QPSK课程设计

1、目目 录录摘 要.1第 1 章 绪 论.21.1 课题背景、目的及意义.21.2 QPSK 系统的应用背景简介.21.3 QPSK 仿真的意义.2第 2 章 QPSK 调制解调技术.32.1 QPSK 原理.32.2 QPSK 实际应用.62.3 QPSK 技术特点.72.4 QPSK 应用前景.7第 3 章 QPSK 调制解调设计.83.1 设计步骤.83.2 QPSK 的调制解调.93.3 QPSK 抗噪声性能仿真.11第 4 章 结论与总结.13参考文献.14附录 1 代码.15% 调相法 .15% 设定 T=1,加入高斯噪声.17% 设定 T=1, 不加噪声.20% QPSK 误码率分

2、析 .231摘摘 要要在 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。该课程设计报告分作三个部分，第一章是绪论，简单

3、阐述 QPSK 课题的研究背景以及课题内容和整个报告的结构安排；第二章简单介绍了了 QPSK 调制解调的原理和方法；第三章针对此次课题 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，然后，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；第四章是对整个报告的结论和总结，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，接着提出了一种基于 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

4、等，对系统性能进行了分析，进而证明 QPSK 调制技术的优越性。关键字：QPSK 调制解调 误码率1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。1.2 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

5、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。1.3 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

6、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。2第 2 章 QPSK 调制解调技术2.1 QPSK 原理四相相移调制是利用载波的四种不同相位差来表征输入的数字信息，是四进制移相键控。QPSK 是在 M=4 时的调相技术，它

7、规定了四种载波相位，分别为 45，135，225，315，调制器输入的数据是二进制数字序列，为了能和四进制的载波相位配合起来，则需要把二进制数据变换为四进制数据，这就是说需要把二进制数字序列中每两个比特分成一组，共有四种组合，即 00，01，10，11，其中每一组称为双比特码元。每一个双比特码元是由两位二进制信息比特组成，它们分别代表四进制四个符号中的一个符号。QPSK 中每次调制可传输 2 个信息比特，这些信息比特是通过载波的四种相位来传递的。解调器根据星座图及接收到的载波信号的相位来判断发送端发送的信息比特。图 2-1 QPSK 相位图以 /4 QPSK 信号来分析：当输入的数字信息为“1

8、0”码元时，输出已调载波 42cosctfA (2-1) 当输入的数字信息为“00”码元时，输出已调载波001001113 432cosctfA (2-2)当输入的数字信息为“01”码元时，输出已调载波 452cosctfA (2-3)当输入的数字信息为“11”码元时，输出已调载波 472cosctfA (2-4)图 2-2 QPSK 调制框图4图 2-3 QPSK 调制规则接收机收到某一码元的 QPSK 信号可表示为：，其中 (2-5)2cos()(ncitfaty .47,45,43,4n5图 2-4 QPSK 解调原理分析由 QPSK 的解调框图得到： (2-6)(2-7)(2-8)(2

9、-9) 图 2-5 QSK 信号解调器的判决准则2.2 QPSK 实际应用在实际的调谐解调电路中，采用的是非相干载波解调，本振信号与发射端的判决器输出符号相位n的极性ncos的极性nsinAB4/+114/3-+014/5-004/7+-10)2cos()()()(cniBAtfatytytynnnBatfatftfatzsin2)4sin(2)22cos()2cos()(cccnBnAatxatxsin2)(,cos2)(nnccncAatfatftfatzcos2)4cos(22cos)2cos()(6载波信号存在频率偏差和相位抖动，因而解调出来的模拟I、Q 基带信号是带有载波误差的信号。

10、这样的模拟基带信号即使采用定时准确的时钟进行取样判决，得到的数字信号也不是原来发射端的调制信号，误差的积累将导致抽样判决后的误码率增大，因此数字 QPSK 解调电路要对载波误差进行补偿，减少非相干载波解调带来的影响。此外， ADC 的取样时钟也不是从信号中提取的，当取样时钟与输入的数据不同步时，取样将不在最佳取样时刻进行所得到的取样值的统计信噪比就不是最高，误码率就高，因此，在电路中还需要恢复出一个与输入符号率同步的时钟，来校正固定取样带来的样点误差，并且准确的位定时信息可为数字解调后的信道纠错解码提供正确的时钟。校正办法是由定时恢复和载波恢复模块通过某种算法产生定时和载波误差，插值或抽取器在

11、定时和载波误差信号的控制下，对 A/D 转换后的取样值进行抽取或插值滤波，得到信号在最佳取样点的值，不同芯片采用的算法不尽相同，例如可以采用据辅助法 (DA)载波相位和定时相位联合估计的最大似然算法。2.3 QPSK 技术特点QPSK 数字电视调制器采用了先进的数字信号处理技术，完全符合 DVB-S 标准，接收端可直接用数字卫星接收机进行接收。它不但能取得较高的频谱利用率，具有很强的抗干扰性和较高的性能价格比，而且和模拟 FM 微波设备也能很好的兼容。 QPSK 数字电视调制器在对数据流的处理上采用能量扩散的随机化处理、RS 编码、卷积交织、收缩卷积编码、调制前的基带成形处理等，保证了数据的传

12、输性能。性能特点： 1、进行原有的电视微波改造，可用 30M 带宽传送 5 至 8 套 DVD 效果的图像；2、用调频微波的价格达到 MMDS 的效果，实现全向发射；3、可进行数字加密，对图象绝无任何损伤。2.4 QPSK 应用前景随着进入 21 世纪，我国科技飞速发展，国民经济都有了巨大的提高，人民生活水平都有了质的改善。此时，正值我国 3G 行业迅速发展，各个运营商都在大力发展自己的业务，那么优质的服务就成为了竞争的优势。好的调制解调方法可以提高信息传递速度、信息质量、以及信息的安全。同时，在国家节能减排的大计方针下，三网融合也在大力的开展。作为三网之一的通信行业，我们要努力提高自身行业的

13、7素质，为三网融合顺利地进行做好准备，肩负起自己应有的责任。8第 3 章 QPSK 调制解调设计3.1 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

14、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。设计示意图如下：图 3-1 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、并交换器，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：9图 3-2 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 QPS

15、K 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。3.2 QPSK 的调制解调此次设计，把码元周期设定为 T=1s，载波频率设置为，采样频率设定Hzfc10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。按照上面的框图设计出 QPSK 的调制程序，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）。如下图所示，其中 c 为合成序列，d 为加入噪声序列。10-1012345678-101a列 列-1012345678-101b列 列-1012

16、345678-101c列 列-1012345678-101d列 列图 3-3 QPSK 信号的形成0102030405060708090100-2-1012列 列 列0102030405060708090100-2-1012列 列 列 列 列11图 3-4 加高斯噪声 QPSK 信号的解调02468101214161820-50502468101214161820-50502468101214161820-50502468101214161820-505图 3-5 不加噪声 QPSK 信号的解调3.3 QPSK 抗噪声性能仿真 对于 QPSK，可以看成是由两个相互正交且独立的 2PSK 信号叠

17、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： (4-4) )(1log3)11 (022nELLerfcLPbe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ML 声信道的信噪比 snr（Eb/No） ，可以得到如图所示的误码率图：12图 3-6 QPSK 误码率分析有图示可知，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。13第 4 章 结论与总结在学习过程中，认识到 QPSK 调制解调的优势。了解到

18、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。但由于自己的理论知识水平有限，实践知识和设计经验不足，在设计过程中遇到了很多问题，在以后的学习过程中有待提高。14参考文献1 张威.MATLAB 基础与编程入门.西安电子科技大学出版社,2004.22 樊昌信.通信原理.国防工业出版社，2007.83 李建东.移动通信.电子科技大学出版社，2000.54 百度15附附录录 1 1 代

19、码代码全部代码如下：% 调相法clear all close allt=-1:0.01:7-0.01;tt=length(t);x1=ones(1,800);for i=1:tt if(t(i)=-1&t(i)=5& t(i)=0 & t1(i)=4& t1(i)0 data_recover_a(i:i+19)=1; bit_recover=bit_recover 1; else data_recover_a(i:i+19)=-1; bit_recover=bit_recover -1; endenderror=0;20dd = -2*bit_in+1;ddd=

20、dd;ddd1=repmat(ddd,20,1);for i=1:2e4 ddd2(i)=ddd1(i);endfor i=1:1e3 if bit_recover(i)=ddd(i) error=error+1; endendp=error/1000;figure(1)subplot(2,1,1);plot(t2,ddd2);axis(0 100 -2 2);title(原序列);subplot(2,1,2);plot(t2,data_recover_a);axis(0 100 -2 2);title(解调后序列);% 设定 T=1, 不加噪声clear allclose all% 调制bi

21、t_in = randint(1e3, 1, 0 1);21bit_I = bit_in(1:2:1e3);bit_Q = bit_in(2:2:1e3);data_I = -2*bit_I+1;data_Q = -2*bit_Q+1;data_I1=repmat(data_I,20,1);data_Q1=repmat(data_Q,20,1);for i=1:1e4 data_I2(i)=data_I1(i); data_Q2(i)=data_Q1(i);end;t=0:0.1:1e3-0.1;f=0:0.1:1;xrc=0.5+0.5*cos(pi*f);data_I2_rc=conv(d

22、ata_I2,xrc)/5.5;data_Q2_rc=conv(data_Q2,xrc)/5.5;f1=1;t1=0:0.1:1e3+0.9;I_rc=data_I2_rc.*cos(2*pi*f1*t1);Q_rc=data_Q2_rc.*sin(2*pi*f1*t1);22QPSK_rc=(sqrt(1/2).*I_rc+sqrt(1/2).*Q_rc);% 解调I_demo=QPSK_rc.*cos(2*pi*f1*t1);Q_demo=QPSK_rc.*sin(2*pi*f1*t1);I_recover=conv(I_demo,xrc);Q_recover=conv(Q_demo,xr

23、c);I=I_recover(11:10010);Q=Q_recover(11:10010);t2=0:0.05:1e3-0.05;t3=0:0.1:1e3-0.1;data_recover=;for i=1:20:10000 data_recover=data_recover I(i:1:i+19) Q(i:1:i+19);end;ddd = -2*bit_in+1;ddd1=repmat(ddd,10,1);for i=1:1e4 ddd2(i)=ddd1(i);endfigure(1)subplot(4,1,1);plot(t3,I);axis(0 20 -6 6);23subplot(

24、4,1,2);plot(t3,Q);axis(0 20 -6 6);subplot(4,1,3);plot(t2,data_recover);axis(0 20 -6 6);subplot(4,1,4);plot(t,ddd2);axis(0 20 -6 6);% QPSK 误码率分析SNRindB1=0:2:10;SNRindB2=0:0.1:10;for i=1:length(SNRindB1) pb,ps=cm_sm32(SNRindB1(i); smld_bit_err_prb(i)=pb; smld_symbol_err_prb(i)=ps;end;for i=1:length(SN

25、RindB2) SNR=exp(SNRindB2(i)*log(10)/10); theo_err_prb(i)=Qfunct(sqrt(2*SNR);end;title(QPSK 误码率分析);semilogy(SNRindB1,smld_bit_err_prb,*);axis(0 10 10e-8 1);hold on;% semilogy(SNRindB1,smld_symbol_err_prb,o);semilogy(SNRindB2,theo_err_prb);legend(仿真比特误码率,理论比特误码率);24hold off;functiony=Qfunct(x)y=(1/2)*erfc(x/sqrt(2);functionpb,ps=cm_sm32(SNRindB)N=10000;E=1;SNR=10(SNRindB/10);sgma=sqrt(E/SNR)/2;s00=1 0;s01=0 1;s11=-1 0;s10=0 -1;for i=1:N temp=rand; if (temp0.25) dsource1(i)=0; dsource2(i)=0; elseif (temp0.5) dsour