基于MATLAB的QPSK传输系统.doc

1、基于MATLAB的QPSK传输系统摘要通过用Matlab编写脚本程序对QPSK通信系统的发射和接收过程的具体实现进行模拟仿真,并对各模块进行频谱分析,对于理解QPSK系统的性能并在系统上作进一步的设计,提供极大的便利。关键词数字通信;QPSK;仿真引言 四相相移键控(QPSK)是一种性能优良,应用十分广泛的数字调制方式,它的频带利用率高,是二相相移键控(BPSK)的2倍。且QPSK调制技术的抗干扰性能强,采用相干检测时其误码率性能与BPSK相同。本文用Matlab软件对QPSK通信系统的发射和接收过程的具体实现进行了模拟仿真,并对各模块进行了频谱分析。系统设计的具体参数为:二进制码元的符号速率

2、为5Msp s,给定的信道容量为7MHz,脉冲成形滤波器采用升余弦滤波器,采样频率为25MHz。1、资料与方法1.1qpsk-定义 QPSK是英文QuadraturePhaseShiftKeying的缩略语简称，意为正交相移键控，是一种数字调制方式。四相相移键控信号简称“QPSK”。它分为绝对相移和相对相移两种。在数字信号的调制方式中QPSK四相移键控是目前最常用的一种卫星数字信号调制方式,它具有较高的频谱利用率、较强的抗干扰性、在电路上实现也较为简单。 QPSK数字解调包括：模数转换、抽取或插值、匹配滤波、时钟和载波恢复等。在实际的调谐解调电路中，采用的是非相干载波解调，本振信号与发射端的载

3、波信号存在频率偏差和相位抖动，因而解调出来的模拟I、Q基带信号是带有载波误差的信号。这样的模拟基带信号即使采用定时准确的时钟进行取样判决，得到的数字信号也不是原来发射端的调制信号，误差的积累将导致抽样判决后的误码率增大，因此数字QPSK解调电路要对载波误差进行补偿，减少非相干载波解调带来的影响。此外，ADC的取样时钟也不是从信号中提取的，当取样时钟与输入的数据不同步时，取样将不在最佳取样时刻进行所得到的取样值的统计信噪比就不是最高，误码率就高，因此，在电路中还需要恢复出一个与输入符号率同步的时钟，来校正固定取样带来的样点误差，并且准确的位定时信息可为数字解调后的信道纠错解码提供正确的时钟。校正

4、办法是由定时恢复和载波恢复模块通过某种算法产生定时和载波误差，插值或抽取器在定时和载波误差信号的控制下，对A/D转换后的取样值进行抽取或插值滤波，得到信号在最佳取样点的值，不同芯片采用的算法不尽相同，例如可以采用据辅助法(DA)载波相位和定时相位联合估计的最大似然算法。本文用Matlab软件对QPSK通信系统的发射和接收过程的具体实现进行了模拟仿真,并对各模块进行了频谱分析。 QPSK调制示意图 偏移四相相移键控信号简称“O-QPSK”。全称为offset QPSK，也就是相对移相方式OQPSK。它具有一系列独特的优点，已经广泛应用于无线通信中，成为现代通信中一种十分重要的调制解调方式。在数字

5、信号的调制方式中QPSK四相移键控是最常用的一种卫星数字信号调制方式,它具有较高的频谱利用率、较强的抗干扰性、在电路上实现也较为简单。1.2qpsk-特点 特性分析 四相相移调制是利用载波的四种不同相位差来表征输入的数字信息，是四进制移相键控。QPSK是在M=4时的调相技术，它规定了四种载波相位，分别为45，135，225，275，调制器输入的数据是二进制数字序列，为了能和四进制的载波相位配合起来，则需要把二进制数据变换为四进制数据，这就是说需要把二进制数字序列中每两个比特分成一组，共有四种组合，即00，01，10，11，其中每一组称为双比特码元。每一个双比特码元是由两位二进制信息比特组成，它

6、们分别代表四进制四个符号中的一个符号。QPSK中每次调制可传输2个信息比特，这些信息比特是通过载波的四种相位来传递的。解调器根据星座图及接收到的载波信号的相位来判断发送端发送的信息比特。 数字调制用“星座图”来描述，星座图中定义了一种调制技术的两个基本参数：（1）信号分布；（2）与调制数字比特之间的映射关系。星座图中规定了星座点与传输比特间的对应关系，这种关系称为“映射”，一种调制技术的特性可由信号分布和映射完全定义，即可由星座图来完全定义。首先将输入的串行二进制信息序列经串并变换，变成m=log2M个并行数据流，每一路的数据率是R/m，R是串行输入码的数据率。I/Q信号发生器将每一个m比特的

7、字节转换成一对（pn，qn）数字，分成两路速率减半的序列，电平发生器分别产生双极性二电平信号I(t)和Q(t)，然后对coswct和sinwct进行调制，相加后即得到QPSK信号。 QPSK是一种频谱利用率高、抗干扰性强的数调制方式, 它被广泛应用于各种通信系统中. 适合卫星广播。例如，数字卫星电视DVB2S 标准中，信道噪声门限低至4. 5 dB，传输码率达到45M bs，采用QPSK 调制方式，同时保证了信号传输的效率和误码性能。1.3qpsk-OQPSK oqpsk OQPSK信号，它的频带利用率较高，理论值达1b/s/Hz。但当码组0011或0110时，产生180的载波相位跳变。这种相

8、位跳变引起包络起伏，当通过非线性部件后，使已经滤除的带外分量又被恢复出来，导致频谱扩展，增加对相邻波道的干扰。为了消除180的相位跳变，在QPSK基础上提出了OQPSK。 OQPSK是在QPSK基础上发展起来的一种恒包络数字调制技术。这里，所谓恒包络技术是指已调波的包络保持为恒定，它与多进制调制是从不同的两个角度来考虑调制技术的。恒包络技术所产生的已调波经过发送带限后，当通过非线性部件时，只产生很小的频谱扩展。这种形式的已调波具有两个主要特点，其一是包络恒定或起伏很小；其二是已调波频谱具有高频快速滚降特性，或者说已调波旁瓣很小，甚至几乎没有旁瓣。采用这种技术已实现了多种调制方式。一个已调波的频

9、谱特性与其相位路径有着密切的关系，因此，为了控制已调波的频率特性，必须控制它的相位特性。恒包络调制技术的发展正是始终围绕着进一步改善已调波的相位路径这一中心进行的。OQPSK也称为偏移四相相移键控（offset-QPSK），是QPSK的改进型。它与QPSK有同样的相位关系，也是把输入码流分成两路，然后进行正交调制。不同点在于它将同相和正交两支路的码流在时间上错开了半个码元周期。由于两支路码元半周期的偏移，每次只有一路可能发生极性翻转，不会发生两支路码元极性同时翻转的现象。因此，OQPSK信号相位只能跳变0、90，不会出现180的相位跳变。1.4qpsk-应用 qpsk 信号源 QPSK数字电视

10、调制器采用了先进的数字信号处理技术，完全符合DVB-S标准，接收端可直接用数字卫星接收机进行接收。它不但能取得较高的频谱利用率，具有很强的抗干扰性和较高的性能价格比，而且和模拟FM微波设备也能很好的兼容。 QPSK数字电视调制器在对数据流的处理上采用能量扩散的随机化处理、RS编码、卷积交织、收缩卷积编码、调制前的基带成形处理等，保证了数据的传输性能。性能特点：1、进行原有的电视微波改造，可用30M带宽传送5至8套DVD效果的图像；2、用调频微波的价格达到MMDS的效果，实现全向发射；3、可进行数字加密，对图象绝无任何损伤。2、发射部分系统设计仿真仿真时,程序结构流程如图示:图1程序结构流程图计

11、算机模拟产生的随机输入二进制数据的频谱如图2所示。串/并转换后的I、Q两路二进制数据分量进行插0转换采样率后的频谱如图3所示。 脉冲成形滤波器选用升余弦滤波器,升余弦滤波器的设计关键是滚降因子的选取,的取值在0到1之间,这里的值取0. 1。脉冲成形滤波器的冲击响应和转移函数以及I、Q两路分量滤波后的频谱如图4所示。调制后的频谱如图5所示。对接受部分进行模拟采用相干解调方法,即用两路正交的相干载波分离出两路正交的2PSK信号。解调后的两路基带信号码元经过并/串转换后, 成为串行数据输出。3、接收部分系统设计仿真 这里采用相干解调方法,即用两路正交的相干载波分离出两路正交的2PSK信号。解调后的两

12、路基带信号码元经过并/串转换后, 成为串行数据输出。仿真实验结果分别如图5、6、7、8、9所示。4、源程序程序如下：% MATLAB script for System Simulation Homework #2clear% Carrier frequency for modulation and% demodulation Fc =5e6;% % QPSK transmitter % data=5000;% Input binary data of 5MHzrand_data =randn(1,data);for i=1:dataif rand_data(i)=0.5input(i)=1;

13、elseinput(i)=0;endend%Series to Parallelfor i=1:dataif rem(i,2)=1 if input(i)=1 I(i)=1; I(i+1)=1;else I(i)=-1; I(i+1)=-1;endelseif input(i)=1Q(i-1)=1;Q(i)=1;elseQ(i-1)=-1;Q(i)=-1;endendend% Zero insertionzero=5; % Sampling rate is 25MHzfor i=1:zero*dataif rem(i,zero)=1Izero(i)=I(fix(i-1)/zero)+1);Qz

14、ero(i)=Q(fix(i-1)/zero)+1);elseIzero(i)=0;Qzero(i)=0;endend%Pulse shaping filterNT =50;N=2*zero*NT;Fs=25e6;rf=0.1;psf=rcosfir(rf,NT,zero,Fs,sqrt);Ipulse= conv(Izero,psf);Qpulse= conv(Qzero,psf);%Modulationfor i=1:zero*data+Nt(i)=(i-1)/(Fc*zero);Imod(i)=Ipulse(i).*sqrt(2)*cos(2*pi*Fc*t(i);Qmod(i)=Qpu

15、lse(i).*(-sqrt(2)*sin(2*pi*Fc*t(i);endsum=Imod+Qmod;% QPSK Receiver% Demodulationfor i=1:zero*data+NIdem(i)=sum(i).*sqrt(2)*cos(2*pi*Fc*t(i);Qdem(i)=sum(i).*(-sqrt(2)*sin(2*pi*Fc*t(i);end% Matched filtermtf= rcosfir(rf,NT, zero,Fs,sqrt);Imat = conv(Idem,mtf);Qmat = conv(Qdem,mtf);% Data selectionfor

16、 i=1:zero*dataIsel(i)=Imat(i+N);Qsel(i)=Qmat(i+N);end% Samplerfor i = 1:dataIsam(i)= Isel(i-1)*zero+1);Qsam(i)= Qsel(i-1)*zero+1);end% Decision thresholdthreshold = 0.2;for i = 1:dataif Isam(i)= thresholdIfinal(i)= 1;elseIfinal(i)= -1;endif Qsam(i) = thresholdQfinal(i) = 1;elseQfinal(i)= -1;endend%

17、Parallel to Seriesfor i = 1:dataif rem(i, 2)= 1if Ifinal(i)= 1final(i)=1;elsefinal(i)= 0;endelseif Qfinal(i) = 1final(i)= 1;elsefinal(i)= 0;endendendfigure(1)plot(20*log(abs(fft(input)axis(0 data -40 100)gridtitle(Spectrum of Input binary data)figure(2)subplot(221)plot(20*log(abs(fft(I)axis(0 data -

18、40 140)gridtitle(Spectrum of I-channel data)subplot(222)plot(20*log(abs(fft(Q)axis(0 data -40 140)gridtitle(Spectrum of Q-channel data)subplot(223)plot(20*log(abs(fft(Izero)axis(0 zero*data -20 140)gridtitle(Spectrum of I-channel data after zero insertion)subplot(224)plot(20*log(abs(fft(Qzero)axis(0

19、 zero*data -20 140)gridtitle(Spectrum of Q-channel data after zero insertion)figure(3)subplot(221)plot(psf)axis(200 400 -0.2 0.6)gridtitle(Time domain response of pulse shaping filter)subplot(222)plot(20*log(abs(fft(psf)axis(0 N -350 50)gridtitle(Transfer function of pulse shaping filter)subplot(223

20、)plot(20*log(abs(fft(Ipulse)axis(0 zero*data+N -250 150)gridtitle(Spectrum of I-channel after pulse shaping filter)subplot(224)plot(20*log(abs(fft(Qpulse)axis(0 zero*data+N -250 150)gridtitle(Spectrum of Q-channel after pulse shaping filter)figure(4)subplot(211)plot(20*log(abs(fft(Imod)axis(0 zero*d

21、ata+N -250 150)gridtitle(Spectrum of I-channel after modulation)subplot(212)plot(20*log(abs(fft(Qmod)axis(0 zero*data+N -250 150)gridtitle(Spectrum of Q-channel after modulation)figure(5)subplot(221)plot(20*log(abs(fft(Idem)axis(0 zero*data+N -200 150)gridtitle(Spectrum of I-channel after demodulati

22、on)subplot(222)plot(20*log(abs(fft(Qdem)axis(0 zero*data+N -200 150)gridtitle(Spectrum of Q-channel after demodulation)subplot(224)plot(20*log(abs(fft(Imat)axis(0 zero*data -400 200)gridtitle(Spectrum of I-channel after matched filter)subplot(223)plot(20*log(abs(fft(Qmat)axis(0 zero*data -400 200)gr

23、idtitle(Spectrum of Q-channel after matched filter)figure(6)subplot(221)plot(20*log(abs(fft(Isam)axis(0 data -40 150)gridtitle(Spectrum of I-channel after sampler)subplot(222)plot(20*log(abs(fft(Qsam)axis(0 data -40 150)gridtitle(Spectrum of Q-channel after sampler)subplot(223)plot(20*log(abs(fft(If

24、inal)axis(0 data -40 150)gridtitle(Spectrum of I-channel after Decision threshold)subplot(224)plot(20*log(abs(fft(Qfinal)axis(0 data -40 150)gridtitle(Spectrum of Q-channel after Decision threshold)figure(7)plot(Isel, Qsel)axis(-1.6 1.6 -1.6 1.6)gridtitle(Constellation of matched filter output)figur

25、e(8)plot(Isam, Qsam, X)axis(-1.2 1.2 -1.2 1.2)gridtitle(Constellation of sampler)figure(9)plot(20*log(abs(fft(final)axis(0 data 0 120)gridtitle(Spectrum of final received binary data)通过编程模拟QPSK过程,得到信号传输过程中的时域图.从图一可以知道:在理想情形下,信号的解调和调制过程中,信号只出现了很小的波动,在加噪信道中信号的波动范围虽然变大,但不会影响到解调后信号的识别.即在Matlab编程模拟的过程中,Q

26、PSK调制解调即使在加有白噪声干扰时,也能进行有效的解码.根据相位调制的特点,我们可以从图二中看到调制信号(正交支路)在二进制信号每发生一次电平的跃变时发生相位跳变.在信噪比低于7dB的情形下,理论误码率和实际误码相差很小.从这些图形中我们可以发现Matlab软件很好地模拟出了数字通信系统的QPSK过程.即使在噪声干扰下,解调输出信号与输入信号的波形也保持着基本的一致,对信号的恢复不会有大的影响.5、模块及结果分析 仿真结果说明在相同传输条件下，QPSK、OQPSK调制以比BPSK调制高1倍的速率传输信息，QPSK误码率高于BPSK约30倍，OQPSK误码率高于BPSK约1.4倍。由于是相位调

27、制，频谱反映了具有不同相位特性的同一载波，因此频谱特性一致。正因为是相位调制，每符号采样取16（大于1）可以得到更好的系统性能，此时在误码表中应该正确地选取与之相应的接收延迟参数。星座图显示的是传输环境SNR（信噪比）为6dB时的图形。6、设计分析 用二进制数字基带信号控制载频的相位来实现调制称为移相键控PSK，即随着基带信号0、1的变化，载波的相位发生0、的变化。MATLAB中的BPSK（二进制移相键控）模块，完成调制解调的工作。如果载波是一对正交的函数，譬如sint、cost，同时对它们进行PSK调制，这样的调制称为QPSK（正交移相键控）。用于QPSK调制的基带信号应该是两个二进制码，即

28、2个比特，每个对应一个载波。所以QPSK调制是四进制调制。在传输相同信息的情况下，QPSK的1个符号比BPSK的时间长1倍（频带变窄）。而在相同符号宽度的情况下，QPSK传输的信息比BPSK多1倍。如果将两个载波的调制时间错开半个码元宽度，这样的调制称为OQPSK（偏置正交移相键控）。OQPSK降低了载波包络的突变，具有更好的性能。7、结论 本文通过用Matlab编写脚本程序对QPSK通信系统的发射和接收过程的具体实现进行了模拟仿真,并对各模块进行了频谱分析, 对于理解QPSK系统的性能并在系统上作进一步的设计,提供了极大的便利。参考文献 1 曹志刚. 现代通信原理M . 北京:清华大学出版社, 2000 2 樊昌信. 通信原理M . 北京:国防工业出版社,2000 3 黄正. BPSK,QPSK及其解调 J . 电光系统, 2003,103 (1) : 4347 4 王立宁等. Matlab与通信仿真M . 北京:人民邮电出版社, 2000 5 孟利民等. 全数字BPSK调制解调系统仿真 J . 浙江工业大学学报, 2003, 31 (1) : 4247图2图1图4图3图6图5图8图7图9文档来源网络，版权归原作者。如有侵权，请告知，我看到会立刻处理。20