基于QPSK的数字发射机链路仿真系统

资 源 简 介

本项目通过开发高效的M语言脚本，实现了一个完整的QPSK发射机物理层仿真模型。系统首先生成伪随机比特流作为原始测试序列，以模拟真实通信环境中的随机数据源。接着对比特流执行关键的串并转换操作，根据QPSK调制原理将每两个相邻比特精确映射为一个复数符号。程序详细配置了同相（I）和正交（Q）支路，分别使用相互正交的正弦与余弦载波进行调制。随后，两路经过调制的信号被合并为单一的QPSK合成信号。为了提供深入的分析支持，该仿真器集成了强大的可视化功能，能够实时生成发射机内部各个关键节点的波形图，包括原始伪随机码、串

详 情 说 明

QPSK发射机物理层仿真系统项目说明

项目介绍

本项目是一个基于MATLAB开发的QPSK（正交相移键控）发射机物理层仿真模型。该系统旨在模拟通信系统中发射端的核心信号处理流程，通过M语言脚本构建起从原始比特流生成到高频已调信号输出的全过程。模型涵盖了数字信号处理中的典型环节，包括随机序列产生、串并转换、双极性映射、正交支路调制及频域特性分析，为理解现代数字通信中的正交调制技术提供了直观且精确的仿真平台。

项目功能特性

• 全流程物理层仿真：完整实现了从二进制比特源到QPSK射频合成信号的端到端仿真。
• 正交调制架构：严格遵循I/Q调制原理，通过相互正交的余弦与正弦载波实现相位信息的承载。
• 多维度分析工具：集成了时域波形观察、频域功率谱密度分析以及空间域星座图展示功能。
• 可视化监控界面：自动生成包含8个子图的分析面板，实时监测从基带码元到已调合成信号的演变过程。
• 参数化设计：支持对比特数量、采样频率、载波频率及符号速率等关键系统参数进行灵活配置。

系统实现逻辑与步骤

1. 参数初始化：

系统预设比特流长度为200个Bit，采样频率设定为20000Hz，载波频率为2000Hz，符号速率为500 Baud。通过这些参数计算出每个符号对应的采样点数，确保后续信号处理的时延与相位一致性。

1. 数据源生成：

利用随机数生成函数产生满足均匀分布的伪随机二进制序列（0和1），模拟真实通信中的信息载体。

1. 串并转换与符号映射：

程序将输入的串行比特流拆分为两条并行路径。采用索引切片技术，将奇数位比特分配给同相支路（I路），偶数位比特分配给正交支路（Q路）。随后执行双极性非归零（NRZ）映射，将逻辑0映射为幅值-1，逻辑1映射为幅值1。

1. 基带信号成形：

使用重复采样技术（Rectangular Pulse Shaping）对映射后的I/Q符号进行上采样，使其在时间轴上扩展。这一步模拟了矩形脉冲基带信号的生成，为后续的载波调制准备连续的基带分量。

1. 正交载波调制：

系统生成两路相位差为90度的正交载波：余弦波作为I路载波，负正弦波作为Q路载波。将对应的基带信号分别与这两路载波进行逐点相乘，实现幅移键控到相移键控的转化。

1. 信号合成：

将调制后的I路和Q路支路信号进行线性叠加，生成最终的单路QPSK已调复合信号。

1. 频谱与可视化分析：

* 时域分析：绘制I/Q基带波形以及合成信号的局部放大图，观察相位突变点。 * 频域分析：应用周期图法计算合成信号的功率谱密度（PSD），并以分贝（dB）为单位展示信号的占用带宽与主瓣特性。 * 矢量分析：在采样点处提取I/Q分量，生成四相位星座图，用于验证映射逻辑的准确性。

关键算法与实现细节

• 双极性线性映射算法：采用 2*bits - 1 的数学转换逻辑，将单极性数字信号高效转化为适合正交调制的双极性信号，确保信号在载波调制后具有零均值特性。
• 离散时间序列处理：通过构建基于采样频率的时间矢量，精确同步所有支路信号，保证了正交相位的零误差。
• 功率谱估计：利用periodogram函数结合矩形窗算法，能够清晰展现QPSK信号在载波频率附近的sinc函数形态频谱。
• 正交性保障：在代码中显式使用cos和-sin函数构建正交空间，符合标准QPSK调制公式定义，有效抑制了支路间的干扰。

使用方法

1. 启动MATLAB软件环境。
2. 将包含仿真脚本的项目文件夹设置为当前工作路径。
3. 在命令行窗口输入该仿真系统的主函数名称并回车。
4. 程序将自动执行所有计算步骤并弹出可视化图形窗口。
5. 完成后，在控制台可以查看到生成的比特数、频率等关键仿真报告，仿真数据将以结构体形式保存在内存中供进一步调用。

系统要求

• 软件环境：MATLAB R2016b 或更高版本。
• 工具箱需求：Signal Processing Toolbox（信号处理工具箱），用于执行功率谱密度计算。
• 硬件建议：标准台式机或笔记本电脑即可满足实时仿真计算需求。