QPSK通信系统性能分析与MATLAB仿真

淮 海 工 学 院 课程设计报告书 课程名称 通信系统的计算机仿真设计 题 目 QPSK 通信系统性能分析 与 MATLAB 仿真 学 院 电子工程学院 学 期 2013 2014 2 专业班级 姓 名 学 号 评语 评语 成绩 成绩 签名 日期 课 程 设 计 报 告 书 专 用 纸 第 1 页 共 19 页 QPSK 通信系统性能分析与通信系统性能分析与 MATLAB 仿真仿真 1 绪论绪论 1 1 研究背景与研究意义研究背景与研究意义 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在信道 一般为带 通信道 上传输的频带上 数字调制和模拟调制一样都是正弦波调制 即被调制信 号都为高频正弦波 数字调制信号又称为键控信号 数字调制过程中处理的是数 字信号 而载波有振幅 频率和相位 3 个变量 且二进制的信号只有高低电平两个 逻辑量即 1 和 0 所以调制的过程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 3 种 正交幅度调制 QAM 频移键控 FSK 相移键控 PSK 根据所处理的基带信号的进制不同分为二进制和多 进制调制 M 进制 本实验采用 QPSK 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 2 课程设计的目的和任务课程设计的目的和任务 目的在于使学生在课程设计过程中能够理论联系实际 在实践中充分利用 所学理论知识分析和研究设计过程中出现的各类技术问题 巩固和扩大所学知 识面 为以后走向工作岗位进行设计打下一定的基础 课程设计的任务是 1 掌握一般通信系统设计的过程 步骤 要求 工作内容及设计方法 掌握用 计算机仿真通信系统的方法 2 训练学生网络设计能力 3 训练学生综合运用专业知识的能力 提高学生进行通信工程设计的能力 1 3 可行性分析可行性分析 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 课 程 设 计 报 告 书 专 用 纸 第 2 页 共 19 页 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 QPSK 分为绝对相移和相对相移两种 由于绝对相移方式存在相位模糊问 题 所以在实际中主要采用相对移相方式 QDPSK 它具有一系列独特的优点 目前已经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 其也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 2 QPSK 通信系统通信系统 正交相移键控 Quadrature Phase Shift Keying QPSK 通信系统已经广泛 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 要求利用 Matlab 语言对 QPSK 通信系统进行仿真 验证 QPSK 的特性 如误码率随信噪 比的增加而减小 2 1 基于基于 MATLAB 的的 QPSK 通信系统的基本模型通信系统的基本模型 QPSK 通信系统的基本模型图如图 1 所示 图 1 QPSK 通信系统的基本模型图 2 2 QPSK 通信系统的性能指标通信系统的性能指标 2 2 1 有效性指标 1 码元传输速率 R B 码元传输速率通常又称为码元速率 传码率 码率 信号速率或波形速率 直单位时间内传输码元的数目 单位为波特 常用 B 表示 2 信息传输速率 Rb 信息传输速率简称信息速率 又称比特率 表示单位时间内传送的比特数 单位为 bit s 3 频带利用率 信号源抽样 器 量化 器 性能分析 信 道 解 码 解 调 通 道调制 信 道 编 码 编码器 噪 声 课 程 设 计 报 告 书 专 用 纸 第 3 页 共 19 页 频带利用率指的是传输效率问题 定义为 单位频带内码元传输速率的大 小 即 B B Hz Rb 用信息速率形式表示为 B b s Hz Rb 2 2 2 可靠性指标 1 码元差错率 Pe 码元差错率简称误码率 指接受错误的码元数在传送码元数中所占的比例 准确的说 误码率就是码元在传输系统中被传错的概率 表示为 Pe 单位时间内接收的错误码元数 单位时间内系统传输的总码元数 2 信息差错率 Pb 信息差错率称误信率或误比特率 指接收错误的信息量在传送信息总量 所 占比例 表示为 Pb 单位时间内接受的错误比特数 错误信息量 单位时间内系统传输的总比 特数 总信息量 结论 一定范围内 随着信噪比逐渐变大 其误码率逐渐减小 3 QPSK 通信系统的主要模块通信系统的主要模块 3 1 信源信源 信宿及其编译码信宿及其编译码 13 折线近似的 PCM 编码器测试模型图如图 2 所示 图 2 PCM 编码 主要过程是将话音 图像等模拟信号每隔一定时间进行取样 使其离散化 同时将抽样值按分层单位四舍五入取整量化 同时将抽样值按一组二进制码来 表示抽样脉冲的幅值 PCM 的解码主要是将数字信号转换成模拟信号 13 折 课 程 设 计 报 告 书 专 用 纸 第 4 页 共 19 页 线近似的 PCM 解码器测试模型图如图 3 所示 图 3 PCM 解码器测试模型图 3 2 QPSK 调制调制 解调解调 我们将信息直接转换得到的较低频率的原始信号称为基带信号 通常基带 信号不宜直接在信道中传输 因此在通信系统的发送端需将基带信号的频谱搬 移 调制 到适合信道传输的频率范围内 而在接收端 再将它们搬移 解调 到原来的频率范围 这就是调制和解调 图 4 QPSK 调制与解调图 3 3 信道信道 信道 information channels 是信号的传输媒质 可分为有线信道和无线信道 两类 有线信道包括明线 对称电缆 同轴电缆及光缆等 无线信道有地波传 播 短波电离层反射 超短波或微波视距中继 人造卫星中继以及各种散射信 道等 如果我们把信道的范围扩大 它还可以包括有关的变换装置 比如 发 课 程 设 计 报 告 书 专 用 纸 第 5 页 共 19 页 送设备 接收设备 馈线与天线 调制器 解调器等 我们称这种扩大的信道 为广义信道 而称前者为狭义信道 3 4 信道编码及译码信道编码及译码 3 4 1 编码原理 为了与信道的统计特性相匹配 并区分通路和提高通信的可靠性 而在信 源编码的基础上 按一定规律加入一些新的监督码元 以实现纠错的编码 实 质是在信息码中增加一定数量的多余码元 称为监督码元 使它们满足一定的 约束关系 这样 由信息码元和监督码元共同组成一个由信道传输的码字 一 旦传输过程中发生错误 则信息码元和监督码元间的约束关系被破坏 在接收 端按照既定的规则校验这种约束关系 从而达到发现和纠正错误的目的 3 4 2 RS 编码介绍 卷积码编码器参数设置表如表3 1所示 RS 码编码器模块及其参数设置表 3 2所示 表3 1 卷积码编码器参数设置表 表 3 2 RS 码编码器模块及其参数设置表 RS 码又称里所码 即 Reed solomon codes 是一种低速率的前向纠错的信 道编码 对由校正过采样数据所产生的多项式有效 编码过程首先在多个点上 对这些多项式求冗余 然后将其传输或者存储 对多项式的这种超出必要值的 采样使得多项式超定 过限定 当接收器正确的收到足够的点后 它就可以恢 复原来的多项式 即使接收到的多项式上有很多点被噪声干扰失真 RS Reed Solomon 码是一类纠错能力很强的特殊的非二进制 BCH 码 对于 任选正整数 S 可构造一个相应的码长为 n qS 1的 q 进制 BCH 码 而 q 作为某 个素数的幂 当 S 1 q 2时所建立的码长 n q 1的 q 进制 BCH 码 称它为 RS 码 当 q 2m m 1 其码元符号取自于 F 2m 的二进制 RS 码可用来纠正突发差 错 它是最常用的 RS 码 RS 码为 204 188 t 8 其中 t 是可抗长度字节数 对应的188符号 监 督段为16字节 开销字节段 实际中实施 255 239 t 8 的 RS 编码 即在 204字节 包括同步字节 前添加51个全 0 字节 产生 RS 码后丢弃前面51个 Trellis structurepoly2trellis 9 753 561 ResetNone Codeword length N8 Message length K2 Primitive polynomial 1 0 1 1 Generator polynomialrsgenpoly 7 3 课 程 设 计 报 告 书 专 用 纸 第 6 页 共 19 页 空字节 形成截短的 204 188 RS 码 RS 的编码效率是 188 204 图 5 RS 码模块图 因为本系统中采用 2 1 9 卷积码 即每输入一个比特 将输出 2 个比 特 约束长度为 9 因此本系统中 信源设置成基于采样的二进制序列 卷积 码编码器格型结构 Trellis structure 设置成 poly2trellis 9 753 561 其中 9 是约束长度 753 561 是生成多项式的八进制表示方式 转换成二进制 为 111101011 101110001 代表了卷积码编码器反馈连线的有无 操作模式 Operation mode 设置成 Continuous 即卷积码编码器在整个仿真过程中都不对 寄存器复位 另外三种操作模式分别为 每帧数据开始之前自动对寄存器复位 每帧输入信号的末尾增加填充比特 通过输入端口复位 接收端用维特比译码器 进行译码 译码器的参数设置与编码器相对应 判决方式采用硬判决 反馈深 度可设为 72 3 4 3 卷积码介绍 因为本系统中采用 2 1 9 卷积码 即每输入一个比特 将输出 2 个比 特 约束长度为 9 因此本系统中 信源设置成基于采样的二进制序列 卷积 码编码器格型结构 Trellis structure 设置成 poly2trellis 9 753 561 其中 9 是约束长度 753 561 是生成多项式的八进制表示方式 转换成二进制 为 111101011 101110001 代表了卷积码编码器反馈连线的有无 操作模式 Operation mode 设置成 Continuous 即卷积码编码器在整个仿真过程中都不对 课 程 设 计 报 告 书 专 用 纸 第 7 页 共 19 页 寄存器复位 另外三种操作模式分别为 每帧数据开始之前自动对寄存器复位 每帧输入信号的末尾增加填充比特 通过输入端口复位 接收端用维特比译码器 进行译码 译码器的参数设置与编码器相对应 判决方式采用硬判决 反馈深 度可设为 72 图 6 卷积码模块图 3 4 4 汉明码介绍 汉明码是一种线性分组码 一般来说 若码长为 n 信息位数为 k 则监督 位数为 r n k 如果希望用 r 个监督位构造出 r 个监督关系式来指示一位错码的 n 种可能位置 则要求 2 的 r 次方减去 1 大于等于 n 或者 2 的 r 次方大于等于 k r 1 汉明码模块的参数可以改变 但必须要满足上述关系式 图 7 汉明码模块图 信道编码之汉明码参数设置为 Codeword length N 7 Message length 课 程 设 计 报 告 书 专 用 纸 第 8 页 共 19 页 K Gfprimfd 3 min 3 5 串并串并 并串转换并串转换 由于经过 PCM 编码出来的是 8 位的并行码 QPSK 调制要求其必须进行 并串转换 QPSK 解调后的串行码也必须经过串并转换才能进行 PCM 译码 并串 串并转换使用 Buffer 实现 并串转换图如图 3 6 所示 串并转换图如图 3 7 所示 图 8 并串转换图 图 9 串并转换图 3 6 性能分析性能分析 3 6 1 眼图 眼图是在数字通信的工程实践中测试数字传输信道质量的一种应用广泛 简单易行的方法 实际上它是一个扫描周期是数字码元宽度的一至二倍并且与 之同步的示波器 对于二进制码元 显然 1 和 0 的区别越大 接受判决时错判 的可能性就越小 由于传输过程中的频带限制 噪声的叠加使得 1 和 0 的差别 变小 在接收机的判决点 将 1 和 0 的差别用眼图上 眼睛 张开的大小表示 十分形象 直观和实用 从 眼图 上可 以观察出码间串扰和噪声的影响 从而 估计系统优劣程度 另外也可以用此图形对接收滤波器的特性加以调整 以减 小码间串扰和改善系统的传输性能 3 6 2 星座图 星座图可以在信号空间展示信号所处的位置 为系统的传输特性分析提供 了直观的 具体的显示结果 3 6 3 误码率统计 在通信系统试验中 误码率是一个反应系统特性的指标 如调制方法 差 错控制方式 功率利用率 频带利用率与传输环境特征等总体关系的重要指标 因此误码率的测试 他的结果正确与否以及可信度有多高是评价仿真系统的重 要指标 课 程 设 计 报 告 书 专 用 纸 第 9 页 共 19 页 4 SIMULINK 对对 QPSK 通信系统的仿真通信系统的仿真与结果分析与结果分析 4 1 总图总图 图 10 RS 码信道编码总设计图 图 11 卷积码信道编码总设计图 课 程 设 计 报 告 书 专 用 纸 第 10 页 共 19 页 QPSK 数字通信系统有波形如图 12 所示 其中波形 1 为有信道编码仿真结 果 波形 2 为原始正弦波语音信号 波形 2 为无信道编码的仿真结果 图 12 QPSK 仿真系统波形图 图 13 加入各个噪声设计总图 课 程 设 计 报 告 书 专 用 纸 第 11 页 共 19 页 4 2 M 文件文件 MATLAB 程序 clc clear echo on x 50 5 50 x 表示信噪比的取值范围 y x y 表示有信道编码时 QPSK 调制的误码率 z x z 表示无信道编码时 QPSK 调制的误码率 Frequency 4000 信源的频率定义为4000Hz PhaseOffset pi 4 设置 QPSK 调制的初始相位 SimulationTime 0 0001 设置仿真时间长度 for i 1 length x SNR x i 信噪比依次取向量 x 的数值 sim juanjiwuma 执行有信道编码时 QPSK 仿真模型 y i mean fenxi 从 simout 中获得调制信号的误码率 sim juanjiwuma 执行无信道编码时 QPSK 仿真模型 z i mean fenxi1 从 simout1 中获得调制信号的误码率 end hold off subplot 2 2 1 semilogy x y 绘制有信道编码信噪比与误码率的关系曲线 xlabel 信噪比 dB ylabel 误码率 title 有信道编码信噪比与误码率关系 subplot 2 2 2 semilogy x z 绘制无信道编码信噪比与误码率的关系曲线 xlabel 信噪比 dB ylabel 误码率 title 无信道编码信噪比与误码率关系 subplot 2 2 3 semilogy x y r x z b 绘制有无信道编码信噪比与误码率关系对比曲线 xlabel 信噪比 dB ylabel 误码率 title 有无信道编码信噪比与误码率关系对比 课 程 设 计 报 告 书 专 用 纸 第 12 页 共 19 页 legend 有信道编码 无信道编码 4 3 系统仿真结果系统仿真结果 按照设计总图仿真系统 将 SNR 设为 30dB 系统经过 RS 码信道编码 卷积码信道编码的眼图对比图如图 15 所示 经过 RS 码信道编码 卷积码信道 编码的星座图对比图如图 17 所示 4 3 1 眼图 图 14 不加加性高斯白噪声的眼图 图 15 经过 RS 码信道编码 卷积码编码的眼图对比图 课 程 设 计 报 告 书 专 用 纸 第 13 页 共 19 页 4 3 2 星座图 图 16 不加加性高斯白噪声的星座图 图 17 经过 RS 码编码 卷积码编码的星座图对比图 由以上所有图可知 信号经过信道传输后 因噪声的影响系统性能下降 产生误码率 星座图和眼图都产生一些变化 但总体在均值附近变化 比较集 中 而且经过 RS 码和卷积码两种信道编码的仿真结果差别不大 星座图和眼 图基本一致 由此可见 不同的信道编码方式对系统性能影响不大 但是总的 来说 RS 码信道编码方式较好些 纠错能力更强一些 课 程 设 计 报 告 书 专 用 纸 第 14 页 共 19 页 4 3 3 频谱图 图 18 不加加性高斯白噪声的频谱图 图19 加加性高斯白噪声的频谱图 由上图可知前后频谱图基本一致 信号的能量都是集中在低频段符合实际 规律 本实验信号能量集中 2500 2500Hz频段 4 3 1 有无信道编码的信噪比与误码率的关系 此时系统信道编码为卷积码编码方式 用 M 文件进行仿真 最终产生的信 噪比与误码率关系图 其中有信道编码信噪比与误码率的关系图如图 20 所示 课 程 设 计 报 告 书 专 用 纸 第 15 页 共 19 页 无信道编码信噪比与误码率的关系图如图 21 所示 对比图如图 22 所示 图20 有信道编码信噪比与误码率关系图 图21 无信道编码信噪比与误码率关系图 图22 对比图 有无信道编码情况下的信噪比与误码率表如表4 1所示 课 程 设 计 报 告 书 专 用 纸 第 16 页 共 19 页 信噪比 dB 有信道编码 RS 码 误码率无信道编码的误码率 30 0 453130 72565 250 428360 68993 200 406340 6299 150 353380 52014 100 228570 37794 50 0849720 27812 00 0351420 26246 表 4 1 有无信道编码情况下的信噪比与误码率表 通过图22和表4 1我们直观地看到经过信道编码传输信号误码率大大降低 信道编码提高了系统的可靠性 而且随着信噪比的不断提高系统的误码率都会 有所降低 4 3 1 加入不同噪声时信噪比与误码率的关系 用M文件对无噪声 加入莱斯噪声 高斯噪声 瑞利噪声仿真 产生信噪 比与误码率的波形 即加入不同噪声时信噪比与误码率波形图如图23所示 图23 各种噪声情况下的信噪比与误码率 信噪比 dB 无噪声高斯噪声莱斯噪声瑞利噪声三种噪声 300 46610 496870 49677 0 49489 0 496780 49722 250 46090 495290 494890 495210 49554 200 45680 480220 484440 485290 48184 150 43960 465250 463680 465030 46107 100 40950 428670 429570 428820 4278 50 32790 348280 337350 33970 33425 00 14970 17270 175140 17110 18706 课 程 设 计 报 告 书 专 用 纸 第 17 页 共 19 页 相同信噪比的情况下 不同噪声对误码率的影响不同 其中同时加入多种 噪声时误码率最大 对信号传输的影响最大 加高斯噪声的误码率较小 加瑞 利噪声的误码率也比较小 加莱斯噪声的误码率相对较