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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 系 （院）： 电子工程学院 学 期： 2011-2012-2 专业班级： 通信工程091 姓 名： 学 号： 评语：成绩：签名：日期：第14 页，共14页 课 程 设 计 报 告 书 专 用 纸 基于MATLAB的QPSK通信系统的设计与仿真1 绪论随着通信技术的发展，信号处理方面硬件设计与专业软件设计结合日趋紧密，已经有一些公司开付出专业数字信号处理软件。比较优秀的而且得到广大技术人员认可的有MATLAB。MATLAB等优秀软件使仿真技术得到很好的应用。通过对通信过程的仿真，我们就可以在低成本的条件下检测某一个方案是否能够实现，是否有更好的方案可以代替原来的方案，这样对通信的研究就站在了一个更高的起点，使通信技术的发展日新月异，近几年手机的普及率的迅速提高就从侧面反映移动通信技术的发展。现代移动通信系统的发展是以多种先进的通信技术为基础发展起来的。移动通信的 主要基本技术包括调制技术、移动信道中颠簸的传播特性、多址方式、抗干扰技术以及组网技术。在移动通信中，数字调制解调技术是关键技术，其中数字调相信号具有数字通信的诸多优点，在数字移动通信中广泛使用它来传送各种控制信息。本文就是通过用MATLAB软件来仿真研究数字通信中常用的集中调相方式：2PSK、QPSK、OQPSK、8PSK等，分析各种调相信号的产生原理以及抗干扰性能。1.1 研究背景与研究意义1.1.1研究背景随着技术的发展，系统建模和仿真技术已经日益成为现代个领域，特别是理工科各专业进行科学探索、系统可行性规划研究和工程设计不可缺少的重要环节。仿真技术在今天的通信领域是一个非常重要的技术手段。随着通信技术的发展，通信系统的结构和规模越来越复杂，基于通信系统的的应用也越来越多样化，单纯地依靠经验进行通信系统的规划和设计、通信设备的研发以及通信网络协议的开发，已经不能适应现代通信的发展需要。因而急需一种科学的手段来反映和预测网络的性能，这导致了仿真技术的应运而生。1.1.2研究意义要规划和设计一个性能完善的通信系统，光靠理论计算或凭个人的组网经验是无法完成的。如果在真实的网络环境中进行通信性能研究、网络、设计和开发，不仅耗资大，而且在统计数据的手机和分析上也有一定困难。通信仿真技术是通过在计算机中构造虚拟的环境来反映现实的通信网络环境，模拟现实中的网络行为，从而可以有效提高通信网络规划和设计的可靠性和准确性，明显降低通信系统的投资风险，减少不必要的投资浪费。通过仿真软件来模拟和估算通信系统的性能，通过模拟和仿真来调整一些通信系统的参数以期达到最佳使用效果具有非常重大的意义。在本课题中用国际控制界公认的标准仿真软件MATLAB来仿真移动通信系统各种数字调制解调技术中，具有数字通信的诸多优点，广泛使用它来传送各种控制信息的数字调相信号，比较不同调相技术之间的性能差异。1.2 课程设计的目的和任务1.2.1课程设计的目的本次课程设计是根据“通信工程专业培养计划”要求而制定的。通信系统的计算机仿真设计课程是通信工程专业学生在学完通信工程专业基础课、通信工程专业主干课及科学计算与仿真专业课后进行的综合性课程设计。其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机型设计打下一定的基础。1.2.2课程设计的任务课程设计的任务是：（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 QPSK通信系统基本模型QPSK 是一种相位调制算法，相位调制（调相）是频率调制（调频）的一种演变，载波的相位被调整用于把数字信息的比特编码到每一词相位改变（相移）。QPSK中的PSK表示使用移相键控方式，移相键控是调相的一种形式，用于表达一系列离散的状态，QPSK对应4种状态的PSK 。因为QPSK拥有4种状态，所以QPSK每个符号(symbol)可以编码2个比特(bits)。2.2 QPSK通信系统的性能指标 2.2.1有效性指标码元传输速率R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表示信息传输速率R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频带利用率 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= R/B （B/Hz） 用信息速率形式表示为 = R/B (b/(s.Hz)2.2.2可靠性指标码元差错率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 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通信系统主要模块3.1 信源/信宿及其编译码PCM编码器和译码器测试模型如图3.1和3.2所示。图3.1 13折线近似的PCM编码器测试模型主要过程是将话音、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。图3.2 13折线近似的PCM解码器测试模型 PCM编码器的逆过程，主要是把数字信号转换成模拟信号3.2 信道编码和译码3.2.1信道编码 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。 我们采用的是卷积码，卷积码是一种非线性码。卷积编码器，RS编码器及其参数设置如图3.3和3.4所示。Trellis structurepoly2trellis(9, 753 561)ResetNone 图3.3 卷积编码器模块及其参数设置Codeword length N8Message length K2Primitive polynomial1 0 1 1Generator polynomialrsgenpoly(7,3) 图3.4 RS码编码器模块及其参数设置3.2.2信道译码 信道译码是将接收到的符号消息如何进行判决的问题。在一般的信息传输系统中，信宿收到的消息不一定与信源发出的消息相同，而信宿需要知道此时信源发出的是哪一个信源消息，故需要把信宿收到的消息yj根据某种规则判决为对应于信源符号消息集合中的某一个，例如xi，这个判决的过程称为接收译码，简称译码，译码时所用的规则称为译码准则。任何译码准则所遵循的基本要求都是要使信宿得到的判决结果中错误最少。译码准则就是一种能满足g(yj) = xi的函数关系，它使得译码结果中的错误概率达到最小。卷积码的解码可以分为2类：代数解码和概率解码。代数解码时利用编码本身的代数结构进行解码，不考虑信道的统计特性。而概率解码（又称最大似然解码）则是基于信道的统计特性和卷积码的特点进行计算，其中一种概率解码方法就是维特比算法。当码的约束长度较短时，它比序贯解码算法效率更高，速度更快，目前已经得到广泛使用。本课程设计即使用维特比译码作为信道译码的模块。维特比译码：根据接收序列在码的格图上找出一条与接收序列距离（或其他量度）为最小的一种算法。它和运筹学中求最短路径的算法相类似。若接收序列为R=(10100101100111)，译码器从某个状态,例如从状态出发,每次向右延伸一个分支（对于lL,从每个节点出发都有2=2种可能的延伸,其中L是信息序列段数,对lL，只有一种可能）,并与接收数字相应分支进行比较,计算它们之间的距离，然后将计算所得距离加到被延伸路径的累积距离值中。对到达每个状态的各条路径（有2=2条）的距离累积值进行比较，保留距离值最小的一条路径，称为幸存路径（当有两条以上取最小值时，可任取其中之一）,译码过程如图。图中标出到达各级节点的幸存路径的距离累积值。对给定 R的估值序列为=(10111)。这种算法所保留的路径与接收序列之间的似然概率为最大，所以又称为最大似然译码。这种译码的译码约束长度常为编码约束长度的数倍，因而可以纠正不多于(df/2)个错误。 维特比译码器的复杂性随m呈指数增大。实用中m不大于10。RS译码器和维特比译码器及其参数设置如图3.5和3.6所示。Codeword length N8Message length K2Primitive polynomial1 0 1 1Generator polynomialrsgenpoly(7,3)图3.5 RS译码器模块及其参数设置Trellis structurepoly2trellis(9, 753 561)Decision typeUnquantizedNumber of soft decision bits4Traceback depth960Operation modecontinuous图3.6 维特比译码器模块及其参数设置 通过维特比译码还原出二进制信号序列，如果卷积编码器输入信号长度为k,输出信号长度为n,则维特比译码器输入和输出信号长度分别是n和k整数倍。 维特比译码器模块主要有以下几个参数：Trellis structure(Trellis结构)，Decision type(判决类型)，Number ofdecision bits(软判决的个数)，Traceback depth(反馈深度)，Operation mode(操作模式)，Reset input(复位信号)是否加入高斯加性白噪声信道的星座图如图3.7和3.8所示。图3.7 未加入高斯加性白噪声信道前的星座图图3.8 加入高斯加性白噪声信道后的星座图信道编译码如图3.9所示：图3.9 信道编译码图不同信噪比下RS码和卷积码与无信道编码误码率的对比关系如表3-1所示。表3-1 不同信噪比下RS码和卷积码与无信道编码误码率的对比信噪比SNR（dB）无信道编码误码率RS码误码率卷积码误码率-200.45970.41170.4345-100.44560.41080.4245-40.43250.40010.4234-20.39850.38860.397000.30530.24690.287220.19970.09680.103640.10050.02260.0707100.012100.0009200003.3 调制与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。3.4 信道信道是一种物理媒质，用来将来自发送设备的信号传送到接收端。在无线信道中，信道可以是自由空间；在有线信道中，可以是明线、电缆、光纤。有线信道和无线信道均有多种物理媒质，信道既给信号以通路，也会对信号产生各种干扰和噪声。信道的固有特性及引入的干扰与噪声直接关系到通信的质量。 信号经过调制以后，通过信道，信道可以选择高斯加性白噪声信道、二进制对称信道、多径瑞利衰落信道、莱斯衰落信道等。本设计使用的是高斯加性白噪声信道如图3.10所示。图3.10 QPSK调制与解调4 MATLAB对QPSK通信系统的仿真 应用MATLAB进行仿真，仿真采用蒙特卡罗模型，如图4.1所示：信号源抽样量化PCM编码信道编码QPSK调制信道QPSK解调译码性能分析噪声图4.1 蒙特卡罗模型仿真基本框图4.1 MATLAB主要模块及参数设置 Signal generator模块 用来产生信号。主要参数：wave设置为sine、amplitude设置为1、frequence设置为4000hz PCM Encoder和PCM Decoder组成用于对信号的抽样、量化；主要参数:因抽样频率是8KHZ，故sample time设置为0.000125，其余参数保持默认值即可。 QPSK Modulation baseband和QPSK Demodulator baseband模块 主要参数：phase offset设置为pi/4,samples per symbol改为1 AWGN Channel模块作用是用模拟一个加性高斯白噪声信道;主要参数：initial seed为54321,mode调成SNR、把SNR设置成20db、input signal power设置成1 Error Rate Calculation模块用来计算接收到的信号的差错率，输出结果有三组，依次是差错率、已检到的错误比特数、统计的总比特数；主要参数：output data设置成port，其余保持默认值 Scope模块作用是显示输出信号的结果。主要参数：Number of axes设置为3、Time range设置成0.005 ,Tick labels设置为all、把sampling调成sample time，参数改为2e-7 Discrete-Time Scatter Diagram模块用于观测星座图。主要参数：samples per symbol设置为1,offset设置为0,Pionts displayed设置为40,New traces per display设置为10 Eye diagram scope模块用眼图的形式来观察输出信号。主要参数：samples per symbol设置为8、offset设置为0、symbols per trace设置为1、Traces displayed设置为40,new traces per display为10 spectrum scope模块用于观测频谱；主要参数：选择 Buffer input，buffer size为128、Buffer overlap为64、number of spectral averages设置为24.2 QPSK通信系统的仿真图和结果分析4.2.1 QPSK通信系统仿真总图QPSK通信系统仿真总图如图4.2所示。图4.2 系统仿真图4.2.2 编写的M文件如下clcclearecho onx=-5:1:20; %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4000HzPhaseOffset=pi/4; %设置QPSK调制的初始相位SimulationTime=0.01; %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(yanghao); %执行有信道编码时QPSK仿真模型 y(i)=mean(BitErrorRate1);%从BitErrorRate1中获得调制信号的误码率 sim(yanghao); %执行无信道编码时QPSK仿真模型 z(i)=mean(BitErrorRate2);%从BitErrorRate2中获得调制信号的误码率endhold 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);grid on;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);grid on;subplot(2,2,3);semilogy(x,y,r,x,z,b); %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);grid on;示波器波形如图4.3所示：第一张图是有信道编码经过调制解调后的波形，第二张图是原始输入波形，第三张图是无信道编码经过调制解调后的波形。图4.3 示波器波形实际的通信系统中，数字信号经过非理想的传输必定要产生畸变，信号通过信道后，会引入噪声和干扰，也就是说，总在不同程度上存在码间干扰。为了便于实际评价系统的性能，可以通过眼图直观地估价系统码间干扰和噪声的影响。眼图如图4.4所示。图4.4 眼图频谱分析（系统的功率谱图）：由图3.8可以看出，该系统的能量集中在频率较低处，这与QPSK信号的特征相一致。系统的频谱图如图4.5所示。图4.5系统的频谱图4.3加入噪声及干扰时系统性能指标的变化分析加入噪声及干扰时误码率增大，频谱失真更加严重，加不同噪声的信噪比与误码率的关系对比。从仿真结果可以看出，信号在传输过程中加上信道编码比不加信道编码的误码率要低，所以信道编码提高了系统的可靠性，使信号更适合在信道中传输。表4-1 加不同噪声的信噪比与误码率的关系对比SNR（dB）不加噪声高斯噪声瑞利噪声莱斯噪声三种噪声-300.73280.7330.73780.74050.7359-100.60910.61710.60490.60310.601900.23350.2720.27720.