摘要：为实现QPSK应用到无线激光通信中，该文对QPSK系统性能进行了理论研究。介绍了QPSK调制解调原理,对高斯白噪声信道的系统性能进行了研究，分析对比了在高斯白噪声信道下的系统误码性能。为基于副载波QPSK无线激光通信系统的研究奠定了理论基础。
关键词：无线激光通信；QPSK调制解调；系统性能；误码性能
中图分类号：TP311文献标识码：A文章编号：1009-3044(2011)09-1995-02
Simulation System of QPSK and Performance Analysis of BER
WANG Lin, LIU Jin-zhu, DUAN De-ping
(Nanjing University of Information Science & Techunology, Nanjing 210044, China)
Abstract:For the application of the QPSK (Phase-Shift-Keying) to the wireless laser communication, this paper emphasizes the system of QPSK"s performance, theoretically. In the paper, the principle of the QPSK"s modulation and demodulation were introduced in brief and the performance of the system at white Gaussian noise (AWGN) channel was also analyzed carefully. The above results provide the theoretical foundation for the wireless laser communication system based on the QPSK with sub-carrier.
Key words: wireless laser communication; modulation and demodulation of QPSK; performance of system; performance of BER
无线激光通信是利用激光束作为载波在空间进行数据、语音、图像信息双向传送的一种技术；传输特点是光束以直线传播[1]。信号在大气中传输会受到多方面的影响，其中包括大气散射、大气分子吸收、和大气湍流等[2]。强度调制/直接检测（1M/DD）技术广泛应用于光通信，主要采用的调制方式有开关键控（OOK）、脉位调制（PPM）等。OOK方式功率效率较低且信号检测需设定门限：PPM方式虽然大大降低了平均发射功率，增加了系统带宽的要求，但解调需要时隙同步与符号同步，而采用副载波调制技术可以优化系统性能[3]。从目前研究大气激光通信技术的文献可知，使用BPSK调制的系统性能要优于OOK。由于QPSK的传输速率明显高于BPSK,将其应用到无线激光通信中可以大大提高通信速率,对QPSK系统性能的研究具有一定的应用前景。
1 QPSK调制原理
四相相位调制解调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 时的调相技术,它规定了四种载波相位,分别为0°,90°,180°,270°,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。
数字调制用“星座图”来描述，星座图中定义了一种调制技术的两个基本参数：1) 信号分布；2) 与调制数字比特之间的映射关系。星座图中规定了星座点与传输比特间的对应关系，这种关系称为“映射”，一种调制技术的特性可由信号分布和映射完全定义,即可由星座图来完全定义[4]。
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sinaωct和cosωct调制，相加后得到QPSK调制信号。QPSK同相支路和正交支路可分别采用相干解调方式解调,得到I(t)和Q(t)。经抽样判决和并/串变换器，将上、下支路得到的并行数据恢复成串行数据。
2 QPSK解调原理
在QPSK解调中，正交支路和同相支路分别设置两个相关器(或匹配滤波器),得到I(t)和Q(t)，经电平判决和并/串变换后即可恢复原始信息[5]。
从发射机发射的已调信号经过传输媒质传播到接收端,接收机接收到的已调信号为：
（1）
I(t)和Q(t)分别为同相和正交支路，ωc为载波频率，那么相干解调后，同相支路相乘可得：
（2）
正交支路相乘可得：
（3）
经过低通滤波器可得：
（4）
3 QPSK调制仿真及误码性能分析
QPSK系统性能仿真中，输入为随机的二进制序列，在调制系统中输出的同相和正交支路数据波形如图3所示。
由调制框图可知，输出的同相和正交数据经过调制求和后为QPSK调制信号，调制信号波形和星座图分别见图4和图5。
在信号传输过程中，信道特性，直接影响信号的接收和调制效果。这种影响不仅对信号的幅度造成衰减，同时导致信号波形产生畸变，从而发生误码。根据噪声对信号的影响不同,这里我们在加性高斯白噪声(Additive White Gaussian Noise , AWGN)信道背景下，分析信号的误码率。
图2所示的通信系统,载波的频率远大于信号的带宽，传输过程可等效为一个窄带随机过程：高斯白噪声n(t)经过该系统后变为窄带高斯白噪声n"(t)[6]：
n"(t)=nI(t)cos(ωct)-nQ(t)sin(ωct) （5）
已知信号
s(t)-A0 cos(ωct+ψn)=I(t) cosωct-Q(t)sinωct（6）
通过高斯信道后的信号为：
y(t)=s(t)+n"(t)=A"(t) cos(ωct)- A"(t)sinωct（7）
AWGN信道不仅对信号的幅度产生影响，同时也使信号的相位发生变化，导致QPSK解调时的误码率增加。此时QPSK的误码率为：
（8）
QPSK信号经过AWGN信道后的误码率曲线如图6所示。
4 总结
通过对QPSK调制系统的仿真，分析对比了加性高斯白噪声信道下信号、星座图和误码率的性能，推导了QPSK系统误码率表达式，仿真结果表明信道存在高斯白噪声时，使得通信质量严重降低。通过对QPSK系统性能研究，为今后的工作，基于副载波QPSK无线激光通信系统的研究奠定了基础。
参考文献：
[1] 柯熙政,席晓莉.无线激光通信概论[M].北京:北京邮电大学出版社,2004.
[2] 杜安源,柯熙政.大气信道对激光PPM信号的影响的研究[J].激光杂志,2006.
[3] 潘俊俊,贾振红.Gamma-Gamma湍流中副载波大气光通信系统的性能分析[J].光电子•激光,2007,18(8):953-955.
[4] 路布新.基于FPGA的全数字QPSK通信系统的研究[D].南京:南京理工大学硕士学位论文,2006:6.
[5] 杨东亮,罗志强,许家栋.高码速率QPSK解调器的设计[J].航空计算技术,2008,38(2):104-106.
[6] 赵树杰,赵建勋.信号检测与估计理论[M].北京:清华大学出版社,2006.
相关热词搜索： 误码率 仿真 性能 分析 系统