QPSK调制解调的simulink仿真

1 11 QPSK 调制解调的调制解调的 simulink 仿真与性能分析仿真与性能分析 一 一 设计目的和意义设计目的和意义 学会使用 MATLAB 中的 simulink 仿真软件 了解其各种模块的功能 用 simulink 实现 QPSK 的调制和仿真过程 得到调制信号经高斯白噪声信道 再通过解调恢复原始 信号 绘制出调制前后的频谱图 分析 QPSK 在高斯信道中的性能 计算传输过程中的 误码率 通过此次设计 在仿真中形象的感受到 QPSK 的调制和解调过程 有利于深入 了解 QPSK 的原理 同时掌握了 simulink 的使用 增强了我们学习通信的兴趣 培养 通信系统的仿真建模能力 二 二 设计原理设计原理 一 一 QPSKQPSK 星座图星座图 QPSK 是 Quadrature Phase Shift Keying 的简称 意为正交移相键控 是数字调制的 一种方式 它规定了四种载波相位 分别为 0 或者 2 3 2 4 3 4 5 4 7 4 星座图如图 1 a b 所示 图 1 QPSK 星座图 二 二 QPSKQPSK 的调制的调制 因为输入信息是二进制序列 所以需要将二进制数据变换成四进制数据 才能和 四进制的载波相位配合起来 采取的办法是将二进制数字序列中每两个序列分成一组 共四种组合 00 01 10 11 每一组称为双比特码元 每一个双比特码元是由两位二 a b 2 11 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 每次调制可传 输两个信息比特 图 2 的 a b c 原理框图即为 QPSK 的三种调制方式 本次课 程设计主要采用的是正交调制方式 三 三 QPSKQPSK 的解调的解调 QPSK 信号可以用两个正交的载波信号实现相干解调 它的相干解调器如图 3 所示 正交路分别设置两个匹配滤波器 得到 I t 和 Q t 经电平判决和并转串即可恢 复出原始信息 a 正交调制法 b 相位选择法 c 脉冲插入法 图 2 QPSK 的主要调制方式 3 11 三 三 详细设计步骤详细设计步骤 一 一 QPSKQPSK 调制电路调制电路 查阅资料 熟悉 simulink 的工作环境 理解 simulink 的模块功能 根据图 2 a 的方框图搭建 QPSK 调制电路 图 4 采用 Buffer 和 Demux 将信号源进行串并 转换 Unipolar to Bipolar 实现电平转换 图 4 QPSK 调制仿真图 二 二 AWGNAWGN 信道模型信道模型 AWGN 信道模块可以将加性高斯白噪声加到一个实数的或复数的输入信号 当输入 信号是实数时 这个块增加了实的高斯噪声 产生一个实数的输出信号 当输入信号 是复数的 这个模块增加了复数的高斯噪声 产生复数的输出信号 此模块继承它的 图 3 QPSK 相干解调器 4 11 输入信号的采样时间 由于输入信号为连续的信号 所以控制信道信噪比的方式选择 控制高斯噪声标准差的方式器变量之间关系为 10 SignalPower SymbolPeriod Variance SampleTime 10 so EN Noise 其中 Es No 为信号能量比噪声功率谱密度 三 三 QPSKQPSK 解调电路解调电路 根据图 3 的方框图搭建 QPSK 解调电路 图 5 载波采用调制时的载波信号 解 调后的信号经位定时后判决得到并行二进制序列 再经并转串输出二进制序列 图 5 QPSK 解调仿真电路 四 比特错误率统计 四 比特错误率统计 比特错误率统计使用 Error Rate Calculation 模块 该模块可自动比较发送序列 与接收序列并作出比较 进行错误统计 使用 display 模块显示将比特错误率输出 由于采用 buffer 会产生时延 误码率较高 所以在设计时采用 simulink 里已有 的 QPSK 调制模块 QPSK Modulator baseband 和解调模块 QPSK Demodulator Baseband 对信号进行调制和解调 信号源采用随机信号源 Random Integer Generator 搭建出 QPSK 的调制解调仿真图 如图 6 所示 5 11 图 6 QPSK 系统框图 五 主要的参数设计 五 主要的参数设计 1 Random integer generator 参数 M ary number 4 Sample time 0 000005 2 QPSK Modulator Baseband 参数 Input type Integer Phase offset pi 4 3 AWGN 参数 Mode Variance from mask Variance 1 4 QPSK Demodulator Baseband 参数 Output type Integer Phase offset pi 4 5 Error Rate Calculation 参数 Receive delay 0 Output data port 6 载波 Sine Wave 参数 Frequency 2 pi 30000000 Phase 正弦 0 余弦 pi 2 四 四 设计结果及分析设计结果及分析 一 信号调制解调后的时域波形图 一 信号调制解调后的时域波形图 由于仿真时示波器采样时间过少时会造成波形失真 而信号频率很高时仿真时间 过长 所以采用数据低传输速率 载波也采用低频信号进行模拟仿真 如图 7 6 11 图 7 QPSK 调制时域波形图 从模拟仿真图中可以看出 QPSK 调制过程产生了四种相位 与理论相符合 二 数据源的频谱图 二 数据源的频谱图 图 8 数据源的频谱图 三 三 QPSKQPSK 调制后的频谱调制后的频谱 图 9 QPSK 调制后的频谱 7 11 四 四 QPSKQPSK 解调后的频谱解调后的频谱 图 10 QPSK 解调后的频谱 上面调制解调结果显示 完成 QPSK 信号在高斯通道上的调制 传输 解调过程 调制过程中采用上变频进行调制后再在高斯通道上传输 再通过下变频解调出 QPSK 调 制信号 最后解调 通过 Error Rate Calculation 模块统计出在高斯标准差 0 时 无噪声时 误比特率为 0 63 标准差 0 8 时 Es No 6 0dB 时 误比特率 Variance 为 4 5 高斯标准差 2 Es No 10dB 时 误比特率为 18 8 Variance 五 星座图 五 星座图 a 未经高斯信道的星座图 8 11 b 经高斯通道的星座图 图 11 QPSK 星座图 从两星座图比较可以得出 经过高斯通道后 信号发生了误码 但大部分还是保 留了原来的特性 六六 误码曲线图误码曲线图 本次课程设计主要采用 matlab 的bertool 工具下的Bit Error Rate Analysis Tool 模块进行误码统计的 设置如图 11 所示 该工具能够直接绘制出 Simulink 仿真的误 码曲线图 得到的误码曲线图如图 12 所示 图 11 bertool 设置图 9 11 图 12 高斯通道下的 QPSK 误码曲线图 QPSK 的误码主要来源于高斯信道的噪声干扰 以及信号的码间串扰 其次由于位 定时不准确也会造成抽样判决错误 导致信号与原始信号不同 产生误码 五 五 体会体会 这次课程设计让我深刻体会到数字信号的 QPSK 调制传输及解调过程 利用 Simulink 专业库 Communications Blockset 中的 Modulation 模块库所提供的 QPSK Modulator Baseband QPSK Demodulator Baseband 等模块实现 QPSK 的系统设计 并输出误码率 信道中的噪声为高斯白噪声 三周的课程设计很快结束了 不仅检验 了我所学的通信原理的基本知识 同时让我熟悉了 Matlab 的 simulink 仿真的一些基 本操作 刚开始时连正弦信号在 scope 中显示都很难做到 正弦信号的参数设计也是 一大难题 经过查阅资料 终于弄清楚最基本的模块的用法 这次设计中遇到的最大 的问题是数据源的串转并和并转串模块 此模块花费很多时间去设计 最终设计出的 串转并和并转串模块虽不理想 存在延时 但是实现了数据的串转并和并转串 各个 模块参数的设计是设计中最难的一部分 因为一个参数设计不对会导致结果错误 最 终经过不断的查找资料请教老师 终于完成了 QPSK 的调制与解调 最后感谢我的指导老师刘伟老师 老师严谨细致 一丝不苟的作风一直是我们工 作 学习中的榜样 以及热情回答我的每一个问题 这给了我很大的帮助 才使得我 完成这门课程设计 10 11 六 六 参考文献参考文献 1 曹志刚 现代通信原理 清华大学出版社 2011 年 2 沈