基于AWGN信道的QPSK通信系统仿真分析

资 源 简 介

该项目旨在MATLAB环境下通过编程实现正交相移键控（QPSK）调制系统在加性高斯白噪声（AWGN）信道中的完整传输过程及其性能分析。 首先系统会生成一定长度的随机二进制比特流作为信息源，并利用格雷码映射规则将每两个比特映射为一个复数QPSK符号。 随后在信号传输过程中引入可调参数的AWGN噪声，模拟真实无线电信道对信号的干扰。 在接收端，系统执行相干解调算法，通过判定接收信号在复平面上的象限来恢复原始比特流。 核心功能涵盖了对不同信噪比（Eb/No）环境下系统误码率（BER）的定量计算，并自动绘制出仿真

详 情 说 明

基于AWGN信道的QPSK通信系统仿真分析

项目介绍

本项目是一个基于MATLAB开发的数字通信系统仿真工具，专注于正交相移键控（QPSK）调制技术在加性高斯白噪声（AWGN）信道下的性能表现。系统通过完整的信道仿真链路，实现了从比特流生成、调制、加噪、解调到性能评估的全过程。该工具不仅能够提供精确的误码率（BER）分析，还能通过可视化手段直观展示信号在传输过程中的物理特性变化。

功能特性

• 实现了完整的QPSK调制与解调链路，包含发射端处理、信道模拟和接收端恢复。
• 支持基于蒙特卡洛方法的误码率仿真，覆盖从低信噪比到高信噪比的连续区间。
• 自动计算并绘制理论误码率曲线，用于与仿真结果进行对照验证。
• 具备实时星座图监控功能，支持对比发射端原生信号与含噪声接收信号的分布差异。
• 包含相位偏置处理机制，模拟并修正相干解调过程中的相位变动。
• 自动化输出仿真报告，在命令行界面实时反馈仿真进度并汇总统计数据。

系统逻辑与具体实现

系统遵循数字通信系统的标准架构，其具体实现逻辑如下：

1. 参数设置与信源生成：

系统初始化仿真参数，默认生成100万个随机二进制比特（1e6 bits），设定仿真信噪比（Eb/No）范围为0至12dB。定义调制阶数为4（QPSK），并预设pi/4的初始相位偏置。

1. 发射端处理：

• 串并转换：将原始一维比特流转换为每行2个比特的矩阵。
• 映射规则：采用极性映射方式，将比特0映射为+1，比特1映射为-1。通过组合同相分量（I）和正交分量（Q）生成复数符号。
• 能量归一化：将符号振幅除以sqrt(2)，确保符号能量（Es）归一化。
• 相位移动：对所有发射符号应用预设的pi/4相位偏移。

1. 信道仿真循环：

系统按步进循环处理不同Eb/No值。在每个循环中，系统根据当前的Eb/No计算线性SNR。SNR的计算考虑了每个符号携带的比特数（2比特），确保在单位采样率下的功率匹配。通过awgn工具箱函数向信号注入符合功率要求的白噪声。

1. 接收端处理：

• 相位补偿（相干解调）：接收信号首先乘以发射端相位偏置的共轭值，以消除预设的旋转。
• 硬判定解调：根据接收信号在复平面四个象限的位置进行判定。实部或虚部小于0判定为比特1，大于等于0判定为比特0。

1. 性能评估：

• 误码率计算：利用biterr工具统计每一信噪比下的错误比特总数并得出仿真BER。
• 理论计算：基于互补误差函数（erfc）计算并在AWGN环境下的QPSK理论误码率。

1. 可视化呈现：

系统通过多子图窗口展示结果。左侧为半对数坐标系下的BER折线图；右侧上方展示发射端的标准星座图；右侧下方展示在特定信噪比（8dB）下受噪声干扰后的接收端散点图。

关键算法与实现细节

• 映射逻辑：代码通过 1 - 2*bits 的代数运算实现了比特到电平的快速转换，这在逻辑上对应了特定结构的符号映射。
• 信噪比换算：系统严格区分了每比特能量（Eb）与系统噪声功率的关系，利用 snr_linear * k 将Eb/No准确转换为信道中的符号信噪比。
• 判决算法：接收端未使用复杂的欧氏距离计算，而是直接针对实部和虚部的符号位（Sign bit）进行象限判决，体现了QPSK解调的高效性。
• 向量化处理：整个调制与解调过程避免了低效率的逐点循环，完全基于矩阵和向量运算，显著提升了1e6量级数据下的仿真速度。

使用方法

1. 启动MATLAB软件。
2. 将仿真脚本所在的文件夹设置为当前工作路径。
3. 执行主仿真程序。
4. 观察命令行窗口输出的实时进度，每完成一个信噪比节点的计算，系统会刷新当前的错误比特统计。
5. 仿真结束后，自动弹出的图形窗口将展示性能曲线与星座图，并在命令行展示Summary统计表。

系统要求

• MATLAB R2016b 或更高版本。
• 需要安装 Communication Toolbox（通信工具箱），用于调用 awgn、biterr 以及相关数学函数。