1、在现今新技术革命的高速推动下，在信息高速公路建设和全球网络化发展浪潮的推动下，通信技术得到迅猛发展，载波通信、卫星通信和移动通信技术正在向数字化、智能化、宽带化发展。信息的数字转换处理技术走向成熟，为大规模、多领域的信息产品制造和信息服务创造了条件。高新技术层出不穷。随着通信技术的发展，通信系统方面的设计也会越来越复杂，利用计算机软件的仿真，可以大大地降低通信过程中的实验成本。本文设计出一个QPSK仿真模型，以分析QPSK在高斯信道中的性能，通过此次实验，可以更好地了解QPSK系统的工作原理。正交相移键控，是一种数字调制方式。四相绝对移相键控(QPSK)技术具有抗干扰能力好、误码率低、频
3、gh-speedrevolutionofnewtechnology,theinformationhighwayconstructionandglobalnetworkdevelopment,communicationtechnologyhasrapidlydeveloped.Carriercommunication,satellitecommunicationsandmobilecommunicationtechnologyarealsodevelopedindigital,intelligent,broadbandway.T
4、hetechnologyofinformationdigitalconversionbecamematurewhichcancreateabettercircumstanceforinformationproductsmanufacturinganinformationservice.Advancedtechnologyaretoemergeinanendlessstream.Asthedevelopmentofthecommunicationtechnology,communicationsystemdesign
5、alsowillbemoreandmorecomplicated,theuseofcomputersoftwareofthesimulation,cangreatlyreducethecostintheprocessofcommunication.ThispaperdesignedaQPSKsimulationmodeltoanalyzetheperformanceoftheGaussianchannelQPSK.Throughthisexperiment,wecanbetterunderstand
6、QPSKsystemprincipleofwork.QPSKisakindofdigitalmodulationmodewhichhasaseriesofadvantages,suchastheanti-interferenceability,lowBER(BitErrorRate),spectrumefficiency.QPSKiswidelyusedindigitalmicrowavecommunicationsystem,digitalsatellitecommunicationsystem,broa
7、dbandaccess,mobilecommunicationandcableTVsystemnow.ThispapermainlyintroducedisthesituationofQPSK,andtheconceptandprincipleofdemodulation.Toknowthetransmissionerrorrateandsymbolscalculation,thenunderstandthefunctionofthevariousmodulesinsimulinkusingQPSKmo
8、duleofthesimulinkindemodulationsystem.ItcanalsoanalysistheQPSKGaussianwhitenoiseinthechannelperformance.Usingofmodemcorrelatorreceiverthroughtherunmultipletimesitcangetbiterrorratesimulationandtherelationshipbetweenthesignal-to-noiseratio.【Keywords】Matlab
9、QPSKSimulinkSimulation目录前言1第一章正交相移键控(QPSK)系统概述2第一节QPSK的系统简介2第二节论文的仿真意义3第三节论文的主要内容和任务3一、研究主要内容3二、论文需要完成的任务4第四节本章小结4第二章基带数字信号传输6第一节二进制信号的传输6一、基带信号6二、加性高斯白噪声(AGWN)下的最佳接收机7三、双极性矩形波的最佳接收机7第二节多维信号的传输与最佳接受机9一、多维正交信号9二、AGWN下的多进制信号传输9三、检测器10第三节本章小结11第三章QPSK的调制与解调12第一节数字调相的介绍12第二节QPSK的产生方法12一
10、、相乘法12二、选择法12第三节QPSK的调制与解调原理13第四节本章小结15第四章基于Simulink的QPSK系统仿真分析17第一节Simulink平台简介17一、MATLAB简介17二、Simulink简介17三、Simulink的特点18四、Simulink常用模块库18第二节使用Simulink搭建QPSK调制解调系统20一、产生需要的信号源20二、QPSK的系统平台建模21三、仿真结果分析25四、举例分析25第三节仿真总结及遇到的问题29一、仿真结果29二、遇到的问题及解决情况29三、未解决的问题30第四节本章小结31结论33致谢34参考文献35附录36一、英文
11、原文：36BandwidthEfficientQPSKinCochannelInterferenceandFading36二、英文翻译：42在共信道干扰和衰落下的QPSK的带宽效率42前言在当今高度信息化的社会，信息和通信已成为现代社会的“命脉”。信息作为一种资源，只有通过广泛地传播与交流，才能促进社会成员之间的合作，推动生产力的发展，创造出巨大的经济效益。从1837年莫尔斯发明的有线电报开始，一个多世纪以来，通信的发展大致经历了三个阶段：以1837年友明电报(莫尔斯电码)为标志的通信初级阶段；以1948年香农提出的信息论开始的近代通信阶段；以20世纪70年代出现的光纤通信为代
12、表的和以综合业务数字网崛起为标志的现代通信阶段。光纤通信技术、移动通信技术和卫星通信技术成为了现代通信技术的三大主流发展方向。相较于模拟通信，数字通信还是有很多的优点。但是，正是因为它的优点，也使得它需要较多的带宽和复杂的设备。现今，随着大规模集成电路的发展应用，这些缺点也在得到解决。现今数字系统所需设备正得到简化和改进，技术难度也得到大大降低，与此同时，数据压缩技术以及光纤等大容量传输介质的发展和使用正逐渐解决数字系统的带宽问题。因此数字传输方式正逐渐受到更广泛的应用。当然，全数字调制技术作为这些领域中极为重要的一个方面，也得到迅速发展。第一章正交相移键控(QPSK)系统概述第一节QPS
13、K的系统简介数字通信现已广泛应用于各个频段和各种通信方式中,成为当今通信发展的一种必然趋势。所谓数字通信即用数字信号传送信息进行通信,也可以说通信的数字化。数字通信的主要优点在于用数字信号传送信息易于再生,可减小传输中的失真易于用脉冲数字电路来实现,设备可做到体积小、重量轻可以引入计算技术,应用微处理器及单片微机,发挥各种数字信号处理及智能化控制功能数字信号易于加密便于采用纠错编码和扩频技术,提高抗干扰能力。数字通信之所以取得迅速的发展不是偶然的现象,有其理论上、技术上和客观需求上的基础从理论分析开始,人们早就认识到数字通信在理论上比模拟通信具有一系列优点。除上述各点外,
14、在频带和功率的有效利用方面也更为有利计算技术和微电子学的进展为通信的数字化提供了坚实的技术基础人们在社会生活中对多种功能综合服务的需要是数字通信发展的强大动力。全数字调制技术作为通信领域中极其重要的一个方面，近些年得到了飞速的发展。数字专用集成电路的发展使得通信传输中的发送与接收设备可以更加变得更加紧凑，使用的成本更低，并大大减小了功耗，同时也提高了设备的安全性。另一方面，全数字调制解调技术的采用有可能使各类现代调制解调技术融合一体，使该调制解调器不仅适用于各种调制和解调的体制，同时它还具有可变速率这一特性。目前，无论是模拟通信还是数字通信，在不同的通信业务中都得到了广泛的应用。但是，数字通信
15、的发展速度已明显超过模拟通信，成为当代通信技术的主流。与模拟通信相比，数字通信具有以下一些优点：易于控制传输中的差错。具有较强的抗干扰能力，且噪声不积累。易于加密处理，且保密性好。易于集成，使通信设备微型化，重量轻。便于和现今用数字信号处理技术去处理、存储需要的数字信息。QPSK是英文QuadraturePhaseShiftKeying的缩略语的简称，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，人们利用具有恒定包络特性的调制技术来进行数字调制。因为这类数字调制技术的优点对放大设备没有相应的线性要求，并且已调信号只需要具有相对窄的功率谱即可，其缺点是它的频谱利用率低于线
16、性调制技术。后来，QuadraturePhaseShiftKeying技术逐渐以具有较强的抗干扰能力、误码率低、具有较高的频谱利用率等一系列优点，大量的应用在宽带接入、数字微波通信系统、移动通信及有线电视系统、数字卫星通信系统之中。第二节论文的仿真意义通过完成实验的设计内容，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。包括模拟调制中的幅度调制(AM)如双边带幅度调制(DSB)、单边带幅度调制(SSB)、常规幅度调制；角度调制中的相位调制(FM)和频率调制(PM)。以及数字调制
18、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。在完成要求的任务的前提条件下，尝试优化整个系统的模型。并使用Simulink中最基础的模块来搭建QPSK调制解调电路模块，从而了解和优化电路的结构。对电路的设计稍作一些了解。第三节论文的主要内容和任务一、研究主要内容学习QPSK系统的传输原理，并使用Simulink搭建QPSK调制和解调模块，利用高斯信道模块使信号进行信号传输的仿真，用示波器观察各个点的波形，通过与理论波形对比，验证电路的正确与否。二、论文需要完成的任务设计使用Simulink基础模块搭建QPSK的调制解调系统，并使用示波器显示调制解调过程中各点波形
20、兴学科，由于先进的技术和应用的广度，越来越显示出强大的生命力，那些需要各种信号的频谱分析，过滤，压缩，其他领域的科学和工程领域使用它，这种趋势还在发展。数字信号处理技术已广泛应用于语音处理，通信系统，声纳，雷达，地震信号，空间技术，自动化控制系统，仪器仪表，生物医学工程和家用电器及其他。信号处理一直为通信技术的发展提供了各种分析工具，如：压缩，转换编码，过滤，洗澡，检测，评估，绩效评估工具，还提供了多种实施工具，如：VI.SI，收缩阵列，但同时也促进一代在通信技术领域具有划时代意义的事件，如：速度和数字视频，调制解调器，均衡器，天线阵列。再加上集成的半导体技术，计算机和通信设备的发展，通过W
22、的通信需求。正交相位偏移键控(QPSK)是目前微波、卫星和有线电视上行通信中最常用的一种单载波调制方式，其在电路上实现比较简单，频带利用率高，具有较强的抗干扰性等特点。随着数字技术的快速发展和应用数字信号处理在通信系统中的应用越来越广泛，正交相位偏移键控(QPSK)将会发挥越来越重要的作用。第二章基带数字信号传输第一节二进制信号的传输一、基带信号数字基带信号所占据的频谱是从零频或很低频率开始且未经调制。在某些具有低通特性的有线信道中，特别是在传输距离不太远的情况下，基带信号可以不经过载波调制而直接进行传输。例如，在计算机局域网中直接传输基带脉冲。这种不经过载波调制而直接传输数字基带信号的系
23、统，称为数字基带传输系统。数字基带信号时数字信息的电波形表示，它可以用不同的电平或脉冲来表示相应的消息代码。在二进制通信系统中，由1和0的序列组成二进制数据来传输波形。我们现在假设数据传输速率为r(bit/s),则每个比特按照规则：发送1传输，0发送0传输，0假设数据比特流中1和0是等概率的话，那么每个出现的概率都为0.5。并且是互为统计独立的。加性高斯白噪声信道(AWGN)，即传输信号的信道假设是被加性噪声n(t)所干扰。(n(t)的功率谱为n0/2(W/Hz)那么，接收信号可以表示为r(t)=+n(t)，i=1,00(2-1)最佳接收机，即接受机的任务就是观察收到信号r(t)后
26、r0，则判决为-s(t))被发送。信号的噪声引起检测差错。检测器的差错概率可由2-7式计算出。假定发射s(t)，那么差错概率就等于r0的概率，即(2-8)因为波形信号是等概的，此时检测器将r与阀值0比较。若r0，则判决为s(t)被发送。3第二节多维信号的传输与最佳接受机一、多维正交信号当信号满足等能量且互为正交，那么信号可表示为(2-9)此时可构成多维信号波形。此次实验中，我们假设信号是经过加性高斯白噪声信道传输的，传输若为，此时接收信号为r(t)=+n(t),接收机接收信号并作出判断。其中为每个波形的能量，是单位冲击函数。二、AGWN下的多进制信号传输我们将信号r(t)通过一组
28、或者可以得到如下结论(2-17)当M=2时，(2-18)当传输其他M-1个信号中的任意一个时，得到同一的差错概率表达式。因为全部M个信号都可能是等概率的，所以由公式2-17式得出的表达式就是一个符号的差错的平均概率。有时希望把符号差错概率转换成一个二进制数字差错的等效概率。对于等概率的正交信号，所有符号差错都是等概率的，并且其发生概率为(2-19)在差错中有(由k比特中的n个比特)种可能方式，所以每k比特符号的平均比特差错数为：(2-20)平均比特差错概率就是上式的结果除以k，即第三节本章小结数字信号的最佳接收是按照错误概率最小作为“最佳”的准则。误码率分析的基本
29、原理是将一个接收信号码元的全部抽样值当作为K维接收矢量空间中的一个矢量，并将接收矢量空间划分为两个区域。按照接受矢量落入哪个区域来判断是否发生错误。由判决准则可以得出最佳接收机的原理方框图和计算出误码率。第三章QPSK的调制与解调第一节数字调相的介绍前面讨论的都是数字信息经由基带的传输。在这种情况下，载有信息的信号是直接通过信道传输而不用某一正弦波。然而，在实际生活中，大多数通信信道都是带通信道，因此通过这类信道传输信号的唯一办法是将载有信息的信号频率搬移到信道的频带之内。适合于带通信道的载波调制信号形式有四种：幅度调制信号(AM)；正交幅度调制信号(QAM)；相位键控(PSK)和频率键
30、控(FSK)。本节着重介绍的是角度调制(PSK)。PSK通过调制的发射波形的相位，不同阶段，代表不同的数据。数字相位调制(PSK)是角度调制，通过改变传输波形的相位的方式来实现，除了输入信号是数字信号和输出相位受限以外，它与恒定振幅数字调制非常相似。有四种可能的离散相态，QPSK信号是正弦载波，QPSK的可以采取的四个不同阶段的代表数字信息的载体优势。应分组输入二进制数字序列，每两个位编一组，然后他们四个不同的载波相位特性。第二节QPSK的产生方法QPSK的调制有两种产生方法相乘电路法和选择法。一、相乘法输入信号是二进制不归零的双极性码元，它通过“串并变换”电路变成了两路码元。变成并行码
34、离这两路正交的2PSK信号。相干解调后，并行码元经过并/串变换后，最终得到串行的数据流。图3.4解调原理框图第四节本章小结本章着重介绍了QPSK的调制原理和解调原理。产生QPSK的方法是使用相乘电路，首先把二进制不归零双极性码，它被串并变换电路变成两路码元，与载波相乘后，这两路信号在相加电路中相加后得到输出结果。由于QPSK信号可以看作是两个正交2PSK信号的叠加，所以用两路相干正交的相干载波去解调，可以很容易的分离这两路正交的2PSK信号。相干解调后的两路并行码元，经过变换后，成为串行数据输出。QuadraturePhaseShiftKeying通过使用载波的四个各不相同的相位差来表
35、示输入的信息，是具有四进制的相移键控。QPSK是在M=4时的数字的调相技术，它通过约定的四种载波相位，分别为45，135，225，275，输入数据为二进制的数字序列，因为载波相位是四进制的，所有我们需要把二进制的数据变为四进制的，即把二进制序列中每两个比特分成一组，四种排列组合，即00，01，10，11，双比特码元即为一组。每两位二进制信息比特构成每一组，它们分别表示着着四个符号中的某一个符号。QuadraturePhaseShiftKeying中每次调制通过载波的相位差来传输所需要的信息。利用星座图和接收到的载波信号的相位来还原原先发送端发送的信息。第四章基于Simulink的QP
36、SK系统仿真分析第一节Simulink平台简介一、MATLAB简介MATLAB是MATrixLABoratory的缩写，是一款由美国MathWorks公司出品的商业数学软件。MATLAB是一种用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境。除了矩阵运算、绘制函数/数据图像等常用功能外，MATLAB还可以用来创建用户界面及与调用其它语言(包括C，C+和FORTRAN)编写的程序。尽管MATLAB主要用于数值计算,但是因为大量的额外的工具箱它也适合于不同领域的应用,如控制系统设计与分析、图像处理和信号处理和通信、金融建模和分析等。除了一个完整的Simulin
37、k包,提供了一个可视化的开发环境,通常用于系统仿真、动态/嵌入式系统开发等。4二、Simulink简介Matlab是一个数值计算，先进的图形和可视化，高层次的编程语言综合科学计算环境。MATLAB工具箱提供面向专业图书馆延伸MATLABcapabilities.MATLAB编译MATLABM文件自动转换成独立的应用程序开发的C和C代码。SIMU字可以用计算机模拟，在Simulink和链接词说，它连接到系统，系列模块连接在一起，构成一个复杂的系统模型。Simulink是MATLAB最重要的组成部分，它可以提供一个动态系统建模，仿真和集成环境的综合分析。在这种环境下，工作人员不必编写复
38、杂的程序，用鼠标进行简单的操作，你可以构造不同的系统。Simulink中有许多优点，以适应清除的结构和流程仿真精细，贴近实际，高效率，灵活的基于Simulink的上述优势，广泛已被广泛用于在复杂的模拟和设计控制理论与数字信号处理。Simulink是用于动态系统建模，仿真和分析软件包。SIMULINK动态系统（包括连续系统，离散系统和混合动力系统的建模，分析和模拟），这将是一件容易的事情。它提供了一个图形化的，互动的环境，只需用鼠标拖动的方法将能够迅速建立系统框图模型，甚至不写一行代码。Simulink系统建模与仿真，其最大的优点是易于学习，易于使用和依靠基于MATLAB仿真的丰富资源。
39、7Simulink具有如下特点：交互式、图形化的建模环境：Simulink中提供了丰富的模块库，以帮助用户快速建立一个动态的系统模型。实验者只需使用鼠标单击库中的系统模块不同的模块，然后通过连接的设计原理建模。交互式的仿真环境：Simulink的框图提供强大的交互式仿真环境，实验者可以使用命令行模拟，模拟，通过下拉菜单。专用模块库(Blocksets)：Simulink建模系统的补充，MathWorks公司还开发了一个特殊的功能块，如DSP模块库和通信模块库，包。实验者使用这些软件包，用户可以快速系统建模，仿真和分析。更方便，用户也可以下载代码自动生成系统模型和生成的代码应用到不同的目标机
40、。提供了仿真库的扩充和定制机制：Simulink的开放式架构允许用户扩展的模拟环境：MATLAB，C代码生成自定义模块库，并有自己的图标和界面。因此，用户可以使用C链接写的代码，或购买更先进的系统设计，仿真和分析，使用由第三方开发商提供的模块库。与MATLAB工具箱的集成：由于Simulink的MATLAB的资源和功能，使用户可以直接在Simulink的，如数据分析，模拟，过程自动化，优化参数。工具箱中提供了先进的设计和分析能力，可以快速集成到模拟过程。架构扩展Simulink的基础上的建模也提供设计，实施，验证和确认任务相应的工具。Simulink和MATLAB紧密集成，可以直接访
41、问大量用于算法开发，仿真分析和可视化的MATLAB工具，批处理脚本来创建定制的建模环境，信号参数和测试数据的定义。三、Simulink的特点Simulink中有丰富的扩展模块库的预定义以及交互式图形编辑，混合和管理的分割模型直观的框图设计特征的水平，实现管理复杂的设计模型浏览器的导航，创建，任何信号配置搜索模型，参数，属性，生成的模型代码，并能提供与其他模拟程序或手写代码集成的API，可以使用嵌入式MATLAB模块在Simulink和嵌入式Systemscall的MATLAB算法实现，运行时使用一个固定的步变步运行仿真，根据仿真模式(正常，加速器，快速加速器)确定解释性运行到运行或编译的C代码
42、，在模型的形式;graphicalof调试器和分析器来检查模拟的结果，可以自我诊断性能和行为异常;可以访问MATLAB为了对结果进行分析和可视化，自定义建模环境，信号参数和测试数据，模型分析anddiagnostic工具的定义，以确保模型的一致性确定模型的误差。四、Simulink常用模块库Simulink有几个常用的模块：1.信宿(Sinks)模块库Display显示输入的值；Output创建子系统的输出端口或外部输出端口；Scope、FloatScope显示仿真时产生的信号；StopSimulation表示停止仿真；Terminator将未使用的输出端作为终端来避免告警；XYGra
44、Delay)、指定零极点输入函数单元(ZeroPole)。4.数学操作(SimulinkMathOperations和FixedPointBlocketMath)模块库包含常用的数学函数模块。包括输入信号绝对值单元(Abs)等。5.通信模块库(ComunicationsBlockset)信源(CommSources)：产生需要的随机或伪随机信号，或者是文件或模拟压控振荡器(VCO)的非随机信号。BernoulliRandomBinaryGenerator模块：产生由伯努利分布得到的二进制随机数。BinaryVectorNoiseGenerator模块：产生二进制随机
45、向量。RandomIntegerGenerator模块：产生一个在一定范围内的随机整数。PoissionIntGenerator模块：产生洎松分布所需的随机整数。PNSequenceGenerator模块：产生伪随机序列。GaussianNoiseGenerator模块：产生离散高斯白噪声。RayleighNoiseGenerator模块：产生瑞利分布的噪声。UniformNoiseGenerator模块：产生一个在特定条件下的均匀噪声。Voltage-ControlledOscillator模块：实现压控振荡器。信宿(CommSinks)：此库中提供
46、了信宿和显示的模块，以使对通信系统的分析更加简便。TriggeredWritetoFile模块：利用上升沿的触发向文件写入数据。EnorRateCalculation模块：统计输入信号的误码率。6.信源编码(SourceCoding)模块库信源编码分为两个步骤：信源编码和信源译码。得到一个数字信号需要用到量化。所得信号的符号都是在某个有限范围内的非负整数。信源译码就是从传输得到的信号恢复出源信息流。7.信道(Channel)模块库提供各种不同通信环境的信道模型，比如高斯白噪声信道等。8.错误侦测与校验(EnorDetectionCorrection)模块库利用输入输出的数据
48、01s。图4.1信号源参数设置二、QPSK的系统平台建模1.串并变换我们先通过使用buffer这个模块来实现将信号源信号转变为两路信号。Buffer模块可以重新分配缓冲区块的输入样本，用到了Demux，可以将一个复合输入转化为多个单一输出，即可以输出多个采样率较低的帧信号。但会产生与缓冲区容量相同的时延。所以，我们可以设置buffer的参数容量为2。图4.2Buffer的参数设置2.单极性信号转化为双极性信号因为QPSK的调制信号要求的是双极性信号，所以用伯努利随机生成二进制Generator模块产生的信号必须经过转化才能够被使用。利用加法模块和常数产生模块将1和0的序列各自减去1/2，