QPSK通信系統(tǒng)性能分析和MATLAB仿真

./淮海工學院課程設計報告書課程名稱：通信系統(tǒng)的計算機仿真設計題目：QPSK通信系統(tǒng)性能分析與MATLAB仿真學院：電子工程學院學期：2013-2014-2專業(yè)班級：姓名：學號：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)字調制系統(tǒng),該系統(tǒng)對基帶信號進行調制,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)字調制和模擬調制一樣都是正弦波調制,即被調制信號都為高頻正弦波。數(shù)字調制信號又稱為鍵控信號,數(shù)字調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,且二進制的信號只有高低電平兩個邏輯量即1和0,所以調制的過程可用鍵控的方法由基帶信號對載頻信號的振幅、頻率及相位進行調制,最基本的方法有3種:正交幅度調制<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)字調制方式。在19世紀80年代初期人們選用恒定包絡數(shù)字調制。這類數(shù)字調制技術的優(yōu)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(yōu)點廣泛應用于數(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課程設計的目的和任務目的在于使學生在課程設計過程中能夠理論聯(lián)系實際,在實踐中充分利用所學理論知識分析和研究設計過程中出現(xiàn)的各類技術問題,鞏固和擴大所學知識面,為以后走向工作崗位進行設計打下一定的基礎。課程設計的任務是：<1>掌握一般通信系統(tǒng)設計的過程,步驟,要求,工作內容及設計方法,掌握用計算機仿真通信系統(tǒng)的方法。<2>訓練學生網(wǎng)絡設計能力。<3>訓練學生綜合運用專業(yè)知識的能力,提高學生進行通信工程設計的能力。1.3可行性分析QPSK是英文QuadraturePhaseShiftKeying的縮略語簡稱,意為正交相移鍵控,是一種數(shù)字調制方式。在19世紀80年代初期,人們選用恒定包絡數(shù)字調制。這類數(shù)字調制技術的優(yōu)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(yōu)點,廣泛應用于數(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,目前已經(jīng)廣泛應用于無線通信中,成為現(xiàn)代通信中一種十分重要的調制解調方式。其也是目前最常用的一種衛(wèi)星數(shù)字信號調制方式,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。2QPSK通信系統(tǒng) 正交相移鍵控〔QuadraturePhaseShiftKeying：QPSK通信系統(tǒng)已經(jīng)廣泛應用于無線通信中,成為現(xiàn)代通信中一種十分重要的調制解調方式。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。信號源信號源抽樣器量化器性能分析信道解碼解調通道調制信道編碼編碼器噪聲圖1QPSK通信系統(tǒng)的基本模型圖2.2QPSK通信系統(tǒng)的性能指標 有效性指標<1>碼元傳輸速率R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R信息傳輸速率簡稱信息速率,又稱比特率,表示單位時間內傳送的比特數(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：單位頻帶內碼元傳輸速率的大小即=/B〔B/Hz用信息速率形式表示為=/B<b/<s.Hz>>可靠性指標<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=單位時間內接收的錯誤碼元數(shù)/單位時間內系統(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=單位時間內接受的錯誤比特數(shù)〔錯誤信息量/單位時間內系統(tǒng)傳輸?shù)目偙忍財?shù)〔總信息量結論：一定范圍內,隨著信噪比逐漸變大,其誤碼率逐漸減小。3QPSK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。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的解碼主要是將數(shù)字信號轉換成模擬信號。13折線近似的PCM解碼器測試模型圖如圖3所示。圖3PCM解碼器測試模型圖3.2QPSK調制/解調我們將信息直接轉換得到的較低頻率的原始信號稱為基帶信號。通常基帶信號不宜直接在信道中傳輸。因此在通信系統(tǒng)的發(fā)送端需將基帶信號的頻譜搬移〔調制到適合信道傳輸?shù)念l率范圍內,而在接收端,再將它們搬移〔解調到原來的頻率范圍,這就是調制和解調。圖4QPSK調制與解調圖3.3信道信道<informationchannels>是信號的傳輸媒質,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,它還可以包括有關的變換裝置,比如：發(fā)送設備、接收設備、饋線與天線、調制器、解調器等,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)督碼元間的約束關系被破壞。在接收端按照既定的規(guī)則校驗這種約束關系,從而達到發(fā)現(xiàn)和糾正錯誤的目的。3.4.2RS卷積碼編碼器參數(shù)設置表如表3-1所示,RS碼編碼器模塊及其參數(shù)設置表3-2所示。Trellisstructurepoly2trellis<9,[753561]>ResetNone表3-1卷積碼編碼器參數(shù)設置表表3-2RS碼編碼器模塊及其參數(shù)設置表CodewordlengthN8MessagelengthK2Primitivepolynomial[1011]Generatorpolynomialrsgenpoly<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。當接收器正確的收到足夠的點后,它就可以恢復原來的多項式,即使接收到的多項式上有很多點被噪聲干擾失真。RS<Reed-Solomon>碼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可構造一個相應的碼長為n=qS-1的q進制BCH碼,而q作為某個素數(shù)的冪。當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),對應的188符號,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"字節(jié),產生RS碼后丟棄前面51個空字節(jié),形成截短的〔204,188RS碼。RS的編碼效率是：188/204。圖5RS碼模塊圖因為本系統(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,信源設置成基于采樣的二進制序列。卷積碼編碼器格型結構Trellisstructure設置成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位；每幀輸入信號的末尾增加填充比特；通過輸入端口復位.接收端用維特比譯碼器進行譯碼,譯碼器的參數(shù)設置與編碼器相對應,判決方式采用硬判決,反饋深度可設為72。3.4.3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,信源設置成基于采樣的二進制序列。卷積碼編碼器格型結構Trellisstructure設置成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位；每幀輸入信號的末尾增加填充比特；通過輸入端口復位.接收端用維特比譯碼器進行譯碼,譯碼器的參數(shù)設置與編碼器相對應,判決方式采用硬判決,反饋深度可設為72。圖6卷積碼模塊圖3.4.4漢明碼是一種線性分組碼,一般來說,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)督位構造出r個監(jiān)督關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系式。圖7漢明碼模塊圖信道編碼之漢明碼參數(shù)設置為：CodewordlengthN：7,MessagelengthK：Gfprimfd〔3,‘min’。3.5串并/并串轉換由于經(jīng)過PCM編碼出來的是8位的并行碼,QPSK調制要求其必須進行并串轉換。QPSK解調后的串行碼也必須經(jīng)過串并轉換才能進行PCM譯碼。并串/串并轉換使用Buffer實現(xiàn),并串轉換圖如圖3.6所示；串并轉換圖如圖3.7所示。圖8并串轉換圖圖9串并轉換圖3.6性能分析眼圖眼圖是在數(shù)字通信的工程實踐中測試數(shù)字傳輸信道質量的一種應用廣泛、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"上可以觀察出碼間串擾和噪聲的影響,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整,以減小碼間串擾和改善系統(tǒng)的傳輸性能。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、具體的顯示結果。誤碼率統(tǒng)計在通信系統(tǒng)試驗中,誤碼率是一個反應系統(tǒng)特性的指標,如調制方法、差錯控制方式、功率利用率、頻帶利用率與傳輸環(huán)境特征等總體關系的重要指標。因此誤碼率的測試,他的結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。4SIMULINK對QPSK通信系統(tǒng)的仿真與結果分析4.1總圖圖10RS碼信道編碼總設計圖圖11卷積碼信道編碼總設計圖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果。圖12QPSK仿真系統(tǒng)波形圖圖13加入各個噪聲設計總圖4.2M文件MATLAB程序。clcclearechoonx=-50:5:50;%x表示信噪比的取值范圍y=x;%y表示有信道編碼時QPSK調制的誤碼率z=x;%z表示無信道編碼時QPSK調制的誤碼率Frequency=4000;%信源的頻率定義為4000HzPhaseOffset=pi/4;%設置QPSK調制的初始相位SimulationTime=0.0001;%設置仿真時間長度fori=1:length<x>SNR=x<i>;%信噪比依次取向量x的數(shù)值sim<'juanjiwuma'>;%執(zhí)行有信道編碼時QPSK仿真模型y<i>=mean<fenxi>;%從simout中獲得調制信號的誤碼率sim<'juanjiwuma'>;%執(zhí)行無信道編碼時QPSK仿真模型z<i>=mean<fenxi1>;%從simout1中獲得調制信號的誤碼率endholdoff;subplot<2,2,1>;semilogy<x,y>;%繪制有信道編碼信噪比與誤碼率的關系曲線xlabel<'信噪比/dB'>;ylabel<'誤碼率'>;title<'有信道編碼信噪比與誤碼率關系'>;subplot<2,2,2>;semilogy<x,z>;%繪制無信道編碼信噪比與誤碼率的關系曲線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系對比曲線xlabel<'信噪比/dB'>;ylabel<'誤碼率'>;title<'有無信道編碼信噪比與誤碼率關系對比'>;legend<'有信道編碼','無信道編碼'>;4.3系統(tǒng)仿真結果按照設計總圖仿真系統(tǒng),將SNR設為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。眼圖圖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4.3.2星座圖圖16不加加性高斯白噪聲的星座圖圖17經(jīng)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,產生誤碼率,星座圖和眼圖都產生一些變化,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由上圖可知前后頻譜圖基本一致,信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-2500~2500Hz頻段。有無信道編碼的信噪比與誤碼率的關系此時系統(tǒng)信道編碼為卷積碼編碼方式。用M文件進行仿真,最終產生的信噪比與誤碼率關系圖。其中有信道編碼信噪比與誤碼率的關系圖如圖20所示；無信道編碼信噪比與誤碼率的關系圖如圖21所示；對比圖如圖22所示。圖20有信道編碼信噪比與誤碼率關系圖圖21無信道編碼信噪比與誤碼率關系圖圖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-300.45313 0.72565 -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。加入不同噪聲時信噪比與誤碼率的關系用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-300.46610.496870.49677 0.494890.496780.49722-250.46090.495290.494890.495210.49554-200.45680.480220.484440.485290.48184-150.43960.465250.463680.465030.46107-100.40950.428670.429570.428820.4278-50.32790.348280.337350.33970.3342500.14970.17270.175140.17110.18706相同信噪比的情況下,不同噪聲對誤碼率的影響不同。其中同時加入多種噪聲時誤碼率最大,對信號傳輸?shù)挠绊懽畲?；加高斯噪聲的誤碼率較小；加瑞利噪聲的誤碼率也比較??；加萊斯噪聲的誤碼率相對較大,對信號的傳輸相應的影響也較大。5總結通過仿真軟件來模擬和估算通信系統(tǒng)的性能,通過模擬和仿真來