【Practical Exercise】Design and Simulation of a Basic QPSK Modulation System in MATLAB

发布时间: 2024-09-14 06:47:14 阅读量: 46 订阅数: 71
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matlab Basic simulation of IEEE802.11a.zip

# 2.1 The Structure and Operation Principle of the QPSK Modulator The QPSK modulator consists of the following main modules: - **Data Source:** Produces the binary data stream to be modulated. - **Serial-to-Parallel Converter:** Converts the serial binary data stream into a parallel binary data stream. - **Scrambler:** Scrambles the data to reduce the correlation between adjacent symbols. - **I/Q Modulator:** Modulates the parallel binary data stream onto orthogonal carriers (I and Q). The basic operating principle of the QPSK modulator is as follows: 1. The data source generates a binary data stream. 2. The serial-to-parallel converter converts the serial data stream into a parallel data stream, where each parallel bit corresponds to two bits of a symbol. 3. The scrambler scrambles the data to improve noise immunity. 4. The I/Q modulator modulates the parallel data stream onto orthogonal carriers. Specifically, for each symbol, the I carrier modulates the first bit, and the Q carrier modulates the second bit. # 2. The QPSK Modulation Principle ### 2.1 The Structure and Operation Principle of the QPSK Modulator The QPSK modulator consists of the following components: - **Data Source:** Produces the data bit stream to be modulated. - **Binary-to-Quaternary Converter:** Converts the binary data bit stream into a quaternary symbol sequence. - **Quaternary-to-Phase Converter:** Converts the quaternary symbol sequence into phase shifts. - **Carrier Oscillator:** Produces a sinusoidal carrier signal. - **Phase Modulator:** Modulates the phase shifts onto the carrier signal. The operating principle of the QPSK modulator is as follows: 1. The data source generates a binary data bit stream. 2. The binary-to-quaternary converter converts the binary data bit stream into a quaternary symbol sequence. Each quaternary symbol represents two binary bits. 3. The quaternary-to-phase converter converts the quaternary symbol sequence into phase shifts. Each quaternary symbol corresponds to a specific phase shift (0°, 90°, 180°, 270°). 4. The carrier oscillator generates a sinusoidal carrier signal. 5. The phase modulator modulates the phase shifts onto the carrier signal. ### 2.2 The Mathematical Model of the QPSK Modulated Signal The mathematical model for the QPSK modulated signal is: ``` s(t) = A cos(2πf_c t + θ(t)) ``` Where: - `s(t)` is the modulated signal - `A` is the carrier amplitude - `f_c` is the carrier frequency - `θ(t)` is the phase shift The phase shift `θ(t)` is determined by the following formula: ``` θ(t) = 2πk/4, k = 0, 1, 2, 3 ``` Where: - `k` is the quaternary symbol Therefore, the QPSK modulated signal has four phase states: 0°, 90°, 180°, 270°. **Code Block:** ```python import numpy as np import matplotlib.pyplot as plt # Carrier frequency f_c = 1000 # Sampling frequency fs = 10000 # Data bit stream data = np.random.randint(0, 2, 1000) # Binary-to-quaternary conversion symbols = np.array([int(''.join(map(str, data[i:i+2])), 2) for i in range(0, len(data), 2)]) # Quaternary-to-phase conversion phases = np.array([2*np.pi*k/4 for k in symbols]) # Carrier signal carrier = np.cos(2*np.pi*f_c*np.arange(0, 1, 1/fs)) # Phase modulation modulated_signal = carrier * np.exp(1j*phases) # Visualization plt.plot(np.real(modulated_signal)) plt.xlabel('Time (s)') plt.ylabel('Amplitude') plt.title('QPSK Modulated Signal') plt.show() ``` **Code Logic Analysis:** 1. Generate a random binary data bit stream. 2. Convert the binary data bit stream into a quaternary symbol sequence. 3. Convert the quaternary symbol sequence into phase shifts. 4. Generate a sinusoidal carrier signal. 5. Modulate the phase shifts onto the carrier signal. 6. Visualize the modulated signal. **Parameter Description:** - `f_c`: Carrier frequency - `fs`: Sampling frequency - `data`: Binary data bit stream - `symbols`: Quaternary symbol sequence - `phases`: Phase shifts - `carrier`: Carrier signal - `modulated_signal`: Modulated signal # 3. Implementing QPSK Modulation in MATLAB ### 3.1 Setting Up the MATLAB Environment and Data Generation **Setting Up the MATLAB Environment** 1. Install the MATLAB software. 2. Set the MATLAB working path. **Data Generation** 1. Generate binary data: Use the `randi` function to generate a random binary sequence. 2. Convert to symbol
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