2022年毕业设计方案matlab的QPSK系统仿真.docx

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1、基于 MATLAB的 QPSK仿真设计与实现一.前言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 岁月初期 , 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 岁月中期以后, 四相肯定移相键控 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

2、.2 QPSK试验仿真的意义通过完成设计内容，复习 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，明白调制解调方式中最基础的方法；明白QPS的K 实现方法及数学原理；并对“通信”这个概念有个整体的懂得，学习数字调制中误码率测试的标准及运算方法；同时仍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学问，来懂得高斯信道中噪声的表示方法，以便在编程中使用；懂得QPSK调制解调的基本原理，并使用 MATLA编B 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MATLA编B 程的基础学问和编程的常用算法以及使用 MAT

3、LA仿B 真系统的留意事项，并锤炼自己的编程才能，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；通过本次试验，除了和队友培育了默契学到了学问之外，仍可以将次试验作为一种推广，让更多的同学来深化一层的明白QPS以K 至其他调制方式的原理和实现方法；可以便利同学进行测试和对比；足不出户便可以做试验；1.3 试验平台和试验内容1.3.1 试验平台本试验是基于 Matlab 的软件仿真，只需 PC机上安装 MATLAB 6.0或者以上版本即可；本试验附带基于Matlab Simulink 模块化）仿真，如需使用必需安装simulink

4、模块）1.3.2 试验内容1. 构建一个抱负信道基本QPSK仿真系统 , 要求仿真结果有a. 基带输入波形及其功率谱b.QPSK信号及其功率谱c.QPSK信号星座图2. 构建一个在 AWGN高斯白噪声）信道条件下的QPSK仿真系统，要求仿真结果有1 / 19a. QPSK信号及其功率谱b.QPSK信号星座图c. 高斯白噪声信道条件下的误码性能以及高斯白噪声的理论曲线，要求全部误码性能曲线在同一坐标比例下绘制3 验可选做扩展内容要求：构建一个先经过 Rayleigh 瑞利衰落信道），再通过AWGN高斯白噪声）信道条件下的条件下的 QPSK仿真系统，要求仿真结果有a. QPSK信号及其功率谱b.

5、通过瑞利衰落信道之前和之后的信号星座图，前后进行比较c. 在瑞利衰落信道和在高斯白噪声条件下的误码性能曲线，并和二.2.c中所要求的误码性能曲线在同一坐标比例下绘制二、系统实现框图和分析1t）2cos2 Tfct 二进制数据序列极性 NRZ电平编码器分 离器QPSK信st）号2t）2sin2 Tfct 图 1原理分析：基本原理及系统结构QPSK与二进制 PSK 一样，传输信号包含的信息都存在于相位中；的别的载波相位取四个等间隔值之一，如发射信号定义为/4, 3/4,5 /4, 和 7/4 ；相应的，可将2 E / t cos2ft2 i1 / 40t T2 / 192.1 、QPSK 调制部分

6、，原理框图如图 1 所示Sit ） 0；，其他其中， i 1，2，2，4；E 为发射信号的每个符号的能量， T 为符号连续时间， 载波频率 f 等于 nc/T ，nc 为固定整数；每一个可能的相位值对应于一个特定的二位组；例如，可用前述的一组相位值来表示格雷码的一组二位组：10， 00， 01，11；下面介绍 QPSK信号的产生和检测；假如 a 为典型的 QPSK发射机框图；输入的二进制数据序列第一被不归零 NRZ）电平编码转换器转换为极性形式，即负号26 / 191 和 0 分别用Eb 和Eb 表示；接着，该二进制波形被分接器分成两个分别由输入序列的奇数位偶数位组成的彼此独立的二进制波形，这

7、两个二进制波形分别用a1t ），和 a2t ）表示；简单留意到，在任何一信号时间间隔内a1t ），和 a2t ）的幅度恰好分别等于 Si1 和 Si2 ，即由发送的二位组打算；这两个二进制波形 a1t ），和 a2t ）被用来调制一对正交载波或者说正交基本函数： 1t ） 2Tcos2fct ， 2t ） 2 Tsin2fct ；这样就得到一对二进制 PSK 信号；1t ）和 2t ）的正交性使这两个信号可以被独立地检测；最终，将这两个二进制 PSK信号相加，从而得期望的QPSK；2.2 、QPSK 解调部分，原理框图如图 2 所示：1t） 同信任道门限 0低通 filrer判决门限接 收信

8、号xt ）复接器发 送 二 进制 序 列 的低通 filrer判决门限2t）正交信道门限 0图 2原理分析：QPSK接收机由一对共输入地相关器组成；这两个相关器分别供应本地产生地相干参考信号 1t ）和 2t ）；相关器接收信号 x0, 就判决同信任道地输出为符号 1；假如x10 , 就判决同信任道的输出为符号0；类似地；假如正交通道也是如此判 决输出；最终同信任道和正交信道输出这两个二进制数据序列被复加器合并，重新得到原始的二进制序列；在AWGN信道中，判决结果具有最小的负号差错概率；三、试验结果及分析依据图 1 和图 2 的流程框图设计仿真程序，得出结果并且分析如下： 3.1、抱负信道下的

9、仿真，试验结果如图3 所示图 3试验结果分析：如图上结果显示，完成了QPSK 信号在抱负信道上的调制，传输，解调的过程，由于调制过程中加进了载波，因此调制信号的功率谱密度会发生变化；并且可以看出调制解调的结果没有误码；3.2 、高斯信道下的仿真，结果如图4 所示：图 4试验结果分析：由图 4 可以得到高斯信道下的调制信号，高斯噪声，调制输出功率谱密度曲线和 QPSK 信号的星座图；在高斯噪声的影响下，调制信号的波形发生了明显的变化，其功率谱密度函数相对于图 1 中的调制信号的功率谱密度只发生了微小的变化，缘由在于高斯噪声是一个均值为0 的白噪声，在各个频率上其功率是匀称的，因此此结果是真确的；

10、星座图反映可接收信号早高斯噪声的影响下发生了误码，但是大 部分仍是保持了原先的特性；3.3 、先通过瑞利衰落信道再通过高斯信道的仿真；试验结果如图5 所示：图 5试验结果分析：由图 5 可以得到瑞利衰落信道前后的星座图，调制信号的曲线图及其功率谱密度；最终显示的是高斯信道和瑞利衰落信道的误码率对比；由图可知瑞利衰落信道下的误码率比高斯信道下的误码率高；至此，仿真试验就全部完成；四、致谢感谢指导老师 * 老师对我们的指导，帮我们解决了不少的问题；也感谢队友之间的相互合作；期望以后再接再厉，努力学习；附录参考文献：1、MATLAB 宝典 陈杰等编著 电子工业出版社2、MATLAB 信号处理 刘波,

11、 文忠, 曾涯编著 北京电子工业出版社3、数字信号处理的 MATLAB 实现万永革编著北京科学出版社4、网上资料Simulink 仿真数据：1、调制框图，如图 6 所示图 62、解调模块如图 7 所示图 73、调制信号及其功率谱密度如图8 所示图 84、调制信号的星座图如图 9 所示：图 95、基带信号与调制信号之间的关系如图10 所示：图 10附录 2：%主文件% 题目： 抱负信道 瑞利衰落信道高斯信道 下的 QPSK 仿真% 作者： 陈镇沅% 完成日期： 2021-4-6% 邮箱： forgiveme1989%clear；% 初始化参数%T=1 ；% 基带信号宽度，也就是频率fc=10/T

12、 ；% 载波频率ml=2 ；% 调制信号类型的一个标志位 ；% 采样数%调制部分% 基带信号的产生data=randn1,nb0.5 ；% 调用一个随机函数 ； % 创建一个 1*nb/delta_T 的零矩阵for q=1:nbdata1q-1/delta_T+1:q/delta_T=datanrzq； % 将极性码变成对应的波形信号end% 将基带信号变换成对应波形信号data0=zeros1,nb/delta_T ； % 创建一个 1*nb/delta_T 的零矩阵for q=1:nbdata0q-1/delta_T+1:q/delta_T=dataq ； % 将极性码变成对应的波形信号

13、end% 发射的信号data2=absfftdata1 ；% 串并转换，将奇偶位数据分开idata=datanrz1:ml:nb-1 ； % 将奇偶位分开，因此间隔m1 为 2qdata=datanrz2:ml:nb ；% QPSK 信号的调制ich=zeros1,nb/delta_T/2 ； % 创建一个 1*nb/delta_T/2的零矩阵，以便后面存放奇偶位数据for i=1:nb/2ichi-1/delta_T+1:i/delta_T=idatai；endfor ii=1:N/2 aii=sqrt2/T*cos2*pi*fc*tii；endidata1=ich.*a ；% 奇数位数据与

14、余弦函数相乘，得到一路的调制信号qch=zeros1,nb/2/delta_T ；for j1=1:nb/2qchj1-1/delta_T+1:j1/delta_T=qdataj1；endfor jj=1:N/2 bjj=sqrt2/T*sin2*pi*fc*tjj；endqdata1=qch.*b ；% 偶数位数据与余弦函数相乘，得到另一路的调制信号s=idata1+qdata1；% 将奇偶位数据合并， s 即为 QPSK 调制信号ss=absffts ；% 快速傅里叶变换得到频谱%瑞利衰落信道和高斯信道% 瑞利衰落信道ray_ich=raylrnd0.8,1,nb/2/delta_T ；r

15、ay_qch=raylrnd0.8,1,nb/2/delta_T ；Ray_idata=idata1.*ray_ich ；Ray_qdata=qdata1.*ray_qch ；Ray_s=Ray_idata+Ray_qdata ；% 高斯信道s1=awgns,SNR；% 通过高斯信道之后的信号s11=absffts1 ；% 快速傅里叶变换得到频谱s111=s1-s；% 高斯噪声曲线%Awgn_s=awgnRay_s,SNR ；% 通过高斯信道再通过瑞利衰落信道% QPSK解调部分% 解调部分 ；% 建立 1*nb 数组，以存放解调之后的信号qdata3=zeros1,nb/2；% 抽样判决的过

16、程，与0 作比较， data=0,就置 1，否就置 0 for n=1:nb/2%A1n=sumidata2n-1/delta_T+1:n/delta_T；if sumidata2n-1/delta_T+1:n/delta_T=0 idata3n=1 ；else idata3n=0 ；end%A2n=sumqdata2n-1/delta_T+1:n/delta_T；if sumqdata2n-1/delta_T+1:n/delta_T=0 qdata3n=1 ；else qdata3n=0；end end% 为了显示星座图 ,将信号进行处理idata4=zeros1,nb/2 ；qdata4=

17、zeros1,nb/2；for n=1:nb/2Awgn_ichsumn=sumidata2n-1/delta_T+1:n/delta_T*delta_T；if Awgn_ichsumn=0 idata4n=1 ；else idata4n=0 ；endAwgn_qchsumn=sumqdata2n-1/delta_T+1:n/delta_T*delta_T；if Awgn_qchsumn=0 qdata4n=1 ；else qdata4n=0；end end% 将判决之后的数据存放进数组demodata=zeros1,nb；demodata1:ml:nb-1=idata3 ； % 存放奇数位d

18、emodata2:ml:nb=qdata3 ；% 存放偶数位%为了显示，将它变成波形信号 ； % 创建一个 1*nb/delta_T 的零矩阵for q=1:nbdemodata1q-1/delta_T+1:q/delta_T=demodataq； % 将极性码变成对应的波形信号end% 累计误码数% absdemodata-data求接收端和发射端% 数据差的肯定值，累计之后就是误码个数Awgn_num_BER=sumabsdemodata-data% 解调部分 ；% 建立 1*nb 数组，以存放解调之后的信号% Ray_qdata3=zeros1,nb/2 ；% 抽样判决的过程，与0 作比

19、较， data=0,就置 1，否就置 0% for n=1:nb/2%if Ray_sumRay_idata2n-1/delta_T+1:n/delta_T=0%Ray_idata3n=1 ；%else Ray_idata3n=0 ；%end%if Ray_sumRay_qdata2n-1/delta_T+1:n/delta_T=0%Ray_qdata3n=1 ；%else Ray_qdata3n=0 ；%end% end% 为了显示星座图 ,将信号进行处理Ray_idata4=zeros1,nb/2 ；Ray_qdata4=zeros1,nb/2 ；for n=1:nb/2Ray_ichsu

20、mn=sumidata2n-1/delta_T+1:n/delta_T*delta_T；if Ray_ichsumn=0 Ray_idata4n=1 ；else Ray_idata4n=0 ；endRay_qchsumn=sumqdata2n-1/delta_T+1:n/delta_T*delta_T；if Ray_qchsumn=0 Ray_qdata4n=1 ；else Ray_qdata4n=0 ；end end% 将判决之后的数据存放进数组Ray_demodata=zeros1,nb；Ray_demodata1:ml:nb-1=Ray_idata4 ； % 存放奇数位Ray_demod

21、ata2:ml:nb=Ray_qdata4 ；% 存放偶数位%为了显示，将它变成波形信号 ； % 创建一个 1*nb/delta_T 的零矩阵for q=1:nbRay_demodata1q-1/delta_T+1:q/delta_T=Ray_demodataq； % 将极性码变成对应的波形信号end% 累计误码数% absdemodata-data求接收端和发射端% 数据差的肯定值，累计之后就是误码个数Ray_num_BER=sumabsRay_demodata-data%误码率运算%调用了 cm_sm32；和 cm_sm33）函数% 声明： 函数声明在另外俩个M 文件中% 作用： cm_s

22、m32 用于瑞利信道误码率的运算%cm_sm33 用于高斯信道误码率的运算% ecoh on/off 作用在于打算是否显示指令内容% SNRindB1=0:1:6 ；SNRindB2=0:0.1:6 ；% 瑞利衰落信道for i=1:lengthSNRindB1, pb,ps=cm_sm32SNRindB1i；% 比特误码率smld_bit_ray_err_prbi=pb ；smld_symbol_ray_err_prbi=ps ；dispps,pb ；echo off ；end；% 高斯信道echo on；for i=1:lengthSNRindB1, pb1,ps1=cm_sm33SNRi

23、ndB1i；smld_bit_awgn_err_prbi=pb1 ；smld_symbol_awgn_err_prbi=ps1 ；dispps1,pb1 ；echo off ；end；% 理论曲线echo on；for i=1:lengthSNRindB2,SNR=expSNRindB2i*log10/10；% 信噪比theo_err_awgn_prbi=0.5*erfcsqrtSNR；% 高斯噪声理论误码率theo_err_ray_prbi=0.5*1-1/sqrt1+1/SNR；% 瑞利衰落信道理论误码率echo offend；%h = spectrum.welch ； % 类似于 C 语

24、言的宏定义，便利以下的调用%输出显示部分% 第一部分 subplot3,2,1 ；plotdata0,title 基带信号 ；axis0 20000 -2 2 ；subplot3,2,2 ；psdh,data1,fs,fs,title 基带信号功率谱密度 ；subplot3,2,3 ；plots,title 调制信号 ；axis0 500 -3 3 ；subplot3,2,4 ；psdh,s,fs,fs,title 调制信号功率谱密度 ；subplot3,2,5 ；plotdemodata1,title 解调输出 ；axis0 20000 -2 2 ；subplot3,2,6 ；psdh,de

25、modata1,fs,fs,title 解调输出功率谱密度 ；% 通过高斯信道figure2 subplot2,2,1 ；plots1,title 调制信号 Awgn ；axis0 500 -5 5 ；subplot2,2,2 ；psdh,s1,fs,fs,title 调制信号功率谱密度 Awgn ；subplot2,2,3 ；plots111,title 高斯噪声曲线 ；axis0 2000 -5 5 ；subplot2,2,4 ；for i=1:nb/2plotidatai,qdatai,r+,titleQPSK信号星座图 ； hold on；axis-2 2 -2 2 ；plotAwgn

26、_ichsumi,Awgn_qchsumi,*；hold on；legend理论值 发射端） ,实际值 ； end%通过高斯信道再通过瑞利衰落信道figure3subplot2,2,1plotRay_s,title 调制信号 Ray+Awgn ；axis0 500 -5 5 ；subplot2,2,2 ；psdh,Ray_s,fs,fs,title 调制信号功率谱密度 Ray ；subplot2,2,3 ；for i=1:nb/2plotidatai,qdatai,r+,titleQPSK信号星座图 ；hold on ；axis-2 2 -2 2 ；plotRay_ichsumi,Ray_qc

27、hsumi,*；hold on ；legend理论值 发射端） ,实际值 ；endsubplot2,2,4semilogySNRindB2,theo_err_awgn_prb,r,title误码率曲线 ； hold on；semilogySNRindB1,smld_bit_awgn_err_prb,r*；hold on ；semilogySNRindB2,theo_err_ray_prb；hold on ；semilogySNRindB1,smld_bit_ray_err_prb,*；xlabelEb/No ；ylabelBER ；legend理论 AWGN, 仿真 AWGN, 理论 Rayl

28、eigh, 仿真 Rayleigh ；%文件 2function pb,ps=cm_sm32snr_in_dB% pb,ps=cm_sm32snr_in_dB%CM_SM3 finds the probability of bit error and symbol error for%the given value of snr_in_dB, signal to noise ratio in dB.N=100 ；E=1；% energy per symbolnumofsymbolerror=0 ；numofbiterror=0 ；counter=0 ；snr=10snr_in_dB/10 ；%

29、 signal to noise ratio sgma=sqrtE/snr/2 ；% noise variances00=1 0 ； s01=0 1 ； s11=-1 0 ； s10=0 -1 ； % signal mapping% generation of the data sourcewhilenumofbiterror for i=1:N,temp=rand；% a uniform random variable between 0 and 1if temp,% with probability 1/4, source output is 00 dsource1i=0 ； dsourc

30、e2i=0 ；elseif temp,% with probability 1/4, source output is 01dsource1i=0 ； dsource2i=1 ；elseif temp,% with probability 1/4, source output is 10 dsource1i=1 ； dsource2i=0 ；else% with probability 1/4, source output is 11dsource1i=1 ； dsource2i=1 ；end；end；% detection and the probability of error calcu

31、lationfor i=1:N, ray=raylrnd0.8 ；n=sgma*randn1,2 ；% 2 normal distributed r.v with 0, variance sgmaif dsource1i=0 & dsource2i=0, r=ray*s00+n ；elseif dsource1i=0 & dsource2i=1,r=ray*s01+n ；elseif dsource1i=1 & dsource2i=0, r=s10*ray+n ；elser=s11*ray+n ；end；% The correlation metrics are computed belowc

32、00=dotr,s00 ； c01=dotr,s01 ； c10=dotr,s10 ； c11=dotr,s11 ；% The decision on the ith symbol is made next c_max=maxc00,c01,c10,c11 ；if c00=c_max, decis1=0 ； decis2=0 ；elseif c01=c_max, decis1=0 ； decis2=1 ；elseif c10=c_max, decis1=1 ； decis2=0 ；else decis1=1； decis2=1；end；% Increment the error counter

33、, if the decision is not correct symbolerror=0 ；if decis1=dsource1i, numofbiterror=numofbiterror+1； symbolerror=1 ；end；if decis2=dsource2i, numofbiterror=numofbiterror+1； symbolerror=1 ；end；if symbolerror=1, numofsymbolerror=numofsymbolerror+1；end；end counter=counter+1 ；endps=numofsymbolerror/N*coun

34、ter；% since there are totally N symbols pb=numofbiterror/2*N*counter；% since 2N bits are transmitted%文件 3function pb1,ps1=cm_sm32snr_in_dB% pb,ps=cm_sm32snr_in_dB%CM_SM3 finds the probability of bit error and symbol error for%the given value of snr_in_dB, signal to noise ratio in dB. N=100 ；E=1；% en

35、ergy per symbolsnr=10snr_in_dB/10 ；% signal to noise ratio sgma=sqrtE/snr/2 ；% noise variances00=1 0 ； s01=0 1 ； s11=-1 0 ； s10=0 -1 ； % signal mapping% generation of the data source numofsymbolerror=0 ；numofbiterror=0 ；counter=0 ；whilenumofbiterror for i=1:N,temp=rand；% a uniform random variable be

36、tween 0 and 1if temp,% with probability 1/4, source output is 00 dsource1i=0 ； dsource2i=0 ；elseif temp,% with probability 1/4, source output is 01dsource1i=0 ； dsource2i=1 ；elseif temp,% with probability 1/4, source output is 10 dsource1i=1 ； dsource2i=0 ；else% with probability 1/4, source output is 11dsource1i=1 ； dsource2i=1 ；en