1、 通信系統仿真設計實訓報告     1. 課題名稱： 基于 MATLAB 的QPSK系統仿真設計與實現 學生學號： 學生姓名： 所在班級： 任課教師： 2016年 10月25日 目 錄1.1QPSK系統的應用背景簡介31.2 QPSK實驗仿真的意義31.3 實驗平臺和實驗內容3實驗平臺3實驗內容3二、系統實現框圖和分析42.1、QPSK調制部分，42.2、QPSK解調部分5三、實驗結果及分析63.1、理想信道下的仿真63.2、高斯信道下的仿真73.3、先通過瑞利衰落信道再通過高斯信道的仿真8總結：10參考文獻：11附錄121.1QPS

2、K系統的應用背景簡介QPSK是英文Quadrature Phase Shift Keying的縮略語簡稱，意為正交相移鍵控，是一種數字調制方式。在19世紀80年代初期,人們選用恒定包絡數字調制。這類數字調制技術的優點是已調信號具有相對窄的功率譜和對放大設備沒有線性要求,不足之處是其頻譜利用率低于線性調制技術。19世紀80年代中期以后,四相絕對移相鍵控(QPSK)技術以其抗干擾性能強、誤碼性能好、頻譜利用率高等優點,廣泛應用于數字微波通信系統、數字衛星通信系統、寬帶接入、移動通信及有線電視系統之中。1.2 QPSK實驗仿真的意義通過完成設計內容， 復習QPSK調制解調的基本原理，同時也要復習通信

3、系統的主要組成部分，了解調制解調方式中最基礎的方法。了解QPSK的實現方法及數學原理。并對“通信”這個概念有個整體的理解，學習數字調制中誤碼率測試的標準及計算方法。同時還要復習隨機信號中時域用自相關函數，頻域用功率譜密度來描述平穩隨機過程的特性等基礎知識，來理解高斯信道中噪聲的表示方法，以便在編程中使用。 理解QPSK調制解調的基本原理，并使用MATLAB編程實現QPSK信號在高斯信道和瑞利衰落信道下傳輸，以及該方式的誤碼率測試。復習MATLAB編程的基礎知識和編程的常用算法以及使用MATLAB仿真系統的注意事項，并鍛煉自己的編程能力，通過編程完成QPSK調制解調系統的仿真，以及誤碼率測試，并

4、得出響應波形。在完成要求任務的條件下，嘗試優化程序。通過本次實驗，除了和隊友培養了默契學到了知識之外，還可以將次實驗作為一種推廣，讓更多的學生來深入一層的了解QPSK以至其他調制方式的原理和實現方法。可以方便學生進行測試和對比。足不出戶便可以做實驗。1.3 實驗平臺和實驗內容實驗平臺本實驗是基于Matlab的軟件仿真，只需PC機上安裝MATLAB 6.0或者以上版本即可。（本實驗附帶基于Matlab Simulink （模塊化）仿真，如需使用必須安裝simulink 模塊）實驗內容1.構建一個理想信道基本QPSK仿真系統,要求仿真結果有a.基帶輸入波形及其功率譜 b.QPSK信號及其功率譜 c

5、.QPSK信號星座圖 2.構建一個在AWGN（高斯白噪聲）信道條件下的QPSK仿真系統，要求仿真結果有a.QPSK信號及其功率譜 b.QPSK信號星座圖c.高斯白噪聲信道條件下的誤碼性能以及高斯白噪聲的理論曲線，要求所有誤碼性能曲線在同一坐標比例下繪制3驗可選做擴展內容要求：構建一個先經過Rayleigh（瑞利衰落信道），再通過AWGN（高斯白噪聲）信道條件下的條件下的QPSK仿真系統，要求仿真結果有a.QPSK信號及其功率譜 b.通過瑞利衰落信道之前和之后的信號星座圖，前后進行比較c.在瑞利衰落信道和在高斯白噪聲條件下的誤碼性能曲線，并和二.2.c中所要求的誤碼性能曲線在同一坐標比例下繪制二

6、、系統實現框圖和分析2.1、QPSK調制部分，原理框圖如圖1所示1（t）QPSK信號s（t）二進制數據序列極性NRZ電平編碼器分離器 2（t） 圖1原理分析：基本原理及系統結構 QPSK與二進制PSK一樣，傳輸信號包含的信息都存在于相位中。的別的載波相位取四個等間隔值之一，如/4, 3/4,5/4,和7/4。相應的，可將發射信號定義為 0tTSi（t） 0。， 其他其中，i1，2，2，4；E為發射信號的每個符號的能量，T為符號持續時間，載波頻率f等于nc/T，nc為固定整數。每一個可能的相位值對應于一個特定的二位組。例如，可用前述的一組相位值來表示格雷碼的一組二位組：10，00，01，11。下

7、面介紹QPSK信號的產生和檢測。如果a為典型的QPSK發射機框圖。輸入的二進制數據序列首先被不歸零（NRZ）電平編碼轉換器轉換為極性形式，即負號1和0分別用和表示。接著，該二進制波形被分接器分成兩個分別由輸入序列的奇數位偶數位組成的彼此獨立的二進制波形，這兩個二進制波形分別用a1（t），和a2（t）表示。容易注意到，在任何一信號時間間隔內a1（t），和a2（t）的幅度恰好分別等于Si1和 Si2，即由發送的二位組決定。這兩個二進制波形a1（t），和a2（t）被用來調制一對正交載波或者說正交基本函數：1（t），2（t）。這樣就得到一對二進制PSK信號。1（t）和2（t）的正交性使這兩個信號可以被

8、獨立地檢測。最后，將這兩個二進制PSK信號相加，從而得期望的QPSK。2.2、QPSK解調部分，原理框圖如圖2所示： 1（t） 同相信道 門限0發送二進制序列的估計判決門限低通filrer判決門限復接器接收信 號x（t）低通filrer 2（t） 正交信道 門限0 圖2原理分析： QPSK接收機由一對共輸入地相關器組成。這兩個相關器分別提供本地產生地相干參考信號1（t）和2（t）。相關器接收信號x（t），相關器輸出地x1和x2被用來與門限值0進行比較。如果x1>0,則判決同相信道地輸出為符號1；如果x1<0 ,則判決同相信道的輸出為符號0。；類似地。如果正交通道也是如此判決輸出。最

9、后同相信道和正交信道輸出這兩個二進制數據序列被復加器合并，重新得到原始的二進制序列。在AWGN信道中，判決結果具有最小的負號差錯概率。三、實驗結果及分析根據圖1和圖2的流程框圖設計仿真程序，得出結果并且分析如下：3.1、理想信道下的仿真，實驗結果如圖3所示 圖3實驗結果分析：如圖上結果顯示，完成了QPSK信號在理想信道上的調制，傳輸，解調的過程，由于調制過程中加進了載波，因此調制信號的功率譜密度會發生變化。并且可以看出調制解調的結果沒有誤碼。3.2、高斯信道下的仿真，結果如圖4所示：圖4實驗結果分析：由圖4可以得到高斯信道下的調制信號，高斯噪聲，調制輸出功率譜密度曲線和QPSK信號的星座圖。在

10、高斯噪聲的影響下，調制信號的波形發生了明顯的變化，其功率譜密度函數相對于圖1中的調制信號的功率譜密度只發生了微小的變化，原因在于高斯噪聲是一個均值為0的白噪聲，在各個頻率上其功率是均勻的，因此此結果是真確的。星座圖反映可接收信號早高斯噪聲的影響下發生了誤碼，但是大部分還是保持了原來的特性。3.3、先通過瑞利衰落信道再通過高斯信道的仿真。實驗結果如圖5所示：圖5實驗結果分析：由圖5可以得到瑞利衰落信道前后的星座圖，調制信號的曲線圖及其功率譜密度。最后顯示的是高斯信道和瑞利衰落信道的誤碼率對比。由圖可知瑞利衰落信道下的誤碼率比高斯信道下的誤碼率高。至此，仿真實驗就全部完成。結 論本論文運用MATL

11、AB中的動態仿真工具箱Simulink仿真實現了PCM系統的全部過程。根據PCM系統的組成原理，在Simulink模塊庫中找到相應的模塊，然后選擇合適的模塊以及設置適當的參數，建立了PCM通信系統的仿真模型，最后在給定仿真的條件下，運行了仿真系統。仿真結果表明：1.在正常的信噪比條件下，該通信系統失真較小，達到了預期的目的。2.Simulink仿真工具箱操作簡單方便、調試直觀，為通信系統的軟件仿真實現提供了極大的方便。參考文獻：1、MATLAB 寶典 陳杰等編著 電子工業出版社2、MATLAB信號處理 劉波, 文忠, 曾涯編著 北京電子工業出版社3、數字信號處理的MATLAB實現 萬永革編著

12、北京科學出版社4、網上資料 附錄MATLAB程序% 調相法clear allclose allt=-1:0.01:7-0.01;tt=length(t);x1=ones(1,800);for i=1:tt if (t(i)>=-1 & t(i)<=1) | (t(i)>=5& t(i)<=7); x1(i)=1; else x1(i)=-1; endendt1=0:0.01:8-0.01;t2=0:0.01:7-0.01;t3=-1:0.01:7.1-0.01;t4=0:0.01:8.1-0.01;tt1=length(t1);x2=ones(1,800

13、);for i=1:tt1 if (t1(i)>=0 & t1(i)<=2) | (t1(i)>=4& t1(i)<=8); x2(i)=1; else x2(i)=-1; endendf=0:0.1:1;xrc=0.5+0.5*cos(pi*f);y1=conv(x1,xrc)/5.5;y2=conv(x2,xrc)/5.5;n0=randn(size(t2);f1=1;i=x1.*cos(2*pi*f1*t);q=x2.*sin(2*pi*f1*t1);I=i(101:800);Q=q(1:700);QPSK=sqrt(1/2).*I+sqrt(1/

14、2).*Q;QPSK_n=(sqrt(1/2).*I+sqrt(1/2).*Q)+n0;n1=randn(size(t2);i_rc=y1.*cos(2*pi*f1*t3);q_rc=y2.*sin(2*pi*f1*t4);I_rc=i_rc(101:800);Q_rc=q_rc(1:700);QPSK_rc=(sqrt(1/2).*I_rc+sqrt(1/2).*Q_rc);QPSK_rc_n1=QPSK_rc+n1;figure(1)subplot(4,1,1);plot(t3,i_rc);axis(-1 8 -1 1);ylabel('a序列');subplot(4,1,

15、2);plot(t4,q_rc);axis(-1 8 -1 1);ylabel('b序列');subplot(4,1,3);plot(t2,QPSK_rc);axis(-1 8 -1 1);ylabel('合成序列');subplot(4,1,4);plot(t2,QPSK_rc_n1);axis(-1 8 -1 1);ylabel('加入噪聲');效果圖：% 設定 T=1,加入高斯噪聲clear allclose all% 調制bit_in = randint(1e3, 1, 0 1);bit_I = bit_in(1:2:1e3);bit_Q

16、 = 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;f=0:0.1:1;xrc=0.5+0.5*cos(pi*f);data_I2_rc=conv(data_I2,xrc)/5.5;data_Q2_rc=conv(data_Q2,xrc)/5.5;f1=1;t1=0:0.1:1e

17、3+0.9;n0=rand(size(t1);I_rc=data_I2_rc.*cos(2*pi*f1*t1);Q_rc=data_Q2_rc.*sin(2*pi*f1*t1);QPSK_rc=(sqrt(1/2).*I_rc+sqrt(1/2).*Q_rc);QPSK_rc_n0=QPSK_rc+n0;% 解調I_demo=QPSK_rc_n0.*cos(2*pi*f1*t1);Q_demo=QPSK_rc_n0.*sin(2*pi*f1*t1);% 低通濾波I_recover=conv(I_demo,xrc); Q_recover=conv(Q_demo,xrc);I=I_recover(

18、11:10010);Q=Q_recover(11:10010);t2=0:0.05:1e3-0.05;t3=0:0.1:1e3-0.1;% 抽樣判決data_recover=;for i=1:20:10000 data_recover=data_recover I(i:1:i+19) Q(i:1:i+19);end;bit_recover=;for i=1:20:20000 if sum(data_recover(i:i+19)>0 data_recover_a(i:i+19)=1; bit_recover=bit_recover 1; else data_recover_a(i:i+1

19、9)=-1; bit_recover=bit_recover -1; endenderror=0;dd = -2*bit_in+1;ddd=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,

20、data_recover_a);axis(0 100 -2 2);title('解調后序列');效果圖：% 設定 T=1, 不加噪聲clear allclose all% 調制bit_in = randint(1e3, 1, 0 1);bit_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(

21、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(data_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);QPSK_rc=(sqrt(1/2).*I_rc+sqrt(1/2).*Q_rc);% 解調I_demo=QPSK

22、_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,xrc);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=repma

23、t(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);subplot(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);效果圖：% QPSK誤碼率分析SNRindB1=0:2:10;SNRindB2=0:0.1:10;for i=1:lengt

24、h(SNRindB1) pb,ps=cm_sm32(SNRindB1(i); smld_bit_err_prb(i)=pb; smld_symbol_err_prb(i)=ps;end;for i=1:length(SNRindB2) SNR=exp(SNRindB2(i)*log(10)/10); theo_err_prb(i)=Qfunct(sqrt(2*SNR);end;title('QPSK誤碼率分析');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('仿真比特誤碼率','理論比特誤碼率');hold 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;