毕设—QPSK的调制解调

目录

摘要 (1)

ABSTRACT (2)

第1章绪论 (4)

1.1课题背景、目的及意义 (4)

1.2课题的主要内容 (5)

1.3本论文的结构安排 (5)

第2章调制解调技术 (6)

2.1常见的调制解调技术 (6)

2.2QPSK技术 (6)

2.2.1 QPSK原理 (6)

2.2.2 QPSK实际应用 (10)

2.3比较联系 (11)

2.4QPSK应用前景 (12)

第3章 MATLAB简介 (13)

3.1M ATLAB概貌 (13)

3.1.1 MATLAB的发展 (13)

3.1.2 Matlab的主要功能 (14)

3.2M ATLAB的优势及特点 (14)

3.2.1 Matlab的优势 (14)

3.2.2 Matlab 语言的特点 (14)

第4章 QPSK调制解调设计 (16)

4.1设计步骤 (16)

4.2QPSK的调制解调 (17)

4.3QPSK在高斯噪声情况下调制解调 (21)

4.4QPSK抗噪声性能仿真 (25)

第五章结论与总结 (27)

参考文献 (28)

致谢 (29)

附录1 代码 (31)

附录2 外文文献及翻译 (39)

外文文献 (39)

中文翻译 (43)

附录3 毕业设计任务书 (46)

附录4 开题报告 (48)

华北水利水电学院本科生毕业设计开题报告 ............ 错误！未定义书签。

摘要

在21世界信息飞速发展的时代，各个国家对通信行业的支持更是不遗余力。当前我国3G行业正值蓬勃发展，国家又在大力倡导三网融合。各个运营商都在极力扩展自己的业务。这也在为客户服务方面有了更高的要求、更高的质量。众所周知，调制解调技术是信号传输的基本和核心。好的技术能够快速地传递用户信息，并且有着高的准确性（即非常低的误码率）和可靠性。QPSK调制解调技术以其高的解调速率、低的误码率，在CDMA领域得到广泛应用。此项研究，对通信行业的发展有着积极推进的作用，利于提高我国通信行业的技术水准，以便于更好的为国家和人民服务。

论文分作五部分，第一章是绪论，简单阐述QPSK课题的研究背景以及课题内容和整个论文的结构安排；第二章简单介绍了了QPSK调制解调的原理和方法，系统阐述了最常见的2ASK、2PSK、2FSK的原理和方法，最后再对他们做一个系统的比较，以便明白QPSK的优点和性能；第三章是对所用工具MATLAB做一个大概的阐述，讲解了MATLAB的发展、性能、所用于语言，以及在各个领域的应用。为后边编写程序做下准备、第四章针对此次课题QPSK的调制解调提出具体的方案，按调制和解调的步骤，一步步编写出程序，然后，利用MATLAB工具对程序做出相应的仿真，在仿真过程中加入噪声分析，最后在对它的误码率做一个研究；第五章是对整个毕设的结论和总结，感悟自己在这一时间内的所学所感，对自己的努力做一个回顾，以便在今后的生活和学习中，有更进一步的提高

首先介绍了QPSK的调制解调原理，接着提出了一种基于MATLAB的调制解调方案，包括串并转换、电平转换、载波调制、信号合成、相干解调、抽样判决，和并串转换一系列系统的设计，对QPSK的星座图和调制解调进行了仿真，并对系统性能进行了分析，进而证明QPSK调制技术的优越性。

关键字：QPSK 调制解调电平转换相干解调抽样判决

Abstract

In the twenty-first century,the information in the era of rapid development of various countries in the world, and the communications industry support is spare no effort. .Current, China 3G industry was booming, and vigorously promote national integration in the. Various operators are trying to expand their business. This is also for customer service had higher demand, higher quality. As everyone knows, modulation and demodulation technology is the basic and core of signal transmission. Good technology can rapidly transfer the user information, and with high accuracy (i.e., very low bit error rate ) and reliability. QPSK modulation and demodulation technology for its high demodulation rate, low error rate, have been widely applied in CDMA. In this study, the communications industry development has a positive promotion role, help improve China's communication industry technical standards, in order to better serve our country and our people.

The paper is divided into five parts, the first chapter is the introduction, introduced QPSK the research background of the subject and topic content and the organization of this thesis; the second chapter briefly introduces the QPSK modulation and demodulation principle and method, the system elaborated the most common 2ASK,2PSK,2FSK principle and method, finally to make one a systematic comparison, in order to understand the advantages of QPSK and performance; the third chapter is on the tool used MATLAB do probably explain, explain the development of MATLAB, performance, is used for the language, as well as in the various fields of application. For behind the program do preparation, in the fourth chapter the task of modulation and demodulation of QPSK put forward the concrete scheme according to the modulation and demodulation, step, step by step preparation procedures, and then, using MA TLAB tools to make the corresponding simulation program, in the process of simulation adding noise analysis, at last on its bit error rate do a study; Chapter fifth is on the whole complete set of conclusions and summary, feeling myself at this time what are, on their own to do a review, so that in the future life and study, has further improved

First, the article will introduce the QPSK modulation and demodulation principle, then proposed one kind based on the MATLAB modulation and demodulation of the program, including the string and the conversion, conversion, carrier modulation, signal synthesis, coherent demodulation,

sample sentences and string conversion, and a series of system design, the QPSK constellation diagram and the modulation and demodulation of the simulation, and the performance of the system are analyzed, and then proved the superiority of QPSK modulation technology.

Keyword: QPSK Modulation and Demodulation Level Conversion

Coherent Demodulation The sample Sentences

第1章绪论

1.1 课题背景、目的及意义

在现代通信领域里，随着人民生活水平的提高，对于通信的质量及效率有着明显的要求，尤其是近几年，我国迅速步入了全民”3G”时代，通信业务需求的快速增长，高效的调制解调技术已经成为研究和发展的方向。

1.1.1 QPSK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仿真的意义

通过完成设计内容，学习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。

通过本次实验，除了培养了自主动手学到了知识之外，还可以将次研究作为一种推广，让自己来深入一层的了解QPSK以至其他调制方式的原理和实现方法。可以方便自己进行测试和对比。

1.2 课题的主要内容

通过指导老师提供以及自己查阅的资料，首先，对QPSK进行深一步的学习和研究，明白QPSK技术的优点和不足，以便为以后做实验做下基础。其次，利用所学知识如：二进制振幅键控（2ASK）、二进制频移键控（2FSK）、和二进制相移键控（2PSK），进行复习和巩固，进一步明白它们和QPSK的区别。最后，利用MATLAB工具对QPSK 进行模拟和仿真。

1.3 本论文的结构安排

1.阐述QPSK的基本原理，了解它的调制解调原理。

2.分析QPSK的特性，并与2ASK、2FSK、2PSK进行对比。

3.设计出合理的程序并用运用matlab对其仿真。

4.对于不成功的地方进行分析和改进。

第2章调制解调技术

2.1 常见的调制解调技术

1、二进制振幅键控

振幅键控就是利用载波的幅度变化来传递数字信息，而其频率和初始相位保持不变。在2ASK中，载波的幅度只有两种变化状态，分别对应二进制信息”0”或是“1”。

2、二进制频移键控

频移键控是利用载波的频率变化来传递数字信息。在2FSK中，载波的频率随二进制基带信号在f1和f2两个频率点间变化。

3、二进制相移键控

相移键控就是利用载波的相位变化来传递数字信息，而振幅和频率保持不变。在2PSK中，通常用初始相位0和π分别表示二进制数字“0”和“1”。

2.2 QPSK技术

2.2.1 QPSK原理

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

10

00

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。

图2-1 QPSK 相位图

以π/4 QPSK 信号来分析

当输入的数字信息为“10”码元时，输出已调载波

?

?? ?

?

+4ππ2c o s c t f A (2-1)

当输入的数字信息为“00”码元时，输出已调载波

?

?? ?

?

+43ππ2c o s c t f A (2-2)

当输入的数字信息为“01”码元时，输出已调载波

?

?? ??

+45ππ2cos c t f A (2-3)

当输入的数字信息为“11”码元时，输出已调载波

?

?? ??

+47ππ2cos c t f A (2-4)

图2-2 QPSK调制框图

图2-3 QPSK调制规则

接收机收到某一码元的QPSK信号可表示为：

yi(t)=a cos(2πfct+φn) 其中

(2-5)

图2-4 QPSK 解调原理分析

由QPSK 的解调框图得到：

(2-6)

(2-7)

(2-8)

.4

7π,45π,43π,4π=

n ?)

π2cos()()()(c n i B A t f a t y t y t y ?+===n

n n B a

t f a t f t f a t z ???sin 2

)π4sin(2)2ππ2cos()π2cos()(c c c ++-=++=n n c c n c A a

t f a t f t f a t z ???cos 2

)π4cos(2π2cos )π2cos()(++=+=

(2-9)

2-5 QSK 信号解调器的判决准则

2.2.2 QPSK 实际应用

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

符号相位n ? n ?cos 的极性 n ?sin 的极性

判决器输出

A

B 4/π

+ + 1 1 4/3π

- + 0 1 4/5π

- - 0 0 4/7π

+

-

1

n

B n A a

t x a t x ??sin 2

)(,cos 2)(==

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。

2.2.3、QPSK技术特点

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。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。

2.3 比较联系

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。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。

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 bös，采用QPSK 调制方式，同时保证了信号传输的效率和误码性能。

在数字信号的调制方式中，所学的2ASP、2FSP、2KSP是比较早的理论，

随着时代的发展，科技的进步，人民生活水平的提高，对通信行业有着越来越高的要求。QPSK技术的出现，解决了许多技术上的问题。和QPSK最接近的是2PSK技术。2PSK技术是运用“0”和“1”进行编码；而QPSK运用四个相位进行编码。也就是说QPS利用载波的四种不同相位来表示数字信息。对输入的码元进行划分，每两个比特码编为一组。然后用四种不同的相位来表示。所以QPSK又被称为双比特码元。由于每一种载波相位代表两个比特信息，因此每个四进制码元可以用两个二进制码元的组合来表示。

2.4 QPSK应用前景

随着进入21世纪，我国科技飞速发展，国民经济都有了巨大的提高，人民生活水平都有了质的改善。此时，正值我国3G行业迅速发展，各个运营商都在大力发展自己的业务，那么优质的服务就成为了竞争的优势。好的调制解调方法可以提高信息传递速度、信息质量、以及信息的安全。同时，在国家节能减排的大计方针下，三网融合也在大力的开展。作为三网之一的通信行业，我们也要积极响应国家的号，。努力提高自身行业的素质，为三网融合顺利地进行做好准备，肩负起自己应有的责任。提高通信质量，为人民提供最好的服务。

第3章 Matlab简介

Matlab是矩阵实验室（Matrix Laboratory）的简称，是美国MathWorks公司出品的商业应用软件，主要用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，主要包括Matlab和Simulink两大部分。

3.1 Matlab概貌

3.1.1 MATLAB的发展

MATLAB是英文MATrix LABoratory（矩阵实验室）的缩写。早期的MATLAB是用FORTRAN语言编写的，尽管功能十分简单，但作为免费软件，还是吸引了大批使用者。经过几年的校际流传，在John Little。Cleve Moler和Steve Banger合作，于1984年成立MathWorks公司，并正式推出MATLAB第一版版。从这时起，MATLAB的核心采用C语言编写，功能越来越强大，除原有的数值计算功能外，还新增了图形处理功能。

MathWorks公司于1992年推出了具有划时代意义的4.0版；1994年推出了4.2版扩充了4.0版的功能，尤其在图形界面设计方面提供了新方法；1997年春5.0版问世，5.0版支持了更多的数据结构，使其成为一种更方便、更完善的编程语言；1999年初推出的MATLAB5.3版在很多方面又进一步改进了MATLAB语言的功能，随之推出的全新版本的最优化工具箱和Simulink3.0达到了很高水平；2000年10月，MATLAB6.0版问世，在操作页面上有了很大改观，为用户的使用提供了很大方便，在计算机性能方面，速度变的更快，性能也更好，在图形界面设计上更趋合理，与C 语言接口及转换的兼容性更强，与之配套的Simulink4.0版的新功能也特别引人注目；2001年6月推出的MATLAB6.1版及Simulink4.1版，功能已经十分强大；2002年6月推出的MATLAB6.5版及Simulink5.0版，在计算方法、图形功能、用户界面设计、编程手段和工具等方面都有了重大改进；2004年，MathWorks公司推出了最新的MATLAB7.0版，其中集成了最新的MATLAB7编译器、Simumlink6.0仿真软件以及很多工具箱。这一版本增加了很多新的功能和特性，内容相当丰富。

Matlab主要面对科学计算、可视化以及交互式程序设计的高科技计算环境。它将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强

大功能集成在一个易于使用的视窗环境中，为科学研究、工程设计以及必须进行有效数值计算的众多科学领域提供了一种全面的解决方案，代表了当今国际科学计算软件的先进水平。

3.1.2 Matlab的主要功能

1.数值计算和符号计算功能

2.绘图功能

3.语言体系

4.MATLAB的工具箱

3.2 Matlab的优势及特点

3.2.1 Matlab的优势

(1) 工作平台编程环境十分友好

（2）编程语言简单易用

（3）数据的计算处理能力十分强大

（4）图像处理能力强大

（5）模块集合工具箱应用广泛

（6）程序的接口和发布平台很实用

（7）可以开发用户界面

3.2.2 Matlab 语言的特点

MATLAB语言被称为第四代计算机语言，其利用丰富的函数资源，使程序员从繁琐的程序代码中解放出来，其最突出的特点就是简洁。MATLAB用更直观的、符合人们思维习惯的代码，代替了C和FORTRAN语言的冗长代码，给用户带来最直观、最简洁的程序开发环境，下面简单介绍一下MATLAB的主要特点。

语言简洁紧凑，使用方便，库函数十分丰富。MATLAB程序书写的形式自由，利用丰富的库函数避开了繁琐的子程序编程任务，由于库函数都是由本领域的专家编

写，所以不必担心函数的可靠性。

高效方便的矩阵和数组运算，MATLAB语言不需要定义数组的维数，并给出了矩阵函数、特殊矩阵函数、特殊矩阵专门的库函数，使得在求解信号处理、建模、系统识别、优化和控制等领域的问题时，显得大为简洁、方便、高效，这是其他高级语言所不能的。

MATLAB既具有结构化的控制语句，又具有面向对象编程的特性。

MATLAB语法限制不严格，程序设计自由度大，通过建立M后缀名文件的形式，与用户已经编好的FORTRAN、C语言成语混合编程，方便地调用有关的FORTRAN、C 语言的子程序。可移植性很好，基本上不做修改就可以在各种型号的计算机和操作系统上面运行。

MATLAB的图形功能强大。在C和FORTRAN语言里，绘图都很不容易，但在MATLAB 里，数据的可视化非常简单。此外，MATLAB还具有较强的编辑图形界面的能力。

MATLAB拥有功能强大的工具箱，主要用来扩充其符号计算功能、图示建模仿真功能、文字处理功能以及与硬件实施交互功能。

源程序的开放性强。除内部函数以外，所有MATLAB的核心文件和工具箱文件都是可读可改变的源文件，用户可通过对源文件的修改以及加入自己的文件构成新的工具箱。

MATLAB软件自1984年推向市场以来，历经十几年的发展和竞争，现已成为国际公认的最优秀的科技应用软件。它功能强大、界面友好、语言自然、开放性强，很快成为应用学科计算机辅助分析、设计、仿真、教学乃至科技文字吹不可缺少的基础软件。

第4章 QPSK调制解调设计

4.1 设计步骤

QPSK即四进制移向键控（Quaternary Phase Shift Keying），它利用载波的四种不同相位来表示数字信息。若输入二进制数字信息，序列为1 0 1 0 0 1 0 1 1……则应对其进行划分，每两个比特码编为一组。即为10,10,01,01，等等。然后用四种不同的相位来表示。所以QPSK又被称为双比特码元。由于每一种载波相位代表两个比特信息，因此每个四进制码元可以用两个二进制码元的组合来表示。现在假设，在两个二进制码元中的前一个码元用a表示，后一个码元用b表示。则QPSK的调制解调可画出如下框图：

由于QPSK信号可以看作两个载波正交2PSK信号的合成，所以QPSK正调制器可参考通信原理（樊昌信，国防工业出版社，2007.8）。设计示意图如下：

图4-1 QPSK调制原理

通过上面对QPSK信号的调制，我门对QPSK有了更加深刻的认识。那么它的解调可以采用与2PSK信号类似的解调方法进行解调。同样参考通信原理（樊昌信，国

防工业出版社，2007.8），同相支路和正交支路分别采用相干解调方式解调，之后可以得到二者的和，经过抽样判决和串、并交换器，将上下之路得到的并行数据恢复为串行数据。那么此时就得到我们最初的原始信号，它的解调原理图如下所示：

图4-2 QPSK解调原理

因为QPSK的调制解调可以看做两个正交的二相调制解调的合成。所以QPSK的调制解调过程应该和2PSK调制解调相类似，同样可以分为调相法和相位选择法。我们就利用调相法设计出合理的源代码。

4.2 QPSK的调制解调

此次设计，把码元周期设定为T=0.1 s，载波频率设臵为fc=10HZ，MATLAB工具中，采样频率设定为fs=1800HZ。为了更加接近实际情况，在调制解调过程中加入高斯白噪声。

首先，按照编写的代码，输入二进制序列1、 -1、 -1 、1、 1 、1 、-1、 1，利用MATLAB绘制出如4-3所示图例

1

2

3

456

7

8

-1-0.8-0.6-0.4-0.200.2

0.40.60.81输入的二进制码元

码元间隔

码元

图4-3 输入的二进制码元

我们按照上面的框图设计出QPSK 的调制程序（此程序基于MATLAB 进行操作），其中I 路码元为奇数位码元，Q 路码元为偶数位码元，将二者合成之后，就得到所谓的正交相移键控（QPSK ），也就是四进制绝对调相4PSK 。它的调制解调按照后边附录程序进行QPSK 是由两路BPSK 信一号构成，且两路信号相互正交的，即相位差相差90o ，两路BPSK 信号相加，即得到QPSK 信号。下面所示图示即为I 路和Q 路的码元情况