1、 PAGE20 / NUMPAGES20基于MATLAB的QPSK傳輸系統電子信息工程071 朱指導教師： 許 芹摘要通過用Matlab編寫腳本程序對QPSK通信系統的發射和接收過程的具體實現進行模擬仿真,并對各模塊進行頻譜分析,對于理解QPSK系統的性能并在系統上作進一步的設計,提供極大的便利。關鍵詞數字通信;QPSK;仿真引言 四相相移鍵控(QPSK)是一種性能優良,應用十分廣泛的數字調制方式,它的頻帶利用率高,是二相相移鍵控(BPSK)的2倍。且QPSK調制技術的抗干擾性能強,采用相干檢測時其誤碼率性能與BPSK一樣。本文用Matlab軟件對QPSK通信系統的發射和接收過程的具體實現進行

2、了模擬仿真,并對各模塊進行了頻譜分析。系統設計的具體參數為:二進制碼元的符號速率為5Msp s,給定的信道容量為7MHz,脈沖成形濾波器采用升余弦濾波器,采樣頻率為25MHz。1、資料與方法1.1qpsk-定義 QPSK是英文QuadraturePhaseShiftKeying的縮略語簡稱，意為正交相移鍵控，是一種數字HYPERLINK :/baike.baidu /view/265301.htm調制方式。四相相移鍵控信號簡稱“QPSK”。它分為絕對相移和相對相移兩種。在數字信號的調制方式中QPSK四相移鍵控是目前最常用的一種衛星數字信號調制方式,它具有較高的頻譜利用率、較強的抗干擾性、在電路

3、上實現也較為簡單。 QPSK數字解調包括：模數轉換、HYPERLINK :/baike.baidu /view/3042216.htm抽取或插值、匹配HYPERLINK :/baike.baidu /view/162707.htm濾波、HYPERLINK :/baike.baidu /view/554890.htm時鐘和HYPERLINK :/baike.baidu /view/190234.htm載波恢復等。在實際的調諧解調電路中，采用的是非相干載波解調，本振信號與發射端的載波信號存在頻率偏差和相位抖動，因而解調出來的模擬I、QHYPERLINK :/baike.baidu /view/49

4、283.htm基帶信號是帶有載波誤差的信號。這樣的模擬基帶信號即使采用定時準確的時鐘進行取樣判決，得到的數字信號也不是原來發射端的調制信號，誤差的積累將導致抽樣判決后的誤碼率增大，因此數字QPSK解調電路要對載波誤差進行補償，減少非相干載波解調帶來的影響。此外，ADC的取樣時鐘也不是從信號中提取的，當取樣時鐘與輸入的數據不同步時，取樣將不在最佳取樣時刻進行所得到的取樣值的統計信噪比就不是最高，誤碼率就高，因此，在電路中還需要恢復出一個與輸入符號率同步的時鐘，來校正固定取樣帶來的樣點誤差，并且準確的位定時信息可為數字解調后的信道糾錯解碼提供正確的時鐘。校正辦法是由定時恢復和載波恢復模塊通過某種算

5、法產生定時和載波誤差，插值或抽取器在定時和載波誤差信號的控制下，對HYPERLINK :/baike.baidu /view/404970.htmA/D轉換后的取樣值進行抽取或插值濾波，得到信號在最佳取樣點的值，不同芯片采用的算法不盡一樣，例如可以采用據輔助法(DA)載波相位和定時相位聯合估計的最大似然算法。本文用Matlab軟件對QPSK通信系統的發射和接收過程的具體實現進行了模擬仿真,并對各模塊進行了頻譜分析。HYPERLINK :/ hudong /editsectionauth/qpsk/1HYPERLINK javascript:void(0)HYPERLINK l catalogQ

6、PSK調制示意圖 偏移四相相移鍵控信號簡稱“O-QPSK”。全稱為offset QPSK，也就是相對移相方式OQPSK。它具有一系列獨特的優點，已經廣泛應用于HYPERLINK :/ hudong /wiki/無線通信無線通信中，成為現代通信中一種十分重要的調制HYPERLINK :/ hudong /wiki/解調解調方式。在數字信號的調制方式中QPSK四相移鍵控是最常用的一種衛星數字信號調制方式,它具有較高的頻譜利用率、較強的HYPERLINK :/ hudong /wiki/抗干擾抗干擾性、在電路上實現也較為簡單。1.2qpsk-特點HYPERLINK :/ hudong /editse

7、ctionauth/qpsk/5特性分析 四相相移調制是利用載波的四種不同相位差來表征輸入的數字信息，是四進制移相鍵控。QPSK是在M=4時的調相技術，它規定了四種載波相位，分別為45，135，225，275，HYPERLINK javascript:linkredwin(調制器);調制器輸入的數據是二進制數字序列，為了能和四進制的載波HYPERLINK :/ hudong /wiki/相位相位配合起來，則需要把二進制數據變換為四進制數據，這就是說需要把二進制數字序列中每兩個比特分成一組，共有四種組合，即00，01，10，11，其中每一組稱為雙比特碼元。每一個雙比特碼元是由兩位二進制信息比特組

8、成，它們分別代表四進制四個符號中的一個符號。QPSK中每次調制可傳輸2個信息比特，這些信息比特是通過HYPERLINK :/ hudong /wiki/載波載波的四種相位來傳遞的。解調器根據星座圖與接收到的載波信號的相位來判斷發送端發送的信息比特。 數字調制用“星座圖”來描述，星座圖中定義了一種調制技術的兩個基本參數：（1）信號分布；（2）與調制數字比特之間的HYPERLINK :/ hudong /wiki/映射映射關系。星座圖中規定了星座點與傳輸比特間的對應關系，這種關系稱為“映射”，一種調制技術的特性可由信號分布和映射完全定義，即可由星座圖來完全定義。首先將輸入的串行二進制信息序列經串并

9、變換，變成m=log2M個并行HYPERLINK :/ hudong /wiki/數據流數據流，每一路的數據率是R/m，R是串行輸入碼的數據率。I/Q信號發生器將每一個mHYPERLINK :/ hudong /wiki/比特比特的字節轉換成一對（pn，qn）數字，分成兩路速率減半的序列，電平發生器分別產生雙極性二電平信號I(t)和Q(t)，然后對coswct和sinwct進行調制，相加后即得到QPSK信號。 QPSK是一種HYPERLINK :/ hudong /wiki/頻譜頻譜利用率高、抗干擾性強的數調制方式, 它被廣泛應用于各種通信系統中. 適合衛星廣播。例如，數字衛星電視DVB2S

10、標準中，信道噪聲門限低至4. 5 dB，傳輸碼率達到45M bs，采用QPSK 調制方式，同時保證了信號傳輸的效率和誤碼性能。1.3qpsk-OQPSKHYPERLINK :/ hudong /editsectionauth/qpsk/7HYPERLINK javascript:void(0)HYPERLINK l catalogoqpsk OQPSK信號，它的頻帶利用率較高，理論值達1b/s/Hz。但當碼組0011或0110時，產生180的載波相位跳變。這種HYPERLINK :/ hudong /wiki/相位相位跳變引起包絡起伏，當通過非線性部件后，使已經濾除的帶外分量又被恢復出來，導致

11、頻譜擴展，增加對相鄰波道的干擾。為了消除180的相位跳變，在QPSK基礎上提出了OQPSK。 OQPSK是在QPSK基礎上發展起來的一種恒包絡數字HYPERLINK :/ hudong /wiki/調制技術調制技術。這里，所謂恒包絡技術是指已調波的包絡保持為恒定，它與多進制調制是從不同的兩個角度來考慮調制技術的。恒包絡技術所產生的已調波經過發送帶限后，當通過非線性部件時，只產生很小的頻譜擴展。這種形式的已調波具有兩個主要特點，其一是包絡恒定或起伏很小；其二是已調波頻譜具有高頻快速HYPERLINK javascript:linkredwin(滾降);滾降特性，或者說已調波旁瓣很小，甚至幾乎沒有

12、旁瓣。采用這種技術已實現了多種調制方式。一個已調波的頻譜特性與其相位路徑有著密切的關系，因此，為了控制已調波的頻率特性，必須控制它的相位特性。恒包絡調制技術的發展正是始終圍繞著進一步改善已調波的相位路徑這一中心進行的。OQPSK也稱為偏移四相相移鍵控（offset-QPSK），是QPSK的改進型。它與QPSK有同樣的相位關系，也是把輸入碼流分成兩路，然后進行HYPERLINK :/ hudong /wiki/正交調制正交調制。不同點在于它將同相和正交兩支路的碼流在時間上錯開了半個碼元周期。由于兩支路碼元半周期的偏移，每次只有一路可能發生極性翻轉，不會發生兩支路HYPERLINK :/ hudo

13、ng /wiki/碼元碼元極性同時翻轉的現象。因此，OQPSK信號相位只能跳變0、90，不會出現180的相位跳變。1.4qpsk-應用HYPERLINK :/ hudong /editsectionauth/qpsk/9qpsk 信號源 QPSK數字電視調制器采用了先進的數字信號處理技術，完全符合HYPERLINK :/ hudong /wiki/DVB-SDVB-S標準，接收端可直接用數字衛星接收機進行接收。它不但能取得較高的頻譜利用率，具有很強的抗干擾性和較高的性能價格比，而且和模擬FM微波設備也能很好的兼容。 QPSKHYPERLINK :/ hudong /wiki/數字電視數字電視調

14、制器在對數據流的處理上采用能量擴散的隨機化處理、RSHYPERLINK :/ hudong /wiki/編碼編碼、卷積交織、收縮卷積編碼、調制前的基帶成形處理等，保證了數據的傳輸性能。性能特點：1、進行原有的電視微波改造，可用30M帶寬傳送5至8套DVD效果的圖像；2、用調頻HYPERLINK :/ hudong /wiki/微波微波的價格達到MMDS的效果，實現全向發射；3、可進行數字加密，對圖象絕無任何損傷。2、發射部分系統設計仿真仿真時,程序結構流程如圖示:圖1程序結構流程圖計算機模擬產生的隨機輸入二進制數據的頻譜如圖2所示。串/并轉換后的I、Q兩路二進制數據分量進行插0轉換采樣率后的頻

15、譜如圖3所示。 脈沖成形濾波器選用升余弦濾波器,升余弦濾波器的設計關鍵是滾降因子的選取,的取值在0到1之間,這里的值取0. 1。脈沖成形濾波器的沖擊響應和轉移函數以與I、Q兩路分量濾波后的頻譜如圖4所示。調制后的頻譜如圖5所示。對接受部分進行模擬采用相干解調方法,即用兩路正交的相干載波分離出兩路正交的2PSK信號。解調后的兩路基帶信元經過并/串轉換后, 成為串行數據輸出。3、接收部分系統設計仿真 這里采用相干解調方法,即用兩路正交的相干載波分離出兩路正交的2PSK信號。解調后的兩路基帶信元經過并/串轉換后, 成為串行數據輸出。仿真實驗結果分別如圖5、6、7、8、9所示。4、源程序程序如下：%

16、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;elseinput(i)=0;endend%Series to Parallelfor i=1:dataif rem(i,

17、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);Qzero(i)=Q(fix(i-1)/zero)+1);elseIzero(i)=0;Qzero(i)=0;endend%P

18、ulse 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)=Qpulse(i).*(-sqrt(2)*sin(2*pi*Fc*t(i);endsum=Imod+Qmod;% QPSK Re

19、ceiver% 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 i=1:zero*dataIsel(i)=Imat(i+N);Qsel(i)=Qmat(i+N);end% Sample

20、rfor 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% Parallel to Seriesfor i = 1:dataif rem(i, 2)= 1if Ifinal(i)=

21、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 -40 140)gridtitle(Spectrum of I-channel data)subplot(222)plot(

22、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 zero*data -20 140)gridtitle(Spectrum of Q-channel data after

23、 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)plot(20*log(abs(fft(Ipulse)axis(0 zero*data+N -250 150)gridt

24、itle(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*data+N -250 150)gridtitle(Spectrum of I-channel after modulati

25、on)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 demodulation)subplot(222)plot(20*log(abs(fft(Qdem)axis(0 zero*data+N -2

26、00 150)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)gridtitle(Spectrum of Q-channel after matched filter)figure(6)s

27、ubplot(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(Ifinal)axis(0 data -40 150)gridtitle(Spectrum of I-channel afte

28、r 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)figure(8)plot(Isam, Qsam, X)axis(-1.2 1.2 -1.2 1.2)gridtitle(Const

29、ellation of sampler)figure(9)plot(20*log(abs(fft(final)axis(0 data 0 120)gridtitle(Spectrum of final received binary data)通過編程模擬QPSK過程,得到信號傳輸過程中的時域圖.從圖一可以知道:在理想情形下,信號的解調和調制過程中,信號只出現了很小的波動,在加噪信道號的波動圍雖然變大,但不會影響到解調后信號的識別.即在Matlab編程模擬的過程中,QPSK調制解調即使在加有白噪聲干擾時,也能進行有效的解碼.根據相位調制的特點,我們可以從圖二中看到調制信號(正交支路)在二進制信號每發生一次電平的躍變時發生相位跳變.在信噪比低于7dB的情形下,理論誤碼率和實際誤碼相差很小.