数字频带传输系统仿真及性能分析--QPSK及循环码

题目题目 数字频带传输系统仿真及性能分析 数字频带传输系统仿真及性能分析 QPSK QPSK 及循环及循环 码码 学院 大数据与信息工程学院学院 大数据与信息工程学院 班级 通信班级 通信 112112 姓名 秦天义姓名 秦天义 学号 学号 11080603831108060383 指导教师 杨平指导教师 杨平 20142014 年年 7 7 月月 7 7 日日 1 一一 QPSK 通信系统原理与仿真通信系统原理与仿真 QPSK 系统框图介绍 在图 1 的系统中 发送方 QPSK 数据源采用随机生成 信源编码采用差分编码 编 码后的信号经 QPSK 调制器 经由发送滤波器进入传输信道 接收方 信号首先经过相位旋转 再经匹配滤波器解调 经阈值比较得到未解码的接 收信号 差分译码后得到接收信号 与信源发送信号相比较 由此得到系统误码率 同时 计算系统误码率的理论值 将系统值与理论值进行比较 对于信道 这里选取的是加性高斯白噪声以及多径 Rayleigh 衰落信道 图 1 QPSK 系统框图 在实验中 选用的是差分码 差分码又称为相对码 在差分码中利用电平跳变来分别表示 1 或 0 分为传号差分码 和空号差分码 传号差分码 当输入数据为 1 时 编码波型相对于前一码电平产生跳变 输入为 0 时 波型不产生跳变 空号差分码 当输入数据为 0 时 编码波型相对于前一码电平产生跳变 输入为 1 时 波型不产生跳变 QPSK 数据源 差分编码 器 QPSK 调 制器 发送滤波器 衰减 相位旋转 相位同步 积分与清除 符号同步器 阈值比较差分译码器计算 BER 噪声 2 概述概述 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 它以其抗干扰性能强 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 宽带接人 移动通信及有线电视系统之中 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 QPSK 解调方法 由于 QPSK 信号可以看作两个正交 2PSK 信号的叠加 用相干解调方法 即用两路正 交的相干载波 可以很容易的分离出这两路正交的 2PSK 信号 解调后的两路基带信号码 元 a 和 b 经过并串变换后 成为串行数据输出 一一 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 所示 波形如图 4 所示 图 3 伯努利二进制信号发生器参数 3 图 4 输入数字信号序列 s t 对输入基带数字信号有串并变换电路分为两个并行序列 分别如下 ab s t s t 图 5 所示 其中图 6 中是输入序列的奇数序列 图 7 是实序列的偶 a s t s t b s t 数序 4 图 5 经过串并转换的序列 s t a s t 图 6经过串并转换的序列 s t 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 5 图 7经过单 双极性转换后的序列 a s t cS t 图 3 5b 经过单 双极性转换后的信号 b s t dS t 所加相干载波的波形分别为 3 6a 和 3 6b 所示 6 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 7 图 3 7a 经载波相干后的信号 cS t eS t 图 3 7b经载波相干后的信号 dS t 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 8 图 3 8a 0 相位相干正弦载波参数 9 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 信号如图 3 9 所示 QPSKSt 10 图 3 9 经调制后的 QPSK 信号 s t QPSKSt 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 解调后信号的波形分别如图 3 10a 和 3 10b 所示 ghS t S t 11 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 12 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 其低通滤波后的信号的波形分别如图 3 11a 和 3 11b 所示 ijS t S t 图 3 11a 低通滤波后的信号 gS t iS t 图 3 11b低通滤波后的信号 hS t jS t 13 此时信号经过抽样判决后将模拟信号转换为数字信号序列 ijS t S t mnS t S t 经抽样判决后信号的波形分别如图 3 12a 和 3 12b 所示 mnS t S t 图 3 12a 经抽样判决后信号 iS t mS t 14 图 3 12b 经抽样判决后信号 jS t nS t 然后将这两路双极性信号转换成单极性二进制信号 转 mnS t S t pqS t S t 换后的单极性二进制信号分别如图 3 13a 和 3 13b 所示 pqS t S t 15 图 3 13a 经极性转换后的信号 mS t pS t 图 3 13b经极性转换后的信号 nS t qS t 最后通过并 串转换器将信号放置其奇数位 将另信号放置其偶 pS t qS t 数位 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 信号的解调信号如图 3 14 所示 QPSKSt S t 16 图 3 14 信号的解调信号 QPSKSt S t 17 二二 QPSKQPSK 调制解调仿真过程调制解调仿真过程误码曲线误码曲线 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 发送信号与调制解调后信号 S t 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 18 QPSK 系统误码率及仿真误码曲线 无信道编码 在 QPSK 体制中 因噪声的影响使接收端解调时发生错误判决 是由于信号矢量的 相位发生偏离造成的 设为接收矢量 包括信号和噪声 相位的概率密度 则发生 f 错误的概率为 dfPe 2 0 1 省略计算和 Pe 的繁琐过程 直接给出计算结果 f 2 2 2 1 1rerfcPe 上式计算出的是 QPSK 信号的误码率 若考虑其误比特率 正交的两路相干解调方法 和 2PSK 中采用的解调方法一样 所以其误比特率的计算公式也和 2PSK 的误码率公式一 样 19 二实现信道编码和译码二实现信道编码和译码 循环码循环码 在循环码编码模块的程序中 主要是根据一个输入的消息矢量从而产生 15 7 循环码编码后的序列 20 1 输入矢量为 1 1 0 0 1 1 0 时的编码输出序列如下图所示 图 3 1 15 7 循环码的编码程序仿真结果图 1 2 输入矢量为 1 1 1 0 0 0 0 时的编码输出序列如下图所示 图 3 2 15 7 循环码的编码程序仿真结果图 2 由上图可看出 本程序实现了对任意输入消息进行 15 7 循环码的编码 3 33 3 15 715 7 循环码的译码 循环码的译码 在 MATLAB 环境下实现对任意码的编码 1 将 3 2 中编出的码字输入译码程序中可得 21 图 3 3 15 7 循环码的译码程序仿真结果图 由上图可以看出 用编出的码字译码 没有错误 正确译出原码 验证了 译码程序的正确性 2 将 3 2 中编出的码字改变一位作为译码程序的输入 译码程序仿真输 出为中可得 图 3 4 15 7 循环码的纠一位错程序仿真结果图 由上图可以看出本程序可以正确纠正一位错码 循环码的误码率及误码曲线循环码的误码率及误码曲线 为了得到循环码仿真系统信号误码率与信道差错概率之间的曲线图 可以 编写如下 M 文件 对循环码的仿真模型进行仿真 此时二进制均衡信道的差错 概率设置为 errB M 源文件和曲线图如下 程序 3 1 clear all close all er 0 0 01 0 05 22 for n 1 length er errB er n sim Cyclic 1 S n mean ss end plot er S xlabel ErrorPorbability ylabel Probability of Error Pe grid 循环码的性能曲线图如下 00 0050 010 0150 020 0250 030 0350 040 0450 05 0 0 005 0 01 0 015 0 02 0 025 ErrorPorbability Probability of Error Pe 图 3 8 循环码的误码率曲线图 同时编写 M 文件无循环码的仿真系统绘出信号误码率与差错概率之间的关 系曲线图 此时二进制均衡信道的差错概率设置为 errB 源文件和曲线图如下 程序 3 2 clear all close all er 0 0 01 0 05 for n 1 length er errB er n sim Cyclic 3 23 S1 n mean sss end plot er S1 xlabel ErrorPorbability ylabel Probability of Error Pe Grid 将调制时的基带信号改为给定信号 PCM 编码 将 PCM 和 QPSK 进行组合时 首先对信号进行 PCM 编码与 QPSK 调制 然后将 调制信号送入已加入高斯白噪声的信道中传输 再将信号进行 QPSK 调制和 PCM 译码 组合系统的仿真电路图如图 有所不同的是在进行 QPSK 调制前信号必须进行帧转换这一阶段 即系统将经过 PCM 编 码量化的 n 个比特序列以帧的形式输出 即每一帧含有 n 个比特 在 QPSK 解调后再对其 进行码变换 扩展部分 在本次综合训练运用了 matlab 软件建立工作模型 在仿真的过程中遇到了各种不同 的问题 通过自己的探索和老师同学的帮助都一一解决 总结分析分析如下 1 在解调时没有加噪声出现误码率 解答办法 出现误码数据时 可以根据示波器的输出波形 合理修改误码器中 的 receive delay 的数据就可以使误码数据为零 2 示波器中的波形只出现一部分 解决办法 双击示波器 修改 data history 中的 24 limit data points to last 的数据 再重新运行 Simulink 观察示波器即可看 到准确图形 4 课程设计心得课程设计心得 通过这三个星期的学习和实践 我对 qspk 调制解调及循环码的编 译码原 理 性能有了初步的了解 并对 MATLAB simulink 仿真软件有了更深的了解 而且能够利用 Matlab 和 simulink 的初步知识设计出一个简单的模拟仿真系统 使其能够体现出循环码差错控制编码系统的部分性能 在这次建模仿真设计中 起初我