MATLAB的QPSK系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)分析范文

...wd......wd......wd...MATLAB的QPSK系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)目錄1.1QPSK系統(tǒng)的應(yīng)用背景簡介31.2QPSK實(shí)驗(yàn)仿真的意義31.3實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容31.3.1實(shí)驗(yàn)平臺(tái)31.3.2實(shí)驗(yàn)內(nèi)容3二、系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)框圖和分析42.1、QPSK調(diào)制局部，42.2、QPSK解調(diào)局部5三、實(shí)驗(yàn)結(jié)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(jié)：10附錄121.1QPSK系統(tǒng)的應(yīng)用背景簡介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(jì)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(diǎn)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,缺乏之處是其頻譜利用率低于線性調(diào)制技術(shù)。19世紀(jì)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(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)、寬帶接入、移動(dòng)通信及有線電視系統(tǒng)之中。1.2QPSK實(shí)驗(yàn)仿真的意義通過完成設(shè)計(jì)內(nèi)容，復(fù)習(xí)QPSK調(diào)制解調(diào)的基本原理，同時(shí)也要復(fù)習(xí)通信系統(tǒng)的主要組成局部，了解調(diào)制解調(diào)方式中最根基的方法。了解QPSK的實(shí)現(xiàn)方法及數(shù)學(xué)原理。并對“通信〞這個(gè)概念有個(gè)整體的理解，學(xué)習(xí)數(shù)字調(diào)制中誤碼率測試的標(biāo)準(zhǔn)及計(jì)算方法。同時(shí)還要復(fù)習(xí)隨機(jī)信號中時(shí)域用自相關(guān)函數(shù)，頻域用功率譜密度來描述平穩(wěn)隨機(jī)過程的特性等根基知識(shí)，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(diào)制解調(diào)的基本原理，并使用MATLAB編程實(shí)現(xiàn)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(fù)習(xí)MATLAB編程的根基知識(shí)和編程的常用算法以及使用MATLAB仿真系統(tǒng)的本卷須知，并鍛煉自己的編程能力，通過編程完成QPSK調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)的仿真，以及誤碼率測試，并得出響應(yīng)波形。在完成要求任務(wù)的條件下，嘗試優(yōu)化程序。通過本次實(shí)驗(yàn)，除了和隊(duì)友培養(yǎng)了默契學(xué)到了知識(shí)之外，還可以將次實(shí)驗(yàn)作為一種推廣，讓更多的學(xué)生來深入一層的了解QPSK以至其他調(diào)制方式的原理和實(shí)現(xiàn)方法?？梢苑奖銓W(xué)生進(jìn)展測試和比照。足不出戶便可以做實(shí)驗(yàn)。1.3實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1.3.1實(shí)驗(yàn)平臺(tái)本實(shí)驗(yàn)是基于Matlab的軟件仿真，只需PC機(jī)上安裝MATLAB6.0或者以上版本即可?！脖緦?shí)驗(yàn)附帶基于MatlabSimulink〔模塊化〕仿真，如需使用必須安裝simulink模塊〕1.3.2實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1.構(gòu)建一個(gè)理想信道基本QPSK仿真系統(tǒng),要求仿真結(jié)果有a.基帶輸入波形及其功率譜b.QPSK信號及其功率譜c.QPSK信號星座圖2.構(gòu)建一個(gè)在AWGN〔高斯白噪聲〕信道條件下的QPSK仿真系統(tǒng)，要求仿真結(jié)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(biāo)比例下繪制3驗(yàn)可選做擴(kuò)展內(nèi)容要求：構(gòu)建一個(gè)先經(jīng)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(tǒng)，要求仿真結(jié)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(jìn)展對比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(biāo)比例下繪制二、系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)框圖和分析2.1、QPSK調(diào)制局部，原理框圖如圖1所示1〔t〕＝QPSK信號s〔t〕二進(jìn)制QPSK信號s〔t〕二進(jìn)制數(shù)據(jù)序列極性NRZ電平編碼器別離器2〔t〕＝ 圖1原理分析：基本原理及系統(tǒng)構(gòu)造QPSK與二進(jìn)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(gè)等間隔值之一，如л/4,3л/4,5л/4,和7л/4。相應(yīng)的，可將發(fā)射信號定義為0≤t≤TSi〔t〕＝0。，其他其中，i＝1，2，2，4；E為發(fā)射信號的每個(gè)符號的能量，T為符號持續(xù)時(shí)間，載波頻率f等于nc/T，nc為固定整數(shù)。每一個(gè)可能的相位值對應(yīng)于一個(gè)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。下面介紹QPSK信號的產(chǎn)生和檢測。如果a為典型的QPSK發(fā)射機(jī)框圖。輸入的二進(jìn)制數(shù)據(jù)序列首先被不歸零〔NRZ〕電平編碼轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為極性形式，即負(fù)號1和0分別用和－表示。接著，該二進(jìn)制波形被分接器分成兩個(gè)分別由輸入序列的奇數(shù)位偶數(shù)位組成的彼此獨(dú)立的二進(jìn)制波形，這兩個(gè)二進(jìn)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(shí)間間隔內(nèi)a1〔t〕，和a2〔t〕的幅度恰好分別等于Si1和Si2，即由發(fā)送的二位組決定。這兩個(gè)二進(jìn)制波形a1〔t〕，和a2〔t〕被用來調(diào)制一對正交載波或者說正交基本函數(shù)：1〔t〕＝，2〔t〕＝。這樣就得到一對二進(jìn)制PSK信號。1〔t〕和2〔t〕的正交性使這兩個(gè)信號可以被獨(dú)立地檢測。最后，將這兩個(gè)二進(jìn)制PSK信號相加，從而得期望的QPSK。2.2、QPSK解調(diào)局部，原理框圖如圖2所示：1〔t〕同相信道門限＝0發(fā)送二進(jìn)制序列的估計(jì)判決門限發(fā)送二進(jìn)制序列的估計(jì)判決門限低通filrer判決門限復(fù)接器接收信號x〔t〕低通filrer2〔t〕正交信道門限＝0 圖2原理分析：QPSK接收機(jī)由一對共輸入地相關(guān)器組成。這兩個(gè)相關(guān)器分別提供本地產(chǎn)生地相干參考信號1〔t〕和2〔t〕。相關(guān)器接收信號x〔t〕，相關(guān)器輸出地x1和x2被用來與門限值0進(jìn)展對比。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。最后同相信道和正交信道輸出這兩個(gè)二進(jìn)制數(shù)據(jù)序列被復(fù)加器合并，重新得到原始的二進(jìn)制序列。在AWGN信道中，判決結(jié)果具有最小的負(fù)號過失概率。三、實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析根據(jù)圖1和圖2的流程框圖設(shè)計(jì)仿真程序，得出結(jié)果并且分析如下：3.1、理想信道下的仿真，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示 圖3實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析： 如圖上結(jié)果顯示，完成了QPSK信號在理想信道上的調(diào)制，傳輸，解調(diào)的過程，由于調(diào)制過程中加進(jìn)了載波，因此調(diào)制信號的功率譜密度會(huì)發(fā)生變化。并且可以看出調(diào)制解調(diào)的結(jié)果沒有誤碼。3.2、高斯信道下的仿真，結(jié)果如圖4所示： 圖4實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析： 由圖4可以得到高斯信道下的調(diào)制信號，高斯噪聲，調(diào)制輸出功率譜密度曲線和QPSK信號的星座圖。 在高斯噪聲的影響下，調(diào)制信號的波形發(fā)生了明顯的變化，其功率譜密度函數(shù)相對于圖1中的調(diào)制信號的功率譜密度只發(fā)生了微小的變化，原因在于高斯噪聲是一個(gè)均值為0的白噪聲，在各個(gè)頻率上其功率是均勻的，因此此結(jié)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(fā)生了誤碼，但是大局部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(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示： 圖5實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析： 由圖5可以得到瑞利衰落信道前后的星座圖，調(diào)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比照。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(shí)驗(yàn)就全部完成。結(jié)論本文運(yùn)用MATLAB中的動(dòng)態(tài)仿真工具箱Simulink仿真實(shí)現(xiàn)了PCM系統(tǒng)的全部過程。根據(jù)PCM系統(tǒng)的組成原理，在Simulink模塊庫中找到相應(yīng)的模塊，然后選擇適宜的模塊以及設(shè)置適當(dāng)?shù)膮?shù)，建設(shè)了PCM通信系統(tǒng)的仿真模型，最后在給定仿真的條件下，運(yùn)行了仿真系統(tǒng)。仿真結(jié)果說明：1.在正常的信噪比條件下，該通信系統(tǒng)失真較小，到達(dá)了預(yù)期的目的。2.Simulink仿真工具箱操作簡單方便、調(diào)試直觀，為通信系統(tǒng)的軟件仿真實(shí)現(xiàn)提供了極大的方便。附錄MATLAB程序%調(diào)相法clearallcloseallt=[-1:0.01:7-0.01];tt=length(t);x1=ones(1,800);fori=1:ttif(t(i)>=-1&t(i)<=1)|(t(i)>=5&t(i)<=7);x1(i)=1;elsex1(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);fori=1:tt1if(t1(i)>=0&t1(i)<=2)|(t1(i)>=4&t1(i)<=8);x2(i)=1;elsex2(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(1/2).*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([-18-11]);ylabel('a序列');subplot(4,1,2);plot(t4,q_rc);axis([-18-11]);ylabel('b序列');subplot(4,1,3);plot(t2,QPSK_rc);axis([-18-11]);ylabel('合成序列');subplot(4,1,4);plot(t2,QPSK_rc_n1);axis([-18-11]);ylabel('參加噪聲');效果圖：%設(shè)定T=1,參加高斯噪聲clearallcloseall%調(diào)制bit_in=randint(1e3,1,[01]);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);fori=1:1e4data_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=0:0.1:1e3+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(diào)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(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=[];fori=1:20:10000data_recover=[data_recoverI(i:1:i+19)Q(i:1:i+19)];end;bit_recover=[];fori=1:20:20000ifsum(data_recover(i:i+19))>0data_recover_a(i:i+19)=1;bit_recover=[bit_recover1];elsedata_recover_a(i:i+19)=-1;bit_recover=[bit_recover-1];endenderror=0;dd=-2*bit_in+1;ddd=[dd'];ddd1=repmat(ddd,20,1);fori=1:2e4ddd2(i)=ddd1(i);endfori=1:1e3ifbit_recover(i)~=ddd(i)error=error+1;endendp=error/1000;figure(1)subplot(2,1,1);plot(t2,ddd2);axis([0100-22]);title('原序列');subplot(2,1,2);plot(t2,data_recover_a);axis([0100-22]);title('解調(diào)后序列');效果圖：%設(shè)定T=1,不加噪聲clearallcloseall%調(diào)制bit_in=randint(1e3,1,[01]);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);fori=1:1e4data_I2(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(diào)I_demo=QPSK_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=[];fori=1:20:10000data_recover=[data_recoverI(i:1:i+19)Q(i:1:i+19)];end;ddd=-2*bit_in+1;ddd1=repmat(ddd',10,1);fori=1:1e4ddd2(i)=ddd1(i);endfigure(1)subplot(4,1,1);plot(t3,I);axis([020-66]);subplot(4,1,2);plot(t3,Q);axis([020-66]);subplot(4,1,3);plot(t2,data_recover);axis([020-66]);subplot(4,1,4);plot(t,ddd2);axis([020-66]);效果圖：%QPSK誤碼率分析SNRindB1=0:2:10;SNRindB2=0:0.1:10;fori=1:length(SNRindB1)[pb,ps]=cm_sm32(SNRindB1(i));smld_bit_err_prb(i)=pb;smld_symbol_err_prb(i)=ps;end;fori=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([01010e-81]);holdon;%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');holdoff;function[y]=Qfunct(x)y=(1/2)*erfc(x/sqrt(2));function[pb,ps]=cm_sm32(SNRindB)N=10000;E=1;SNR=10^(SNRindB/10);sgma=sqrt(E/SNR)/2;s00=[10];s01=[01];s11=[-10];s10=[0-1];fori=1:Ndsource1(i)=[1011000101101011];numofsymbolerror=0;numofbiterror=0;fori=1:N