oqpsk 误码率仿真的仿真中,数据长度如何确定

循环码参数识别实现的设计与仿真
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赵琦, 杜玉娇. 非标准参数的CCSDS Turbo码译码器性能仿真[J]. 北京航空航天大学学报, ):
Zhao Qi, Du Yujiao. Simulation of universal CCSDS Turbo-codes decoder of non-standard parameters[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronsutics, ): .
非标准参数的CCSDS Turbo码译码器性能仿真
杜玉娇&&&&
北京航空航天大学 电子信息工程学院, 北京 100191
作者简介: 赵琦(1966-),女,辽宁沈阳人,副教授,zhaoqi@buaa.edu.cn.
摘要:实现了一款具有通用性的Turbo码编译码器,对CCSDS(Consultative Committee for Space Data Systems)规范中的信息数据帧长度进行扩展,不仅支持原有的5种帧长,而且能实现16384bit内255bit的任意整数倍帧长的信息序列的编译码.针对标准外的编码参数,分别对不同译码算法(MAP,SW-MAP,log-MAP算法)的译码性能进行了仿真,并与标准参数的译码器进行比较.将算法程序以C++动态链接库的形式实现,编写Python测试程序,产生待仿真码长的随机信号,编译码后计算误码率,绘制出信噪比和误码率的关系曲线图.通过相应的仿真发现,所设计的编译码器具有所需的通用性;同时对不同算法的性能进行了分析比较;研究各项参数对于译码性能的影响,包括信息序列长度、码率、迭代次数等.
Turbo码&&&&
译码算法&&&&
误码率&&&&
信噪比&&&&
Python&&&&
Simulation of universal CCSDS Turbo-codes decoder of non-standard parameters
Zhao Qi, Du Yujiao &&&&
School of Electronic and Information Engineering, Beijing University of Aeronautics and Astronautics, Beijing 100191, China
Abstract:A universal Turbo-codes decoder was designed, which not only covers the parameters suggested by consultative committee for space data systems (CCSDS), but also supports other frame length (an integral multiple of 255bit) within 16384bit. Standard and non-standard frame lengths, as comparisons, were both simulated on three decoding algorithms, including MAP, SW-MAP and log-MAP. The algorithms were realized in the form of C++ dynamic link library. Python test program was written to generate random signal of needed length and call the DLL mentioned above for encoding and decoding. The graphs about the relation between signal noise ratio and bit error rate were drawn after data calculation. By simulation, the decoder designed was proved universal. In addition, performance of different algorithms were compared and analyzed. Simulations were done to study the relations between decoding performance and some key parameters, including frame length, bit rate, the number of iterations and so on.
Key words:
Turbo-codes&&&&
decoding algorithms&&&&
bit error rate (BER)&&&&
signal noise ratio (SNR)&&&&
Python&&&&
Turbo码由于其优越的性能,已被空间数据系统咨询委员会(CCSDS,Consultative Committee for Space Data System)组织列为深空通信和卫星通信的标准之一,CCSDS规范定义的Turbo码支持5种信息帧长度,分别是1 784,3 568,7 136,8 920,16 384 bit,其中,前4种均为223 bit的整倍数,主要用于和CCSDS所定义的RS(255,223)编码保持格式上的统一,最后一种长度16 384 bit用于支持高速的数据传输[].
对于规范所支持的223 bit整倍数的帧长,已有现成的商用IP Core以及大量的研究成果[].但是,实际的应用环境对编码帧长需要有更灵活的选择.比较典型的取值是将信息数据帧的长度确定为255 bit的整数倍(而不是223),这样,比较容易获得一个完整数据帧长为2的N次方的长度(例如:4倍255 bit再加4 bit同步字节即1 024 bit).本文所要实现的Turbo码编译码器,根据特殊应用的要求,对其支持的信息数据帧长度进行了扩展,不但需要支持规范所确定的4种帧长,同时包括16 384 bit范围内的其他帧长.
1 Turbo编码参数及译码算法
1.1 编码参数
CCSDS规范中,对遥测信道编码器中使用的Turbo码进行了定义.Turbo码的一般参数如下[].
码型(code type):Systematic Parallel con
分量编码器个数:2组;
分量编码:递归卷积码;
分量编码状态:16个;
平均码率:r=1/2,1/3,1/4,或1/6(可选);
信息帧长度:k=1 784,3 568,7 136,8 920,16 384 bit.
另外,交织器参数是Turbo码非常重要的一项参数,为了达到兼容标准参数的目的,本文基本参照CCSDS规范中的算法进行交织计算.
1.2 译码算法
MAP方法是衡量接收序列中,单个符号判决的最佳估计,目的是使译码输出比特错误概率最小[].MAP译码算法的一个主要特点就是实现了迭代译码.由于有外部信息的参与,信噪比一定时,误码率会随着译码迭代次数增加而减小.循环次数达到一定数目时,译码性能不再有特别明显的提高,此时,可以停止迭代计算,整理输出译码结果[, ].
log-MAP算法是MAP算法的对数化形式,将MAP算法中的变量都转换为对数形式,从而把乘法运算转换为加法运算[].同时译码器的输入输出相应地修正为对数似然比形式,再对算法进行必要的修改就得到了log-MAP算法.
SW-MAP算法与MAP算法的主要区别是将数据帧分成多个数据块,译码针对长度为D(小于数据帧长度)的数据块进行,在接收到D个信道符号后开始译码[, ].
2 软件设计与算法实现
2.1 算法实现框图
MAP算法的实现具有一定的复杂性,另外两种算法则是在其基础之上进行改进而来,MAP算法基本框架图如图 1所示.
图 1 算法实现框图Fig. 1 Block diagram of algorithm
2.2 算法实现
本文中Turbo码编译码算法MAP,log-MAP和SW-MAP算法均用C++实现,并且程序以动态链接库的形式存在,然后编写Python测试程序,改变相应的参数,通过仿真测试各项译码性能.仿真环境框图如图 2所示.
图 2 仿真环境框图Fig. 2 Block diagram of simulation
测试过程中能改变的相关参数主要包括:码率、信息帧长度、信噪比、仿真起始点、仿真步长、最大半迭代次数、出错帧数、SW-MAP算法中的窗格大小.
测试的最终结果是要绘制出特定参数和算法下的信噪比(SNR,Signal Noise Ratio)与误码率(BER,Bit Error Rate)的关系曲线图.
3 仿真结果分析
3.1 通用性检测
本文所设计的编译码器主要特点之一就是具有通用性,除CCSDS标准参数外,还要覆盖非标准参数.就整个实现过程而言,编译码器的各项参数及性质都不存在明显的跳跃性和突变,因此仿真前可以根据实际情况和经验做出评估,对于码长相近的标准与非标准参数,此款编译码器所表现出来的译码性能应该非常接近.
采用MAP算法,对1 784,2 040,8 920,8 160 bit的帧长进行编译码仿真,r=1/2,迭代次数为20次.仿真结果如图 3所示.
图 3 通用性检测MAP算法仿真图Fig. 3 Commonality test result in MAP algorithm
仿真时,选取了两组长度相近的标准和非标准参数的信息序列,分别为1 784(223×8)bit和2 040(255×8)bit,8 920(223×5×8)bit和8 160(255×4×8)bit.同时,保持其他各项参数如码率、迭代次数等一致.
以文献[, ]中对标准参数进行的仿真结果作为参考,可以证实,上述仿真中符合CCSDS标准参数的序列长度(即k=1 784 bit和k=8 920 bit)的译码结果是符合实际情况的,具有一定参考价值.而从上述仿真数据可以看出,非标准参数的信息序列和与其长度相近的标准信息序列的译码性能非常接近.由此可以从一定程度上说明,本文所设计的编译码器具有通用性,不仅能够覆盖标准参数,也能实现非标准参数的译码.
3.2 不同算法的性能比较
本文选用MAP,SW-MAP,log-MAP算法对4 080 bit帧长进行仿真测试,r=1/3,迭代次数为20次.
仿真结果如图 4所示.
图 4 不同算法仿真比较图Fig. 4 Comparison of different algorithms
可以明显看出,3种算法中,MAP算法的译码性能较好,log-MAP算法与MAP算法的性能非常接近,而SW-MAP算法则略差.尤其是当信噪比升高时,3种算法的差异性表现得愈加明显.MAP算法的复杂度最高,是最原始最准确的译码算法.而log-MAP算法则是通过对数运算实现将乘法转换为加法,为硬件实现做准备,其软件仿真性能与MAP算法非常接近[].SW-MAP算法特点在于以牺牲部分译码性能来换取减少延时[].在一次迭代中,MAP算法整体递归,对于其中两个重要的中间变量——前向递推联合条件概率α和后向递推联合条件概率β,只需设定一次初始值;而SW-MAP算法分块递归,每个分块都无法再利用前一个块的结果,需重新设定初始值,因而形成累积误差,从而导致SW-MAP译码性能的降低.
在实际应用中,应根据需求选择合理的译码算法,既能保证译码性能达到相应标准,又要使得算法复杂性在能接受的范围之内.
3.3 参数值对译码性能的影响
1) 不同信息序列长度对Turbo码译码性能的影响.
信息序列长度是影响Turbo码的误码率在10-6~10-2之间性能的关键因素.本文选用MAP算法,对2 040,4 080,6 120,8 160 bit的帧长进行仿真,r=1/3,迭代次数为20次.
仿真结果如图 5所示.
图 5 不同帧长比较图(MAP算法)Fig. 5 Comparison of different frame sizes in
MAP algorithm
可以看出,在一定范围内,信息序列长度越长,误码率越低.并且,当信噪比较低时,信息序列长度对误码率影响不是很大,但是当信噪比逐渐增大时,增加信息序列长度就能很明显地提高译码性能.
在发送端,其伪随机性是由交织器以及并行级联方式来实现的.在接收端,各译码器输出的外信息之所以能被互相利用进行多次迭代来增强纠错能力,还得归功于交织和解交织器的置乱作用[].在CCSDS参数中,交织块的长度取决于信息序列长,因此,信息序列越长,则交织的伪随机性越充分,外信息的交换越能发挥作用,从而提高译码性能.
2) 码率对Turbo码译码性能的影响.
选用不同的码率,通常会对译码性能造成很大影响.本文选用MAP算法,对2 040 bit帧长进行1/2,1/3,1/4,1/6 4种码率的编译码仿真,迭代次数为20次.仿真结果如图 6所示.
图 6 不同码率比较图(MAP算法)Fig. 6 Comparison of different bitrates in MAP algorithm
仿真过程中,保证信息序列长度、算法、迭代次数等其他参数全部相同,选用1/2,1/3,1/4,1/6共4种码率.从上述一组仿真结果可以得到结论:在其他条件相同的情况下,码率越小,即编码长度越长,Turbo码译码性能越好,而且这种差异性表现得非常明显.
Shannon编码定理指出:如果采用足够长的随机编码,就能逼近Shannon信道容量.这个仿真结果正好是符合香农编码定理的,当然编码长度的增加也会增大译码的复杂性,因此也应当根据实际情况,合理地选择码率,既保证译码性能,又使得计算复杂度在可接受的范围内[].
3) 不同迭代次数对Turbo码译码性能的影响.
Turbo码通过迭代译码来提高译码性能,因此译码次数是决定Turbo码译码性能的关键性因素之一.通过仿真来考察迭代次数对Turbo码译码性能的影响.
本文选用MAP算法,对4 080 bit帧长进行仿真,r=1/3,迭代次数n分别设置为5,10,15,20次.
仿真结果如图 7所示.
图 7 不同迭代次数仿真图Fig. 7 Comparison of different iterations in MAP algorithm
从图 7的仿真结果可以看出,在一定范围内,随着迭代次数的增加,Turbo码误码率不断下降,性能趋于更优;并且,信噪比越高,这种影响越明显.在BER≥10-2时,迭代次数对译码误码率影响比较小;在10-6≤BER≤10-2时,迭代次数增加,使得外信息多次交换,得到充分利用,从而显著改善译码性能.但是,当迭代次数增加到一定数目时,对于译码性能的提高已经没有特别明显的促进作用了,继续进行迭代所带来的增益是非常小的,反而会增加译码计算复杂度[].因此,在译码时不能盲目地加大迭代次数,而应该根据实际需求选择合理的参数.
综上,可以得出如下结论:
1) 所实现的Turbo码译码器,具备通用性,对于CCSDS非标准参数也能实现正常编译码.
2) Turbo码3种较为典型的译码算法中,log-MAP算法仅仅只是对数据做了对数处理,因此译码特性与MAP算法相近,而SW-MAP算法由于涉及多处分段设定初始值,因而引起误差,译码特性略差.
3) 参数的设置对于译码性能有着重要的影响.在一定范围内,帧长越长,码率越低,迭代次数越高,则Turbo码译码性能越好.
有关Turbo码更多的性质和功用,还需进一步深入的探讨.
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北京航空航天大学主办。
赵琦, 杜玉娇
Zhao Qi, Du Yujiao
非标准参数的CCSDS Turbo码译码器性能仿真
Simulation of universal CCSDS Turbo-codes decoder of non-standard parameters
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QPSK误码率仿真分析
[键入文字]通信工程专业 《通信原理》课程设计题目QPSK 的误码率仿真分析学生姓名 所在院(系) 专业班级 指导教师谭夕林学号陕 西 理 工 学 院 物理与电信工程学院 通 信 工 魏 程 专 业 瑞 1102 班完成地点 陕 西 理 工 学 院物理与电信工程学院实验室2014 年 3月 12 日 《通信原理》课程设计通信工程专业课程设计任务书院(系) 物理与电信工程学院 专业班级 通 信 工 程 专 业 1102 班 学生姓名 一、课程设计题目 QPSK 的误码率仿真分析 2 月 24 信 日 起至 工 程 2014 学 年 院 3 月 实 验 16 日止 室 谭夕林二、课程设计工作自 2014 年三、课程设计进行地点: 物 理 与 电 四、课程设计的内容要求:利用仿真软件等工具,结合所学知识和各渠道资料,对 QPSK 在高斯通道下的误码率进行研 究分析指导教师魏 瑞系(教 研 室) 通 信 工 程 系2 《通信原理》课程设计接受任务开始执行日期2014 年 2 月 24 日学生签名谭 夕 林QPSK 的误码率仿真分析谭夕林陕西理工学院物理与电信工程学院通信 1102 班,陕西 汉中 指导教师:魏瑞【摘723003)要】 为实现 QPSK 应用到无线通信中,该文对 QPSK 系统性能进行了理论研究。介绍了 QPSK 调制解调原理,对高斯白噪声信道的系统性能进行了研究,分析对 比了在高斯白噪声信道下的系统误码性能。为基于副载波 QPSK 无线激光通信系统的 研究奠定了理论基础。使用 MATLAB 中 M 语言完成 QPSK 的蒙特卡罗仿真,得出在加性 高斯白噪声的信道下,传输比特错误率以及符号错误率。并将比特错误率与理论值相 比较,并得出关系曲线。 使用 simulink 搭建在加性高斯白噪声信道下的 QPSK 调制 解调系统,其中解调器使用相关器接收机。并计算传输序列的比特错误率。通过多次 运行仿真得到比特错误率与信噪比之间的关系。【关键词】 : QPSK,误码率,仿真,星座图 【中图分类号】 TN702 [文献标志码] A3 《通信原理》课程设计QPSK BER simulation analysisTan Xilin(Grade11,Class2,Major of Communication Engineering,School of Physics and telecommunication Engineering of Shaanxi University of Technology, Hanzhong 723003,China) Tutor:Wei Rui[Abstract] For the application of the QPSK (Phase-Shift-Keying) to the wireless laser communication, this paper emphasizes the system of QPSK's performance, theoretically. In the paper, the principle of the QPSK's modulation and demodulation were introduced in brief and the performance of the system at white Gaussian noise (AWGN) channel was also analyzed carefully. The above results provide the theoretical foundation for the wireless laser communication system based on the QPSK with sub-carrier. Use the MATLAB language to complete Monte Carlo simulation of QPSK, and to obtain the transmission sequence bit error rate and symbol error rate in the additive white Gaussian noise channel, comparing it with the theoretical value, then get curve. The second aspect is to learn how to use Simulink and the functions and principles of various modules. Then we use Simulink to create the model of QPSK through additive white Gaussian noise channel. And take the advantage of the Correlator receiver to complete the operation of demodulation. Then calculate the transmission sequence bit error rate. By running the simulation repeatedly, we can get the relationship between the bit error rate and SNR.Keywords: QPSK, BER, simulation, constellation4 《通信原理》课程设计目录摘 要 .................................................................................................................. 3 Abstract ............................................................................................................. 4 一 绪 论 ............................................................................................................ 6 1.1 课题背景及仿真 .................................................................................. 6 1.1.1 QPSK 系统的应用背景简介 ...................................................... 61.1.2 QPSK 实验仿真的意义 ..................................................................... 6 1.1.3 仿真平台和仿真内容 ......................................................................... 6二系统实现框图和分析 .................................................................................... 7 2.1 QPSK 调制部分 .................................................................................... 7 2.2 QPSK 解调部分 .................................................................................... 8 三 QPSK 特点及应用领域 ............................................................................... 9 3.1 QPSK 特点 ............................................................................................ 9 3.2 误码率 ................................................................................................... 10 3.3 QPSK 时域信号 .................................................................................... 10 3.4 扩充认知 QPSK-OQPSK...................................................................... 10 3.5QPSK 的应用领域 ................................................................................. 11 四使用 simulink 搭建 QPSK 调制解调系统 ................................................ 12 4.1 信源产生 ............................................................................................... 12 4.2 QPSK 系统理论搭建 ............................................................................ 13 五仿真模型参数设置及结果 .......................................................................... 15 5.1 仿真附图及参数设置 ........................................................................... 15 5.2 仿真结果 ............................................................................................... 16 5.3 误码率曲线程序及其仿真结果 ........................................................... 17 六仿真结果分析 .............................................................................................. 19 七总结与展望 .................................................................................................. 20 致 谢 ................................................................................................................ 21 参考文献 .......................................................................................................... 215 《通信原理》课程设计6 《通信原理》课程设计一. 绪 论1.1 课题背景及仿真:1.1.1QPSK 系统的应用背景简介 QPSK 是英文 Quadrature Phase Shift Keying 的缩略语简称,意为正交相移键控, 是一种数字调制方式。在 19 世纪 80 年代初期,人们选用恒定包络数字调制。这类数字 调制技术的优点是已调信号具有相对窄的功率谱和对放大设备没有线性要求 ,不足之 处是其频谱利用率低于线性调制技术。19 世纪 80 年代中期以后,四相绝对移相键控 (QPSK)技术以其抗干扰性能强、误码性能好、频谱利用率高等优点,广泛应用于数字微 波通信系统、数字卫星通信系统、宽带接入、移动通信及有线电视系统之中。 1.1.2 QPSK实验仿真的意义 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。 通过本次课设, 除了和队友培养了默契学到了知识之外, 还可以将次课设作为一种 推广,让更多的学生来深入一层的了解QPSK以至其他调制方式的原理和实现方法。可 以方便学生进行测试和对比。足不出户便可以做实验。 1.1.3 仿真平台和仿真内容 (1)仿真平台 本实验是基于 Matlab 的软件仿真,只需 PC 机上安装 MATLAB 6.0 或者以上版本即 可。 (本实验附带基于 Matlab Simulink (模块化) 仿真, 如需使用必须安装 simulink 模块) (2)仿真内容 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 QPSK 信号星座图 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 曲线在同一坐标比例下绘制7 《通信原理》课程设计二、系统实现框图和分析2.1、QPSK 调制部分,原理框图如图 1 所示? 1(t)= 2 cos(2? fct ) T二进制 数据序列极性 NRZ 电平编码器分 离 器?QPSK信号 ( s t)? 2(t)= 2 sin(2? fct ) T图1 原理分析: 基本原理及系统结构 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2 E / t cos[2? ft ? (2i ? 1)? / 4]0≤t≤TSi(t)=0。 , 其他 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 分别用Eb 和- Eb 表示。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8 《通信原理》课程设计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 )= 2 cos(2? fct ) , ? 2( t)= T2 sin(2? 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 T 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。2.2、QPSK 解调部分,原理框图如图 2 所示:? 1(t)同相信道低通 filrer门限=0判决门限接 收 信 号 x(t)复接器发送二进 制序列的 估计低通 filrer判决门限? 2(t)正交信道 图2门限=0原理分析: QPSK 接收机由一对共输入地相关器组成。这两个相关器分别提供本地产生地相干参 考信号 ? 1(t)和 ? 2(t) 。相关器接收信号 x(t) ,相关器输出地 x1 和 x2 被用来与 门限值 0 进行比较。如果 x1&0,则判决同相信道地输出为符号 1;如果 x1&0 ,则判决同 相信道的输出为符号 0。 ;类似地。如果正交通道也是如此判决输出。最后同相信道和 正交信道输出这两个二进制数据序列被复加器合并,重新得到原始的二进制序列。在 AWGN 信道中,判决结果具有最小的负号差错概率。9 《通信原理》课程设计三、QPSK 特点及应用领域3.1、QPSK 特点 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。 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。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。 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 DVB-S2 标准中,信道噪声门限低至 4. 5 dB, 传输码率达到 45M b[2]实施采用 QPSK 调制方式,同时保证了信号传输的效率和误码 性能。 一般的 QPSK 的实施,也表明高阶 PSK 的实施。在星座图中的正弦和余弦波用 来传输方面的书面符号:这就产生了四个阶段 π/ 4,3π/ 4,5π/ 4 和 7π/ 4 需要。 这个结果与单位的基础上功能在一个两维的信号空间被用作信号的同相分量和正交分 量信号的第二首的基础功能。 因此, 信号星座组成的信号空间 4 点, 1/2 的因素表明, 两家运营商之间的分裂, 同样的总功率。10 《通信原理》课程设计这些基础功能,为 BPSK 比较清楚地表明如何观看可以作为两个独立的 BPSK 信号的 QPSK。 注意的 BPSK 信号空间分不需要分裂 BPSK 的星座图中显示的两家运营商在该 计划的符号(位)能源的。QPSK 系统,可以实现在许多方面。发射机和接收机结构的 主要组成部分的说明如下。 QPSK 概念发射机结构。 的二进制数据流分割成相和正交相的组成部分。 这些都是再分 别调制到两个正交的基函数。在此实现中,两个血窦。之后,这两个信号叠加,产生 的信号是 QPSK 信号。注意:使用极不返回到零编码。可以摆在这些编码器的二进制 数据源,但已放置后,说明涉及数字调制的数字和模拟信号之间的概念差异。 对于 QPSK 接收机结构。匹配的过滤器,可以与相关器代替。每个检测装置使用的参 考阈值,以确定是否检测到 1 或 0。 3.2、误码率 QPSK 的, 虽然可以作为解调看, 这是比较容易看到它作为两个独立的调制正交 载波。这种解释,偶数(或奇数)位用于调节承运人在相位分量,而奇数(或偶数) 位被用来调制载波的正交相位分量。BPSK 的两家航空公司,它们可以是独立的解调。 因此,QPSK 的误码概率是相同的 BPSK: 然而,为了达到相同的概率为 BPSK 的误码,QPSK 的使用电源(因为两位同时传输) 的两倍。 符号错误率计算公式如下: 3.3、QPSK 时域信号 如果信号信噪比高(实际 QPSK 系统是必要的)符号错误的概率可近似: 调制信号为一个随机的二进制数据流的短段如下。两个载波是一个余弦波和正弦波, 通过信号空间分析上述表示。在这里,奇数位已被分配到同相分量和正交分量(以 1 号的第一个位)的偶数位。总的信号- 两个组成部分的总和- 显示在底部。可以看出, 相位跳变的 PSK 改变了每个组件在每个位周期的开始阶段。仅最上面的波形匹配的 BPSK 上面给出的描述。 用于 QPSK 的时序图。时间轴下方所示的二进制数据流。两个组件用自己的位 分配的信号显示的顶部和总,在底部的混合信号。注意:在第一阶段的一些位期间边 界的突然变化。 这个波形传达的二进制数据是:1 1 0 0 0 1 1 0。 奇数位,在这里强调,在相分量: 即使位,在这里强调,作出贡献的正交相位分量:3.4、扩充认知 QPSK-OQPSKOQPSK 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11 《通信原理》课程设计生很小的频谱扩展。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。OQPSK 信号,它的频带利用率较高, 理论值达 1b/s/Hz。在 QPSK 中,当码组 0011 或 0110 时,产生 180° 的载波相位跳变。 这种相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。 一个已调波的频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。 3.5、QPSK 的应用领域 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。 QPSK 数字电视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。 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。 同时,中国的 3G 制式(CDMA2000,WCDMA,TD-SCDMA)均在下行链路上采 用 QPSK 调制。四、使用 simulink 搭建 QPSK 调制解调系统4.1 信源产生 在搭建 QPSK 调制解调系统中直接使用贝努力信号发生器产生 01 比特序列,每两 比特代表一个符号。伯努利随机生成二进制 Generator 模块使用伯努利分布的二进制 数字。产生参数为 p 伯努利分布。伯努利分布均值 1 - p 和方差 p(1 - P)的。一个 零概率参数指定 p, 可以是任何 0 和 1 之间的实数。 信号输出属性的输出信号可以是 基于帧的矩阵,一个基于采样的行或列向量,或者一个样本为基础的一维数组。这些 属性控制框架为基础的输出,每帧的样品,并解释向量参数为 1 - D 参数。看到信号12 《通信原理》课程设计的属性参数指南随机源在通信模块库的用户更多的细节。参数为零的元素的初始种子 和概率成为输出数列的框架为基础或在数字内容中,采样基于矢量输出。 模块参数 设置 发送 0 的概率 p=0.5,采样时间为 0.01s,传输信号为频率 100Hz。 4.2、QPSK 系统理论搭建 (1)串并装换: 首先使用 buffer 模块实现将发射信号转为两路。Buffer 模块为 重新分配的缓冲区块的输入样本,输出多个采样率较低的帧信号。但会产生与缓冲区 容量相同的时延。 (2)将非极性信号转换为极性信号:将 01 序列减去 1/2,再乘以 2,则可得到 1, -1 序列,即极性信号。 此过程中用到常数产生模块,加法模块,幅度增益模块。 调制:分别将两路信号乘以相位相差/2?的载波,然后相加。 载波可由正弦信号 发生器产生。正弦波模块可提供一个正弦波。模块可以在基于时间或基于采样的模式。 (3)传输:将调制信号通过 AWGN 信道 WGN 信道模块 AWGN 信道模块可以将加性高 斯白噪声加到一个实数的或复数的输入信号。当输入信号是实数时,这个块增加了实 的高斯噪声,产生一个实数的输出信号。当输入信号是复数的,这个模块增加了复数 的高斯噪声,产生复数的输出信号。此块继承它的输入信号的采样时间。模块使用信 号处理模块随机源块产生的噪声。随机数生成方法是由 MATLAB randn 函数产生。初始 种子可以是一个标量或矢量的长度相匹配的输入信号通道数。种子的详细资料初次, 查看随机源块模块库文件参考页面中设置的信号处理。信号输入只能是类型单一或双。 该端口的数据类型都继承自该驱动器的信号块。注意权力的所有值假设一个 1 欧姆的 标称阻抗。 基于帧的处理和输入维此块可以处理多声道信号,是基于帧或样本为基 础。根据数据的形状和结构状况: 如果你的输入是一个示例为基础的标量,那么模 块加标量高斯噪声的信号。 如果你的输入是一个采样基于向量或一帧的行向量,则每 个通道增加了独立的块高斯噪声。如果你的输入是一帧的列向量,则增加了一个高斯 噪声帧到您的单声道信号。 如果你的输入是基于帧的米由 n 矩阵,则块增加了一个 框架高斯噪声长度米独立的频道每 n。如果 m 和 n 是大于 1。输入不能是基于采样的信 号 。13 《通信原理》课程设计(4)解调: 首先将信号分为两路,分别乘以乘以相位相差 /2?的载波。 乘法器设 置为默认设置。 使用相关器解调方法,乘以 1 信号即幅度为一得方波信号。 使用常 数发生器与乘法器,设置为默认设置。 然后信号需要通过积分器 使用积分器时,需 要在时间 t=T 时使积分器复位,所以需要设置积分模块续设置在时钟上升沿时复位。 并需要与该之路码元时间相同即发送信号码元时间的两倍的时钟输入。 之后需采样 并保持信号,需要使用 sample and hold 模块,同时也要使用并需要与该之路码元时 间相同即发送信号码元时间的两倍的时钟输入。此时各路信号也会产生一个单位的时 延。 然后检测并判断输出信号,使用 autothreshold 模块,该模块会根据输入数据 自动设置阀值,对输入信号给出判定,输出二进制比特序列,并可输出阀值。 最后 再经过并串转换,将两路信号合一,使用 N-sample switch 模块实现。在第一路信号 发出一个样本时间按信号后,样本时间设置为发送信号码元时间,开关会自动转移到 第二路信号,此时换做第二路信号输入,一个码元时间后模块重置,循环以上过程。 此 模 块 也 需 要 发 送 信 号 码 元 时 间 的 两 倍 的 时 钟 输 入 。14 《通信原理》课程设计(由于 simulink 中已经有了 QPSK 的调制与解调模块,所以直接可以进行调用) (5) 比特错误率统计: 比特错误率统计使用 Error Rate Calculation 模块,该模 块可自动比较发送序列与接收序列并作出比较,将比特错误率输出,并使用 display 模块显示.五、仿真模型参数设置及结果5.1 仿真附图及参数设置图中数据源为二进制伯努利产生器, 它产生一个二进制向量, 向量的长度等于 2, 分别代表 QPSK 调制器的两个输入信号,伯努利产生器的参数设置如下: Probability of a zero:0.5 Initial seed:[61 45] Sample time:0.01 Frame-based outputs:Unchecked Interpret vector parameters as 1-D:Unchecked QPSK Modulator Baseband 模块(QPSK 调制器)对输入的信号进行 QPSK 调制, 模块的参数设置如下: Input type:Bit Constellation ordering:Gray Phase offset (rad):pi/4 Samples per symbol:1 信道模块在信号的传输过程中加入高斯白噪声,其参数设置如下: Initial seed:67 Mode:Signal to noise ratio (SNR) SNR (db):9 Input signal power (watts) : 1 QPSK Demodulator Baseband 模块(QPSK 解调器)对信号进行 QPSK 解调,它 的各项参数设置与 QPSK 调制器模块相同。 Bit to Integer Converter 模块(数值转换模块)的作用是将输入的数值转换成四进 制整数。由于伯努利产生器输出的信号是长度为 2bit 的二进制向量,而 QPSK 解调器15 《通信原理》课程设计出来的信号则是一个二进制序列,因此在对它们进行比较之前,首先要转换成相同的 整数形式,两个数值转换模块的参数设置如下: Number of bits per integer: 2 Input bit order: MSB first After bit packing,treat resulting integer values as: Unsigned Output data type: Same as input 5.2 仿真结果理论值(发射端)16 《通信原理》课程设计实际值(接收端)5.3 误码率曲线程序及其仿真结果close all clc clear all SNR_DB=[0:1:12]; sum=1000000; data= randsrc(sum,2,[0 1]); [a1,b1]=find(data(:,1)==0&data(:,2)==0); message(a1)=-1-j; [a2,b2]=find(data(:,1)==0&data(:,2)==1); message(a2)=-1+j; [a3,b3]=find(data(:,1)==1&data(:,2)==0); message(a3)=1-j; [a4,b4]=find(data(:,1)==1&data(:,2)==1); message(a4)=1+j; scatterplot(message) title('B??????????×ù??') A=1; Tb=1; Eb=A*A*Tb;17 《通信原理》课程设计P_signal=Eb/Tb; NO=Eb./(10.^(SNR_DB/10)); P_noise=P_signal*NO; sigma=sqrt(P_noise); for Eb_NO_id=1:length(sigma) noise1=sigma(Eb_NO_id)*randn(1,sum); noise2=sigma(Eb_NO_id)*randn(1,sum); receive=message+noise1+noise2*j; resum=0; total=0; m1=find(angle(receive)&=pi/2&angle(receive)&0); remessage(1,m1)=1+j; redata(m1,1)=1; redata(m1,2)=1; m2= find( angle(receive)&pi/2&angle(receive)&=pi); remessage(1,m2)=-1+j; redata(m2,1)=0; redata(m2,2)=1; m3=find( angle(receive)&-pi&angle(receive)&=-pi/2); remessage(1,m3)=-1-j; redata(m3,1)=0; redata(m3,2)=0; m4=find( angle(receive)&-pi/2&angle(receive)&=0); remessage(1,m4)=1-j; redata(m4,1)=1; redata(m4,2)=0; [resum,ratio1]=symerr(data,redata); pbit(Eb_NO_id)=resum/(sum*2); [total,ratio2]=symerr(message,remessage); pe(Eb_NO_id)=total/ end scatterplot(receive) title('C??????????×ù??') Pe=1-(1-1/2*erfc(sqrt(10.^(SNR_DB/10)/2))).^2; Pbit=1/2*erfc(sqrt(10.^(SNR_DB/10)/2)); figure(3) semilogy(SNR_DB,pe,':s',SNR_DB,Pe,'-*',SNR_DB,pbit,'-o',SNR_DB,Pbit,':+') legend('QPSK?????ó????','QPSK?í???ó????','QPSK?????ó±?????','QPSK?í???ó±?? ???',1) xlabel('????±?/dB') ylabel('????P') gird on18 《通信原理》课程设计误码率曲线图六、仿真结果分析本次仿真研究了数字调制方式 QPSK,对其误码率进行了考察。通过理论误码率和 仿真误码的比较,了解了误码率的性能。本次课程设计通过运用星座图来对实验结果 进行仿真。本次实验得出结论如下:误码率是误比特率的两倍。由于仿真中各种条件 都是理想化的,包括数据在传输过程中,除了噪声影响以外不会发生任何错误所以相 对实际情况来说,在相同的信噪比之下,比特错误率要小的多,但是仿真所得结果与 事实规律并不违背。 M 语言的蒙塔卡罗仿真使用的是星座图对应调制解调方式, 且信道 噪声为功率谱密度为 0N/2 的一组样本,且不存在时延问题。而 simulink 仿真中,采 用乘积方式调制,最佳接收机检波,信道的功率谱密度没有办法确定算出,只能使用 理想算法估算,其中会产生比较大的误差,由于 simulink 模块功能限制,传输信号比 特数限制在一定范围内,无法做出比较精确的估算,且会出现传输误差。 通过对 QPSK 调制系统的仿真,分析对比了加性高斯白噪声信道下信号、星座图和 误码率的性能,推导了 QPSK 系统误码率表达式,仿真结果表明信道在高斯白噪声时, 使得通信质量严重降低。通过对 QPSK 系统性能研究,为今后的学习,基于 QPSK 通信 系统的研究奠定了基础。19 《通信原理》课程设计七、总结与展望本次课程设计我收获很多,应用 MATLAB 的仿真技术处理问题,加深了对通信原理 中部分公式和概念的理解。过程中也遇到了不少问题,在星座图映射上,一开始将 00, 01,10,11 看成一个整体,这样对整体编程存在很大困难,因此后来尝试将其分开看, 并成功映射;在分析噪声的过程中,由于通信原理的知识未能牢固掌握,在分析和计 算的过程中花了很多时间;仿真过程中,学会了使用函数来代替循环的功能,从而使 程序运行更加快,大大工作量。通过本次课程设计实践,应该加强 MATLAB 在各个学科 的应用,学会用 MATLAB 来处理实际问题。 本次课程设计的题目是 QPSK 系统软件实现及误码率测试。 QPSK 调剂解调技术已经 比较成熟,在实际应用中也发挥着极为重要的作用。而在通信技术高速发展的今天, 单一的数字调制技术已经无法满足通信的要求,根据不同通信方式而采取不同的调制 方法,有时也会出现混合调制的方式,因此对基本的 QPSK 的研究与学习将为其他复杂 的调制方法提供扎实的基础。 对于我本人来讲, QPSK 调制解调基本原理早已经学过, 也在通信原理实验课中观察过仿真结果。在此次过程中,使用 M 语言完成其仿真,而 且使用 simulink 搭建 QPSK 系统,在进一步理解基本原理的同时也可以了解许多新的 东西。当然,所搭建的 QPSK 调制解调系统中还有很多问题需要解决,更需要进一步完 善,使其成为有更好性能的仿真系统。20 《通信原理》课程设计致谢:陕西理工学院 501 实验楼,陕西理工学院电子阅览室,陕西理工学院图书馆 指导教师魏老师 给予我帮助过的同学。参考文献:[书 籍]约翰.G.普洛克斯,马苏德.萨勒赫,刘树棠(译) 《现代通信系统-使 用 MATLAB》 西安交通大学出版社 P.1-77 [书 籍]邓华 《MATLAB 通信仿真及应用实例讲解》人民邮电出版社,P.1-60, 2003.9 [书 籍 ] 钟麟,王峰 《 MATLAB 仿真技术与应用教程》国防工业出版社, P.1-35,2004.1 [书 籍]龙光利 王战备《通信原理》 清华大学出版社 P.239-308 [学位论文]路布新《QPSK 的通信系统研究》 南京理工大学硕士学位论文 2006.6 [网络资源]王林《QPSK 系统仿真及误码率性能分析》 http://www.doc88.com/p-.html [网络资源]《QPSK 的星座图和眼图》 http://wenku.baidu.com/view/9e7b0ec7a1c7aa00b52acb08.html [网络资源]《毕业设计基于 MATLAB 的 QPSK 仿真设计与实现》 http://wenku.baidu.com/view/bd7a.html [期 刊]段德平《QPSK 系统仿真研究》电脑知识与技术 2011 年第 9 期 [期 刊]齐刚《基于 DSP 的 QPSK 调制的设计与实现》刊期论文 2009 年第 7 期21
QPSK下的误码率分析_工学_高等教育_教育专区。QPSK下的误码率分析 通信原理研究性仿真报告 姓名 学号 班级 教师 电话 XXXXXX XXXXXXXX 通信 0803 XXXXXX XXXXX...掌握几种典型数字通信系统误码率分析方法。 2. 掌握误码率对数字通信系统的..._rate_qpsk,'o-',x,Pqpsk,'*-'); legend('qpsk 仿真值','qpsk 理论值...基于matlab的QPSK与BPSK信号性能比较仿真_交通运输_工程科技_专业资料。 目 录 ...k -一组间隔均匀的受调制相位 2.3 QPSK 解调原理及误码率分析 2.3.1 ...QPSK系统的误码率和星座图仿真_计算机硬件及网络_IT/计算机_专业资料。QPSK系统...运行结果及分析(1) 、系统的星座图 (2) 、接收信号的星座图 (3) 、QPSK ...误码率模块参数配置图 3.3 QPSK&BPSK 系统误码率对比 图 3.3 BPSK& QPSK 系统误码率曲线 仿真结果分析: 由图可以看出 BFSK 和 QPSK 调制方式的符号误码率...要求利用 Matlab 语言对 QPSK 通信系统进行仿真,验证 QPSK 的特性(如误码率随信噪 比的增加而减小) 。 2.1 基于 MATLAB 的 QPSK 通信系统的基本模型 QPSK ...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...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...QPSK使用格雷码与非格雷码编码方式误码率比较与仿真程序_信息与通信_工程科技_专业资料。QPSK使用格雷码与非格雷码编码方式误码率比较与matlab仿真程序今日...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...3.2、高斯信道下的仿真,结果如图 4 所示: 7 图4 实验结果分析: 由图 4 ...通信系统原理讨论题 (数字频带部分) 1.MQAM 的频带利用率和误比特率分析多元...QPSK系统的误码率和星座... 6页 免费 QPSK系统仿真及误码率性... 暂无评价...
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