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2011毕设--论文--基于MATLAB的通信系统仿真程序设计—QPSK与同步--贺铮
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基于matlab的QPSK仿真
导读：基于MATLAB的QPSK仿真设计与实现，对QPSK信号的工作原理进行了仿真分析，利用MATLAB仿真工具设计出一个QPSK仿真程序，以衡量QPSK在理想信道、高斯白噪声信道和先通过瑞利衰落信道再通过高斯信道三种方，关键字：MATLAB仿真，复习MATLAB编程的基础知识和编程的常用算法以及使用MATLAB仿真系统的注意，通过编程完成QPSK调制解调系统的仿真，1.构建一个理想信道基本QPSK
基于MATLAB的QPSK仿真设计与实现
本次方向设计根据当今现代通信技术的发展，对QPSK信号的工作原理进行了仿真分析。并结合调制解调的基本性能和通信原理的基础知识，利用MATLAB 仿真工具设计出一个QPSK仿真程序，以衡量QPSK在理想信道、高斯白噪声信道和先通过瑞利衰落信道再通过高斯信道三种方式的调制解调得到的功率谱密度、噪声曲线、星座图及误码性能,并对仿真结果进行了分析。
关键字：MATLAB仿真；QPSK调制；QPSK解调；误码率；信噪比
Based on the modern communication technology, design of oriented major has implemented a simulated analysis in regard to the principle of QPSK signal. Associating with the performance of design of oriented major and underpinning communication knowledge, a QPSK simulate program was implemented and analysed in the aim of measuring its power spectral density, curve of noise, constellation and bit error performance under ideal channel, white Gaussian noise channel and via Rayleigh fading channel and white Gaussian noise channel respectively。
words：MATLAB S QPSK M QPSK D Error R Signal to Noise Ratio
二、设计目的和意义
近年来，软件无线电作为解决通信体制兼容性问题的重要方法受到各方面的注意。它的中心思想是在通用的硬件平台上，用软件来实现各种功能，包括调制解调类型、数据格式、通信协议等。通过软件的增加、修改或升级就可以实现新的功能，充分体现了体制的灵活性、可扩展性等。其中软件的增加、高频谱效率的调制解调模块是移动通信系统的关键技术，它的软件化也是实现软件无线电的重要环节。
通过完成设计内容， 复习QPSK调制解调的基本原理，同时也要复习通信系统的主要组成部分，了解调制解调方式中最基础的方法。了解QPSK的实现方法及数学原理。并对“通信”这个概念有个整体的理解，学习数字调制中误码率测试的标准及计算方法。同时还要复习随机信号中时域用自相关函数，频域用功率谱密度来描述平稳随机过程的特性等基础知识，来理解高斯信道中噪声的表示方法，以便在编程中使用。
理解QPSK调制解调的基本原理，并使用MATLAB编程实现QPSK信号在高斯信道和瑞利衰落信道下传输，以及该方式的误码率测试。复习MATLAB编程的基础知识和编程的常用算法以及使用MATLAB仿真系统的注意事项，并锻炼自己的编程能力，通过编程完成QPSK调制解调系统的仿真，以及误码率测试，并得出响应波形。在完成要求任务的条件下，尝试优化程序。
三、 设计原理
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。由于绝对相移方式存
在相位模糊问题，所以在实际中主要采用相对移相方式QDPSK。它具有一系列独特的优点，目前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。
数字相位调制PSK是角度调制、恒定幅度数字调制的一种方式，通过改变发送波的相位来实现，除了其输入信号是数字信号以及输出的相位受限制以外，PSK与传统的相位调制相似。
QPSK信号的正弦载波有4个可能的离散相位状态，每个载波相位携带2个二进制信号。
QPSK利用载波的四种不同相位来表征数字信息。因此，对于输入的二进制数字序列应该进行分组，将每两个比特编为一组；然后用四种不同的载波相位去表征它们。例如，若输入二进制数字信息序列为，则可将它们分成10,11,01,00，然后用四种不同的相位来分别表示它们。由于每一种载波相位代表2个比特信息，故每个四进制码元又被称为双比特码。
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°，315°，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。
同时QPSK信号可以看作两个载波正交2PSK信号的合成，下图表示QPSK正交调制器。
图1、QPSK调制系统原理图
由QPSK信号的调制可知，对它的解调可以采用与2PSK信号类似的解调方法进行解调。解调原理图如下所示，同相支路和正交支路分别采用相干解调方式解调，得到I(t)和Q(t)，经过抽样判决和并/串交换器，将上下支路得到的并行数据恢复成串行数据。
原理分析：
基本原理及系统结构
连续相位QPSK可表示为SQPSK（t）=A
其中，为随时间连续变化的相位，fc为未调载波频率，A为已调信号幅度，由2FSK信号正交条件可知，最小频差为
这里f1，f2分别为2FSK信号的两个频率，TS为信号码元间隔，Tb为二进制信息的间隔。此时有
fc=1/2(f1+f2
QPSK与二进制PSK一样，传输信号包含的信息都存在于相位中。的别的载波相位取四个等间隔值之一，如л/4, 3л/4,5л/4,和7л/4。相应的，可将发射信号定义为
其中，i＝1，2，2，4；E为发射信号的每个符号的能量，T为符号持续时间，载波频率f等于nc/T，nc为固定整数。每一个可能的相位值对应于一个特定的二位组。例如，可用前述
的一组相位值来表示格雷码的一组二位组：10，00，01，11。
下面介绍QPSK信号的产生和检测。如果a为典型的QPSK发射机框图。输入的二进制数据序列首先被不归零（NRZ）电平编码转换器转换为极性形式，即负号1和0
示。接着，该二进制波形被分接器分成两个分别由输入序列的奇数位偶数位组成的彼此独立的二进制波形，这两个二进制波形分别用a1（t），和a2（t）表示。容易注意到，在任何一信号时间间隔内a1（t），和a2（t）的幅度恰好分别等于Si1和 Si2，即由发送的二位组决定。这两个二进制波形a1（t），和a2（t）被用来调制一对正交载波或者说正交基本函数：?1（t）
?fct)，?2（t
）＝?fct)。这样就得到一对二进制PSK信号。?1（t）和?2（t）的正交性使这两个信号可以被独立地检测。最后，将这两个二进制PSK信号相加，从而得期望的QPSK。
图2、QPSK解调系统原理图
四、 详细设计步骤
1.构建一个理想信道基本QPSK仿真系统,要求仿真结果有
a.基带输入波形及其功率谱
b. QPSK信号及其功率谱
c. QPSK信号星座图
2.构建一个在AWGN（高斯白噪声）信道条件下的QPSK仿真系统，要求仿真结果有
a. QPSK信号及其功率谱
b. QPSK信号星座图
c. 高斯白噪声信道条件下的误码性能以及高斯白噪声的理论曲线，要求所有误码性能
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