基于MATLAB的QPSK通信系统仿真设计毕业设计论文.docx

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1、基于MATLAB的QPSK通信系统仿真设计毕业设计论文 基于MATLAB的QPSK通信系统仿真设计 摘要 随着移动通信技术的发展，以前在数字通信系统中采用FSK、ASK、PSK 等调制方式，逐渐被许多优秀的调制技术所替代。本文主要介绍了QPSK调制与解调的实现原理框图，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，得到信号在QPSK 调制与解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 QPSK，数字通信，调制，解调，S

2、IMULINK -I- Abstract As mobile communications technology, and previously in the adoption of digital cellular system, ASK, FSK PSK modulation, etc. Gradually been many excellent mod ulation technology substitution, where four phase-shift keying QPSK technology is a wireless communications technology

3、in a binary modulation method. This article prim arily describes QPSK modulation and demodulation of the implementation of the prin ciple 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 t

4、he operation of simulation model, I get signal in QPSK modulation and dem odulation adjustment process domain change figure. The software implementation, ca n dramatically improve the design flexibility, saving design time, increase efficiency, design to reduce the workload of hardware circuit desig

5、n, and shorten the developmen t cycle. Keywords QPSK, Digital Communication,modulation,demodulation,SIMULINK -II- 目录 摘要. I Abstract . II 第1章绪论 (1) 1.1 选题的目的和意义 (1) 1.2 课题研究现状 (1) 1.3 本文主要研究工作 (2) 第 2 章数字通信技术简介 (3) 2.1 引言 (3) 2.2 概念及其基本组成部分 (3) 2.3 数字通信的特点 (5) 2.4 数字通信发展的回顾与展望 (5) 本章小结 (6) 第3 章数字相位调制

6、 (7) 3.1 数字基带传输系统 (7) 3.2 正弦载波数字调制系统 (8) 3.3 QPSK概述 (9) 3.4 QPSK调制和解调 (10) 3.4.1调制 (10) 3.4.2解调 (10) 3.4.3QPSK的调制原理 (11) 3.4.4QPSK解调的工作原理 (13) 本章小结 (14) 第4章 QPSK调制与解调的软件实现 (15) 4.1 SIMULINK功能介绍 (15) 4.2 SIMULINK特点 (15) 4.3 QPSK调制与解调的软件设计 (16) 4.3.1QPSK调制与解调的软件实现 (16) 4.3.2QPSK调制解调过程主要组件的功能 (17) 4.4

7、QPSK调制解调仿真过程及其波形图 (19) 4.4.1QPSK调制过程及其波形图 (19) 4.4.2QPSK解调过程及其波形图 (29) 4.5 QPSK调制解调仿真过程正确性的验证 (34) 本章小结 (35) 结论 (36) -III- 致谢 (37) 参考文献 (38) 附录1 (39) 附录2 (41) -IV- 第1章绪论 1.1 选题的目的和意义 随着经济危化的不断发展，人们对通信的要求也越来越高。本文主要研究“MATLAB的QPOSK通信系统仿真”利用MATLAB软件SUMLINK 仿真实现QPSK调制方式。QPSK调制系统目前正广泛地应用在无线通信领域，它具有较高的频谱利用

8、率，较强的抗干扰性，在电路上实现也较为简单。使用SUMLINK对QPSK调制、解调进行模拟。具体解决了二进制信息在QPSK调制过程中的串-并变换，解调过程中对已调信号的滤波、抽样判决、并-串变换一系列问题。 通过利用MATLAB软件SUMLINK实现了QPSK通信系统的仿真，完成了QPSK通信系统的调制解调过程的仿真实现，使接收端能够准确地接收到来自发放的信息。QPSK调制方式在通信工程中的应用十分广泛，其误码率随信噪比的增加而减少并最终可能为零。在QPSK调制方式以后，还会出现进制更多的调制方式。而我们着重要解决的问题也从如何提高相位谱利用率转变为如何减少误差以及提高传送速率。阐述QPSK调

9、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 课题研究现状 人类社会通信建立在信息交流的基础上，通信是推动人类社会文明进步与发展的巨大动力。近年来，移动通信已显著的技术特点和优越性能得以迅速发展，已经得到社会各界用户的广泛认同。随着这个通信行业向3G时代发展的同时基带调制技术也在飞速发展，目前应用的主流技术为 8PSK,16QAM和64QAM.但在建筑物较多、地形复杂的地区就必须用QPSK调制确保信噪比从而确保通信的准确性和有效性。QPSK调制全称Quadrature Phase Shift Keying意为正交相移键控，是一种数字调制方式。QPSK是一种

10、频谱利用率高、抗干扰性强的数字调制方式，它被广泛用于各种通信系统中，适合卫星广播。目前已经广泛用于无线通信中，成为现代通信中一种十分重要的调制解调方式。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 -1- 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。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

11、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。 1.3 本文主要研究工作 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SUMLINK仿真功能模块来进行对QPSK调制与解调过程的仿真。其主要内容包括： 1.研究QPSK的调制原理和解调原理； 2.分析QPSK的调制解调过程； 3.利用SUMULINK设计QPSK调制和解调仿真模型 -2- 第 2 章数字通信技术简介 2.1 引言 数字通信是用数字信号作为载体来传输消息,或用数字信号对载波进行数字调制后再传输的通信方式。它可传输电报、数字数据等数字信号,也可传

12、输经过数字化处理的语声和图像等模拟信号。 模拟信号数字化有多种方法,最基本的是脉码调制(PCM)、差值编码(DPCM)、自适应差值编码(ADPCM)以及各种类型的增量调制。 数字通信的早期历史是与电报的发展联系在一起的。1937 年,英国人A.H.里夫斯提出脉码调制(PCM),从而推动了模拟信号数字化的进程。 1946年,法国人E.M.德洛雷因发明增量调制。1950 年C.C.卡特勒提出差值编码。1947 年,美国贝尔实验室研制出供实验用的24 路电子管脉码调制装置,证实了实现PCM 的可行性。1953 年发明了不用编码管的反馈比较型编码器,扩大了输入信号的动态范围。1962 年,美国研制出晶

13、体管24 路1.544兆比/秒脉码调制设备,并在市话网局间使用。 数字通信与模拟通信相比具有明显的优点。它抗干扰能力强,通信质量不受距离的影响,能适应各种通信业务的要求,便于采用大规模集成电路,便于实现保密通信和计算机管理。不足之处是占用的信道频带较宽。 20 世纪90 年代,数字通信向超高速大容量长距离方向发展,高效编码技术日益成熟,语声编码已走向实用化,新的数字化智能终端将进一步发展。 2.2 概念及其基本组成部分 数字通信是用数字信号作为载体来传输消息,或用数字信号对载波进行数字调制后再传输的通信方式。它可传输电报、数字数据等数字信号,也可传输经过数字化处理的语声和图像等模拟信号。 图2

14、-1显示了一个数字通信系统的功能性框图和基本组成部分，信源输出的可以是模拟信号，如音频或视频信号，在数字通信中，由信源产生的信息变换成二进制数字序列。理论上，应当用尽可能少的二进制数字表示信源输出（消息）。换句话说，我们要寻求一种信源输出的有效表示方法，使 -3- -4- 其很少产生或不产生冗余。将模拟或数字信源的输出有效地变成二进制序列 的处理过程成为信源编码或信源码。 图2-1 数字通信系统基本组成部分 由信源编码器输出的二进制序列成为信息序列，它被传送到信道编码 器。信道编码器的目的是在二进制信息序列中以受控的方式引入一些冗余， 以便于在接收机中来克服信号在信道中传输所受的噪声和干扰的影

15、响。因 此，所增加的冗余是用来提高接收数据的可靠性以及改善接收信号的逼真 度。事实上，信息序列中的冗余有助于接收机译出期望的信息序列。 信道编码器输出的二进制序列送至数字调制器，它是通信信道的接 口。因为在实际中遇到的几乎所有的通信信道都能够给传输电信号（波 形），所以数字调制的主要目的是将二进制信息序列映射成信号波形。 通信信道是用来将发送机的信号发送给接收机的物理媒质。在无线传 输中，信道可以是大气。另一方面，电话信道通常使用各种各样的物理媒 质，包括有线线路、光缆和无线等。无论用什么物理媒质来传输信息，其基 本特点是发送信号随机地受到各种可能机理的恶化。 在数字通信系统的接收端,数字解调

16、器对受到信道恶化的发送波形进行 处理,并将该波形还原成一个数的序列,该序列表示发送数据符号的估计值。 这个数的序列被送至信道编码器,它根据信道编码器所用的关于码的知识及 接收数据所含的冗余度重构初始的信息序列。 解调器和译码器工作性能好坏的一个度量是译码序列忠发生差错的频 度。更准确地说,在译码器输出端的平均比特错误概率是解调器-译码器组合 性能的一个量度。 信道和输 入变换器 信源编 码器 信道编 码器 数字调 制器 输出 信号 输出变换器 换器 信源译 码器 信道译 码器 数字解 调器 信道 作为最后一步,需要模拟输出时,信源译码器从信道译码器接收其输出序列,并根据所采用的信源编码方法的有

17、关知识重构由信源发出的原始信号。由于信道译码的差错以及信源编码器可能引入失真,在信源译码器输出端的信号只是原始信源输出的一个近似。在原始信号与重构信号之间的信号差或信号差的函数就是数字通信系统引入失真的一个量度。 2.3 数字通信的特点 与模拟系统相比,数字通信具有以下特点: 1 数字通信与模拟通信相比具有明显的优点。它抗干扰能力强,无噪声积累。通信质量不受距离的影响,能适应各种通信业务的要求,便于采用大规模集成电路,便于实现保密通信和计算机管理。不足之处是占用的信道频带较宽。 2 便于加密处理 3 采用时分复用实现多路通信 4 设备便于集成化、小型化 5 占用频带较宽 2.4 数字通信发展的

18、回顾与展望 回望过去,最早的电通信形式,即电报,是一个数字通信系统。电报由S博多莫尔斯(Samuel Morse)研制,并在1837 年进行了演示实验。莫尔斯设计出一种可变长度的二进制码,其中英文字母用点划线的序列表示。在这种码中,较频率发生的字母用码字表示,不常发生的字母用较长的码字表示。因此,莫尔斯码是可变长度信源编码方法的先驱。 虽然莫尔斯在研制第一个电的数字通信系统中起了重要的作用,但是现在我们所指的现代数字通信系统起源于奈奎斯特(Linguist,1924)的研究。奈奎斯特研究在给定带宽的电报信道上,无符号间干扰的最大信号传输速率。他用公式表达了一个电报系统的模型,鉴于奈奎斯特的研究

19、工作,哈特利(Hart ley,1928)研究了当采用多幅度电平时在带限信道上能可靠地传输数据的问题。哈特莱假定接收机能可靠地估计接收信号幅度在某个准确度上,这个研究使得哈特莱得出了关于带限信道可靠通信最大数据速率的结论。在通信的发展中吗,另一个有重大意义的是维纳(Winner,1942)的研究,他研究了在加性噪声n(t)存在的情况下,根据对接收信号的观测来估计期望的信号波形s(t)的 -5- 问题。这个问题出现在信号调制中。维纳得出一个线性滤波器,其输出是对期望信号s(t)最好的均方近似。这个滤波器成为最佳线性滤波器。 哈特莱和奈奎斯特的关于数字信息最大传输速率的研究成果是香农(Shanno

20、n,1948a,b)研究工作的先导,香农奠定了信息传输的数字基础,并导出了对数字通信系统的基本限制。香农在他的开拓性研究中采用了信息源和通信信道的概率模型,以统计术语将可靠的信息传输基本问题表示成公式。根据这些统计的公式表示,他对信源的信息含量采用了对数的量度。他也证明了发送机的功率限制、带宽限制和加性噪声的影响可以和信道联系起来,合并成一个单一的参数,成为信道容量。因此,香农建立了对信息通信的基本的限制,并开创了个新的领域,现在我们称之为信息论。 本章小结 本章介绍了数字通信发展的回望与展望。介绍解数字通信技术，初步了解数字通信系统基本组成部分和它的特点。对后续工作有初步的认知。 -6- -

21、7- 第3 章 数字相位调制 3.1 数字基带传输系统 从消息传输的角度看，一个数字通信系统包括两个重要的变换，即消 息与数字基带信号之间的变换；数字基带信号与信道信号之间的变换。通 常，前一个变换由发收终端设备来完成，它把无论是离散的还是连续的消息 转换成数字的基带信号，而后一变换则由调制和解调器完成。 在数字通信中，有些场合可以不经过载波调制和解调过程而让基带信 号直接进行传输。例如，在市内利用电传机直接进行电报通信，或者利用中 继方式在长距离上直接传输PCM 信号等。这种不用载波调制解调装置而直 接传送基带信号的系统，我们称它为基带传输系统，它的基本结构如下： 干扰 图3-1 基带传输系统 图3-1信道信号形成器用来产生适合于信道传输的基带信号，信道可以 是允许基带信号通过的媒质（例如能够通过从直流到高频的有线线路）；接 收滤波器用来接收信号和尽可能排除信道噪声和其他干扰；抽样判决器则是 在噪声背景下用来判定与再生基带信号。 与此对应，我们把包括了载波调制和解调过程的传输系统称为频带传 输系统，如图3-2所示： 干扰 基带脉冲 基带脉冲 输入 输出 图3-2 频带传输系统的基本结构 信道信号形成 信道 接收滤波器 抽样判决器 基带脉冲 输入 输出 调制器 信道 解调器