PSK的调制解调(共42页)

1、1 引言 通信按照传统的理解就是信息的传输。在当今高度信息化的社会，信息和通信已成为现代社会的命脉。信息作为一种资源，只有通过广泛的传播与交流，才能产生利用价值，促进社会成员之间的合作，推动社会生产力的发展，创造出巨大的经济效益。而通信作为传输信息的手段或方式，与传感技术，计算机技术相互融合，已为21世纪国际社会和世界经济发展的强大推动力。1.1 数字通信系统的模型按照信道中传输的是模拟信号还是数字信号，相应的将通信系统分为模拟通信系统和数字通信系统。模拟通信系统是利用模拟信号来传递信息的通信系统，模拟信号有时也称连续信号。而数字通信系统是利用数字信号来传递信息的通信系统。数字信号有时也称为离

2、散信号。近年来数字通信的发展远远超过模拟通信，数字通信在各个领域的应用也越来越广泛。本文讨论的也是数字通信中调制解调原理。数字通信系统的一般模型如图1所示。数字调制信道编码加密信源编码 信道信源译码受信者解密数字解调信道译码信息源躁声源 图1 数字通信系统模型 其中，信源编码有两个基本功能：一是提高信息传输的有效性，即设法减少码元数目和降低码元速率。二是完成数/模转换，即当信息源给出的是模拟信号时，信源编码器将其转换成数字信号，信源译码是信源编码的逆过程。信道编码的目的是增强数字信号的抗干扰能力，信道译码是信道编码的逆过程。加密和解密是为了保证所传信息的安全。数字调制就是将数字基带信号的频谱搬

3、移到高频处，形成适合在信道中传输的带通信号。图1为数字通信系统的一般化模型，实际的数字通信系统不一定包含图中的所有环节。模拟信号经过数字编码后也可以在数字通信系统中传输。1.2 数字通信的特点目前，数字通信在不同的通信业务中都得到了广泛的应用，究其原因也是数字通信相较于模拟同通信具有以下的一些优点。（1） 数字通信系统抗干扰能力强，且噪声不积累。数字通信系统中传输的是离散取值的数字波形，接受端的目标不是精确的还原被传输的波形，而是从受噪声干扰的信号中判决出发送端所发送的事两个状态总的哪一个即可。（2） 数字通信系统传输差错可控。在数字通信系统中，可通过信道编码技术进行检错和纠正，降低误码率，提

4、高传输质量。（3） 数字通信系统便于用现代数字信号处理技术对数字信息进行处理、变换、存储。这种数字处理的灵活性表现为可以将来自不同信源的信号综合到一起传输。（4） 数字通信系统易于集成，使通信设备微型化，重量轻。（5） 数字通信系统易于加密处理，且保密性好。1.3 数字调制的现状及发展趋势数字通信系统的优势明显，但同时也存在一些缺陷，需要较宽的传输带宽。在现代通信中，随着大容量和远距离数字通信技术的发展，信道的带宽限制和非线性对传输信号的影响越来越来重要。于是，新的数字调制方式逐渐出现。这些调制方式尽量减小信道对所传输信号的影响，以便在有限的带宽资源条件下获得更高的传输速率。多进制调制是提高谱

5、利用率的有效方法，恒包络技术能适应信道的非线性，并保持较小的频带利用率。近些年来，新发展的数字调制技术有最小移频键控（MSK），高斯滤波最小移频键控(GMSK)，正交幅度调制(QAM)，正交频分复用调制（OFDM）等等。近年来，随着半导体技术和信号处理技术的不断发展，用户对信道资源要求不断提高，移动性能用户也不断增加。卫星通信技术的发展，军用制导通信技术和深空探测技术的不断发展使高速率的调制技术成为可能。随着软件无线电技术的加速发展，Doppler频差影响不断加大，数字调制技术将能适应复杂干扰环境下通信方式和更高频段的通信。2 PSK的基本原理2.1 2PSK调制解调的基本原理相移键控是利用载

6、波的不同相位来传递数字信息，而振幅和频率保持不变。在2PSK中，通常用初始相位0和分别表示二进制“0”和“1”。因此，2PSK 信号的时域表达式为 （1） 其中，表示第n个符号的绝对相位： （2） 因此，式（2）可以改写为 （3） 由于表示信号的两种码元的波形相同，极性相反，故2PSK信号一般可以表述为一个双极性（bipolarity）全占空（100% duty ratio）矩形脉冲序列与一个正弦载波的相乘，即 （4） 其中 （5） 这里，g(t)是脉宽为的单个矩形脉冲，而的统计特性为 （6）乘法器e2PSK (t)cosct双极性不归零(a)模拟调制方法cosct开关电路(b)键控法 图2P

7、SK信号的调制原理框图1800相移o码型变换e2PSK (t)s(t)即发送二进制符号“0”时（取1），取0相位；发送二进制符号“1”时（取1），取相位。这种以载波的不同相位直接去表示相应二进制数字信号的调制方式，称为二进制绝对相移方式。调制方法有模拟调制和键控法，解调方法通常采用的是相干解调法。下面是2PSK的调制解调原理框图。输出 抽样判决低通滤波器带通滤波器相 乘 器定时脉冲cosct 图2 2PSK信号的解调原理框图2.2 4PSK调制解调的基本原理4PSK即四进制移向键控，又叫QPSK。4PSK是英文Quadrature Phase Shift Keying的简称，意为正交相移键控，

8、是一种数字调制方式。19世纪80年代中期以后,四相绝对移相键控(QPSK)技术以其抗干扰性能强、误码性能好、频谱利用率高等优点,广泛应用于数字微波通信系统、数字卫星通信系统、宽带接入、移动通信及有线电视系统之中。4PSK利用载波的四种不同相位来表示数字信息，由于每一种载波相位代表两个比特信息，因此每个四进制码元可以用两个二进制码元的组合来表示。下图为4PSK的相位矢量图。参考相位000o11 180o01270o10 90o45o 11135o 0100225o10315o参考相位图3 4PSK信号相位n矢量图 在表示每个四进制码元的两个二进制码元中，前一比特用a表示，后一比特用b表示。则双比

9、特ab与载波相位的关系入下表所示。表1 双比特ab与载波相位的关系双比特码元载波相位（n）abA方式B方式000o225o1090o315 o11180o45 o01270o135 o 四进制信号可等效为两个正交载波进行双边带调制所得信号之和。2.2.1 4PSK的调制原理4PSK的调制方法有正交调制方式（双路二相调制合成法或直接调相法）、相位选择法、插入脉冲法等。本文中采用的是正交调制方式。下图是正交调制的原理框图。a 相乘电路cosct 串/并 变换 相干载 波产生相加电路相移相移b 相乘电路图4 4PSK正交调制原理方框图它可以看成是由两个载波正交的2PSK调制器构成的。图中输入的基带信

10、号是二进制不归零双极性码元，它被“串/并变换”电路变成两路并行码元a和b，每个码元的的持续时间是输入码元的2倍。然后分别调制到cosct和sinct两个载波上，两路相乘器输出的信号是相互正交的抑制载波的双边带调制（DSB）信号，其相位与各路码元的极性有关，分别由a和b码元决定。经相加电路后输出两路的合成波形，即是4PSK信号。图中两个乘法器，其中一个用于产生0o与180o两种相位状态，另一个用于产生90o与270o两种相位状态，相加后就可以得到45o，135o，225o，和315o四种相位。2.2.2 4PSK的解调原理4PSK信号是两个载波正交的2PSK信号的合成。所以，可以仿照2PSK相干

11、解调法，用两个正交的相干载波分别检测两个分量 a和b，然后还原成二进制双比特串行数字信号。这种方法称为极性比较法，其原理框图5所示。抽样判决低通 相乘a cos0t载波提取并/串变换定时抽取b 相乘抽样判决低通图5 4PSK信号解调器原理方图 判决器是按极性来判决的，即正抽样值判为1，负抽样值判为0。两路抽样判决器输出a、b，经并/串变换器就可将并行数据恢复成串行数据如表2所示。表2 抽样判决器的判决准则输入相位的极性的极性判决器输出 +11_+01_00+_103 PSK在MATLAB中的编译与仿真3.1 MATLAB软件介绍MATLAB 软件是美国 Math Works 公司的产品，MAT

12、LAB 是英文 Matrix Laboratory(矩阵实验室)的缩写。MATLAB软件系列产品是一套高效强大的工程技术数值运算和系统仿真软件，广泛应用于当今的航空航天、汽车制造、半导体制造、电子通信、医学研究、财经研究和高等教育等领域，被誉为“巨人肩膀上的工具”。研发人员借助MATLAB软件能迅速测试设想构想，综合评测系统性能，快速设计更好方案来确保更高技术要求。同时MATLAB也是国家教委重点提倡的一种计算工具。MATLAB的编程非常简单，它有着比其他任何计算机高级语言更高的编程效率、更好的代码可读性和移植性，以致被誉为“第四代”计算机语言，MATLAB是所有Math Works公司产品的

13、数值分析和图形基础环境。此外MATLAB 还拥有强大的2D和3D甚至动态图形的绘制功能，这样用户可以更直观、更迅速的进行多种算法的比较，从中找出最好的方案。从通信系统分析与设计、滤波器设计、信号处理、小波分析、神经网络到控制系统、模糊控制等方面来看，MATLAB提供了大量的面向专业领域的工具箱。通过工具箱，以往需要复杂编程的算法开发任务往往只需一个函数就能实现，而且工具箱是开放的可扩展集，用户可以查看或修改其中的算法，甚至开发自己的算法。3.2 MATLAB中工具箱simulink的简介Simulink是MATLAB最重要的组件之一，它提供一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境。在该环境中

14、，无需大量书写程序，而只需要通过简单直观的鼠标操作，就可构造出复杂的系统。Simulink具有适应面广、结构和流程清晰及仿真精细、贴近实际、效率高、灵活等优点，并基于以上优点simulink已被广泛应用于控制理论和数字信号处理的复杂仿真和设计。同时有大量的第三方软件和硬件可应用于或被要求应用于Simulink。Simulink是实现动态系统建模、仿真和分析的一个软件包，被广泛应用于线性系统、非线性系统、数字控制及数字信号处理的建模和仿真中。Simulink可以用连续采样时间、离散采样时间或两种混合的采样时间进行建模，它也支持多速率系统，也就是系统中的不同部分具有不同的采样速率。为了创建动态系统

15、模型，Simulink提供了一个建立模型方块图的图形用户接口（GUI），这个创建过程只需单击和拖动鼠标操作就能完成，它提供了一种更快捷、直接明了的方式，而且用户可以立即看到系统的仿真结果。Simulink的每一个模块实际上都是一个系统、一个典型的Simulink模块包括输入、状态和输出三个部分：(1) 输入模块,即信号源模块，包括常数信号源、函数信号发生器和用户自定义信号；(2) 状态模块,即被模拟的系统模块，它是Simulink的中心模块，是系统建模的核心和主要部分；(3) 输出模块,即信号显示模块，它能够以图形方式、文件格式进行显示， 也可以在MATLAB的工作空间显示，输出模块主要集中在

16、Sinks库目前， MATLAB已经广泛地应用于工程设计的各个领域，如电子、通信等领域；它已成为国际上最流行的计算机仿真软件设计工具。现在的MATLAB不再仅仅是一个矩阵实验室，而是一种实用的、功能强大的、不断更新的高级计算机编程语言。现在从电子通信、自动控制图形分析处理到航天工业、汽车工业，甚至是财务工程。MATLAB都凭借其强大的功能获得了极大的用武之地。广大学生可以使用MATLAB来帮助进行信号处理、通信原理、线性系统、自动控制等课程的学习；科研工作者可以使用MATLAB进行理论研究和算法开发；工程师可以使用MATLAB进行系统级的设计与仿真。3.3 PSK的调制解调在MATLAB中的编

17、译与仿真3.3.1 2PSK的调制的simulink系统框图 2PSK的调制框图如下图所示。图6 2PSK的调制框图其中Bernoulli Binary Generator是伯努利随机信号发生器，设置零码率为0.5。Unipolar to Bipolar Converter是将单极性码转化为双极性码，其参数设置为： 图7 Unipolar to Bipolar Converter信号参数设置Sine Wave和Sine Wave1是相位相差的正弦载波信号。其中0相位的表示码元信号1，相位表示码元信号0，它们的参数设置分别如图8和图9所示。图8 Sin wave信号的参数设置图8 Sin wav

18、e1信号的参数设置由上面两个图可以看出两个载波是幅度为3，频率为1Hz，采样时间为0.002s的反相信号。2PSK调制各点波形为： 图9 2PSK调制的各点时间波形3.3.2 2PSK解调的simulink系统框图 2PSK解调的系统框图如下图所示。图10 2PSK的解调框图 其中，Sine Wave1与调制的参数设置相一致。AWGN Channel为信道中加入高斯白噪声，其信噪比的设置如图11所示。Error Rate Calculation用计算误码率。两个滤波器分别为带通滤波器和低通滤波器。Bipolar to UnipolarConverter将双极性码转化为单极性码，与Unipola

19、r to Bipolar Converter作用相反，参数设置也一致。Sign为符号函数，是一个抽样判决器，当数值大于0是判为1，小于0时判为-1。图11 AWGN Channel的参数设置 当信噪比为100时，基带信号码元与解调后的信号码元如图12所示，此时的误码率为0.55。 图12 2PSK各点的时间波形当信噪比为20时，基带信号码元和解调后的码元序列如图13所示，此时的误码率为0.36。图13 2PSK各点的时间波形3.3.3 4PSK调制的simulink系统框图4PSK调制的simulink系统框图如下图所示。图14 4PSK调制的系统框图 如图14所示，buffer为缓存器，它与

20、两个Frame Conversion构成串并转化器，将输入的基带信号变成两路并行码元，每个码元的持续时间是输入码元的2倍。其参数设置如图15所示。图15 buffer的参数设置3.3.4 4PSK解调的simulink系统框图4PSK解调的系统框图如图16所示。图16 4PSK解调的系统框图 图中所用的示波器为模拟低通滤波器。Pulse Generator为方波发生器，用于定时提取信号，其参数设置为如图17所示。图17 Pulse Generator的参数设置运行结果为：图18 输入数字信号序列对输入基带数字信号有串并变换电路分为两个并行序列，分别如下图19和图20所示。其中图10 中是输入序

21、列的奇数序列，图11是实序列的偶数序列:图19 经过串并转换的序列图20 经过串并转换的序列随后两路信号分别经过单/双极性转换器将此前的单极性信号转换为双极性信号。所加相干载波的波形分别为图21和图22所示:图21 0相位正弦载波信号图22 相位正弦载波信号-此时，经过双极性转换的信号一路与相位为0的正弦载波相干，另一路则与相位为的正弦载波相干。信号相干后的波形如图，分别为图23和图24所示。图23 经载波相干后的信号图24 经载波相干后的信号 相干后的两路信号在经过一个相加模块，就得到了4PSK信号。经调制后的4PSK信号如图25所示：图25 4PSK的调制信号 4PSK信号通过加两路相位分

22、别为0和的正弦载波进行相干解调。解调后信号波形分别如图26和图27所示。图26 0相位载波相干后信号图27 相位载波相干后信号 其两路正弦载波的参数分别与图28和图29相一致。经过载波相干后的信号通过低通滤波器进行低通滤波处理。其低通滤波后的信号的波形分别如图18和19所示。图28 低通滤波后的信号图29 低通滤波后的信号 此时信号经过抽样判决后将模拟信号转换为数字信号序列。经抽样判决后信号的波形分别如图30和31所示。图30 经抽样判决后信号图31 经抽样判决后信号然后将这两路双极性信号转换成单极性二进制信号，转换后的单极性二进制信号分别如图32和33所示。图32 经极性转换后的信号图33

23、经极性转换后的信号 最后通过并/串转换器将信号放置其奇数位，将另信号放置其偶数位，转换成一路二进制单极性信号，此时的信号即是QPSK信号解调后最终的信号。信号的解调信号如图34所示。图34 信号的解调信号4 仿真结果分析4.1 2PSK的仿真结果分析 （1）由图9知，2PSK的调制仿真与理论相一致。5 总结与展望5.1 总结数字调制技术的发展日新月异，如今在现实中应用的数字调制系统大部分是经过改进的，性能较好的系统。作为理论发展最成熟的调制方式之一，PSK的研究仍然具有很重大的意义，因此，本文选择了2PSK和4PSK这两种调制方式做仿真研究。一方面，可以更容易将仿真结果与成熟的理论进行比较，从

24、而验证仿真的合理性；另一方面，也可以以此为基础将仿真系统进行改进扩展，使其成为仿真更多的数字调制方式的模板。本文首先阐述了PSK调制解调的基本原理，然后分别从调制和解调这两个方面对其进行分析。然后利用simulink建模仿真，分析了在加入高斯白噪声的情况下2PSK和4PSK的传输特性，及噪声对传输其传输特性的影响，得出的结论与理论上是一致的。最后还将这两种调制解调的方式进行了比较。在simulink系统框图搭建中，参数设置是重要的一个环节。解调时相干载波必须与调制时的载波同频同相，这是相干解调的关键。5.1 展望 数字调制解调系统作为通信系统的一个重要组成部分，因此，本文所设计的数字调制仿真系

25、统也可以扩展成通信系统的仿真。这种扩展只需在输入端与调制器间增加一些数字基带处理模块，如信源编码、加密、信道编码等，在解调后增加相应的解码解密器即可。2PSK信号是用载波的不同相位直接表示相应的数字信号而得出的，在这种绝对的移相过程中由于发送端是以某一个相位作为基准的，因而在接收系统中也必须有这样一个固定的基准作为参考。如果这个参考相位发生变化，则回复的数字信息就会与发送的信息完全相反，从而造成错误的恢复。这种现象常称为2PSK的“倒”现象或“反相工作”现象。因此，今后的发展可以以2PSK为基础，完善差分相移键控（2DPSK）的调制解调，这也是避免“反相工作”现象的方法之一。2PSK的调制与解

26、调也可以用MATLAB的代码编程实现，本文在附录A中有详细的程序代码清单。4PSK是2PSK的一种扩展，其频带利用率明显高于2PSK，因此多进制相移键控成为今后的一个发展方向。在4PSK中，相邻的码元最大相位差达到1800。由于这样的相位突变在频带受限的系统中会引起信号包络的很大起伏，为了减小这样的相位突变，将两个正交分量的比特在时间上错开半个码元，使之不能同时改变，从而减小信号振幅的起伏，这种体制称为偏置正交相移键控。这也是今后数字调制的主要研究方向。家庭是孩子成长的第一课堂，父母是孩子的第一任老师，家庭教育对孩子的健康成长具有不可替代的作用。父母对孩子的关爱和照顾也是天经地义的事情43 参

27、考文献1樊昌信 曹丽娜等.通信原理(第6版).北京：国防工业出版社，2011，082王福昌 熊兆飞 黄本雄.通信原理.北京：清华大学出版社，20063钟麟 王峰.MATLAB仿真技术与应用教程.国防工业出版社.20034徐明远 邵玉斌.MATLAB仿真在通信与电子工程中的应用.西安：西安电子科技大学出版社.2010,055孙屹 吴磊.Simulink通信仿真开发手册.国防工业出版社，20046王兴亮.数字通信原理与技术（第二版）.西安电子科技大学出版社.20007沈越泓 高媛媛 魏以民.通信原理.机械工业出版社.20048郭文彬 桑森.通信原理（基于MATLAB的计算机仿真）.北京邮电大学出版

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