QPSK通信系統(tǒng)性能分析與MATLAB仿真

1、淮海工學(xué)院課程設(shè)計報告書課程名稱：通信系統(tǒng)的計算機仿真設(shè)計題目：QPSK通信系統(tǒng)性能分析與MATLAB仿真學(xué)院：電子工程學(xué)院學(xué)期：學(xué)13-2014-2專業(yè)班級：姓名：學(xué)號：評語:成績:簽名:日期:QPSK通信系統(tǒng)性能分析與MATLAB仿真1緒論1.1 研究背景與研究意義數(shù)字信號傳輸系統(tǒng)分為基帶傳輸系統(tǒng)和頻帶傳輸系統(tǒng)，頻帶傳輸系統(tǒng)也叫數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)，該系統(tǒng)對基帶信號進行調(diào)制，使其頻譜搬移到適合在信道（一般為帶通信道）上傳輸?shù)念l帶上。數(shù)字調(diào)制和模擬調(diào)制一樣都是正弦波調(diào)制，即被調(diào)制信號都為高頻正弦波。數(shù)字調(diào)制信號又稱為鍵控信號，數(shù)字調(diào)制過程中處理的是數(shù)字信號，而載波有振幅、頻率和相位3個變量，且二進制

2、的信號只有高低電平兩個邏輯量即1和0,所以調(diào)制的過程可用鍵控的方法由基帶信號對載頻信號的振幅、頻率及相位進行調(diào)制，最基本的方法有3種:正交幅度調(diào)制（QAM）、頻移鍵控（FSK）、相移鍵控（PSK）。根據(jù)所處理的基帶信號的進制不同分為二進制和多進制調(diào)制（M進制）。本實驗采用QPSK。QPSK是英文QuadraturePhaseShiftKeying的縮略語簡稱，意為正交相移鍵控，是一種數(shù)字調(diào)制方式。在19世紀80年代初期人們選用恒定包絡(luò)數(shù)字調(diào)制。這類數(shù)字調(diào)制技術(shù)的優(yōu)點是已調(diào)信號具有相對窄的功率譜和對放大設(shè)備沒有線性要求不足之處是其頻譜利用率低于線性調(diào)制技術(shù)。19世紀80年代中期以后四相絕對移相鍵

3、控（QPSK）技術(shù)以其抗干擾性能強、誤碼性能好、頻譜利用率高等優(yōu)點廣泛應(yīng)用于數(shù)字微波通信系統(tǒng)、數(shù)字衛(wèi)星通信系統(tǒng)、寬帶接入、移動通信及有線電視系統(tǒng)之中。1.2 課程設(shè)計的目的和任務(wù)目的在于使學(xué)生在課程設(shè)計過程中能夠理論聯(lián)系實際，在實踐中充分利用所學(xué)理論知識分析和研究設(shè)計過程中出現(xiàn)的各類技術(shù)問題，鞏固和擴大所學(xué)知識面，為以后走向工作崗位進行設(shè)計打下一定的基礎(chǔ)。課程設(shè)計的任務(wù)是：（1）掌握一般通信系統(tǒng)設(shè)計的過程，步驟，要求，工作內(nèi)容及設(shè)計方法，掌握用計算機仿真通信系統(tǒng)的方法。訓(xùn)練學(xué)生網(wǎng)絡(luò)設(shè)計能力。（3）訓(xùn)練學(xué)生綜合運用專業(yè)知識的能力，提高學(xué)生進行通信工程設(shè)計的能力。1.3 可行性分析QPSK是英文Q

4、uadraturePhaseShiftKeyin叫縮略語簡稱，意為正交相移鍵控，是一種數(shù)字調(diào)制方式。在19世紀80年代初期，人們選用恒定包絡(luò)數(shù)字調(diào)制。這類數(shù)字調(diào)制技術(shù)的優(yōu)點是已調(diào)信號具有相對窄的功率譜和對放大設(shè)備沒有線性要求，不足之處是其頻譜利用率低于線性調(diào)制技術(shù)。19世紀80年代中期以后,四相絕對移相鍵控(QPSK)技術(shù)以其抗干擾性能強、誤碼性能好、頻譜利用率高等優(yōu)點，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)、寬帶接入、移動通信及有線電視系統(tǒng)之中。QPSK分為絕對相移和相對相移兩種。由于絕對相移方式存在相位模糊問題，所以在實際中主要采用相對移相方式QDPSK。它具有一系列獨特的優(yōu)點，目前

5、已經(jīng)廣泛應(yīng)用于無線通信中，成為現(xiàn)代通信中一種十分重要的調(diào)制解調(diào)方式。具也是目前最常用的一種衛(wèi)星數(shù)字信號調(diào)制方式，它具有較高的頻譜利用率、較強的抗干擾性、在電路上實現(xiàn)也較為簡單。2 QPSK通信系統(tǒng)正交相移鍵控(QuadraturePhaseShiftKeyingQPSK)通信系統(tǒng)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于無線通信中，成為現(xiàn)代通信中一種十分重要的調(diào)制解調(diào)方式。要求利用Matlab語言對QPSK通信系統(tǒng)進行仿真，驗證QPSK的特性(如誤碼率隨信噪比的增加而減小)。2.1 基于MATLAB的QPSK通信系統(tǒng)的基本模型QPSK通信系統(tǒng)的基本模型圖如圖1所示。圖1QPSK通信系統(tǒng)的基本模型圖2.2 QPSK通信系統(tǒng)

6、的性能指標(biāo)2.2.1 有效性指標(biāo)(1)碼元傳輸速率Rb碼元傳輸速率通常又稱為碼元速率，傳碼率，碼率，信號速率或波形速率,直單位時間內(nèi)傳輸碼元的數(shù)目，單位為波特，常用B表示(2)信息傳輸速率Rb信息傳輸速率簡稱信息速率，又稱比特率，表示單位時間內(nèi)傳送的比特數(shù),單位為bit/s(3)頻帶利用率頻帶利用率指的是傳輸效率問題，定義為：單位頻帶內(nèi)碼元傳輸速率的大小即=Rb/B(B/Hz)用信息速率形式表示為=Rb/B(b/(s.Hz)2.2.2 可靠性指標(biāo)(1)碼元差錯率Pe碼元差錯率簡稱誤碼率，指接受錯誤的碼元數(shù)在傳送碼元數(shù)中所占的比例。準(zhǔn)確的說，誤碼率就是碼元在傳輸系統(tǒng)中被傳錯的概率，表示為：Pe*

7、t位時間內(nèi)接收的錯誤碼元數(shù)/單位時間內(nèi)系統(tǒng)傳輸?shù)目偞a元數(shù)(2)信息差錯率Pb信息差錯率稱誤信率或誤比特率，指接收錯誤的信息量在傳送信息總量所占比例。表示為：Pb=單位時間內(nèi)接受的錯誤比特數(shù)(錯誤信息量)/單位時間內(nèi)系統(tǒng)傳輸?shù)目偙忍財?shù)(總信息量)結(jié)論：一定范圍內(nèi)，隨著信噪比逐漸變大，其誤碼率逐漸減小。3 QPSK通信系統(tǒng)的主要模塊3.1 信源/信宿及其編譯碼13折線近似的PCM編碼器測試模型圖如圖2所示。=lIs圖2PCM編碼主要過程是將話音、圖像等模擬信號每隔一定時間進行取樣，使其離散化，同時將抽樣值按分層單位四舍五入取整量化，同時將抽樣值按一組二進制碼來表示抽樣脈沖的幅值。PCM的解碼主要是

8、將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬信號。13折線近似的PCM解碼器測試模型圖如圖3所示。我們將信息直接轉(zhuǎn)換得到的較低頻率的原始信號稱為基帶信號。通?；鶐盘柌灰酥苯釉谛诺乐袀鬏?。因此在通信系統(tǒng)的發(fā)送端需將基帶信號的頻譜搬移（調(diào)制）到適合信道傳輸?shù)念l率范圍內(nèi)，而在接收端，再將它們搬移（解調(diào)）到原來的頻率范圍，這就是調(diào)制和解調(diào)。圖4QPSK調(diào)制與解調(diào)圖3.3 信道信道（informationchannels雙信號的傳輸媒質(zhì)，可分為有線信道和無線信道兩類。有線信道包括明線、對稱電纜、同軸電纜及光纜等。無線信道有地波傳播、短波電離層反射、超短波或微波視距中繼、人造衛(wèi)星中繼以及各種散射信道等。如果我們把信道的范圍擴大

9、，它還可以包括有關(guān)的變換裝置，比如：發(fā)送設(shè)備、接收設(shè)備、饋線與天線、調(diào)制器、解調(diào)器等，我們稱這種擴大的信道為廣義信道，而稱前者為狹義信道。3.4 信道編碼及譯碼3.4.1 編碼原理為了與信道的統(tǒng)計特性相匹配，并區(qū)分通路和提高通信的可靠性，而在信源編碼的基礎(chǔ)上，按一定規(guī)律加入一些新的監(jiān)督碼元，以實現(xiàn)糾錯的編碼。實質(zhì)是在信息碼中增加一定數(shù)量的多余碼元(稱為監(jiān)督碼元)，使它們滿足一定的約束關(guān)系，這樣，由信息碼元和監(jiān)督碼元共同組成一個由信道傳輸?shù)拇a字。一旦傳輸過程中發(fā)生錯誤，則信息碼元和監(jiān)督碼元間的約束關(guān)系被破壞。在接收端按照既定的規(guī)則校驗這種約束關(guān)系，從而達到發(fā)現(xiàn)和糾正錯誤的目的。3.4.2 RS編

10、碼介紹卷積碼編碼器參數(shù)設(shè)置表如表3-1所示，RS碼編碼器模塊及其參數(shù)設(shè)置表3-2所示。表3-1卷積碼編碼器參數(shù)設(shè)置表Trellisstructurepoly2trellis(9,753561)ResetNone表3-2RS碼編碼器模塊及其參數(shù)設(shè)置表CodewordlengthN8MessagelengthK2Primitivepolynomial1011Generatorpolynomialrsgenpoly(7,3)RS碼又稱里所碼，即Reed-solomoncodes是一種低速率的前向糾錯的信道編碼，對由校正過采樣數(shù)據(jù)所產(chǎn)生的多項式有效。編碼過程首先在多個點上對這些多項式求冗余，然后將其傳

11、輸或者存儲。對多項式的這種超出必要值的采樣使得多項式超定(過限定)。當(dāng)接收器正確的收到足夠的點后，它就可以恢復(fù)原來的多項式，即使接收到的多項式上有很多點被噪聲干擾失真。RS(Reed-Solomon)H是一類糾錯能力很強的特殊的非二進制BCH碼。對于任選正整數(shù)S可構(gòu)造一個相應(yīng)的碼長為n=qS-1的q進制BCH碼，而q作為某個素數(shù)的幕。當(dāng)S=1,q>2時所建立的碼長n=q-1的q進制BCH碼，稱它為RS碼。當(dāng)q=2m(m>1),其碼元符號取自于F(2m)的二進制RS碼可用來糾正突發(fā)差錯，它是最常用的RS碼。RS碼為(204,188,t=8),其中t是可抗長度字節(jié)數(shù)，對應(yīng)的188符號，

12、監(jiān)督段為16字節(jié)(開銷字節(jié)段)。實際中實施(255,239,t=8)的RS編碼，即在204字節(jié)(包括同步字節(jié))前添加51個全“0?節(jié)，產(chǎn)生RS碼后丟棄前面51個空字節(jié)，形成截短的(204,188)RS碼。RS的編碼效率是：188/204。圖5RS碼模塊圖2個比因為本系統(tǒng)中采用(2,1,9)卷積碼，即每輸入一個比特，將輸出特，約束長度為9,因此本系統(tǒng)中，信源設(shè)置成基于采樣的二進制序列。卷積碼編碼器格型結(jié)構(gòu)Trellisstructure設(shè)置成poly2trellis(9,753561)，其中9是約束長度，753561是生成多項式的八進制表示方式，轉(zhuǎn)換成二進制為111101011101110001

13、,代表了卷積碼編碼器反饋連線的有無。操作模式Operationmode設(shè)置成Continuous,即卷積碼編碼器在整個仿真過程中都不對寄存器復(fù)位。另外三種操作模式分別為：每幀數(shù)據(jù)開始之前自動對寄存器復(fù)位；每幀輸入信號的末尾增加填充比特；通過輸入端口復(fù)位.接收端用維特比譯碼器進行譯碼，譯碼器的參數(shù)設(shè)置與編碼器相對應(yīng)，判決方式采用硬判決，反饋深度可設(shè)為72。3.4.3 卷積碼介紹因為本系統(tǒng)中采用(2,1,9)卷積碼，即每輸入一個比特，將輸出2個比特，約束長度為9,因此本系統(tǒng)中，信源設(shè)置成基于采樣的二進制序列。卷積碼編碼器格型結(jié)構(gòu)Trellisstructure設(shè)置成poly2trellis(9,7

14、53561)，其中9是約束長度，753561是生成多項式的八進制表示方式，轉(zhuǎn)換成二進制為111101011101110001,代表了卷積碼編碼器反饋連線的有無。操作模式Operationmode設(shè)置成Continuous,即卷積碼編碼器在整個仿真過程中都不對寄存器復(fù)位。另外三種操作模式分別為：每幀數(shù)據(jù)開始之前自動對寄存器復(fù)位；每幀輸入信號的末尾增加填充比特；通過輸入端口復(fù)位.接收端用維特比譯碼器進行譯碼，譯碼器的參數(shù)設(shè)置與編碼器相對應(yīng)，判決方式采用硬判決，反饋深度可設(shè)為72。口«巾E語:俏釁可ScopelSccpeZ圖6卷積碼模塊圖3.4.4 漢明碼介紹漢明碼是一種線性分組碼，一般來

15、說，若碼長為n,信息位數(shù)為k,則監(jiān)督位數(shù)為r=n-k。如果希望用r個監(jiān)督位構(gòu)造出r個監(jiān)督關(guān)系式來指示一位錯碼的n種可能位置，則要求2的r次方減去1大于等于n或者2的r次方大于等于k+r+1。漢明碼模塊的參數(shù)可以改變，但必須要滿足上述關(guān)系式。信道編碼之漢明碼參數(shù)設(shè)置為：CodewordlengthN：7,MessagelengthK:Gfprimfd(3,'mini。3.5 串并/并串轉(zhuǎn)換由于經(jīng)過PCM編碼出來的是8位的并行碼，QPSK調(diào)制要求其必須進行并用轉(zhuǎn)換。QPSK解調(diào)后的串行碼也必須經(jīng)過串并轉(zhuǎn)換才能進行PCM譯碼。并用/用并轉(zhuǎn)換使用Buffer實現(xiàn)，并用轉(zhuǎn)換圖如圖3.6所示；串并

16、*換圖如圖3.7所圖8并串轉(zhuǎn)換圖1目=也-Qh1zkoi即。出HoldB時國圖9串并轉(zhuǎn)換圖3.6 性能分析3.6.1 眼圖眼圖是在數(shù)字通信的工程實踐中測試數(shù)字傳輸信道質(zhì)量的一種應(yīng)用廣泛、簡單易行的方法。實際上它是一個掃描周期是數(shù)字碼元寬度的一至二倍并且與之同步的示波器。對于二進制碼元，顯然1和0的區(qū)別越大，接受判決時錯判的可能性就越小。由于傳輸過程中的頻帶限制，噪聲的疊加使得1和0的差別變小。在接收機的判決點，將1和0的差別用眼圖上“眼睛”張開的大小表示，十分形象、直觀和實用。從眼圖”上可以觀察出碼問申擾和噪聲的影響，從而估計系統(tǒng)優(yōu)劣程度。另外也可以用此圖形對接收濾波器的特性加以調(diào)整，以減小碼

17、問申擾和改善系統(tǒng)的傳輸性能。3.6.2 星座圖星座圖可以在信號空間展示信號所處的位置，為系統(tǒng)的傳輸特性分析提供了直觀的、具體的顯示結(jié)果。3.6.3 誤碼率統(tǒng)計在通信系統(tǒng)試驗中，誤碼率是一個反應(yīng)系統(tǒng)特性的指標(biāo)，如調(diào)制方法、差錯控制方式、功率利用率、頻帶利用率與傳輸環(huán)境特征等總體關(guān)系的重要指標(biāo)。因此誤碼率的測試，他的結(jié)果正確與否以及可信度有多高是評價仿真系統(tǒng)的重要指標(biāo)。4 SIMULINK對QPSK通信系統(tǒng)的仿真與結(jié)果分析4.1 總圖22廂 Ehqw»an.miFEiBi-ffvlThlR5 Enncxic*2 32 TieIM&cmWJrth_rQPSK1A3M Chifn-i

18、W：Hwhmi=KFE 二« cwuES DewwfEp日，千taidiaiasn睡吧BH*&1工|通二 fl*xrUfrWH1=4Mh Iha-rrfifQf口 一 h71f Mi!> 明i3zh lDeHHJ BBfMU圖10 RS碼信道編碼總設(shè)計圖比二I13圖11卷積碼信道編碼總設(shè)計圖QPSK數(shù)字通信系統(tǒng)有波形如圖12所示，其中波形1為有信道編碼仿真結(jié)果，波形2為原始正弦波語音信號，波形2為無信道編碼的仿真結(jié)果。圖12QPSK仿真系統(tǒng)波形圖-二匚二三2號.3曠3gMO*辿4MGH&=T-n2匕心w-1一，手JAAMHGW相點L?3P5M：awL±

19、二匚一 J122OmeHrwjn_rL> 并注w.Cji-icd.i-lkjr&i！jeLg l 式wowh_r J>口心CwrxdJarSfMbflF,ZtFKdJ-Slzr&E沔 BEajRgdX，SojbziM'=Tar> :皿tU*f -皿:嗚Hs=/可廠:% |p/HS舊二上心一.，L *Cal2.i A：icrM£ra-j：s,*氣如4.Z"； Hflt 陰I j日卜二國3坤叼ITp prtm«.r)*0-卻目A-uicc-M-LTLnzrRjfcUl工：u之4 W» 0卻口年廣西 DsswEw3-P

20、sstfi二年yri,ll CM I> >nwt3341VW»4ri -，廣 iF 3二> 事Tc Amani«IWp 口小£ 晦圖13加入各個噪聲設(shè)計總圖4.2 M文件 MATLAB 程序。clcclearecho onx=-50:5:50;y=x；z=x;Frequency=4000;PhaseOffset=pi/4; SimulationTime=0.0001; for i=1:length(x) SNR=x(i);sim('juanjiwuma'); y(i)=mean(fenxi); sim('juanjiwum

21、a'); z(i)=mean(fenxi1);endhold off;subplot(2,2,1);semilogy(x,y);xlabel('信噪比 /dB'); ylabel('誤碼率');%繪制有信道編碼信噪比與誤碼率的關(guān)系曲線%x表示信噪比的取值范圍%y表示有信道編碼時QPSK調(diào)制的誤碼率%z表示無信道編碼時QPSK調(diào)制的誤碼率%信源的頻率定義為4000Hz%設(shè)置QPSK調(diào)制的初始相位%設(shè)置仿真時間長度%信噪比依次取向量x的數(shù)值%執(zhí)行有信道編碼時QPSK仿真模型%從simout中獲得調(diào)制信號的誤碼率%執(zhí)行無信道編碼時QPSK仿真模型%從simou

22、t1中獲得調(diào)制信號的誤碼率title（'有信道編碼信噪比與誤碼率關(guān)系）;subplot（2,2,2）;semilogy（x,z）;%繪制無信道編碼信噪比與誤碼率的關(guān)系曲線xlabel（'信噪比/dB'）;ylabel（'誤碼率'）;title（'無信道編碼信噪比與誤碼率關(guān)系）;subplot（2,2,3）;semilogy（x,y,'r',x,z,'b'）;%繪制有無信道編碼信噪比與誤碼率關(guān)系對比曲線xlabel（'信噪比/dB'）;ylabel（'誤碼率'）;title（'

23、有無信道編碼信噪比與誤碼率關(guān)系對比'）;legend（有信道編碼,'無信道編碼'）；4.3系統(tǒng)仿真結(jié)果按照設(shè)計總圖仿真系統(tǒng)，將SNR設(shè)為30dB系統(tǒng)經(jīng)過RS碼信道編碼、卷積碼信道編碼的眼圖對比圖如圖15所示；經(jīng)過RS碼信道編碼、卷積碼信道編碼的星座圖對比圖如圖17所示。4.3.1 眼圖士 w:與京匚右一w亨Er-wa圖14不加加性高斯白噪聲的眼圖圖15 經(jīng)過RS碼信道編碼、卷積碼編碼的眼圖對比圖flli Am* ChMrhtta Vrrritw HtlpE*e Diiorwn當(dāng) 口5 .-O.j與%E廠呼匚一5-3515 .Q -I. 考己 MlJuflBD<-f

24、二 4 與 ¥s-乜iL 一 r - r J. - -5 5 1 fi- Q 5 J上君夏匚了事事Ga4.3.2 星座圖工口ng rVL； Etc I ire jaCt?r -1 ot '« «-D.5UAwkudiCh-Hnnels indG*Scali er PH*1.圖16不加加性高斯白噪聲的星座圖科1 A»vb Ch ennui# A'indcu.' Ht IpBl ftMiqrs/thscrE.-TiE變RIe &cgkN 和 Ch-ir-ns WlE" Helpwm_-d_<*nk Md圖17經(jīng)

25、過RS碼編碼、卷積碼編碼的星座圖對比圖由以上所有圖可知，信號經(jīng)過信道傳輸后，因噪聲的影響系統(tǒng)性能下降，產(chǎn)生誤碼率，星座圖和眼圖都產(chǎn)生一些變化，但總體在均值附近變化，比較集中。而且經(jīng)過RS碼和卷積碼兩種信道編碼的仿真結(jié)果差別不大，星座圖和眼圖基本一致。由此可見，不同的信道編碼方式對系統(tǒng)性能影響不大，但是總的來說，RS碼信道編碼方式較好些，糾錯能力更強一些。4.3.3頻譜圖事5 Chenneli Window 曰中|上50JO302010 0-10Q I 回 l|-20圖18不加加性高斯白噪聲的頻譜圖圖19加加性高斯白噪聲的頻譜圖2DP -兄 wnbfirsWLAJ由上圖可知前后頻譜圖基本一致，信

26、號的能量都是集中在低頻段符合實際規(guī)律。本實驗信號能量集中-25002500HZ1段。4.3.1有無信道編碼的信噪比與誤碼率的關(guān)系此時系統(tǒng)信道編碼為卷積碼編碼方式。用M文件進行仿真，最終產(chǎn)生的信噪比與誤碼率關(guān)系圖。其中有信道編碼信噪比與誤碼率的關(guān)系圖如圖20所示;無信道編碼信噪比與誤碼率的關(guān)系圖如圖21所示；對比圖如圖22所示哈噪計JB圖20有信道編碼信噪比與誤碼率關(guān)系圖E信道和得信變比與誤碼率關(guān)系TO各畫*151口令0宅嘎比的圖21無信道編碼信噪比與誤碼率關(guān)系圖圖22對比圖有無信道編碼情況下的信噪比與誤碼率表如表4-1所示信噪比（dB）有信道編碼（RS碼）誤碼率無信道編碼的誤碼率-300.45

27、3130.72565-250.428360.68993-200.406340.6299-150.353380.52014-100.228570.37794-50.0849720.2781200.0351420.26246表4-1有無信道編碼情況下的信噪比與誤碼率表通過圖22和表4-1我們直觀地看到經(jīng)過信道編碼傳輸信號誤碼率大大降低，信道編碼提高了系統(tǒng)的可靠性。而且隨著信噪比的不斷提高系統(tǒng)的誤碼率都會有所降低。4.3.1加入不同噪聲時信噪比與誤碼率的關(guān)系用M文件對無噪聲、加入萊斯噪聲、高斯噪聲、瑞利噪聲仿真，產(chǎn)生信噪比與誤碼率的波形，即加入不同噪聲時信噪比與誤碼率波形圖如圖23所示。圖23各種噪聲情況下的信噪比與誤碼率信噪比（dB）無噪聲高斯噪聲萊斯噪聲瑞利噪聲三種噪聲-300.46610.496870.496770.496780.49722-250.46090.495290.494890.495210.49554-200.45680.480220.484440.485290.48184-150.43960.465250.463680.465030.46107-100.40950.428670.429570.428820.4278-50.32790.348280.337350.33970.3342500.14970.17270.175140.17110.18706相同信噪比的