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，SIMULINK

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 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 the 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 design, and shorten the developmen

t cycle.

Keywords QPSK, Digital Communication,modulation,demodulation,SIMULINK

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 .................................................................................................. 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 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

致 谢 ............................................................................................................................ 37

参考文献 ...................................................................................................................... 38

附录1 ........................................................................................................................... 39

附录2 ........................................................................................................................... 41

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

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

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2-1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

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

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。

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

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

(Shannon,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。

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：

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

图3-2 频带传输系统的基本结构

虽然在实际使用的数字通信系统中基带传输不如频带传输那样广泛，但是，对于基带传输系统的研究仍然是十分有意义的。第一，即使在频带传输制里也同样存在基带传输问题，也就是说，基带传输系统的许多问题也是频带传输系统必须考虑的问题；第二，随着数字通信技术的发展，基带传输这种方式也有迅速发展的趋势，目前，它不仅用于低速数据传输，而且还用于高速数据传输；第三，理论上也可以证明，任何一个采用线形调制的频带传输系统，总是可以由一个等效的基带传输系统所替代。

3.2 正弦载波数字调制系统

上面我们简单的提了一下数字基带传输系统。然而，实际通信中不少信道都不能直接传送基带信号，必须用基带信号对载波波形的某些参量进行控制，使载波的这些参量随基带信号的变化而变化，即所谓正弦载波调制。下面，我们将以QPSK为主讨论以正弦波作为载波的数字调制系统。

从原理上来说，受调载波的波形可以是任意的，只要已调信号适合于信道传输就可以了。但实际上，在大多数数字通信系统中，都选择正弦信号作为载波。这是因为正弦信号形式简单，便于产生及接收。和模拟调制一样，数字调制也有调幅、调频和调相三种基本形式，并可以派生出多种其他形式。数字调制与模拟调制相比，其原理并没有什么区别。不过模拟调制是对载波信号的参量进行连续调制在接收端则对载波信号的调制参量连续地进行估值；而数字调制都是用载波信号的某些离散状态来表征所传送的信息，在接收端也只要对载波信号的离散调制参量进行检测。

根据已调信号的频谱结构特点的不同，数字调制也可分为线形调制和非线形调制。在线形调制中，已调信号的频谱结构与基带信号的频谱结构相同，只不过频率位置搬移了；在非线形调制中，已调信号的频谱结构与基带信号的频谱结构不同，不是简单的频谱搬移，而是有其他新的频率成分出现。振幅键控属于线形调制，而移频键控常属于非线形调制。

我们主要讨论的是多进制的相位调制，因此，先来看看与二进制数字调制相比，它有哪些特点：

1.在相同的码元传输速率下，多进制系统的信息传输速率显然比制系统的高。四进制系统的信息速率是二进制系统的两倍；

2. 在相同的信息速率下，由于多进制码元传输速率比二进制的低，因而多进制信号码元的持续时间要比二进制的长。显然，增大码元宽度，就会增加码元的能量，并能减小由于信道特性引起的码间干扰的影响。

3.3 QPSK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°,315°,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,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。

3.4 QPSK调制和解调

3.4.1调制

在无线电通信系统中，为实现电信号的传输，需要将待传送信号的频谱搬移到较高的频率范围，这种频谱的搬移称为信号的调制。

需要调制的原因有两方面。一方面，由电磁波辐射理论可知，只有当发射天线的尺寸等于信号波长的1/10或更大些，新号才能有效的通过天线发射出去；因为声音、图像等形成的电信号的频率很低，所以需要的天线尺寸应达到几十公里甚至几百公里，这显然是不可行的。另一方面，即使能把低频信号发射出去，也会造成各种低频信号的相互干扰，无法接受。

利用调制过程将每一个信号的频谱搬移到互不重叠的频率范围，使接受信号时，不致相互干扰。这个问题的解决使得在一个信道中可以传输多个信号，即实现了信道的“频分多路复用”。

调制，通常是由低频信号（又称调制信号）去控制一个高频振荡的振幅、频率或初相位等参数之中的任意一个来达到的，分别称为幅度调制、频率调制和相位调制；频率调制和相位调制又称角度调制。

图3-3所示为幅度调制（AM）系统，其中为调制信号，亦即待传输或处理的信号；s t =称为载波信号，f t 为载波频率。因此，由此系统输出的响应y t 为y t f t cos 0t

s t cos 0t

f

t 图3-3 幅度调制系统 y t

可见y t 是一个幅度随f t 变化的振荡信号，故称为调幅信号。

3.4.2解调

由已调制高频信号y t 恢复原调制信号f t 的过程称为解调。图3-4所示为调幅信号的解调系统，其中s t cos 0t称本地载波信号，它与原调幅

的载波信号同频率同相位。可见该系统是把接收到的调幅信号经本地载波信号在调制，即

1g t y t s t f t cos2 0t [f t f t cos2 0t] 2

图3-4 调幅信号的解调系统 y t g t

t cos 0t

两端取傅立叶变换得 11G F [F 2 0 F 2 0 ] 24

由G 的频谱可知，其中有原信号f t 的全部信息F ，此外还有附加的高频分量。当g t 通过理想低通滤波器时，只要使滤波器幅度为2，截止频率 c 满足

m c 2 0 m

由输出响应x t f t 达到恢复调制信号f t ，完成解调的目的。

3.4.3QPSK的调制原理

在QPSK调制中,QPSK信号可以看作两个载波正交的2PSK调制器构成。串/并变换器将输入的二进制序列分为速率减半的两个并行的双极性序列，然后分别对sinωt和cosωt调制，相加后得到QPSK调制信号，其调制 过程如图3-5所示。

输入

图3-5 QPSK相干调制框图 原理分析：

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л/4, 3л/4,5л/4,和7л/4。相应的，可将发射信号定义为

ft (2i 1) /4] 0≤t≤T

Si（t） ＝

其他

其中，i＝1，2，2，4；E为发射信号的每个符号的能量，T为符号持续时间，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。如果为典型的QPSK发射机框

图。输入的二进制数据序列首先被不归零（NRZ）电平编码转换器转换为极性形式，即负号1和0分别用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，这两个二进制波形分别用a1（t），和a2（t）表示。容易注意到，在任何一信号时间间隔内a1（t），和a2（t）的幅度恰好分别等于Si1和