QPSK调制解调的仿真设计与研究
QPSK调制解调的仿真设计与研究[20200406140303]
摘要
正交相移键控（QPSK），是一种数字调制方式。本文首先介绍正交相移键控（QPSK）的发展史，说明选题的目的、意义和本课题国内外的研究现状，然后提出立论的基本依据，随后介绍交相移键控QPSK的调制解调概念和基本原理，利用Matlab软件对QPSK的调制解调系统进行仿真，对QPSK在高斯白噪声信道中的性能进行研究和分析。
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关键字:QPSK调制解调原理分析软件仿真
目 录
第一章绪论 1
1.1课题的来源和意义 1
1.1.1数字通信的介绍 1
1.1.2数字通信的调制 2
1.1.3QPSK与M进制移相键控 2
1.2 本文完成的主要工作 2
1.3论文的章节安排 3
第二章QPSK的调制解调技术 4
2.1数字调制的基本原理 4
2.2 QPSK的原理 4
2.3比较QPSK调制方法与其他调制方法 5
2.3.1 QPSK与DQPSK的比较 5
2.3.2 QPSK与OQPSK的比较 5
2.3.3 QPSK与 -QPSK的比较 6
2.4 QPSK的应用前景 7
第三章 QPSK调制解调的基本原理 8
3.1 QPSK信号的调制与解调 8
3.2 QPSK信号的平均功率谱密度 10
3.3 QPSK信号的接收及其平均误比特率 11
3.3.1 在加性白高斯噪声信道条件下QPSK最佳接收 11
3.3.2 在理想限带及加性白高斯噪声信道条件下QPSK最佳接收 12
第四章QPSK调制的研究与仿真 13
4.1Matlab简介 13
4.2QPSK调制的仿真 13
第五章QPSK解调的研究与仿真 16
第六章QPSK误码率的研究与仿真 20
第七章 总结 23
参考文献 24
附录 25
致谢 30
第一章绪论
1.1课题的来源和意义
1.1.1数字通信的介绍
自古以来，人类从自然界获取，处理，分析，传递和利用信息。从80年代的第二十世纪，开始在世界范围内，信息技术为中心的新技术革命的迅速发展。在人类社会的三大基础要素“物质、能源、信息”中， 以目前的情况来看“信息”的地位越来越高。在之前的几十年内，通信科技的发展相当猛烈，而且应用也相当广泛，使社会经济突飞猛进，日新月异，从根本上改变着人们的生活方式和生活的要求。在这之中，人类运用最为广泛的个人通信方面，无线通信技术的出现实现了“无论什么时间、无论什么地点以任意方式进行信息的交换与分析” 。
从上一段可以看出，飞速发展的移动通信给人类的生产、活动和交流带来了巨大的的便利。在过去的二十年，移动通信的发展总共经历了三个阶段，第一代是模拟通信，经过一段时间，发现模拟通信的不足，过渡到第二代数字通信，近几年逐步发展成第三代多媒体通信，通信方式越来越完善。在我们国家，移动通信目前为止，可以说是发展提升空间最大的产业之一。与全球其他移动通信普及率很高的国家相比，移动通信普及率在我国还是比较低的，但是，换一种思维，发展潜能也相当巨大。信息科学的三大支柱：数字信号处理、计算机技术和通信技术。这三者互相支持，相辅相成，互相促进。上述所说的三大支柱，以微电子技术作为基础，交叉融合，相互支持，互相促进，快速发展，信息化进程得到了相当高的提速。移动通信这个产业是新型的产业，整个行业有种奇妙的感觉，它通过一系列的通信仪器，使人类居住的地球变的越来越小，相互之间的距离越来越短，可以说现在在任何时间、任何地点、与任何人都可以完成任意形式的信息业务。但是，真正实现上述的愿望也并不容易，这就对全球的通信行业有着相当苛刻的要求，意味着移动通信网的覆盖是全球性质的，每个业务种类都要存在，覆盖面不仅要广而且要质量高。在本市、本省、乃至全国各地以及全球任何地方，通过使用手机不仅可以打电话，还可以上网看新闻、玩网游、炒股、接受电子邮件、购物等。现代移动通信的主要的技术就是把通信的原理和实践与电脑技术、数字信号处理等相关的技术基础融洽的结合起来。
1.1.2数字通信的调制
通信实际上就是信息的交流，在一定的距离内传送信息。调制的目的，一是为了能传输更远的距离，二是为了缩短天线的长度，三是为了多路复用。跟传输模拟信号时一样，传输数字信号时有三种调制方式：幅移键控(ASK)、频移键控(FSK)和相移键控(PSK)。
按理论上来说，就本质上而言，数字调制和模拟调制没有什么区别，不同的地方是，数字调制是调制信号为数字型的正弦波调制，而模拟调制则是调制信号为连续型的正弦波调制。数字通信有三种调制方式，其中性能最好的就是相移键控，所以说，PSK是运用最多的一种调制方式。
1.1.3QPSK与M进制移相键控
M进制移相键控也就是多进制移相键控，当M=4时，4PSK也就是这里所说的QPSK，所以说QPSK是M进制移相键控的一种特殊情况，也是多进制移相键控中最简单的一种，还有其他的比如8PSK和16PSK，就比QPSK复杂许多，但是基本的原理是一样的，在这里，我们就以最简单的一种情况QPSK为例，详细的介绍一下。
1.2 本文完成的主要工作
本文主要介绍了数字调制中相移键控调制的一种，四相相移键控QPSK，主要阐明了QPSK调制解调的基本原理，具体的步骤，然后就是通过仿真软件Matlab进行的一系列的仿真，对四相相移键控的调制解调进行研究，?对QPSK的误码率进行仿真。通过完成这次毕业论文的相关创作，我研究了QPSK的调制解调的基本原理，与此同时也要复习其他通信系统的相关内容，了解并掌握调制解调中最基础的方法，掌握QPSK的实现方法，同时还要复习随机信号中的相关知识，以便在编程中使用。??
通过本次研究，我更加深入的理解QPSK调制解调的基本原理，以及该方式的误码率测试。复习相关软件的编程的基本算法和编程法则，自己编程的能力得到提高，通过软件仿真完成信号的调制解调系统，而且还要测试出误码率，并且获得相应的仿真波形。
1.3论文的章节安排?
论文的第一章，绪论部分，讲述了整篇论文主要研究的内容，以及数字通信的发展过程和有关调制的一些内容；第二章则主要介绍的是四相相移键控QPSK的介绍，还有QPSK与其他调制方式的比较；第三章则是详细介绍QPSK调制解调的原理，平均功率谱密度的分析，还有QPSK接收的误比特率的研究；第四和第五两章主要研究了QPSK信号调制和解调的Matlab的设计与仿真，编程得到了相应的波形；最后是整篇论文的总结和写完这篇论文之后的感悟。以上就是整篇论文的章节安排。
第二章QPSK的调制解调技术
2.1数字调制的基本原理
在实际的生产生活中，一般的基带信号都不可以直接在通信系统中传输，必须把基带信号的信息附在载波的某个量上，然后通过传输载波信号来传递基带信号，这就是调制。把上述的过程反过来就是解调，解调系统通常比调制系统复杂。接收端无失真的恢复信号才是重点，这个过程比较有难度，我们把上述所说的两个过程统称为数字调制。
2.2 QPSK的原理
QPSK是通过载波的四种相异的相位差来表示传输的信息。四相移相键控是在M=4时的调相技术，分别有 ， ， ， ，只有这四种不同的载波相位，输入端输入的是一系列二进制数字序列，为了可以与四进制的载波相位相结合，则需要把二进制的变换为四进制的，这时，我们可以联想到数字电路当中的知识，我们可以把两个二进制的数字结合起来，变成一组，共有四种不同的组合，这样就可以来对应QPSK的四种不同的相位差，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个二进制的数字结合起来表示的，它们分别代表四个载波相位中的一个。QPSK信号每调制一次，相当于发送了两个二进制符号，这些信息是通过QPSK载波的四种不同的相位来传输的。
摘要
正交相移键控（QPSK），是一种数字调制方式。本文首先介绍正交相移键控（QPSK）的发展史，说明选题的目的、意义和本课题国内外的研究现状，然后提出立论的基本依据，随后介绍交相移键控QPSK的调制解调概念和基本原理，利用Matlab软件对QPSK的调制解调系统进行仿真，对QPSK在高斯白噪声信道中的性能进行研究和分析。
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关键字:QPSK调制解调原理分析软件仿真
目 录
第一章绪论 1
1.1课题的来源和意义 1
1.1.1数字通信的介绍 1
1.1.2数字通信的调制 2
1.1.3QPSK与M进制移相键控 2
1.2 本文完成的主要工作 2
1.3论文的章节安排 3
第二章QPSK的调制解调技术 4
2.1数字调制的基本原理 4
2.2 QPSK的原理 4
2.3比较QPSK调制方法与其他调制方法 5
2.3.1 QPSK与DQPSK的比较 5
2.3.2 QPSK与OQPSK的比较 5
2.3.3 QPSK与 -QPSK的比较 6
2.4 QPSK的应用前景 7
第三章 QPSK调制解调的基本原理 8
3.1 QPSK信号的调制与解调 8
3.2 QPSK信号的平均功率谱密度 10
3.3 QPSK信号的接收及其平均误比特率 11
3.3.1 在加性白高斯噪声信道条件下QPSK最佳接收 11
3.3.2 在理想限带及加性白高斯噪声信道条件下QPSK最佳接收 12
第四章QPSK调制的研究与仿真 13
4.1Matlab简介 13
4.2QPSK调制的仿真 13
第五章QPSK解调的研究与仿真 16
第六章QPSK误码率的研究与仿真 20
第七章 总结 23
参考文献 24
附录 25
致谢 30
第一章绪论
1.1课题的来源和意义
1.1.1数字通信的介绍
自古以来，人类从自然界获取，处理，分析，传递和利用信息。从80年代的第二十世纪，开始在世界范围内，信息技术为中心的新技术革命的迅速发展。在人类社会的三大基础要素“物质、能源、信息”中， 以目前的情况来看“信息”的地位越来越高。在之前的几十年内，通信科技的发展相当猛烈，而且应用也相当广泛，使社会经济突飞猛进，日新月异，从根本上改变着人们的生活方式和生活的要求。在这之中，人类运用最为广泛的个人通信方面，无线通信技术的出现实现了“无论什么时间、无论什么地点以任意方式进行信息的交换与分析” 。
从上一段可以看出，飞速发展的移动通信给人类的生产、活动和交流带来了巨大的的便利。在过去的二十年，移动通信的发展总共经历了三个阶段，第一代是模拟通信，经过一段时间，发现模拟通信的不足，过渡到第二代数字通信，近几年逐步发展成第三代多媒体通信，通信方式越来越完善。在我们国家，移动通信目前为止，可以说是发展提升空间最大的产业之一。与全球其他移动通信普及率很高的国家相比，移动通信普及率在我国还是比较低的，但是，换一种思维，发展潜能也相当巨大。信息科学的三大支柱：数字信号处理、计算机技术和通信技术。这三者互相支持，相辅相成，互相促进。上述所说的三大支柱，以微电子技术作为基础，交叉融合，相互支持，互相促进，快速发展，信息化进程得到了相当高的提速。移动通信这个产业是新型的产业，整个行业有种奇妙的感觉，它通过一系列的通信仪器，使人类居住的地球变的越来越小，相互之间的距离越来越短，可以说现在在任何时间、任何地点、与任何人都可以完成任意形式的信息业务。但是，真正实现上述的愿望也并不容易，这就对全球的通信行业有着相当苛刻的要求，意味着移动通信网的覆盖是全球性质的，每个业务种类都要存在，覆盖面不仅要广而且要质量高。在本市、本省、乃至全国各地以及全球任何地方，通过使用手机不仅可以打电话，还可以上网看新闻、玩网游、炒股、接受电子邮件、购物等。现代移动通信的主要的技术就是把通信的原理和实践与电脑技术、数字信号处理等相关的技术基础融洽的结合起来。
1.1.2数字通信的调制
通信实际上就是信息的交流，在一定的距离内传送信息。调制的目的，一是为了能传输更远的距离，二是为了缩短天线的长度，三是为了多路复用。跟传输模拟信号时一样，传输数字信号时有三种调制方式：幅移键控(ASK)、频移键控(FSK)和相移键控(PSK)。
按理论上来说，就本质上而言，数字调制和模拟调制没有什么区别，不同的地方是，数字调制是调制信号为数字型的正弦波调制，而模拟调制则是调制信号为连续型的正弦波调制。数字通信有三种调制方式，其中性能最好的就是相移键控，所以说，PSK是运用最多的一种调制方式。
1.1.3QPSK与M进制移相键控
M进制移相键控也就是多进制移相键控，当M=4时，4PSK也就是这里所说的QPSK，所以说QPSK是M进制移相键控的一种特殊情况，也是多进制移相键控中最简单的一种，还有其他的比如8PSK和16PSK，就比QPSK复杂许多，但是基本的原理是一样的，在这里，我们就以最简单的一种情况QPSK为例，详细的介绍一下。
1.2 本文完成的主要工作
本文主要介绍了数字调制中相移键控调制的一种，四相相移键控QPSK，主要阐明了QPSK调制解调的基本原理，具体的步骤，然后就是通过仿真软件Matlab进行的一系列的仿真，对四相相移键控的调制解调进行研究，?对QPSK的误码率进行仿真。通过完成这次毕业论文的相关创作，我研究了QPSK的调制解调的基本原理，与此同时也要复习其他通信系统的相关内容，了解并掌握调制解调中最基础的方法，掌握QPSK的实现方法，同时还要复习随机信号中的相关知识，以便在编程中使用。??
通过本次研究，我更加深入的理解QPSK调制解调的基本原理，以及该方式的误码率测试。复习相关软件的编程的基本算法和编程法则，自己编程的能力得到提高，通过软件仿真完成信号的调制解调系统，而且还要测试出误码率，并且获得相应的仿真波形。
1.3论文的章节安排?
论文的第一章，绪论部分，讲述了整篇论文主要研究的内容，以及数字通信的发展过程和有关调制的一些内容；第二章则主要介绍的是四相相移键控QPSK的介绍，还有QPSK与其他调制方式的比较；第三章则是详细介绍QPSK调制解调的原理，平均功率谱密度的分析，还有QPSK接收的误比特率的研究；第四和第五两章主要研究了QPSK信号调制和解调的Matlab的设计与仿真，编程得到了相应的波形；最后是整篇论文的总结和写完这篇论文之后的感悟。以上就是整篇论文的章节安排。
第二章QPSK的调制解调技术
2.1数字调制的基本原理
在实际的生产生活中，一般的基带信号都不可以直接在通信系统中传输，必须把基带信号的信息附在载波的某个量上，然后通过传输载波信号来传递基带信号，这就是调制。把上述的过程反过来就是解调，解调系统通常比调制系统复杂。接收端无失真的恢复信号才是重点，这个过程比较有难度，我们把上述所说的两个过程统称为数字调制。
2.2 QPSK的原理
QPSK是通过载波的四种相异的相位差来表示传输的信息。四相移相键控是在M=4时的调相技术，分别有 ， ， ， ，只有这四种不同的载波相位，输入端输入的是一系列二进制数字序列，为了可以与四进制的载波相位相结合，则需要把二进制的变换为四进制的，这时，我们可以联想到数字电路当中的知识，我们可以把两个二进制的数字结合起来，变成一组，共有四种不同的组合，这样就可以来对应QPSK的四种不同的相位差，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个二进制的数字结合起来表示的，它们分别代表四个载波相位中的一个。QPSK信号每调制一次，相当于发送了两个二进制符号，这些信息是通过QPSK载波的四种不同的相位来传输的。
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