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qpsk调制与解调的软件设计实现本科毕业论文 QPSK调制与解调的软件实现 摘要：随着移动通信技术的发展，以前在数字蜂窝系统中采用FSK、ASK、PSK 等调制方式，逐渐被许多优秀的调制技术所替代，其中四相移相键控QPSK技术是无线通信技术中比较突出的一种二进制调制方法。本文主要介绍了QPSK调制与解调的实现原理框图，重点研究了用MATLAB软件中的SIMULINK仿真功能对QPSK 调制与解调这一过程如何建立仿真模型，通过对仿真模型的运行，得到了信号在QPSK调制与解调调过程中的信号时域变化图。通过该软件实现方式，可以大大提高设计的灵活性，节约设计时间，提高设计效率，从而缩小硬件电路设计的工作量，缩短开发周期。 关键词：数字蜂窝系统，四相移相键控，调制，解调。 QPSK modulation and demodulation of software implementation Abstract：As mobile communications technology, and previously in the adoption of digital cellular system, ASK, FSK PSK modulation, etc. Gradually been many excellent modulation technology substitution, where four phase-shift keying QPSK technology is a wireless communications technology in a binary modulation method. This article primarily describes QPSK modulation and demodulation of the implementation of the principle of block diagrams, focuses on the MATLAB SIMULINK software emulation in on QPSK modulation and demodulation the process how to build a simulation model, through the operation of simulation model, I get signal in QPSK modulation and demodulation adjustment process domain change figure. The software implementation, can dramatically improve the design flexibility, saving design time, increase efficiency, design to reduce the workload of hardware circuit design, and shorten the development cycle. Key words：Digital cellular system, QPSK, modulation, demodulation. 目录 目录 第一章绪论 (1) 1.1 选题的目的与意义 (1) 1.2 研究背景与现状 (1) 1.3 数字调制解调技术的概述 (2) 1.4 QPSK技术的概述 (3) 1.5 本文的主要研究工作 (4) 第二章 QPSK调制解调原理及结构设计 (5) 2.1相移键控系统概述 (5) 2.1.1二进制相移键控 (5) 2.1.2四相相移键控 (5) 2.2 QPSK调制的工作原理 (6) 2.3 QPSK解调的工作原理 (7) 2.4 其它QPSK简介 (9) 第三章 QPSK调制解调的软件实现 (10) 3.1 SIMULINK功能介绍 (10) 3.2 SIMULINK特点 (10) 3.3 QPSK调制解调的软件设计 (11) 3.3.1 QPSK调制解调的软件实现方框图 (11) 3.3.2 QPSK调制解调过程主要组件的功能 (12) 3.4 QPSK调制解调仿真过程及其波形图 (13) 3.4.1 QPSK调制过程及其波形图 (13) 3.4.2 QPSK解调过程及其波形图 (21) 3.5 QPSK调制解调仿真过程正确性的验证 (27) 结束语 (28) 致谢 (29) 参考文献 (30) 附录 (31) 第一章绪论 1.1 选题的目的与意义 随着通信的发展，网络的日益普及，通信网络已经渗透到社会的各个领域，通信产品也随处可见。通信技术现已成为人们学习、生活、工作的必备工具，但我们在享受网络带给我们的便利的同时，又发现，速度是如此之慢。于是，如何有效、可靠地把消息传输和交换成为了通信领域研究的重点。各种的Internet宽带接入方式，如前期的ISDN、现在的ADSL以及Cable Modem等等，都相继产生。而充分利用频率资源，使用高效调制方式，实现尽量高的接入速率，成为宽带技术的关键所在。本文针对当今宽带接入技术中应用最为广泛的QPSK调制技术进行了理论研究，阐述QPSK调制解调的实现过程，并运用软件实现手段对信号变换过程加以分析，希望有所收获。 1.2 研究背景与现状 自1897年意大利科学家GMARCONI首次使用无线电波进行信息传输并获得成功后，在一个多世纪的时间中，在飞速发展的计算机和半导体技术的推动下，无线通信的理论和技术不断取得进步，今天，无线移动通信已经发展到大规模商用并逐渐成为人们日常生活不可缺少的重要通信方式之一。随着数字技术的飞速发展与应用数字信号处理在通信系统中的应用越来越重要。数字信号传输系统分为基带传输系统和频带传输系统。频带传输系统也叫数字调制系统，该系统对基带信号进行调制，使其频谱搬移到适合信道传输的频带上数字调制信号有称为键控信号。在调制的过程中可用键控的方法由基带信号对载频信号的振幅，频率及相位进行调制。最基本的方法有三种；正交幅度调制（QAM），频移键控（FSK）和相移键控（PSK）随着大规模集成电路技术和工艺的进步，数字集成电路的复杂度和功能达到了前所未有的高度，推动了社会的数字化进程，以专用集成电路（ASIC）、数字信号处理器（DSP）和现场可编程逻辑门阵列（FPGA）为代表的，已经在工业生产中得到了大规模的应用。在技术和工艺进步的基础上，数字通信中调制解调算法的实现已不再是一件可望不可及的事情。可以说，无论是通信系统的内在要求（即算法复杂性决定接收的质量），还是外在条件（技术和工艺）都在促使通信系统的调制解调向数字化发展。 QPSK是目前卫星、微波和有线电视上行通信中最常用的一种单载波调制方式，在电路上实现比较简单，其频带利用率高，是BPSK的两倍，具有较强的抗 干扰性，当发射功率一定时，和BPSK的误码率相同。 1.3 数字调制解调技术的概述 数字信号调制是用基带数字信号控制高频载波，把基带数字信号变换为频带数字信号的过程，数字信号的调制设备包括数字信号处理(编码)单元和调制单元。 首先将模拟信号数字化，然而数字信号序列进行编码码流是不能或不适合直接通过传输信道进行传输的，必须经过某种处理，使之变成适合在规定信道中传输的形式。在通信原理上，这种处理称为信道编码，一般包括扰码，R-S编码，卷积交织，卷积编码这几部分；有关调制单元的调制类型的分类： (1)按数据类型数字调制可分为二进制调制和多进制调制两种。 (2)按已调信号的结构形式可分为线性调制和非线性调制两种。 (3)按数字调制方式分为调幅、调频和调相三种基本形式。 数字通信解调设备的构成如图12所示，主要包括解调单元、信码再生单元和译码单元。其中，载波同步和定时同步是解调器的2个核心单元，它们直接决定着解调器的误码性能。 在传统的数字通信系统中，接收机的解调单元都是用模拟处理方法和器件实现的。其中，共同之处在于使用了模拟滤波器、鉴相器(乘法器)和压控振荡器(VCO)。这种传统的模拟解调单元电路体积大、形式复杂；调试周期长而且受人为因素影响大：器件内部噪声大，易受环境影响，可靠性差；因此，这种传统的接收机不能完全发挥数字通信的优势，不能实现数字信号处理的最佳接收。 解调单元的载波同步和定时同步将完全在数字部分完成，而模数转换器的位置 决定了接收机的数字化程度。在全数字解调中，几乎所有的模拟解调单元和器件都可以对应地找到它的数字化形式，如数字滤波器(FIR或IIR)、全数字乘法器和数控振荡器等。但全数字解调并不是简单的将模拟解调中的器件全部数字化，它具有以下的特点： (1)电路结构简单，易于调试； (2)可以使用复杂的算法，从而实现最佳的接收； (3)便于计算机辅助设计，实现电子设计自动化(EDA)； (4)易于集成和大规模生产，价格低廉。 1.4 QPSK技术的概述 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°，275°，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。 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。在HFC网络架构中，从用户线缆调制解调器发往上行通道的数据采用QPSK方式调制，并用TDMA方式复用到上行通道。在有线电视系统中，卫星（大锅）输出的就是QPSK信号。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。 1.5 本文的主要研究工作 本文研究的主要内容是利用软件来实现QPSK的调制与解调。本次课题利用的软件是MATLAB软件中自带的SIMULINK仿真功能模块来进行对QPSK调制与解调过程的设计和仿真。其主要内容包括： 1.研究QPSK的调制原理和解调原理； 2.利用SUMULINK设计QPSK调制和解调仿真模型； 3.分析QPSK的调制解调过程信号的时域变化过程； 第二章 QPSK 调制与解调原理及结构设计 2.1相移键控系统概述 相移键控是目前扩频系统中大量使用的调制方式，也是和扩频技术结合最成熟的调制技术，原则上看是一种线性调制。从基带变换到中频以及射频，中间的频谱搬移和信号放大需要一个要求较高的线性信道，因而，设计要求较高。 相移键控系统中，有待传输的基带数字脉冲控制着载波相位的变化，从而形成振幅与频率不变，而相位取离散值变化的己调波。 2.1.1二进制相移键控 对于二迸制相移键控BPSK(Binary Phase Shift Keying) 来说，就是二进制的数字信号0和1分别用载波的0和来表示。其表达式由公式(2-1)给出： ()()cos BPSK n s c n S t a g t nT t =- (2-1) 式中，n a 为二进制数字， 11n a =+- (2-2) 2.1.2四相相移键控 四相相移键控QPSK 是MPSK 的一种特殊情况。它是利用载波四个不同的相位来表征数字信息的调制方式。QPSK 信号可以表示为： ()()cos()QPSK s c n n S t g t nT t ?=-+ (2-3) 式中，c 是载波的角频率，n ?是第k 个码元的载波相位取值，S T 是一个发送 码元的持续时间，它将取可能的四种相位之一，甙t)是发送码元的波形函数。n ?是可以取区问(0，2x)任何离散值的随机变量，可取的个数由调制方式的进制来决定。在QPSK 调制系统中，发送端可取的相位值为四个。 将上式展开，得到： ()()cos cos ()sin sin c QPSK s n c s n n n S t g t nT t g t nT t ?=- (2-4) 概率为P 概率为1-P 令cos n n X ?=，sin n n Y ?=，则两者的取值是随机的离散值，和选定的相位有关，在星座图的映射中对应同相和正交分量，反映其在映射图中的矢量位置。对于四种相位的选择，存在/2体系和n=/4体系。/2体系对应n=0，/2，3/2四个离散值。/4体系对应n=/4，3/4，5/4，7/4四个离散值。 从式(2_4)可以看出，四相调制的波形，可以看成是对两个正交载波进行二进制幅度调制的信号之和。从n X 和n Y 的取值，容易发现两者具有一定的矢量约束关系，保证两者合成的矢量点在落在同一圆周上。这个关系意味着，系统的非线形失真对QPSK 系统的可靠性影响很小。 2.2 QPSK 调制的工作原理 QPSK 信号有00、01、10、11四种状态。所以,对输入的二进制序列,首先必须分组,每两位码元一组。然后根据组合情况,用载波的四种相位表征它们。QPSK 信号实际上是两路正交双边带信号,可由图2.1所示方法产生。 图2.1 QPSK 调制原理图 由图1，可以看出，QPSK 是由两路BPSK 信号构成，且两路信号相互正交的,即相位差相差90°，两路BPSK 信号相加，即得到QPSK 信号。图2.1是比较常用的QPSK 调制方式。 2.3 QPSK 解调的工作原理 QPSK 信号是两个正交的2PSK 信号的合成,所以可仿照2PSK 信号的相平解调法,用两个正交的相干载波分别检测A 和B 两个分量,然后还原成串行二进制数字信号,即可完成。原理图如图2.2所示. 图2.2 QPSK 解调原理图 相干解调中，正交路和同相路分别设置两个相关器(或匹配滤波器)，得到I(t) 和Q(t)，经电平判决和并一串变换后即可恢复原始信息。当然，如果调制端是差分编码的，那么解调中并串变换后还需一个差分解码。 假如已调信号为()()cos ()sin c c QPSK S t I t t Q t t =+，I(t) 和Q(t) 分别为和正交路，c 为载波频率，那么相干解调后，同相路相乘可得 ()()cos ()cos ()sin cos c c c c QPSK I t S t t I t t Q t t t =+ 2()c o s ()s i n c o s c c c I t t Q t t t =+ (2-5) ()s i n 2()c o s 2() 222c c Q t t I t t I t =+ 正交路为 ()()sin ()cos ()sin sin c c c c q QPSK Q t S t t I t t Q t t t =+ 2()s i n c o s ()s i n c c c I t t t Q t t =+ (2-6) ()sin 2()cos2()222 c c I t t Q t t Q t =-+ 经过低通滤波器后，可得 ()2()()2()t I t Q t Qq t I t = (2-7) 经过判决电路后，由上式，不难得到如下表所示结果（同相路和正交路是经过极性转换的，1对应于二进制数据1，-1对应于二进制数据0）。 解调过程中涉及到信号的采样、数字下变频、载波同步、位同步等关键技术。 信号的采样是模拟信号与数字信号之间的一个通道，是数字化解调过程中一个及其关键的步骤。 数字下变频DDC(Digital Down Converter)是随着数字信号处理技术的发展而出现的，目前大量使用在数字中频技术中，它的根本任务就是实现数字中频到基带信号的变换。数字下变频的组成与模拟下变频器类似，包括数字混频器、数字控制振荡器(NCo)和低通滤波器(LPF)三部分组成。影响数字下变频器性能的主要因素有两个：一是表示数字本振、输入信号以及混频乘法运算的样本数值的有限字长所引起的误差；二是数字本振相位分辨率不够而引起数字本振样本数值的近似取值。也就是说，数字混频器和数字本振的数据位数不够宽，存在尾数截断的情况；数字本振相位的样本值存在近似的情况。它主要涉及数控振荡器NCO ，抽取滤波器(即积分清洗滤波器)等技术。 在数字通信系统中，解调器的任务是恢复出传输来的原始数据系列。解调器的构成方案通常可以分为两类：同步解调和异步解调。两者的区别在于，同步解调需要一个相干同步的本地载波。一般地说，同步解调性能较为优良。但是，对于抑制载波分量的调制信号来说，要从接收的信号中恢复出参考载波，必须进行相应的处理。 在数字通信中，除了载波同步外，还需要位同步。因为消息是一串连续的码元系列，解调时必须知道码元的起止时刻，即码同步。位同步可分为自同步和外同步两种。自同步是直接从接收的信号中提取位同步信息，而外同步是在发射端专门发射导频信号。例如，在基带信号频谱的零点，插入所需的导频信号，在接收端，利用窄带滤波器，就可以从解调后的基带信号中提取所需的同步信息。插入导频也可