摘 要

当今时代通信技术不断普及与更新发展，然而其重点则是信号的传输。而信号传输本质上就是调制与解调，在模拟调制与数字调制众多调制方式中，QPSK 技术因具有很高的解调速率和低误码率，非常广泛的应用在码分多址领域中。本文通过研究软件无线电技术和QPSK技术，设计基于软件无线电的QPSK频带通信系统，并进行仿真和性能分析。

论文主要研究了软件无线电技术和QPSK技术，设计出了基于软件无线电的QPSK频带通信系统。论文通过MATLAB编程实现QPSK调制解调以及CRC校验，然后结合对本地WAV音频文件的读取、编码、分帧、信道编码、信道译码等组成完整通信系统，接着通过软件无线电平台完成数模转换、发送，最后接收数据、模数转换等得到正交信号，发送电脑，对信号处理最后还原WAV音频信号。

本文的特色：利用了软件无线电平台完成通信系统的设计与仿真，更加具备灵活性、实用性、开放性和通用性。

关键词：软件无线电；正交相移键控技术；MATLAB仿真

Abstract

Communication technology is becoming popular and updated in the modern era, but its focus is on the transmission of signals. The signal transmission is essentially modulation and demodulation. Among the many modulation methods of analog modulation and digital modulation, QPSK technology is widely used in the field of code division multiple access because of its high demodulation rate and low bit error rate. This paper designs software QPSK band communication system based on software radio technology and QPSK technology, and performs simulation and performance analysis.

The paper mainly studies software radio technology and QPSK technology, and designs a QPSK band communication system based on software radio. The paper realizes QPSK modulation and demodulation and CRC check through MATLAB programming, and then combines the reading, encoding, framing, channel coding and channel decoding of local WAV audio files to form a complete communication system, and then completes the digital model through software radio platform. Convert, transmit, finally receive data, analog-to-digital conversion, etc to obtain a quadrature signal, send the computer, and finally restore the WAV audio signal to the signal processing.

The features of this paper are: the design and Simulation of communication system is completed by using software radio platform, which is more flexible, practical, open and universal.

Key words:Software Radio; QPSK Technology; MATLAB Simulation

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究的背景与目的 1

1.2 国内外研究现状 1

1.3 研究内容 2

第2章 软件无线电理论 3

2.1 软件无线电的信号采样 3

2.2 软件无线电中的正交信号变换 4

2.3 软件无线电结构 4

2.3.1发射机结构 4

2.3.2 接收机结构 5

2.4 软件无线电主要部分 6

2.4.1 射频处理前端 6

2.4.2 高速A/D与D/A技术 6

2.4.3数字信号处理单元 6

2.5 本章小结 7

第3章 QPSK系统算法理论研究 8

3.1 振幅键控与相移键控算法 8

3.1.1 振幅键控 8

3.1.2 相移键控 8

3.2 QPSK算法研究 8

3.3 传输校验算法设计 10

3.4 本章小结 11

第4章 软件仿真与软硬件联调 12

4.1 基于MATLAB的QPSK系统仿真 12

4.2 基于软件无线电的仿真与联调 14

4.2.1 软件设计 14

4.2.2 软硬件联调 15

4.3 本章小结 21

第5章 结论 22

参考文献 23

致谢 24

第1章 绪论

研究的背景与目的

当今时代高度信息化，信息和通信变得十分重要。信息只有传播、和他人交流与共享，这样才能实现信息的价值，而通信的目的就是传输信息，使他人得到信息中所蕴含的价值。当今时代科技高速发展，随着计算机和数字信号处理的发展，现代通信正朝着数字化、高速化、综合化等方向发展。移动通信发展到今天有很多的通信制式和标准，例如：GSM、窄带CDMA、WCDMA、TD-SCDMA等。而几乎每一代移动通信都会涉及调制解调技术，如模拟调制AM、FM、PM等，数字调制ASK、FSK、PSK等。而QPSK（Quadrature Phase Shift Keyin）是一种数字调制方式，它具有较高的调制速率，较强的抗干扰性，要求传送路径的信噪比低，在电路上实现较为简单，是目前最常用的一种卫星数字信号调制方式^[1]。

由于通信系统的发展很快，由第一代到第四代，而且存在的标准众多，制式并存，对于用户和运营商而言，这显然是不利的。由于对多模式需求的增长，需要研究多模式的通信系统问题，即核心的调制解调问题。以前在软件无线电技术成熟之前，我们都是通过硬件来解决这个问题，但是对于用户和运营商来说，会带来许多问题：一是通过硬件来实现多模式调制解调需要解决很多技术上的问题，很不容易实现；二是相比软件而言，硬件实现起来缺少灵活性；三是如今通信技术发展如此迅速，第五代通信也在紧张准备中，这会给运营商带来很大的投资损失。针对这种情况，对于软件无线电的研究就很重要。它基本的思想就是减小数模转换器或模数转换器与射频天线之间的距离，使两者尽可能的靠近，建立这样一个平台：可以实现数模、模数转换，以及数字信号处理。软件无线电避免了硬件实现的复杂，具有很好的灵活性以及开放性^[2,3]。

本文基于软件无线电设计QPSK通信系统，即利用了软件无线电平台的灵活性，也考虑了QPSK技术相对于其他数字键控所没有的优势。

1.2 国内外研究现状

移动通信从第一代到第四代的发展十分的迅速：第一代移动通信（简称1G）服务的用户范围有限，所以用户比较少，业务密度低。其信息的传输，即调制解调主要通过模拟技术，所以也可称为模拟无线电。由于第一代移动通信的模拟技术无法适应前面提到的多种通信标准，第二代移动通信出现了。第二代移动通信采用数字调制，这提高了系统的抗干扰能力，信道的容量也大大的增加了。虽然2G相比1G通信服务质量有了很大的提高，但对于不同的通信体制适应能力还不是很强。而且射频前端只针对于特定频段，我们称2G为数字无线电（窄带）。第三代移动通信相比于1G、2G有着更高的频带利用率，其最大的特点就是数据传输速率高，被称之为数字无线电（宽带）。第四代移动通信（4G）具有超高速的数据率，无线上网的速率大大加快，而4G标准就采用了软件无线电技术。在1992年5月的美国电信会议上，Joseph Mitola III博士指出通信的过程，如信号产生、发射、传输（编码、调制、解调、解码等）等都可以用软件无线电来实现。这样做理论上是可以的，但实际实现起来却很困难，所以说当时提出的概念是比较理想化的^[4,5]。1996年3月，美国政府邀请工业部门参加称之为模块多功能化信息传输系统（MMITS）的论坛，其目的是希望该组织能成为工业部门制定SPEAKeasy开放式体系结构的实体。可以说SPEAKeasy就是软件无线电的先行者。在SPEAKeasy完成之后，美军又将以前所得的技术和教训用以研究PMCS（可编程模块化通信系统）。尤其在美国军方在JTRS（联合战术无线电系统）研究中，其实体参考模型起了很大的作用。

在中国，有许多项目都在研究软件无线电，如"九五"、"十五"预研项目和"863"计划。其中的第三代移动通信系统方案的设计就是基于软件无线电完成的。由此可以看出软件无线电在通信中的作用越来越重要，而且这一技术将是通信技术历程中的第三次革命，同时也将成为无线通信技术在21世纪初的发展方向。

1.3 研究内容

第1章分析了基于软件无线电的QPSK技术的研究背景和意义，主要分析了软件无线电技术与QPSK技术，以及两者国内外的研究现状。

第2章分析了本文研究时用到的软件无线电的相关理论知识。首先研究了信息采样：Nyquist采样定理以及带通采样定理；这对于通信系统的设计很重要。然后分析了信号的正交变换，在QPSK调制解调的算法设计中用到了正交变换得到正交分量和同相分量，整个调制解调算法都是以其为基础的。接着研究了软件无线电的发射与接收，对于整个系统的理解有很大的帮助。最后理解了软件无线电平台，为以后的软硬件联调作了铺垫。

第3章介绍了QPSK系统的算法设计的研究。首先通过2ASK、2PSK以及MPSK引出QPSK，对其调制解调的算法作了设计，同时为了校验码元，设计了校验算法-CRC码。

第4章则是软件设计部分以及软硬件联调。首先研究了QPSK通信系统的性能，通过基于MATLAB软件代码实现了QPSK调制与解调,对QPSK调制与解调有了更深的了解；然后设计基于软件无线电的QPSK调制映射函数、解调制映射函数以及CRC函数，进行软硬件联调。

第5章则是研究所得到的结论，以及总结与展望。

第2章 软件无线电理论

2.1 软件无线电的信号采样

在实际生活中，除了一些语音信号等基带信号，大多数都是带通信号，尤其在射频领域。首先分析一下Nyquist采样定理，进而过渡到带通信号采样定理。Nyquist采样定理说的是如果有一个频率带限信号X(t),频率范围为(0，)，设采样速率为，如果以不小于最高频率两倍的采样速率对信号X(t)进行等间隔采样，得到离散采样信号X(n)=X(n)(其中称为采样间隔），则原信号X(t)可由采样值X(n)完全还原出来。Nyquist采样原理针对的是基带信号，正如上述所言，生活中的大多数信号都是带通信号，所以对于带通信号的采样尤为重要。如果按照采样定理，采样频率大于等于信号最高频率的两倍，那么如果带通信号的最高频率很高，采样频率就会很高，这样很难实现，而且对于后面的处理要求很高。下面分析一下带通采样定理：设一个频率带限信号X(t)，其频带限制在内，如果其采样频率满足式：

则可以根据信号采样值X(n)还原得到原信号X(t)[6]。如果上式由中心频率和带宽表示的话，那么有：

其中有：

n取能满足的最大正整数。也就是说，当带限信号的带宽一定时，如果其中心频率满足

或者

上述的采样定理的前提是信号出现在同一频段。但如果信号出现在不同的频段，就会出现混频，即频率混叠。这时，我们需要先滤波，后采样，即如图2.1所示：

采样

滤波器

采样信号

原信号

图2.1 带通采样原理框图

2.2 软件无线电中的正交信号变换

对于无线电信号而言，如何提取幅度、相位、频率，以及信号的识别、调制与解调都是以正交信号变换为基础。先分析信号正交变换是如何实现的。

实信号的频谱是对称的，因此由负频谱就可以知道信号的全部信息，而此时的时域信号称之为复信号。下面分析一下希尔伯特变换。上述所说的单边带信号，并不是时间的实函数，而是时间的复函数，而这个复函数信号我们也称之为解析信号。单边频谱解析信号实部对应于原来的实信号，虚部则由原信号确定，有

(2.6)式称为希尔伯特正变换式，称为f(t)的希尔伯特变换。而上述说到信号的提取主要是信号的三种参数的提取，即信号的幅度、频率以及相位。但是往往对于一个实信号无法很容易的得到上述的三个特征分量，而对于解析信号来说，上述三种参数的瞬时值很容易得到。对于信号参数的分析等都是以这三个为基础，同时涉及到信号的调制解调也会用到幅度、相位、频率，进而产生了模拟调制：幅度调制、相位调制、频率调制；数字调制：振幅键控（ASK）、频移键控（FSK）、相移键控（PSK）。

2.3 软件无线电结构

2.3.1发射机结构

一个简单的通信系统由发射端、信道、接收端组成，由此可见发射机和接收机的重要，先研究一下发射机。简单的来说，发射机的主要功能就是完成调制，同时也可能实现信号的放大、编码、滤波等等。通常一个完整的无线发射机有三部分：应用接口、基带部分以及射频前端，如图2.2所示。其中应用接口提供接口，连接应用与基带部分，而基带部分完成调制功能，最后则是射频前端[7,8]。

应用接口

基带部分

射频前端

应用

图2.2 发射系统的基本组成框图

而对于软件无线电来说，除了完成基带处理，如模拟调制、数字键控等，还需上变频、功率放大，然后送给天线，把电信号转换为无线电信号，最后送给接收端完成解调、译码等等。由此，软件无线电的发射机相对于上述发射机而言，会多功率放大部分，其结构如图2.3所示：

天线

功率放大

上变频

基带调制

图2.3 软件无线电发射机组成框图

本文主要涉及的是基于软件无线电的QPSK通信系统的设计与仿真，那么我们主要研究软件无线电的基带调制和上变频的相关理论知识。

一般来说，调制的基本目的就是使信号能更好的在信道中传输，减少因噪声等原因造成的能量损失，进而造成信号的失真，导致信号传输失败。

一个无线电信号可以表示为：

其中m(t)为幅度调制信息，为相位调制信息，为频率调制信息，然后对于上式采样，数字化，可得

为了方便调制，通常将上式进行正交分解，产生IQ信号，即

其中I(n)是指同相分量，；Q(n)是指正交分量，Q(n)=-m(n)sin；I路和Q路是完全正交的。由上式可知，根据调制方式的不同，可以计算出正交分量和同相分量，然后根据上式再将正交分量和同相分量分别与本地振荡载波相乘，通过相加电路就可以得到调制信号。

2.3.2 接收机结构

通信系统的重要组成部分是发射机和接收机，上一节分析了发射机，这节则研究接收机的相关理论知识。

接收机通常有天线、滤波器、放大器、A/D转换器等等。主要的功能就是将信号放大，还有解调、译码等，其目的就是将经过信道传输的信号接收，然后恢复原始的信号[9]。上述发射机调制的过程就是根据调制方式的不同，计算出不同的同相分量和正交分量，然后同本地振荡器的正弦波相乘，最后通过加法电路合成一路。而接收机的解调则恰恰是它的反过程，已知正交分量和同相分量，提取相应的分量。在通信中有两种提取方法：数字混频和多相滤波正交变换法。数字混频法的算法比多相滤波简洁，可以充分应用FIR滤波器的对称性，因而得到了广泛应用；其主要缺点是：低通滤波的计算量较大，是多相滤波数字正交变换的M倍[10]。

2.4 软件无线电主要部分

2.4.1 射频处理前端

在软件无线电平台中，射频处理前端是硬件设计中最重要的部分，肩负着模拟信号到数字信号之间的转换，这部分的好坏直接影响整个系统的性能。射频前端的主要作用是：变换射频信号，使频率、电平与ADC相匹配。在理想的软件无线电系统结构中，射频频段、调制解调方式、信号的编解码、数字调制解调都由软件定义。在一些定义中，器件性能理想条件下，AD/DA部分直接与天线连接。但受ADC和DAC器件发展水平，人们提出构造可实现的软件无线电系统。方法是采用模块化的射频前端，使ADC和DAC尽可能的靠近天线。采用高性能的数字信号处理器作数字前端，满足高数据率的吞吐。通过重新编程，实现对数字前端的重构。同时，射频前端实现一定程度的升级能力[11]。一个基本的射频前端系统如下图2.4所示：

基带处理

ADC

LPF

BPF

射频前端

图2.4 基本射频前端系统模型图

而软件无线电射频处理前端主要组成部分有：滤波器、放大器、混频器和功率放大器等等。

2.4.2 高速A/D与D/A技术

软件无线电基本的思想就是减小数模转换器或模数转换器与射频天线之间的距离，由此可知，A/D、D/A技术在软件无线电技术的重要性。A/D转换通常要经过采样、保持、量化、编码等等环节，而在采样的过程中，一般在中频段、宽频段进行，这就需要很高的带宽以及适合的采样速率。下面简单分析模数转换的基本原理：模数转换将输入模拟信号转换为二进制数码，同时需要对输入模拟信号进行时间和数值上的离散化^[12]。同样的，数模转换则是由二进制转换为模拟信息，是模数转换的相反过程。

2.4.3 数字信号处理单元

数字信号处理单元可以说是软件无线电平台的核心与灵魂，软件无线电平台的灵活性以及通用性都是以数字信号处理器实现的。从硬件设计角度而言，软件无线电硬件平台的设计就是在数据处理、数据传输和数据存储三大基本要素上如何进行可伸缩性（裁剪性）和可重构性的优化设计^[13]。

2.5 本章小结

本章分析了软件无线电的理论知识，先对基于软件无线电的信号采样进行了研究，这是一个完整的通信系统必须要进行的操作；然后阐述了信号的正交变换，这对于后续QPSK调制解调算法的设计作了铺垫，下一章的算法设计就是以其为基础的，从正交分量和同相分量出发设计算法；接着分析了软件无线电是如何发射与接收的，以及软件无线电平台的组成部分；这对于后期的软件与硬件的联调十分的重要。

第3章 QPSK系统算法理论研究

3.1 振幅键控与相移键控算法

3.1.1 振幅键控

因为数字信息有二进制和多进制，所以数字调制也有两种调制分类：二进制调制和多进制调制。此节分析的是二进制振幅键控和二进制相移键控，而本文所研究的QPSK是四进制相移键控，可由前两种类推。下面先分析一下ASK的调制解调算法。

振幅键控中，载波的频率和相位是不变的，只有振幅在变化。这时，可以通过数字信号0或1来表示载波的通断，由此有：

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