QPSK调制解调的simulink仿真

QPSK调制解调的simulink仿真与性能分析一、设计目的和意义
学会使用MATLAB中的simulink仿真软件，了解其各种模块的功能，用simulink 实现QPSK的调制和仿真过程，得到调制信号经高斯白噪声信道，再通过解调恢复原始信号，绘制出调制前后的频谱图，分析QPSK在高斯信道中的性能，计算传输过程中的误码率。

通过此次设计，在仿真中形象的感受到QPSK的调制和解调过程，有利于深入了解QPSK的原理。

同时掌握了simulink的使用，增强了我们学习通信的兴趣，培养通信系统的仿真建模能力。

二、设计原理
（一）QPSK星座图
QPSK是Quadrature Phase Shift Keying的简称，意为正交移相键控，是数字调制的
一种方式。

它规定了四种载波相位，分别为
0,
2
π
, π,
3
2
π
(或者
4
π
，
3
4
π
，
5
4
π
，
7
4
π
)，
星座图如图1（a）、（b）所示。

图1 QPSK星座图
（二）QPSK的调制
因为输入信息是二进制序列，所以需要将二进制数据变换成四进制数据，才能和四进制的载波相位配合起来。

采取的办法是将二进制数字序列中每两个序列分成一组，共四种组合（00,01,10,11），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（a）（b）
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每次调制可传输两个信息比特。

图2的（a）、(b)、(c)原理框图即为QPSK的三种调制方式，本次课程设计主要采用的是正交调制方式。

（a）正交调制法
（b）相位选择法
（c）脉冲插入法
图2 QPSK的主要调制方式
（三）QPSK的解调
QPSK信号可以用两个正交的载波信号实现相干解调，它的相干解调器如图3所示，正交路分别设置两个匹配滤波器，得到I（t）和Q（t），经电平判决和并转串即可恢复出原始信息。

图3 QPSK相干解调器
三、详细设计步骤
（一）QPSK调制电路
查阅资料，熟悉simulink的工作环境，理解simulink的模块功能，根据图2（a）的方框图搭建QPSK调制电路（图4）：采用Buffer和Demux将信号源进行串并转换，Unipolar to Bipolar实现电平转换。

图4 QPSK调制仿真图
（二）AWGN信道模型
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。

此模块继承它的输入信
号的采样时间。

由于输入信号为连续的信号，所以控制信道信噪比的方式选择控制高斯噪声标准差的方式器变量之间关系为：
/10SignalPower SymbolPeriod
Variance SampleTime 10s o
E N Noise ⨯=⨯
其中Es/No 为信号能量比噪声功率谱密度。

（三）QPSK 解调电路
根据图3的方框图搭建QPSK 解调电路（图5）：载波采用调制时的载波信号，解调后的信号经位定时后判决得到并行二进制序列，再经并转串输出二进制序列。

图5 QPSK 解调仿真电路
（四）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，进行错误统计，使用display 模块显示将比特错误率输出。

由于采用buffer 会产生时延，误码率较高，所以在设计时采用simulink 里已有的QPSK 调制模块QPSK Modulator baseband 和解调模块QPSK Demodulator Baseband 对信号进行调制和解调，信号源采用随机信号源Random Integer Generator,搭建出QPSK 的调制解调仿真图，如图6所示。

图6 QPSK系统框图
（五）主要的参数设计
1)Random integer generator参数：M-ary number—4;Sample time---0.000005;
2)QPSK Modulator Baseband参数: Input type---Integer;Phase offset---pi/4；
3)AWGN参数:Mode---Variance from mask;Variance 1；
4)QPSK Demodulator Baseband参数：Output type---Integer;Phase
offset---pi/4；
5)Error Rate Calculation参数：Receive delay---0;Output data---port；
6)载波（Sine Wave）参数:Frequency---2*pi*30000000;Phase---正弦0（余弦
pi/2）；
四、设计结果及分析
（一）信号调制解调后的时域波形图
由于仿真时示波器采样时间过少时会造成波形失真，而信号频率很高时仿真时间过长，所以采用数据低传输速率，载波也采用低频信号进行模拟仿真。

如图7。

图7 QPSK调制时域波形图
从模拟仿真图中可以看出QPSK调制过程产生了四种相位，与理论相符合。

（二）数据源的频谱图
图8 数据源的频谱图
（三）QPSK调制后的频谱
图9 QPSK调制后的频谱
（四）QPSK解调后的频谱
图10 QPSK解调后的频谱
上面调制解调结果显示，完成QPSK信号在高斯通道上的调制，传输，解调过程，调制过程中采用上变频进行调制后再在高斯通道上传输，再通过下变频解调出QPSK调制信号，最后解调，通过Error Rate Calculation 模块统计出在高斯标准差 =0时，无噪声时，误比特率为0.63%；标准差Variance=0.8时，Es/No =-6.0dB时，误比特率为4.5%；高斯标准差Variance=2，Es/No =-10dB时，误比特率为18.8%。

（五）星座图
（a)未经高斯信道的星座图
（b)经高斯通道的星座图
图11 QPSK星座图
从两星座图比较可以得出，经过高斯通道后，信号发生了误码，但大部分还是保留
了原来的特性。

(六)误码曲线图
本次课程设计主要采用matlab的bertool工具下的Bit Error Rate Analysis Tool 模块进行误码统计的，设置如图11所示，该工具能够直接绘制出Simulink仿真的误码曲线图。

得到的误码曲线图如图12所示。

图11 bertool设置图
图12 高斯通道下的QPSK误码曲线图
QPSK的误码主要来源于高斯信道的噪声干扰，以及信号的码间串扰。

其次由于位定时不准确也会造成抽样判决错误，导致信号与原始信号不同，产生误码。

五、体会
这次课程设计让我深刻体会到数字信号的QPSK调制传输及解调过程，利用Simulink专业库Communications Blockset中的Modulation模块库所提供的“QPSK Modulator Baseband”“QPSK Demodulator Baseband”等模块实现QPSK的系统设计，并输出误码率，信道中的噪声为高斯白噪声。

三周的课程设计很快结束了，不仅检验了我所学的通信原理的基本知识，同时让我熟悉了Matlab的simulink仿真的一些基本操作。

刚开始时连正弦信号在scope中显示都很难做到，正弦信号的参数设计也是一大难题，经过查阅资料，终于弄清楚最基本的模块的用法。

这次设计中遇到的最大的问题是数据源的串转并和并转串模块，此模块花费很多时间去设计，最终设计出的串转并和并转串模块虽不理想（存在延时）但是实现了数据的串转并和并转串。

各个模块参数的设计是设计中最难的一部分，因为一个参数设计不对会导致结果错误。

最终经过不断的查找资料请教老师，终于完成了QPSK的调制与解调。

最后感谢我的指导老师刘伟老师，老师严谨细致、一丝不苟的作风一直是我们工作、学习中的榜样，以及热情回答我的每一个问题，这给了我很大的帮助，才使得我完成这门课程设计。

六、参考文献
曹志刚，现代通信原理，清华大学出版社，2011年
沈辉，SIMULINK系统仿真与控制,北京大学出版社，2003年
薛定宇，基于MATLAB/Simulink的系统仿真技术及应用，清华大学出版社，2011年张德丰，MATLAB/Simulink建模与仿真实例精讲，机械工业出版社，2010年
樊昌信曹丽娜，通信原理，国防工业出版社，2010年
李晓峰，通信原理，清华大学出版社，2008年
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