基于MATLAB構建的移動通信實驗教學平臺

劉娟，凌家良

（惠州學院電子科學系，惠州 516015）

基于MATLAB構建的移動通信實驗教學平臺

劉娟，凌家良

（惠州學院電子科學系，惠州 516015）

0　引言

移動通信原理是一門實踐性較強、理論性強，且直觀性差的課程；很多學生反映比較難懂、抽象。基于MATLAB的仿真能將移動通信原理系統模型實時地顯示在多媒體教學平臺上，讓學生能直觀地了解和認識，且仿真時方便調整系統參數，仿真各種條件下的系統性能，對全面了解移動通信系統的工作過程有很大的幫助。

本文利用MATLAB/Simulink構建移動通信仿真實驗系統，主要包括調制與解調、擴頻與解擴、卷積碼編碼與解碼、GSM移動通信系統、CDMA移動通信系統等模塊。下面以調制與解調的數字相位調制為例，介紹該仿真實驗系統。數字相位調制，包括基本的BPSK，以及改進的QPSK、DQPSK。

1　QPSK調制與解調

二進制相移鍵控，記為BPSK或2PSK。2PSK信號的“0”和“1”分別用兩種不同的初始相位0和π表示，而其振幅和頻率保持不變。

2PSK調制存在的缺點主要有這幾個方面［1］：

（1）倒π現象，即采用相干解調時，由于本地載波相位的不確定，有可能把相位0和π顛倒，從而把信號碼元“1”和“0”顛倒。

（2）2PSK調制頻帶效率低，90%功率帶寬B=2Rs= 2Rb，頻帶效率只有1/2。

針對2PSK調制的改進是采用多進制相移鍵控，即MPSK，當M=4時，稱為QPSK。QPSK又稱為正交相移鍵控，QPSK利用載波的四種不同的相位來表示連續兩位二進制數的四種不同組合，QPSK信號可以表示為［1-2］：

QPSK信號可以用正交調制方式產生，將式（1）展開得：

式中：

QPSK調制和解調的原理框圖如圖1所示［3］。

根據QPSK調制與解調原理我們可以利用MATLAB仿真模型實現，如圖2所示。

QPSK主要參數設置如表1所示。

圖1　QPSK調制與解調原理框圖

圖2　QPSK調制與解調仿真模型

表1　QPSK主要參數設置

仿真結果如圖3、圖4和圖5所示。

圖3　QPSK調制信號波形

圖4　QPSK I路解調各點波形

圖5　QPSK調制輸入與解調輸出波形

2　π/4-DQPSK

針對2PSK的倒π現象，在實際運用中，解調一般采用差分檢測［4］。在差分檢測中，為了兼顧頻帶效率、包絡波開幅度小和能差分檢測，就出現了π/4-QPSK。其編碼的特點是輸入數據串并變換后分成兩路數據，先經過差分編碼器再與正交載波相乘，原理框圖如圖6所示［5］。

根據π/4-DQPSK調制與解調原理框，利用MATLAB仿真建模，如圖7所示。

主要參數設置如表2，部分參數設置，如信號源速率等與QPSK的相同。

表2　π/4-DQPSK主要參數設置

另外，差分編碼本文通過程序模塊編程實現，程序清單如下：

仿真結果如圖8-圖11所示。

圖6　π/4-DQPSK調制與解調原理框圖

圖7　π/4-DQPSK調制與解調仿真模型

仿真結果能很好的幫助學生理解QPSK和π/4-DQPSK調制和解調過程。圖10顯示，由于噪聲的影響，輸入輸出存在一定的誤碼。

圖8　π/4-DQPSK差分編碼后波形　

圖9　π/4-DQPSK調制波形

圖10　π/4-DQPSK Q路解調波形　

圖11　π/4-DQPSK調制輸入與解調輸出波形

3　相移鍵控性能分析

為了更好的分析比較各種相移鍵控的傳輸性能，接著，我們構建了一個傳輸性能分析模型，如圖12所示。該模型輸出BPSK、QPSK和π/4-DQPSK在相同信源速率，不同信噪比下的誤碼率，如圖13所示。

QPSK、π/4-DQPSK的帶寬與BPSK的帶寬相同，而信息速率是BPSK的2倍，即QPSK、π/4-DQPSK的頻帶效率可以達到BPSK的2倍，代價是相同誤碼率下需要更高的信噪比，如圖13所示。

圖12　BPSK、QPSK和π/4-DQPSK傳輸性能分析模型

圖13　BPSK、QPSK和π/4-DQPSK傳輸性能

［1］樊昌信.通信原理教程（第三版）［M］.北京：電子工業出版社，2012.12.

［2］馬翹楚.基于MATLAB的QPSK系統的設計［D］.吉林大學，2012-09-01.

［3］劉思源，陳建軍，張鑫.一種全數字QPSK解調器的MATLAB仿真及設計［J］.南京信息工程大學學報（自然科學版），2014-06-28.

［4］啜鋼，王文博，常永宇等.移動通信原理與系統（第2版）［M］.北京：北京郵電大學出版社，2009.

［5］葛飛.π/4-DQPSK基帶通信系統設計與仿真［D］.南京理工大學，2012-02-01.

MATLAB；Mobile Communications；Phase Modulation；Experimental System；QPSK

Experimental Teaching Platform of Mobile Communication Based on MATLAB

LIU Juan，LING Jia-liang
（Department of Electronic Science，Huizhou University，Huizhou 516015）

1007-1423（2015）33-0037-05

10.3969/j.issn.1007-1423.2015.33.011

劉娟（1978-），女，，江西金溪人，碩士，實驗員，研究方向為計算機仿真、實驗室建設

2015-10-20

2015-11-10

實驗仿真能通過圖形化界面聯系理論條件與實驗過程，同時運用一定的編程達到模擬現實的效果。以MATLAB/ Simulink軟件構建移動通信仿真實驗平臺，并以數字相位調制為例介紹該實驗平臺在移動通信實驗教學中的應用，其仿真實驗過程及實驗結果直觀明了，能很好的幫助學生掌握原理。

MATLAB；移動通信；相位調制；實驗系統；QPSK

惠州學院教研教改項目（No.JG2014003）、惠州學院教研教改項目（No.JG2015019）

凌家良（1977-），男，碩士，講師，研究方向為通信工程、計算機仿真

The experimental simulation can contact theory and experiment process through the graphical interface，and use a certain programming to achieve the effect of simulated reality.Builds the simulation experiment platform of mobile communication by MATLAB/Simulink software，Takes digital phase modulation as an example，and introduces the application of the experimental platform in the experimental teaching of mobile communication.The simulation experiments and the experimental results are intuitive，and can help students master the principles.