通过MATLAB对比BPSK/QPSK/QAM三种调制方式在地下通信信道的误码率性能_bpsk qpsk

目录

一、理论基础

二、核心程序

三、测试结果

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一、理论基础

        地下通信是发射机、接收机和天线设置在地下工事、隧道或矿井内的无线电通信。它主要有两种类型。一种是通过岩层传递电波，这就要选择电导率适当的岩层或利用高电导率岩层间的“波导”。这种通信方式的最大优点是不受外界天电、工业和其他无线电台的干扰，信号稳定性好，隐蔽保密，但一般要求有大功率的电台（兆瓦级）和使用长波。另一种类型是通过电缆的泄漏电磁波进行无线电通信，这种类型使用工作频率高，只要小功率电台就可以实现。如果在相应的地层中找不到合适的通信岩层，地下电台也可以把天线架设到竖井在地面的开口处，通过地面附近的空间传输电波。但这种方式受地形、地场影响大，信道质量较差。

       地下通信是发射机、接收机和天线设置在地下工事、隧道或矿井内的无线电通信。在地下通信中主要分为通过岩层传递电波和通过电缆的泄漏电磁波进行无线电通信两种类型。前者不受外界天电、工业和其他无线电台的干扰，信号稳定性好，隐蔽保密；后者工作效率高。

然后关于地下信道的建模与仿真，主要可以参考如下的文献：

《无线地下传感器网络关键技术的研究》

 一般情况下，地下无线信道的主要影响因子有：

从左往右六个参数：

1.电磁波工作频率

2.土壤的导电率

3.土壤的介电常数

4.传感器节点深度1

5.传感器节点深度2

6.传感器节点水平间隔

        下面我们基于上述的几个模型的研究，对WUSN的性能整体上进行仿真分析：

        这里，我们主要考虑地下通信的调制解调方式，然后根据地表不同的障碍物对应的信道的衰减以及地表波等因素的影响，然后再接收端进行解调接收，并对系统的误码率进行性能仿真。

        在地下通信中，调制方式的选择直接影响到通信的质量和效率。下面将详细介绍三种常见的调制方式：BPSK（二进制相移键控）、QPSK（四进制相移键控）和QAM（正交幅度调制）的原理和数学公式。

BPSK（Binary Phase Shift Keying，二进制相移键控）

        BPSK是一种最简单的数字调制方式，它把二进制数据转化为相位信息，通过改变载波的相位来表示数字信号。其基本原理是，当二进制信号为0时，载波相位保持不变；当二进制信号为1时，载波相位改变180度。因此，BPSK的数学公式可以表示为：

s(t) = A cos(2πf0t + πθm) （1）

其中，A为振幅，f0为载波频率，θm为二进制数据的相位。

      在地下通信中，由于信道环境通常非常恶劣，传输过程中可能会受到多种干扰，但BPSK具有较强的抗干扰能力，因此在地下通信中得到广泛应用。

QPSK（Quadrature Phase Shift Keying，四进制相移键控）

        QPSK是一种常见的数字调制方式，它把4个不同的相位分别对应00、01、10、11这四个二进制位。与BPSK相比，QPSK能在一倍带宽内传输四倍的数据，因此具有更高的频带利用率。其基本原理是，将两个二进制数据流分别调制两个正交载波，然后将它们相加。因此，QPSK的数学公式可以表示为：

s(t) = A cos(2πf0t + πθ1m) + A cos(2πf0t + πθ2m) （2）

其中，A为振幅，f0为载波频率，θ1m和θ2m分别为两个二进制数据流的相位。

       在地下通信中，QPSK具有更高的传输速率和频带利用率，因此在需要传输大量数据的通信系统中得到广泛应用。然而，QPSK对于信道干扰较为敏感，因此需要采用一些差错控制技术来保证传输的可靠性。

QAM（Quadrature Amplitude Modulation，正交幅度调制）

         QAM是一种同时利用相位和振幅信息的数字调制方式。它将一个二进制数据流映射到一个正交坐标系上，每个坐标对应一个信号点，每个信号点都有不同的振幅和相位。QAM的数学公式可以表示为：

s(t) = A x cos(2πf0t + θm) + A y sin(2πf0t + θm) （3）

其中，A为振幅，f0为载波频率，(x, y)为映射到正交坐标系上的二进制数据流，θm为信号的相位。

       在地下通信中，QAM具有更高的频带利用率和抗干扰能力，因此在信道条件较好的情况下得到广泛应用。然而，QAM对于信道干扰较为敏感，因此需要采用一些差错控制技术来保证传输的可靠性。同时，QAM的解调较为复杂，需要使用数字信号处理技术来实现。

       总之，在选择调制方式时需要考虑信道条件、传输速率、频带利用率、抗干扰能力等多方面因素。BPSK、QPSK和QAM是三种常见的调制方式，在不同的应用场景中具有各自的优缺点。在实际的地下通信系统中，通常会根据具体需求选择合适的调制方式来提高通信质量和效率。

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       QAM即quadrature amplitude modulation，应用在很多通信系统中，如WIFI，LTE等通信系统。QAM是由I和Q路信号组成，如下表达式:最简单的如BPSK，QPSK也属于QAM调制，BPSK可以称之为2QAM，QPSK可称之为4QAM, 另外如高阶调制16QAM，64QAM等，最新的wifi6标准需要支持1024QAM，越高阶的QAM调制带宽效率越高，但对transceiver设计越不友好，如引入更高的PAR，解调需要更高的SNR等。PAR即peak-to-average ratio，峰均比可用功率的概念来定义，即传输信号（电压或电流）的最大值平方和信号平方的平均值之比，计算dB的话是10log, 如果定义均方根之比的话，计算dB就是20log。

      

二、核心程序

clc;
clear;
close all;
warning off;
 
%QPSK
M      = 2;   
N      = 4;%采样频率/载波频率
SNR    = 0:1:10;
error  = zeros(1,length(SNR));
s_data = zeros(1,length(SNR));                                              
 
for k=1:length(SNR);
    k
    error(k)=0;
    s_data(k)=0;
    while error(k)<1000
        %产生信源
        d  = ceil(rand(1,10000)*M);
        %调制成QPSK信号（复基带形式）
        s  = exp(j*2*pi/M*(d-1));
        %加入信道噪声
        %分三路进行冲击响应%加入多径干扰
        f1 = 100;
        f2 = 100;
        f3 = 100;
        h1 = [1,0.42,0.21];
        h2 = [1,0.31,0.15];
        h3 = [1,0.34,0.31];
        s1 = filter(h1,1,s)*exp(j*2*pi*f1);%滤波器输出
        s2 = filter(h2,1,s)*exp(j*2*pi*f2);%滤波器输出
        s3 = filter(h3,1,s)*exp(j*2*pi*f3);%滤波器输出
        %叠加并加入高斯白噪声
        ss = (s1+s2+s3)/3;
        %根据深度加入深度衰减因子
        %衰减因子为本课题研究的第三部分的内容，这里直接使用一个随机数替换，加快算法仿真速度
        alpha = 0.5+0.5*rand;
        sy    = ss*alpha;
        r     = awgn(sy,SNR(k)+10*log10(0.5*N),'measured',[],'dB');
        %判决
        %计算距离
        for m=1:M  
            rd(m,:)=abs(r-exp(j*2*pi/M*(m-1)));
        end
        %判决距离最近的点
        for m=1:length(s) 
            dd(m)=find(rd(:,m)==min(rd(:,m)));
            if dd(m)~=d(m)
               error(k)=error(k) + 1;
            end
        end
        s_data(k)=s_data(k)+10000;
    end
end
Pe = error./s_data;
 
figure;
semilogy(SNR,Pe,'-rs','MarkerEdgeColor','k','MarkerFaceColor','g','MarkerSize',8)
grid on;
xlabel('SNR(db)');
ylabel('误码率');
legend('QSPK仿真结果');
SNR = SNR;
BER = Pe;
save r1.mat SNR BER

三、测试结果

 A28-17