基于simulink的QPSK的调制解调

1基于simulink的QPSK调制解调一、摘要在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。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。本文设计本文主要介绍了正交相移键控(QPSK)的概况，以及正交相移键控(QPSK)的调制解调概念和原理，传输比特错误率和符号错误率的计算，了解Simulink中涉及到QPSK的各种模块的功能。这次QPSK调制解调采用了正交调制和相干解调，包含了串并转换、电平转换、载波调制、信号合成、相干解调、抽样判决，和并串转换一系列系统的设计，并利用Matlab中的Simulink模块对QPSK的调制解调系统进行了仿真，对QPSK在高斯白噪声信道中的性能进行分析，进而验证了QPSK调制技术的优越性。【关键词】MatlabQPSKSimulnk仿真ABSTRACTInthe21stworldoftherapiddevelopmentoftheinformationage,eachcountrytocommunicationindustryissparenoefforttosupport.The3gindustryinourcountryasvigorousdevelopment,thecountryshouldbeadvocatedandthreenetsfusion.Goodtechnologycanquicklytransferuserinformation,andhasahighaccuracy(thatis,verylowbiterrorrate)andreliability.QPSKdemodulationtechnologywithitshighdemodulationrate,lowerrorrate,inCDMAareastobewidelyapplied.Thepaperpresentsthedesignofthispapermainlyintroducesthephotographisshiftkeying(QPSK)profile,andpositivephotographshiftkeying(QPSK)modulationdemodulationconceptandprinciple,transmissionbiterrorrateandsymbolerrorratecalculation,understandinvolvedinSimulinkQPSKvariousmodulesfunction.TheQPSKmodulationdemodulationadoptedorthogonalmodulationandcoherentdemodulation,containsthestringandconversion,levelconversion,carriermodulation,signalsynthesis,coherentdemodulation,samplingjudgment,andstringconversionaseriesofsystemdesign,andusetheMatlabSimulinkmoduleforQPSKmodulationdemodulationsystemsimulation,theQPSKwhitegaussiannoisechannelintheperformanceanalysis,andthenverifytheQPSKmodulationtechnologysuperiority.2【Keywords】MatlabQPSKSimulinkSimulation二、设计目的和意义（1）通过完成专业方向的设计内容，加深对通信原理理论的理解，熟悉通信系统的基本概念，复习正交相位偏移键控(QPSK)调制解调的基本原理和误比特率的计算方法，了解调制解调方式中最基础的方法。（2）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，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。（3）通过Simulink建模完成QPSK调制解调系统的仿真，以及误码率测试，通过整个仿真建模的系统了解QPSK整个的调制解调流程，并通过示波器观察各点的波形，拿得出的响应波形与理论波形进行比较，分析仿真的结果。（4）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。三、设计原理（1）QPSK的调制QPSK的调制中，QPSK信号可以看成是两个载波正交的2PSK信号调制器构成。原理分析如下：基本原理和系统结构QPSK与二进制PSK一样，传输信号包含的信息都存在于相位中。个别的载波相位取四个等间隔值之一，如4，34，54，74。相应的，可将发射信号定义为：(t)ts=，0≤≤tbT其中，i＝1，2，3，4。E是发射信号的每个符号的能量，T为符号的持续时间，载波频率f等于nc/T，nc为固定整数。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1的（a）、(b)、(c)原理框图即为QPSK的三种调制方式，本次专业方向设计主要采用的是正交调制方式。正交调制方式如下图（a）所示，首先信号产生，进行串并转换，再由单极性码转变为双极性码，两路信号分别乘以载波，两路载波相位相差180度，最后()[],04/1-2+2cos/2其他πiftπtE3两路信号合并，采用这种方法是比较简单，也好理解的。（2）QPSK的解调QPSK信号可以用两个正交的载波信号实现相干解调，相干解调就是调制信号乘一个与开始载波同频同相的波。它的相干解调器如图2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4图2QPSK想干解调四、详细设计步骤（1）QPSK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1（a）的方框图搭建QPSK调制电路（图3）：采用Buffer缓冲器和Demux分解器将信号源进行串并转换，UnipolartoBipolar实现电平转换，即由单极性码转变成双极性码，转换后乘以正弦波进行调制，再两路调制信号合并就可以得到最终的调制信号。QPSK的调制仿真图如下：图3QPSK调制仿真图（2）AWGN信道模型本次实验使用的是高斯信道。实验所需的高斯噪声我们可以由高斯信道模块来提供，用到了Zero-OrderHold，AWGN模块，其中参数设置中信噪比为Es/No，Es/No为信号能量比噪声功率谱密度。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。现在输入信号是实数，这个模块增加了实数的高斯噪声，产生一个实数的输出信号。此块继承它的输入信号的采样时间。模块使用信号处理模块随机产生的噪声。初始种子可以是一个标量或矢量的长度相匹配的输入信号通道数。在AWGN两边加了Zero-OrderHold模块，这个模块是为了让两边信号模式匹配，不然会出错。通过这样高斯信道模块仿真，可以看到在在经过高斯信道过后的信号，方便与开始信号比较。5图4高斯信道模块（3）QPSK解调电路根据图2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，经过积分器积分然后再通过一个延时器判决得到并行二进制序列，在采用积分器时，设置参数要谨慎。本次设置了积分上下线，因为积分后的曲线波动很小，如果没有积分上下线，按默认值判决后误差会很大，并采用上升沿触发。Relay延时器是一个滞环比较器，起到抽样判决的作用，经过relay后，就出现二进制序列，上下两路二进制序列合并后，最后再经并转串输出二进制序列。QPSK的调制解调仿真电路如下：图5QPSK解调仿真电路图6QPSK调制解调总框图（4）比特错误率统计比特错误率统计使用ErrorRateCalculation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6输出。图7比特错误率仿真图五、设计结果及分析（1）仿真结果分析通过设置不同的Es/No的值，可得到不同的误码率。本次实验统计误码率时，设置的载波频率为4000Hz，信号源的采样时间为0.05s，除了在理想信道时误码率为零，高斯信道的采样时间与Zero-OrderHold的参数时间设置皆以载波的频率为参考依据，现载波频率为4000Hz，则我们设这两个时间参数设置为0.00025，即得到下表。当然如果这两个时间参数设置的更小的话，会得到更小的误码率。具体测试数据如下表：表1信噪比与误码率的关系Es/No(dB)-5013误码率0.51150.49650．49250.4875由上表可以看出，信道噪声功率谱密度越大，信号信噪比越小，误码率越高，这符合实际情况。（2）举例分析为了能更好的观察波形变换，我们现把载波的频率参数设置为50Hz，信号源的采样时间设置为0.01s。7图8信号源和转变后的由上图看出，由bermoullibinarygenerator模块产生随机单极性码信号，经过Buffer缓冲器和Demux分解器将信号源进行串并转换，UnipolartoBipolar实现电平转换，实现了由单极性码转变成双极性码，用于调制。图9上支路的载波及调制信号8图10下支路的载波及调制信号图11上下支路相加后得到的调制信号由图9，图10，图11可以看到，经过两路相差180度的载波信号调制后，调制信号发生了相位差，相差180度，跟2PSK的调制原理相符，调制时，遇高电平保持原波形，低电平波形反向。图12经过高斯信道后的调制信号图13上支路积分后的信号由图12看出，信号经过高斯信道后，波形发生变化，会有些失真，并且由表1知，信道噪声功率谱密度越大，信号信噪比越小，误码率越高，失真度也越大，符合实际情况。信号积分后有波形看出是调制信号经过积分器幅度变小，通过设置参数上下限的值变小，可以便于看清积分后的波形，由波形知符合实际情况，即接近正弦波调制后积分后的波形图。图14上支路判决后的信号9图15源信号流和经过调制解调后的信号流对比由图14，图15可以看出，因为整个系统模块有引进噪声，以及电路使用了积分、采样保持模块，还原后的信号幅度差异较大，通过判决门限后，得到原来的二进制信号。因而由上述仿真结果可以看出QPSK的调制解调全过程，解调速率高，误码率低等优越性。仿真的各种条件都是理想化的，除了噪声之外不会发生任何错误，和实际情况相比，在相同的信噪比之下，比特错误率理应要小的多，但是仿真所得结果的误码率偏大，可能是因为使用了zero-orderhold这个器件，但如不使用zero-orderhold这个器件，高斯信道模块会在仿真运行时报错，从而无法进行仿真实验。所以为了使实验进行下去，选择这个器件，即使会出现不小的误差。并且QPSK的误码还可能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。六、总结为了使仿真正常进行，把所有的数据设为了double类型，buffer模块的输出信号首先通过信号转换模块，由此增加了Simulink仿真的内存占用率，也降低了仿真效率。还有就是时钟信号的设置和积分器上升沿和复位的问题，要经过不停地调试，才能解决。在搭建整个QPSK调制解调