沈阳理工大学课程设计专用纸
摘要
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。四相相移键控信号简称“QPSK”。在现代通信系统中，调制与解调是必不可少的重要手段。所谓调制，就是把信号转换成适合在信道中传输的形式的一种过程。解调则是调制的相反过程，而从已调制信号中恢复出原信号。本课程设计主要介绍通过进行QPSK调制解调的基带仿真，对实现中影响该系统性能的几个重要问题进行了研究。针对QPSK的特点，调制前后发生的变化，加上噪声后波形出现的各种变化，通过星座图、眼图、波形图等来观察。程序设计与仿真均采用MATLAB集成环境下的Simulink仿真平台，最后仿真详单与理论分析一致。
关键词：QPSK调制解调； Simulink仿真平台；MATLAB7.0 ；噪声 。
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目录
一、 实验目的 ..................................................................................................... 1 二、 实验内容 ..................................................................................................... 1 三、 设计原理 ..................................................................................................... 1 1. Simulink简介 ............................................................................................. 1 2. QPSK星座图 .............................................................................................. 2 3. QPSK的调制 .............................................................................................. 2 4.QPSK的解调 ............................................................................................... 4 四、 设计步骤 ..................................................................................................... 4 五、 设计结果及分析 ......................................................................................... 7 1.信号调制解调后的时域波形图 .................................................................. 7 2.数据源的频谱图 .......................................................................................... 7 3.QPSK调制后的频谱 ................................................................................... 8 4.QPSK解调后的频谱 ................................................................................... 8 5.误码曲线图 .................................................................................................. 9 六、 体会 ........................................................................................................... 10 七、 参考文献 ................................................................................................... 10
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一、实验目的
1、理解电子信号通信原理。 2、熟悉系统建模方法。
3、配置电子信号，设计相关应用方法。
二、实验内容
1、利用Matlab-Simulink建立系统模型。
2、信号参数：信息速率80Hz，载波中心频率15MHz，采样频率120MHz。 3、依据相关参数，产生QPSK调制信号。 4、设计一种方法完成QPSK信号的数据解调。
三、设计原理
1. Simulink简介
Simulink是MATLAB最重要的组件之一，它提供一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境。在该环境中，无需大量书写程序，而只需要通过简单直观的鼠标操作，就可构造出复杂的系统。Simulink具有适应面广、结构和流程清晰及仿真精细、贴近实际、效率高、灵活等优点，并基于以上优点Simulink已被广泛应用于控制理论和数字信号处理的复杂仿真和设计。同时有大量的第三方软件和硬件可应用于或被要求应用于Simulink。
Simulink是MATLAB中的一种可视化仿真工具， 是一种基于MATLAB的框图设计环境，是实现动态系统建模、仿真和分析的一个软件包，被广泛应用于线性系统、非线性系统、数字控制及数字信号处理的建模和仿真中。Simulink可以用连续采样时间、离散采样时间或两种混合的采样时间进行建模，它也支持多速率系统，也就是系统中的不同部分具有不同的采样速率。为了创建动态系统模型，Simulink提供了一个建立模型方块图的图形用户接口(GUI) ，这个创建过程只需单击和拖动鼠标操作就能完成，它提供了一种更快捷、直接明了的方式，而且用户可以立即看到系统的仿真结果。Simulink是用于动态系统和嵌入式系统的多领域仿真和基于模型的设计工具。对各种时变系统，包括通讯、控制、信号处理、视频处理和图像处理系统，Simulink提供了交互式图形化环境和可定制模块库来对其进行设计、仿真、执行和测试。.构架在Simulink基础之上
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的其他产品扩展了Simulink多领域建模功能，也提供了用于设计、执行、验证和确认任务的相应工具。Simulink与MATLAB紧密集成，可以直接访问MATLAB大量的工具来进行算法研发、仿真的分析和可视化、批处理脚本的创建、建模环境的定制以及信号参数和测试数据的定义。
2. 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, 星座图如图1（a）、（b）所示。
3357 , , (或者，，，)，224444（a）
（b）
图1 QPSK星座图
3. 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），每一组称为双比元。每一个双比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.。
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（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
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4.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
四、设计步骤
1.QPSK调制电路
图4 QPSK调制仿真图
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2.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：
NoiseVarianceSignalPower SymbolPeriodSampleTime10Es/No10
其中Es/No 为信号能量比噪声功率谱密度。
3.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
4.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。
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图6 QPSK系统框图
5.主要参数设计
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）；
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五、设计结果及分析
1.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。
2.数据源的频谱图
图8 数据源的频谱图
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3.QPSK调制后的频谱
图9 QPSK调制后的频谱
4.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。（变量设置：信息速率80Hz，载波中心频率15MHz，采样频率120MHz）
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5.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
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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。
六、体会
这次课程设计让我深刻体会到数字信号的QPSK调制及解调过程，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。这几周的课，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，但是经过查阅资料，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，终于按要求完成了QPSK调制信号的产生和解调实验。
七、参考文献
[1] 曹志刚，现代通信原理，清华大学出版社，2011年
[2] 沈辉，SIMULINK系统仿真与控制,北京大学出版社，2003年
[3] 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
[4] 张德丰，MATLAB/Simulink建模与仿真实例精讲，机械工业出版社，2010年 [5] 樊昌信 曹丽娜，通信原理，国防工业出版社，2010年 [6] 李晓峰，通信原理，清华大学出版社，2008年
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