(幅值) grid on; out1=zeros(1,length(x3)/(2*N_samples); for i=