【文章內(nèi)容簡介】 QPSK調(diào)制原理框圖 圖 調(diào)制原理框圖 QPSK 的調(diào)制中， QPSK 信號可以看成是兩個載波正交的 2PSK 信號調(diào)制器構(gòu)成。原理分析如下：基本原理和系統(tǒng)結(jié)構(gòu) QPSK 與二進(jìn)制 PSK 一樣，傳輸信號包含的信息都存在于相位中。個別的載波相位取四個等間隔值之一，如л/ 3л/ 5л/ 7л/4。相應(yīng)的，可將發(fā)射信號定義為： ????? ???????? ???其他，,004)12(2c o s/2)( TS btfiftfEF ?? 其中， i＝ 1， 2， 3， 4； E 是發(fā)射信號的每個符號的能量， T 為符號的持續(xù)時間，載波頻率 f 等于 nc/T， nc 為固定整數(shù)。每一個可能的相位值對應(yīng)于一個特定的二位組。下面介紹 QPSK 信號的產(chǎn)生和檢測。如圖為典型的 QPSK發(fā)射機(jī)框圖。輸入的二進(jìn)制數(shù)據(jù)序列首先被不歸 (NRZ)電平編碼轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為極性形式，即負(fù)號 1和 0分別用 Eb和 Eb表示。該二進(jìn)制波形被分接器分成兩個分別由輸 入序列的奇數(shù)位偶數(shù)位組成的彼此獨(dú)立的二進(jìn)制波形，這兩個二進(jìn)制波形分別用 a1(t)和 a2(t)表示。此時，在任何一信號時間間隔內(nèi) a1(t)，和 a2(t)的幅度恰好分別等于 Si1和 Si2，即由發(fā)送的二位組決定。這兩個二進(jìn)制波形 a1(t)和 a2(t)被用來調(diào)制一對正交載波： 13 )2s i n(/2)(),2c os (2)( 21 tTTttTt ff tt ?? ?? ?? 。 這樣 就得到一對二進(jìn)制 PSK信號。 )(1t?和 )(2t?的正交性使這兩個信號可以被獨(dú)立地檢測。最后，將這兩個二進(jìn)制 PSK信號相加，從而得期望的 QPSK。 QPSK調(diào)制方式的 Matlab仿真 I 路信號是用余弦載波，由 2 進(jìn)制數(shù)據(jù)流的奇數(shù)序列組成； Q 路信號用正弦載波，由 2進(jìn)制數(shù)據(jù)流的偶數(shù)序列組成。下面的 a是 Idata， b就是 Qdata，它們分布與各自的載波相乘分別輸出 I 路信號和 Q 路信號。 I 路信號加上 Q路信 7 號就是 QPSK輸出信號。當(dāng) I 路載波信號是 0相位時為 1，是 180176。相位時為 0；當(dāng) Q 路載波信號是 0 相位時為 1，是 180176。相位時為 0。 圖 Matlab仿真圖 QPSK調(diào)制方式 Matlabsimulink仿真 simulink調(diào)制建模 如下圖 ： 14 圖 調(diào)制框圖 （ 1)產(chǎn)生需要的信號源 在搭建 QPSK調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)中使用伯努力信號發(fā)生器產(chǎn)生隨機(jī)的 01比特序列，每兩比特代表就一個符號。 Bernoulli Binary Generator 模塊利用伯努利分布的原理，相應(yīng)得到參數(shù)為 p的伯努利分布。伯努利分布的均值 1 p和方差 p(1 –p)的。一個零概率參數(shù)指定 p。本次實驗中的 p設(shè)置為 ，即 0和 1等概。采樣時間可根據(jù)需要進(jìn)行設(shè)置，例如測誤碼率時采樣時間設(shè)為 ，如下圖 ： 圖 信號源參數(shù)設(shè)置 （ 2）串并變換 我們先通過使用 buffer 這個模塊來實現(xiàn)將信號源信號轉(zhuǎn)變?yōu)閮陕沸盘?。Buffer 模塊可以重新分配緩沖區(qū)塊的輸入樣本，用到了 Demux，可以將一個復(fù) 15 合輸入轉(zhuǎn)化為多個單一輸出，即可以輸出多個采樣率較低的幀信號。但會產(chǎn)生與緩沖區(qū)容量相同的時延。所以，我們可以設(shè)置 buffer 的參數(shù)容量為 2，如下圖： 圖 buffer的參數(shù)設(shè)置 （ 3）單極性信號轉(zhuǎn)化為雙極性信號 因為 QPSK 的調(diào)制信號要求的是雙極性信號，所以用伯努利隨機(jī)生成二進(jìn)制 Generator 模塊產(chǎn)生的信號必須經(jīng)過轉(zhuǎn)化才能夠被使用。利用加法模塊和常數(shù)產(chǎn)生模塊將 1和 0的序列各自減去 1/2，再利用比例運(yùn)算模塊乘以 2，就得到了1和 1的雙極性序列。 （ 4）調(diào)制模塊 分別將兩路信號乘以相位相差 л/ 2的載波，然后相加。載波由正弦信號發(fā)生器產(chǎn)生。正弦波模塊的參設(shè)置為可基于時間的模式，時間設(shè)為使用仿真時間，我們設(shè)載波 信號的幅度為 1，載波頻率可根據(jù)需要來進(jìn)行設(shè)置，兩路載波同頻正交，相位相差 л/ 2。我們設(shè)上支路的相位為 0，下支路的相位為 л/ 2，如下圖 : 16 圖 上支路載波參數(shù) 圖 下支路載波參數(shù) 17 Simulink調(diào)制仿真結(jié)果 圖 圖 上支路載波 圖 下支路載波 18 圖 調(diào)制信號 19 4 QPSK的解調(diào) QPSK解調(diào)原理 QPSK 接收機(jī)由一對共輸入地相關(guān)器組成。這兩個相關(guān) 器分別提供本地產(chǎn)生地相干參考信號 )(1t?和 )(2t?。相關(guān)器接收信號 x(t)，相關(guān)器輸出地 x1 和 x2被用來與門限值 0 進(jìn)行比較。如果 x10，則判決同相信道地輸出符號 1；如果x10 ，則判決同相信道的輸出為符號 0。如果正交通道也是如此判決輸出。最后同相信 道和正交信道輸出這兩個二進(jìn)制數(shù)據(jù)序列被復(fù)加器合并，重新得到原始的二進(jìn)制序列。在 AWGN信道中判決結(jié)果具有最小的負(fù)號差錯概率。用兩路具有相互正交特性的載波來解調(diào)信號，可以分離這兩路正交 的。 2PSK 信號。相干解調(diào)后，并行碼元經(jīng)過并 /串變換后，最終得到串行的數(shù)據(jù)流。 QPSK解調(diào)原理框圖 圖 原理分析： QPSK接收機(jī)由一對共輸入地相關(guān)器組成，如圖 ，這兩個相關(guān)器分別提供本地產(chǎn)生地相干參考信號 )(1t?和 )(2t?。相關(guān)器接收信號 x（ t），相關(guān)器輸出 20 地 x1 和 x2 被用來與門限值 0進(jìn)行比較。如果 x10，則判決同相信道地輸出為符號 1；如果 x10 ，則判決同相信道的輸出為符號 0。類似地， 如果正交通道也是如此判決輸出。最后同相信道和正交信道輸出這兩個二進(jìn)制數(shù)據(jù)序列被復(fù)加器合并，重新得到原始的二進(jìn)制序列。在 AWGN信道中，判決結(jié)果具有最小的負(fù)號差錯概率。 QPSK解調(diào)方式的 Matlabsimulink仿真 首先將從高斯信道送過來的信號分別乘以與調(diào)制時的載波同頻的載波，且相位相差為 л/ 2的載波。解調(diào)可以使用相關(guān)器或者匹配濾波器進(jìn)行解調(diào)，本次實驗使用的是相關(guān)器，這時信號需要通過設(shè)置的積分器。因為積分器設(shè)置為使用積分器時，需要在時間 t=T 時使得積分器復(fù)位，所以需要設(shè)置積分模塊續(xù)設(shè)置在時 鐘下降沿時復(fù)位。并需要設(shè)置參數(shù)為使用外部信號，此時，時鐘設(shè)置為與該支路碼元時間相同，即是發(fā)送信號碼元時間的兩倍輸入。然后積分后的信號經(jīng)過采樣并保持模塊，即 sample and hold 模塊，此時，設(shè)置這個模塊為觸發(fā)上升沿，同樣使用時鐘設(shè)置為與該支路碼元時間相同，即是發(fā)送信號碼元時間的兩倍輸入。此時各路傳輸?shù)男盘栂鄳?yīng)地會使一個單位的時延產(chǎn)生。然后使用autothreshold 模塊，該模塊根據(jù)輸入的信號數(shù)據(jù)自動設(shè)置出閥值，由此，可對 輸入信號做出判定，再輸出相應(yīng)的二進(jìn)制比特序列，并可輸出閥值。最后使用Nsample switch 模塊來實現(xiàn)并串轉(zhuǎn)換，因為我們最后需要的是最原始的信號，將兩路信號合二為一，在第一路信號發(fā)出一個樣本時間后，樣本時間設(shè)置為發(fā)送信號碼元時間，開關(guān)會自動轉(zhuǎn)換到第二路信號，此時換做第二路信號輸入，一個碼元時間后模塊重置，如此循環(huán)。同樣的，此模塊也需要兩倍的發(fā)送信號碼元時間輸入。 圖 積分器設(shè)置 21 圖 采樣和保持設(shè)置 圖 解調(diào)模塊 傳輸信道 本次設(shè)計使用的是高斯信道和理想信道。實驗所需的高斯噪聲我們可以由高斯信道模塊來提供，用到了 ZeroOrder Hold，和子模塊，即 SubSystem，通過子模塊建立新的封裝 (Mask)功能模塊其中參數(shù)設(shè)置信噪比為 Es/No ， Es/No為信號能量比噪聲功率譜密度。 AWGN信道模塊可以將加性高斯白噪聲加到一個實數(shù)的或復(fù)數(shù)的輸入信號?，F(xiàn)在輸入信號是實數(shù)，這個模塊增加了實數(shù)的高斯噪聲，產(chǎn)生一個實數(shù)的輸出信號。此塊繼承它的輸入信號的采樣時間。模塊使用信號處理模塊隨機(jī)產(chǎn)生的噪聲。初始種子可以是一個標(biāo)量或矢量的長度相匹配的輸入信號通道數(shù)。種子的詳細(xì)資料初次，查看隨機(jī)源模塊庫文件參考頁 22 面中設(shè)置的信號處理。該端 口的數(shù)據(jù)類型都繼承自該驅(qū)動器的信號塊。注意權(quán)力的所有值假設(shè)一個 1歐姆的標(biāo)稱阻抗。 圖 高斯信道模塊 仿真結(jié)果 圖 信號源和轉(zhuǎn)變后的雙極性信號 圖 經(jīng)過高斯信道后的調(diào)制信號 23 圖 上支路積分和采樣后的信號 圖 上支路判決后的信號 圖 下支路積分和采樣后的信號 圖 下支路判決后的信號 24 圖 源信號流和經(jīng)過調(diào)制解調(diào)后的信號流對比 從上述圖中可以看出，因為整個系統(tǒng)模塊有引進(jìn)噪聲，以及電路使用了 積分、采樣保持模塊，還原后的信號幅度差異較大，通過判決門限后，得到原來的二進(jìn)制信號。 25 5 仿真結(jié)果分析 我們從仿真結(jié)果圖中看出，信道噪聲功率譜密度越大，信號信噪比越小，誤碼率越高，這也符合實際情況。仿真的各種條件都是理想化的，除了噪聲之外不會發(fā)生任何錯誤，和實際情況相比，在相同的信噪比之下，比特錯誤率理應(yīng)要小的多，但是仿真所得結(jié)果的誤碼率偏大。 （ 1）從仿真結(jié)果中看出，信號信噪比越小，錯誤率越高，跟實際情況比較符合。 （ 2）由于仿真中各種條件都是理想化的，包括數(shù)據(jù)在傳輸過程中，除了噪聲影響以外不會發(fā)生任何錯 誤，所以相對實際情況來說，在相同信噪比下，比特錯誤率要小的多，但是仿真所得結(jié)果與事實規(guī)律并不違背。 26 6 總結(jié) 在搭建 QPSK調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)中首先遇到的問題就是串并轉(zhuǎn)換問題， simulink中沒有可以直接解決這個問題的模塊，經(jīng)過網(wǎng)上的搜索與查閱相關(guān)資料，最終選取 buffer 模塊，完成可串并轉(zhuǎn)換的功能，但是帶人了兩個單位的延遲。之后便是示波器的顯示問題，此次產(chǎn)生的信號采樣速率設(shè)置為 1秒，載波頻率 1HZ，對仿真過程中的波形分析帶來很多的方便。在完成的 QPSK 系統(tǒng)的 simulink仿真中，由于方便起見，載波大小設(shè)為 1HZ，與實際的調(diào)制解調(diào)中所用載波相差甚遠(yuǎn)，但若將載波設(shè)置變大，會對實驗仿真和分析帶來極大的不便。 這次仿真設(shè)計讓我深刻體會到數(shù)字信號的 QPSK 調(diào)制傳輸及解調(diào)過程，利用 Simulink 專業(yè)庫 Communications Blockset 中的 Modulation 模塊庫所提供的―QPSK Modulator Baseband‖―QPSK Demodulator Baseband‖等模塊實現(xiàn) QPSK的系統(tǒng)設(shè)計，并輸出誤碼率，信道中的噪聲為高斯白噪聲。仿真設(shè)計很快結(jié)束了，不僅檢驗了我所學(xué)的通信原理的基本知識，同時讓我 熟悉了 Matlab 的 simulink仿真的一些基本操作。剛開始時連正弦信號在 scope 中顯示都很難做到，正弦信號的參數(shù)設(shè)計也是一大難題，經(jīng)過查閱資料，終于弄清楚最基本的模塊的用法。這次設(shè)計中遇到的最大的問題是數(shù)據(jù)源的串轉(zhuǎn)并和并轉(zhuǎn)串模塊，此模塊花費(fèi)很多時間去設(shè)計，最終設(shè)計出的串轉(zhuǎn)并和并轉(zhuǎn)串模塊雖不理想（存在延時）但是實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的串轉(zhuǎn)并和并轉(zhuǎn)串。各個模塊參數(shù)的設(shè)計是設(shè)計中最難的一部分，因為一個參數(shù)設(shè)計不對會導(dǎo)致結(jié)果錯誤。最終經(jīng)過不斷的查找資料和請教指導(dǎo)老師，終于完成了 QPSK的調(diào)制與解調(diào)。 27 致謝 隨著畢業(yè)的日子 即將到來，歷經(jīng)半年的畢業(yè)設(shè)計也接近了尾聲。通過這半年的畢業(yè)設(shè)計，我明白了自己需要學(xué)的知識還很多。畢業(yè)設(shè)計不僅僅是對幾年所學(xué)只是的總結(jié)，更是對自己能力的一種提高。下面我對這半年來畢業(yè)設(shè)計的過程做一些總結(jié)： 第一，選擇畢業(yè)設(shè)計題目時，有許多題目供大家選擇，由于我比較喜歡仿真，所以選題的時候我毅然決定做仿真設(shè)計，感覺對里面的知識是比較熟悉的，也比較好上手。最后我就選了基于 Simulink的 QPSK調(diào)制解調(diào)器仿真設(shè)計這一題目。 第二，題目確定后，我一邊開始著手畢業(yè)設(shè)計方面的準(zhǔn)備，一邊查資料，查資料是一個很復(fù)雜的過程，網(wǎng)上搜索到的大部分都是涉及 QPSK 調(diào)制解調(diào)原理的期刊雜志之類的，而具體怎么做的論文是很難搜到的。由于從來沒做過畢業(yè)設(shè)計，怎么做，做到什么程度都是一頭霧水，我只能天天去圖書館搜相關(guān)書籍和期刊了，后來還在相關(guān)同學(xué)朋友的介紹下，我找到了很多與 QPSK 相關(guān)的論文和期刊。畢業(yè)設(shè)計要求使用 Simulink工具包進(jìn)行仿真實現(xiàn)。 第三， QPSK 的原理雖然很清楚，但具體設(shè)計時用哪些模塊呢，一大堆的問題就出現(xiàn)了。怎么編碼，怎么復(fù)用以及怎么 形成圖像等等，都是需要解決的問題。我一直在反復(fù)琢磨著這些問題，一邊參考著網(wǎng)上搜索到的那些資料，一邊自己進(jìn)行思考。這期間我詢問了有關(guān)老師和身邊的同學(xué)朋友，他們幫助我解決了大量的該方面的問題。 第四，在最后的這段日子里，我對前期所搭建的模塊進(jìn)行了進(jìn)一步的完善。畢業(yè)設(shè)計論文的書寫的工作是非常繁瑣的。首先是要確定論文的大致目錄。分為幾章來寫，每一章又分為幾小節(jié)，每一小節(jié)又具體要要寫些什么。這些工作都需要進(jìn)行認(rèn)真的思考，因為論文的書寫是對整個畢業(yè)設(shè)計的總結(jié)。書寫論文首先要確定論文的大致輪廓即目錄，由于我的題目是關(guān)于 QPSK 的和利用Simulink來完成的，因此首先要介紹一下 QPSK的基