數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng)仿真及性能分析--QPSK及循環(huán)碼

1、 題目 ：數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng)仿真及性能分析-QPSK及循環(huán)碼 學(xué)院：大數(shù)據(jù)與信息工程學(xué)院 班級(jí)：通信112 姓名：秦天義 學(xué)號(hào)：1108060383 指導(dǎo)教師：楊平 2014年7月7日 一QPSK通信系統(tǒng)原理與仿真 QPSK系統(tǒng)框圖介紹在圖1的系統(tǒng)中，發(fā)送方，QPSK數(shù)據(jù)源采用隨機(jī)生成，信源編碼采用差分編碼，編碼后的信號(hào)經(jīng)QPSK調(diào)制器，經(jīng)由發(fā)送濾波器進(jìn)入傳輸信道。接收方，信號(hào)首先經(jīng)過(guò)相位旋轉(zhuǎn)，再經(jīng)匹配濾波器解調(diào)，經(jīng)閾值比較得到未解碼的接收信號(hào)，差分譯碼后得到接收信號(hào)，與信源發(fā)送信號(hào)相比較，由此得到系統(tǒng)誤碼率，同時(shí)計(jì)算系統(tǒng)誤碼率的理論值，將系統(tǒng)值與理論值進(jìn)行比較。對(duì)于信道，這里選取的是加性高斯白

2、噪聲以及多徑Rayleigh衰落信道。QPSK數(shù)據(jù)源差分編碼器QPSK調(diào)制器發(fā)送濾波器衰減相位旋轉(zhuǎn)相位同步積分與清除符號(hào)同步器閾值比較差分譯碼器計(jì)算BER噪聲圖1 QPSK系統(tǒng)框圖在實(shí)驗(yàn)中，選用的是差分碼。差分碼又稱(chēng)為相對(duì)碼，在差分碼中利用電平跳變來(lái)分別表示1或0，分為傳號(hào)差分碼和空號(hào)差分碼。傳號(hào)差分碼：當(dāng)輸入數(shù)據(jù)為“1”時(shí)，編碼波型相對(duì)于前一碼電平產(chǎn)生跳變；輸入為“0”時(shí)，波型不產(chǎn)生跳變?？仗?hào)差分碼：當(dāng)輸入數(shù)據(jù)為“0”時(shí)，編碼波型相對(duì)于前一碼電平產(chǎn)生跳變；輸入為“1”時(shí)，波型不產(chǎn)生跳變。 概述QPSK是英文Quadrature Phase Shift Keying的縮略語(yǔ)簡(jiǎn)稱(chēng)，意為正交相移鍵

3、控，是一種數(shù)字調(diào)制方式。它以其抗干擾性能強(qiáng)、誤碼性能好、頻譜利用率高等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于數(shù)字微波通信系統(tǒng)、數(shù)字衛(wèi)星通信系統(tǒng)、寬帶接人、移動(dòng)通信及有線(xiàn)電視系統(tǒng)之中。 QPSK調(diào)制解調(diào)仿真過(guò)程及其波形圖QPSK解調(diào)方法由于QPSK信號(hào)可以看作兩個(gè)正交2PSK信號(hào)的疊加，用相干解調(diào)方法，即用兩路正交的相干載波，可以很容易的分離出這兩路正交的2PSK信號(hào)。解調(diào)后的兩路基帶信號(hào)碼元a和b，經(jīng)過(guò)并串變換后，成為串行數(shù)據(jù)輸出。 一QPSK調(diào)制過(guò)程及其波形圖本課題QPSK調(diào)制解調(diào)過(guò)程的信號(hào)源選定為伯努利二進(jìn)制隨機(jī)信號(hào)。其參數(shù)如圖3所示,波形如圖4所示:圖3 伯努利二進(jìn)制信號(hào)發(fā)生器參數(shù)圖4輸入數(shù)字信號(hào)序列對(duì)輸入基

4、帶數(shù)字信號(hào)有串并變換電路分為兩個(gè)并行序列，分別如下圖5所示。其中圖6中是輸入序列的奇數(shù)序列，圖7是實(shí)序列的偶數(shù)序圖5 經(jīng)過(guò)串并轉(zhuǎn)換的序列圖6經(jīng)過(guò)串并轉(zhuǎn)換的序列隨后兩路信號(hào)分別經(jīng)過(guò)單/雙極性轉(zhuǎn)換器將此前的單極性信號(hào)轉(zhuǎn)換為雙極性信號(hào)。其兩路轉(zhuǎn)換后相對(duì)應(yīng)的波形如圖3.5a和圖3.5b所示：圖7經(jīng)過(guò)單/雙極性轉(zhuǎn)換后的序列圖3.5b 經(jīng)過(guò)單/雙極性轉(zhuǎn)換后的信號(hào)所加相干載波的波形分別為3.6a和3.6b所示:圖3.6a 0相位正弦載波信號(hào)圖3.6b 相位正弦載波信號(hào)-此時(shí)，經(jīng)過(guò)雙極性轉(zhuǎn)換的信號(hào)一路與相位為0的正弦載波相干，另一路則與相位為的正弦載波相干。信號(hào)相干后的波形如圖分別為圖3.7a和圖3.7b所示

5、：圖3.7a 經(jīng)載波相干后的信號(hào)圖3.7b經(jīng)載波相干后的信號(hào)其中與信號(hào)相干的0相位正弦載波和相位正弦載波的參數(shù)分別如圖3.8a和圖3.8b所示：圖3.8a 0相位相干正弦載波參數(shù)圖3.8b 相位相干正弦載波參數(shù)相干后的兩路信號(hào)在經(jīng)過(guò)一個(gè)相加模塊，就得到了QPSK信號(hào)。經(jīng)調(diào)制后的QPSK信號(hào)如圖3.9所示：圖3.9 經(jīng)調(diào)制后的QPSK信號(hào)QPSK解調(diào)過(guò)程及其波形圖QPSK信號(hào)通過(guò)加兩路相位分別為0和的正弦載波進(jìn)行相干解調(diào)。解調(diào)后信號(hào)的波形分別如圖3.10a和3.10b所示：圖3.10a 0相位載波相干后信號(hào)圖3.10b 相位載波相干后信號(hào)其兩路正弦載波的參數(shù)分別與圖7和圖8相一致。經(jīng)過(guò)載波相干后

6、的信號(hào)通過(guò)低通濾波器進(jìn)行低通濾波處理。其低通濾波后的信號(hào)的波形分別如圖3.11a和3.11b所示圖3.11a 低通濾波后的信號(hào)圖3.11b低通濾波后的信號(hào)此時(shí)信號(hào)經(jīng)過(guò)抽樣判決后將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)序列經(jīng)抽樣判決后信號(hào)的波形分別如圖3.12a和3.12b所示：圖3.12a 經(jīng)抽樣判決后信號(hào)圖3.12b 經(jīng)抽樣判決后信號(hào)然后將這兩路雙極性信號(hào)轉(zhuǎn)換成單極性二進(jìn)制信號(hào)，轉(zhuǎn)換后的單極性二進(jìn)制信號(hào)分別如圖3.13a和3.13b所示：圖3.13a 經(jīng)極性轉(zhuǎn)換后的信號(hào)圖3.13b經(jīng)極性轉(zhuǎn)換后的信號(hào)最后通過(guò)并/串轉(zhuǎn)換器將信號(hào)放置其奇數(shù)位，將另信號(hào)放置其偶數(shù)位，轉(zhuǎn)換成一路二進(jìn)制單極性信號(hào)，此時(shí)的信號(hào)即是QPS

7、K信號(hào)解調(diào)后最終的信號(hào)。信號(hào)的解調(diào)信號(hào)如圖3.14所示：圖3.14 信號(hào)的解調(diào)信號(hào)二QPSK調(diào)制解調(diào)仿真過(guò)程誤碼曲線(xiàn)為了最后能夠更好的驗(yàn)證此次課題的正確性，本人將QPSK調(diào)制與解調(diào)過(guò)程放置于一個(gè)系統(tǒng)中。所以從理論上來(lái)說(shuō)，信號(hào)源發(fā)送的伯努利二進(jìn)制隨機(jī)信號(hào)經(jīng)過(guò)調(diào)制之后，再經(jīng)過(guò)解調(diào)，結(jié)果得到信號(hào)應(yīng)該與信號(hào)源發(fā)送的伯努利二進(jìn)制隨機(jī)信號(hào)相一致。經(jīng)驗(yàn)證，解調(diào)后的波形和調(diào)制前的波形是相一致，波形如圖3.15所示：圖3.15發(fā)送信號(hào)與調(diào)制解調(diào)后信號(hào)由圖3.15可見(jiàn)，解調(diào)后的波形和調(diào)制前的波形是一致的（其調(diào)制解調(diào)過(guò)程中會(huì)有一定的延遲），因此可以證明此次QPSK調(diào)制解調(diào)的SIMULINK實(shí)現(xiàn)過(guò)程是正確的。 QPS

8、K系統(tǒng)誤碼率及仿真誤碼曲線(xiàn)（無(wú)信道編碼） 在QPSK體制中，因噪聲的影響使接收端解調(diào)時(shí)發(fā)生錯(cuò)誤判決，是由于信號(hào)矢量的相位發(fā)生偏離造成的。設(shè)為接收矢量（包括信號(hào)和噪聲）相位的概率密度，則發(fā)生錯(cuò)誤的概率為： 省略計(jì)算和Pe的繁瑣過(guò)程，直接給出計(jì)算結(jié)果：上式計(jì)算出的是QPSK信號(hào)的誤碼率。若考慮其誤比特率，正交的兩路相干解調(diào)方法和2PSK中采用的解調(diào)方法一樣。所以其誤比特率的計(jì)算公式也和2PSK的誤碼率公式一樣。二實(shí)現(xiàn)信道編碼和譯碼-循環(huán)碼在循環(huán)碼編碼模塊的程序中，主要是根據(jù)一個(gè)輸入的消息矢量從而產(chǎn)生（15，7）循環(huán)碼編碼后的序列。（1）輸入矢量為1 1 0 0 1 1 0時(shí)的編碼輸出序列如下圖所示

9、： 圖3-1 （15,7）循環(huán)碼的編碼程序仿真結(jié)果圖（1）（2）輸入矢量為1 1 1 0 0 0 0時(shí)的編碼輸出序列如下圖所示： 圖3-2 （15,7）循環(huán)碼的編碼程序仿真結(jié)果圖（2）由上圖可看出，本程序?qū)崿F(xiàn)了對(duì)任意輸入消息進(jìn)行（15,7）循環(huán)碼的編碼。3.3 （15,7）循環(huán)碼的譯碼在MATLAB環(huán)境下實(shí)現(xiàn)對(duì)任意碼的編碼（1）將3.2中編出的碼字輸入譯碼程序中可得圖3-3 （15,7）循環(huán)碼的譯碼程序仿真結(jié)果圖由上圖可以看出，用編出的碼字譯碼，沒(méi)有錯(cuò)誤，正確譯出原碼。驗(yàn)證了譯碼程序的正確性。（2）將3.2中編出的碼字改變一位作為譯碼程序的輸入，譯碼程序仿真輸出為中可得 圖3-4 （15,7）

10、循環(huán)碼的糾一位錯(cuò)程序仿真結(jié)果圖由上圖可以看出本程序可以正確糾正一位錯(cuò)碼。 循環(huán)碼的誤碼率及誤碼曲線(xiàn)為了得到循環(huán)碼仿真系統(tǒng)信號(hào)誤碼率與信道差錯(cuò)概率之間的曲線(xiàn)圖，可以編寫(xiě)如下M文件，對(duì)循環(huán)碼的仿真模型進(jìn)行仿真，此時(shí)二進(jìn)制均衡信道的差錯(cuò)概率設(shè)置為errB，M源文件和曲線(xiàn)圖如下。程序3.1：clear all;close all;er=0:0.01:0.05;for n=1:length(er) errB=er(n) sim('Cyclic_1') S(n)=mean(ss)'endplot(er,S)xlabel('ErrorPorbability')ylab

11、el('Probability of Error Pe')grid循環(huán)碼的性能曲線(xiàn)圖如下：圖3.8 循環(huán)碼的誤碼率曲線(xiàn)圖同時(shí)編寫(xiě)M文件無(wú)循環(huán)碼的仿真系統(tǒng)繪出信號(hào)誤碼率與差錯(cuò)概率之間的關(guān)系曲線(xiàn)圖，此時(shí)二進(jìn)制均衡信道的差錯(cuò)概率設(shè)置為errB。源文件和曲線(xiàn)圖如下。程序3.2：clear all;close all;er=0:0.01:0.05;for n=1:length(er) errB=er(n) sim('Cyclic_3') S1(n)=mean(sss)'endplot(er,S1)xlabel('ErrorPorbability')

12、ylabel('Probability of Error Pe')Grid將調(diào)制時(shí)的基帶信號(hào)改為給定信號(hào)PCM編碼 將PCM和QPSK進(jìn)行組合時(shí)，首先對(duì)信號(hào)進(jìn)行PCM編碼與QPSK調(diào)制，然后將調(diào)制信號(hào)送入已加入高斯白噪聲的信道中傳輸。再將信號(hào)進(jìn)行QPSK調(diào)制和PCM譯碼。組合系統(tǒng)的仿真電路圖如圖有所不同的是在進(jìn)行QPSK調(diào)制前信號(hào)必須進(jìn)行幀轉(zhuǎn)換這一階段，即系統(tǒng)將經(jīng)過(guò)PCM編碼量化的n個(gè)比特序列以幀的形式輸出，即每一幀含有n個(gè)比特。在QPSK解調(diào)后再對(duì)其進(jìn)行碼變換。擴(kuò)展部分在本次綜合訓(xùn)練運(yùn)用了matlab軟件建立工作模型，在仿真的過(guò)程中遇到了各種不同的問(wèn)題，通過(guò)自己的探索和老師同

13、學(xué)的幫助都一一解決，總結(jié)分析分析如下： 1、在解調(diào)時(shí)沒(méi)有加噪聲出現(xiàn)誤碼率。 解答辦法：出現(xiàn)誤碼數(shù)據(jù)時(shí)，可以根據(jù)示波器的輸出波形，合理修改誤碼器中的receive delay的數(shù)據(jù)就可以使誤碼數(shù)據(jù)為零。 2、示波器中的波形只出現(xiàn)一部分。 解決辦法：雙擊示波器，修改data history中的limit data points to last的數(shù)據(jù)，再重新運(yùn)行Simulink觀察示波器即可看到準(zhǔn)確圖形。4、 課程設(shè)計(jì)心得通過(guò)這三個(gè)星期的學(xué)習(xí)和實(shí)踐，我對(duì)qspk調(diào)制解調(diào)及循環(huán)碼的編、譯碼原理，性能有了初步的了解，并對(duì)MATLAB/simulink仿真軟件有了更深的了解。而且能夠利用Matlab和simulink的初步知識(shí)設(shè)計(jì)出一個(gè)簡(jiǎn)單的模擬仿真系統(tǒng)，使其能夠體現(xiàn)出循環(huán)碼差錯(cuò)控制編碼系統(tǒng)的部分性能。在這次建模仿真設(shè)計(jì)中，起初我出現(xiàn)了很多次錯(cuò)誤，模塊參數(shù)的設(shè)置總是不對(duì)。通過(guò)老師的幫助和自己的理解，錯(cuò)誤被一一解除，