许敏课设二QPSK

1、通信专业课程设计二太原科技大学太原科技大学课课 程程 设设 计（论计（论 文）文）设计设计( (论文论文) )题目：题目：QPSKQPSK 调制解调技术的研究与仿真调制解调技术的研究与仿真姓姓 名名 许许 敏敏 学学 号号 201215030230201215030230 班班 级级 通信通信 121502121502 学学 院院 电子信息工程学院电子信息工程学院 指导教师指导教师 李丽君李丽君 2016 年 1 月 15 日太原科技大学课程设计（论文）任务书学院（直属系）：电子信息工程学院 时间： 2016 年 1 月 15 日学 生 姓 名许敏指 导 教 师李丽君设计（论文）题目QPSK

2、调制解调技术的研究与仿真主要研究内容本文针对 QPSK 抗干扰能力的问题开展研究分析, 应用MATLAB 仿真工具，构建了一个 QPSK 调制解调模型，分析 QPSK的频谱特征以及相位分布。研究方法通过理论分析与 MATLAB 实验仿真，构造 QPSK 信号产生器和解调器，以误码率为评价指标分析 QPSK 信号在高斯信道下传输的性能。主要技术指标(或研究目标)（1）从理论上分析研究 QPSK 产生的基本原理。（2）在 MATLAB 平台上设计仿真，通过观察星座图分析 QPSK的误码率和抗噪性能。教研室意见教研室主任（专业负责人）签字： 年 月 日 许敏：QPSK 调制解调技术的研究与仿真IQP

3、SK 调制解调技术的研究与仿真摘 要QPSK（Quadrature Phase Shift Keying，正交相移键控）调制是一种具有较高频带利用率和良好抗噪声性能的数字调制方式，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。本文针对 QPSK 抗干扰能力的问题开展研究分析, 应用 MATLAB 仿真工具，构建了一个 QPSK 调制解调模型，分析 QPSK 的频谱特征以及相位分布。从理论上分析研究QPSK 产生的基本原理。在 MATLAB 平台上设计仿真，通过观察星座图分析 QPSK 的误码率和抗噪性能。可以得出 QPSK 抗噪声性能要优于 FSK 和 A

4、SK。QPSK 的误码率低适合在移动通信中应用。关键字： QPSK，调制，解调，相位，星座图许敏：QPSK 调制解调技术的研究与仿真II目 录摘 要.I第 1 章 绪论.11.1 选题背景及意义.11.2 课题研究历史及现状.2第 2 章 QPSK 的调制原理.32.1 QPSK 的原理.32.2 QPSK 的特点.4第 3 章 QPSK 仿真实现.53.1 QPSK 调制原理.53.2 信道中的噪声.73.3 QPSK 的解调.10第 4 章 结论.12参考文献.13许敏：QPSK 调制解调技术的研究与仿真1第 1 章 绪论1.1 选题背景及意义随着数字技术的飞速发展与数字器件的广泛使用，数

5、字信号处理在通信系统中的应用已经越来越重要。而通信的意义在于两地信息的有效，可靠，稳定的传输，从这个角度来看，通信的定义非常宽泛，这意味着通信在社会生活和生产上的重要性，同时，这种宽泛的应用也就意味着要实现安全通信，所要面临和解决的问题将十分巨大而且烦琐，因为所要研究的技术是千变万化，所要满足的客户要求也各有不同，既要满足一定程度的通用性，也要具体问题具体对待。借助于现实应用的无穷张力和理论发展的不断延伸，通信领域一直保持着稳定而快速的发展。与此同时，通信也不断与其他学科相结合，来解决各学科所面临的各自的问题，借助于通信质量及可靠性的不断提高，人们对于整个宇宙的研究也越来越深入。在已经取得的技

6、术成果之上，进一步的研究也在如火如荼地进行当中，新的研究方法与用户更多的业务要求对通信方面的要求也更加苛刻。在这一方面，要提高数据传输速率，提高信息传送效率，面对复杂信道对传输信号的各种干扰与衰减，就必须根据实际情况采用各种技术来解决这些问题。怎样满足要求及提高通信效率和可靠性，就成为通信领域研究的重点。通信的最终目的是远距离传递信息。虽然基带数字信号可以再传输距离不远的情况下直接传送，但是如果要远距离传输时，特别是在无线或者光纤信道上传输时，则必须经过调制将信号频谱搬移到高频处才能在信道中传输。为了使数字信号在有限带宽的高频信道中传输，必须对数字信号进行载波调制。如同传输模拟信号时一样，传输

7、数字信号时也有三种基本的调制方式：幅度键控、频移键控和相移键控。它们分别对应于有那个载波（正弦波）的幅度、频率、和相位来传递数字基带信号。在基本的数字调制解调方式中，相移键控（PSK）是应用非常广泛的一种通信调制方式。它广泛应用于数字微波通信系统、数字卫星通信系统、宽带接入与移动通信及有线电视的上行传输。尤其是在卫星数字电视传输中普遍采用的 QPSK 调谐器可以说是当今卫星数字电视传输中对卫星功率、传输效率、抗干扰性以及天线尺寸等多种因素综合考虑的最佳选择。所以我们有必要对其进行分析研究，要不断地加强对 PSK 调制技术领域的研究。总之，科技的不断发展，新技术新方法的不断提出与应用，通信系统的

8、性能也会不断提高，借助于现实需求张力的不断扩大，QPSK 的应用也将越来越广泛。许敏：QPSK 调制解调技术的研究与仿真21.2 课题研究历史及现状自 1897 年意大利科学家 G.Marconi 首次使用无线电波进行信息传输并获得成，在一个多世纪的时间中，在飞速发展的计算机和半导体技术的推动下，无信的理论和技术不断取得进步，今天，无线移动通信已经发展到大规模商用渐成为人们日常生活不可缺少的重要通信方式之一7。随着大规模数字集成电路工艺的实现，数字通信制解调算法的实现已不再是一件可望不可及的事情。可以说，无论是通信系内在要求（即算法复杂性决定接收的质量） ，还是外在条件（技术和工艺）都使通信系

9、统的调制解调向数字化发展。QPSK 是目前卫星、微波和有线电视上行通信中最常用的一种单载波调制方在电路上实现比较简单，其频带利用率高，是 BPSK 的两倍，具有较强的抗性，当发射功率一定时，和 BPSK 的误码率相同。QPSK 广泛应用于数字微波通信系统、数字卫星通信系统、宽带接入与移动通信及有线电视的上行传输。在卫星数字电视传输中普遍采用的 QPSK 调谐器可以说是当今卫星数字电视传输中对卫星功率、传输效率、抗干扰性以及天线尺寸等多种因素综合考虑的最佳选择。欧洲与日本的数字电视首先考虑的是卫星信道，采用QPSK 调制，我国也出现了采用 QPSK 调制解调的卫星广播和数字电视机。许敏：QPSK

10、 调制解调技术的研究与仿真3第 2 章 QPSK 的调制原理2.1 QPSK 的原理QPSK 又叫四相绝对相移调制145，QPSK 利用载波的四种不同相位来表征数字信息。由于每一种载波相位代表两个比特信息，故每个四进制码元又被称为双比特码元。我们把组成双比特码元的前一信息比特用 a 代表，后一信息比特用 b 代表。双比特码元中两个信息比特 ab 通常是按格雷码排列的，它与载波相位的关系如表 2. 1 所示，矢量关系如图2.1,2.2 所示。图 2.1 表示 A 方式时 QPSK 信号矢量图，图 2.2 表示 B 方式时 QPSK 信号的矢量图。由于正弦和余弦的互补特性，对于载波相位的四种取值，

11、在 A 方式中：45、135、225、315，则数据 I、Q 通过处理后输出的成形波形幅度有两种取值2/2；B 方式中：0、90、180、270，则数据 I、Q 通过处理后输出的成形波形幅度有三种取值1、0。本文采用的是 QPSK 调制方式中的 A 方式。I/Q=In-phase/Quadrature 是指同相正交，是一个射频信号，在极坐标上可以用振幅和相位来表示，在直角坐标上可以用 X 和 Y 的值来表示。但在数字通信系统中，一般 X 用I 来代替，表示同相，而 Y 用 Q 来代替，表示 90相位。因此产生了所谓 I/Q 调制器、I/Q解调器以及 QPSK（四相键控）调制/解调器。表 2.1

12、 双比特码元与载波相位关系图 2.1 QPSK 信号 A 方式的矢量图许敏：QPSK 调制解调技术的研究与仿真4图 2.2 QPSK 信号 B 方式的矢量图2.2 QPSK 的特点数字调制用“星座图”来描述，星座图中定义了一种调制技术的两个基本参数：（1）信号分布；（2）与调制数字比特之间的映射关系。星座图中规定了星座点与传输比特间的对应关系，这种关系称为“映射”，一种调制技术的特性可由信号分布和映射完全定义，即可由星座图来完全定义。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，它规定了四种载波相位，分别为 45，135，22

13、5，315，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。首先将输入的串行二进制信息序列经串并变换，变成 m=log2M 个并行数据流，每一路的数据率是 R/m，R 是串行输入码的数据率。

14、I/Q 信号发生器将每一个 m 比特的字节转换成一对（pn，qn）数字，分成两路速率减半的序列，电平发生器分别产生双极性二电平信号 I(t)和 Q(t)，然后对 coswct 和 sinwct 进行调制，相加后即得到 QPSK 信号。QPSK 是一种频谱利用率高、抗干扰性强的数调制方式, 它被广泛应用于各种通信系统中。适合卫星广播。例如，数字卫星电视 DVB-S2 标准中，信道噪声门限低至 4. 5 dB，传输码率达到 45Mb。许敏：QPSK 调制解调技术的研究与仿真5第 3 章 QPSK 仿真实现3.1 QPSK 调制原理QPSK 调制部分，原理框图如 3.1 所示。图 3.1 QPSK

15、调制部分原理框图通过对 QPSK 的基本原理及系统结构进行分析可以得，QPSK 与二进制 PSK 一样，传输信号包含的信息都存在于相位中。的别的载波相位取四个等间隔值之一，如 /4, 3/4,5/4,和 7/4。相应的，可将发射信号定义为： 0tT4/) 12(2cos/2ifttE （3-1）)(tSi0 其他其中，i1，2，3，4；E 为发射信号的每个符号的能量，T 为符号持续时间，载波频率 f 等于 nc/T，nc 为固定整数。每一个可能的相位值对应于一个特定的二位组。例如，可用前述的一组相位值来表示格雷码的一组二位组：10，00，01，11。下面介绍 QPSK 信号的产生和检测。如果图

16、 3.1 为典型的 QPSK 发射机框图。输入的许敏：QPSK 调制解调技术的研究与仿真6二进制数据序列首先被不归零（NRZ）电平编码转换器转换为极性形式，即负号 1 和 0分别用和表示2。接着，该二进制波形被分接器分成两个分别由输入序列的奇bEbE数位偶数位组成的彼此独立的二进制波形，这两个二进制波形分别用，和表示。）（ta1）（ta2容易注意到，在任何一信号时间间隔内，和的幅度恰好分别等于和、 ，）（ta1）（ta21iS1iS即由发送的二位组决定。这两个二进制波形，和被用来调制一对正交载波或者）（ta1）（ta2说正交基本函数：，。这样就得到一对二进制)2cos(/21tfTtc）（)2

17、sin(/22tfTtc）（PSK 信号。和的正交性使这两个信号可以被独立地检测。最后，将这两个二进)(1t)(2t制 PSK 信号相加，从而得到期望的 QPSK。图 3.2 显示的为所要传输的基带信号的频谱图，该图中的数据表示的是 NRZ 码，其中0V 表示 0,1V 表示 1。图 3.3 是基带信号的功率谱密度，该基带信号能量主要集中在030Hz 之间，呈单调递减状态，峰值出现在 0Hz 处。图 3.4 为经过 QPSK 调制后得到的信号频谱，可以清楚的观察到在 200Hz 和 400Hz 处信号频谱的相位发生了明显的变化。这是由于 QPSK 是两个相互正交的信号叠加而成。图 3.5 为调

18、制后信号的功率谱密度，调制信号的能量主要集中在 020Hz 之间，峰值出现在 10Hz 处。根据实验的到的结果图 3.23.5，分析图形波形可以得出实现了了 QPSK 信号在理想信道上的调制，传输，解调。由于调制过程中加进了载波，因此调制信号的功率谱密度会发生变化。可以判断调制解调的结果没有误码。00.20.40.60.811.21.41.61.82x 104-2-1.5-1-0.500.511.52信 信 信 信3.2 产生要传输的基带信号许敏：QPSK 调制解调技术的研究与仿真70102030405060708090100-60-50-40-30-20-100Frequency (Hz)P

19、ower/frequency (dB/Hz)信 信 信 信 信 信 信 信 信图 3.3 基带信号的功率谱密度050100150200250300350400450500-3-2-10123信 信 信 信图 3.4 经过 QPSK 调制的信号频谱0102030405060708090100-25-20-15-10-50Frequency (Hz)Power/frequency (dB/Hz)信 信 信 信 信 信 信 信 信 (Awgn)图 3.5 调制信号功率谱密度3.2 信道中的噪声我们将信道中不需要的电信号统称为噪声（noise）。通信系统中的噪声是叠加在信许敏：QPSK 调制解调技术的

20、研究与仿真8号上的，没有传输信号是通信系统中也有噪声，噪声永远存在通信系统中。噪声可以看成是信道中的一种干扰，也称为加性干扰，因为它是叠加在信号之上的。噪声对于信号的传输是有害的，它能使模拟信号失真，使数字信号发生错码，并限制着信息传输的速率。按照来源分类，噪声可以分为人为噪声和自然噪声3。人为噪声是由人类的生产活动产生的，自然噪声是自然界中存在的各种电磁波辐射。此外还有一种很重要的自然噪声，即热噪声。热噪声是来自一切电阻性元器件中电子的热运动。例如，导线、半导体和电阻器件等均产生热噪声。所以热噪声是无处不在，不可避免地存在于一切电子设备，除非设备处于热力学温度0K。由于在一般通信系统的工作频

21、率范围内热噪声的频谱都是均匀分布的，好像白光的频谱在可见光的频谱范围内均匀分布那样，所以热噪声又常称为白噪声。由于热噪声是有大量的自由电子的运动产生的，其统计分布服从高斯分布，故常将热噪声称为高斯白噪声。按照性质分类，噪声可以分为脉冲噪声，窄带噪声和起伏噪声三类。脉冲噪声是突发性的产生的，幅度很大，其持续时间比间隔时间短得多。由于其持续时间很短，故其频谱较宽，可以从低频一直分布到甚高频，但是频率越高其频谱的强度越小。窄带噪声可以看做是一种非所需的连续的已调正弦波，或简单地看做是一个振幅恒定的单一频率正弦波。通常它来自相邻电台或者其他电子设备，其频谱或者频率位置通常是确知的或者可以测知的。起伏噪

22、声是遍布在时域和频域内的随机噪声，包括热噪声、电子管内产生的散弹噪声和宇宙噪声 等都属于起伏噪声。上述各种噪声中，脉冲噪声不是普遍持续存在的，对话音通信的影响也较小，但是对于数字通信可能有较大的影响。窄带噪声也是只存在于特定频率、特定时间、特定地点，所以它的影响是有限的。只有起伏噪声无处不在，所以主要考虑起伏噪声的影响，特别是热噪声的影响。热噪声本身是白色的，但是在接收端解调器中对信号解调时，叠加在信号上的热噪声已经经过了接收机带通滤波器的过滤，从而其带宽收到了限制，已经不是白色的了，成为了窄带噪声，或者称为带限白噪声。由于滤波器是一种线性电路，高斯过程通过线性电路后，仍为高斯过程，故窄带噪声

23、又称为窄带高斯噪声。图3.6 SNR=0时的高斯噪声曲线，该噪声幅值在-4V4v之间无规律的波动。图3.7为经过高斯信道的调制频谱，可以明显的看出调制信号收到了干扰，幅值在-5V5V之间变化。许敏：QPSK 调制解调技术的研究与仿真9图3.8为经过高斯信号的调制信号的功率谱密度，能量主要分布在020Hz，峰值出现在10Hz处。由图3.63.8可知，高斯信道下调制信号收到了一定的影响，波形发生了明显的变化，其功率谱密度函数相对于图3.5中的调制信号的功率谱密度只发生了微小的变化，原因在于高斯噪声是一个均值为0的白噪声，在各个频率上其功率是均匀的。0200400600800100012001400

24、160018002000-5-4-3-2-1012345信 信 信 信 信 信图 3.6 SNR=0 的高斯噪声曲线050100150200250300350400450500-5-4-3-2-1012345信 信 信 信 (Awgn)图 3.7 经过高斯信道的调制信号频谱0102030405060708090100-25-20-15-10-50Frequency (Hz)Power/frequency (dB/Hz)信 信 信 信 信 信 信 信 信 (Awgn)图 3.8 经过高斯信道的调制信号功率谱密度许敏：QPSK 调制解调技术的研究与仿真103.3 QPSK 的解调图 3.9 QPS

25、K 解调部分原理框图 QPSK 接收机由一对共输入地相关器组成。这两个相关器分别提供本地产生地相干参考信号和。相关器接收信号 x（t） ，相关器输出地 x1 和 x2 被用来与门限值 0 进)(1t)(2t行比较。如果 x10,则判决同相信道地输出为符号 1；如果 x10 ,则判决同相信道的输出为符号 0。 ；类似地。如果正交通道也是如此判决输出。最后同相信道和正交信道输出这两个二进制数据序列被复加器合并，重新得到原始的二进制序列。在 AWGN 信道中，判决结果具有最小的负号差错概率。图 3.10 为解调器输出的信号，解调输出信号为 NRZ 信号。图 3.11 是解调输出的功率谱密度，该信号能

26、量主要集中在 030Hz 之间，呈单调递减状态，峰值出现在 0Hz 处。图 3.12 是 QPSK 信号的星座图。红色十字表示的是理论的 QPSK 信号的相位位置，蓝色十字为实际信号的相位位置。蓝色十字都主要集中分布在红色十字周围。 通过对图 3.103.12 分析可以得出，经过解调器解调出的基带信号与传输的基带信号波形几乎一样，可以判断为正确。星座图反映可接收信号在高斯噪声的影响下发生了误码， 。由于高斯信道影响，波形发生了变化，功率谱密度也发生变化，但解调输出的功率许敏：QPSK 调制解调技术的研究与仿真11谱密度曲线与基带信号的功率谱密度曲线相似，大部分还是保持了原来的特性。星座图可反映

27、在噪声影响下产生的误码。从星座图可以分析得出 QPSK 信号的误码率低。00.20.40.60.811.21.41.61.82x 104-2-1.5-1-0.500.511.52信 信 信 信图 3.10 解调后的信号0102030405060708090100-60-50-40-30-20-100Frequency (Hz)Power/frequency (dB/Hz)信 信 信 信 信 信 信 信 信图 3.11 解调输出功率谱密度-2-1.5-1-0.500.511.52-2-1.5-1-0.500.511.52QPSK信 信 信 信 信 信 Awgn信 信 信 信 信 信 信 信 信信 信 信 信 信 信 信 信图 3.12QPSK 信号的星座图许敏：QPSK 调制解调技术的研究与仿真12第 4 章 结 论 进入 21 世纪，我国科技飞速发展，3G 技术出现在人们的日常生活中，各大运营商都在大力发展自己的业务，在这样的背景下，对通信行业