同心实验-2PSK-4PSK调制和解调及仿真实验(共24页)

1、结论 PAGE 25MATLAB的PSK调制(tiozh)和解调及仿真实验(shyn)Psk调制是通信(tng xn)系统中最为重要的环节之一，Psk调制技术的改进也是通信系统性能提高的重要途径。本文首先分析了数字调制系统的基本调制解调方法，然后，运用Matlab及附带的图形仿真工具 Simulink设计了这几种数字调制方法的仿真模型。通过仿真，观察了调制解调过程中各环节时域和频域的波形，并结合这几种调制方法的调制原理，跟踪分析了各个环节对调制性能的影响及仿真模型的可靠性。最后，在仿真的基础上分析比较了各种调制方法的性能，并通过比较仿真模型与理论计算的性能，证明了仿真模型的可行性。MATLAB

2、简介MATLAB 软件是美国 Math works 公司的产品，MATLAB 是英文 MATrix LABoratory(矩阵实验室)的缩写。从1984年推出了它的第一个DOS版本至今，一经推出了6.5版。Matrix Laboratory意为“矩阵实验室”，从它的本意可以知道，最初的MATLAB只是一个数学计算工具。但现在的MATLAB已经远不仅仅是一个“矩阵实验室”，它已经成为一个集概念设计、算法开发、建模仿真、实时实现于一体的集成环境，它拥有许多衍生的子集工具9。新的版本集成了日常数学处理中的各种功能，包括高效的数值计算、矩阵运算、信号处理和图形生成等等的常用功能。在 MATLAB 环境

3、下，用户可以集成地进行程序设计、数值计算、图形绘制、输入输出、文件管理等各项操作。 MATLAB 提供了一个人机交互的数学系统环境，该系统的基本数据结构是矩阵，在生成矩阵对象时，不要求作明确的维数说明，所谓交互式语言，是指人们给出一条命令，立即就可以得出该命令的结果。该语言无需像 C 和 Fortran 语言那样，首先要求使用者去编写源程序，然后对之进行编译、连接，最终形成可执行文件。这无疑会给使用者带来了极大的方便，因此，利用 MATLAB可以节省大量的编程时间。2002年6月Mathworks公司正式推出MATLAB Release 13，即MATLAB 6.5Simulink 5.0 这

4、是目前应用最广的版本。MATLAB主要由C语言编写而成，采用LAPACK 为底层支持软件包。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. PSK 调制(tiozh)系统3.1 2PSK数字(shz)调制原理3.1.1 2PSK数字(shz)调制2PSK信号用载波相位的变化来表征被传输信息的状态，通常规定0相位载波和相位载波分别表示传“1”和传“0”。设二进制单极性码为an,其对应的双极性二进制码为bn,则2PSK信号的一般时域信号可以表示为： S2psk（t）= bn g(t-nTs)cosct式中 bn=

5、-1（当an=0时，概率为P） bn=1（当an=1时，概率为1-P） 则时域信号可以变为: S2psk（t）= g(t-nTs)cos（ct+）， 当an=0时 S2psk（t）= g(t-nTs)cos（ct+0） 当an=1时由此可知2PSK信号是一种双边带信号，功率谱为：P2PSK（）= s=P（1-P）|G（+ s）|2+|G（- s）|2 + s2（1-P）2|G（0）|2(+ s)+ (- s)2PSK信号的带宽为B2PSK=（c+Rs）-（c-Rs）= 2Rs 式中Rs为码元速率。值得注意的是，2PSK码元序列的波形与载频和码元持续时间之间的关系有关。当一个码元中包含有整数个载

6、波周期时，在相邻码元的边界处波形是不连续的，或者说相位是不连续的。当一个码元中包含的载波周期数比整数个周期多半个周期时，则相位连续。当载波的初始相位差90度时，即余弦波改为正弦波时，结果类似。以上说明，相邻码元的相位是否连续与相邻码元的初始相位是否相同不可混为一谈。只有当一个码元中包含有整数个载波周期时，相邻码元边界处的相位跳变才是由调制引起的相位变化16。2PSK信号的产生方法主要有两种。第一种叫相乘法，是用二进制基带不归零矩形脉冲信号与载波相乘，得到相位反相的两种码元。第二种方法叫选择法，是用此基带信号控制一个开关电路，以选择输入信号，开关电路的输入信号是相位(xingwi)相差的同频载波

7、。这两种方法的复杂程度差不多，并且都可以(ky)用数字信号处理器实现。码变换相乘S（t）载波eo（t）双极性不归零2PSK及2DPSK的调制方框图3.1.1用M文件(wnjin)编程实现程序见附录一3.1.3 用Simulink实现(shxin)PSK调制首先构造(guzo)如图20所示的Simulink模型：这里载波的参数设置见图下图，为了便于(biny)观察将载波频率设置为：这样，所需模块(m kui)找到以后，排列好，用简单的直线连接起来，点击运行，然后双击示波器scope，便出现所需的PSK调制波形。这里对示波器进行参数设置，使之同时显示二进制序列，载波波形和调制信号波形，见图3.2

8、4PSK的调制(tiozh)和解调3.2.1 4PSK信号(xnho)四进制绝对相移键控(4PSK)直接(zhji)利用载波的四种不同相位来表示数字信息。4PSK信号相位n矢量图如下参考相位000o11 180o01 270o10 90o45o 11135o 0100225o10315o参考相位由于每一种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。两个二进制码元中的前一比特用a来表示，后一比特用b表示，则双比特ab与载波相位的关系入下图：双比特ab与载波相位的关系 双比特码元 载波相位（n） a b A方式 B方式0110 0 0 1 1 0o 90o 180o

9、270o 225o 315 o 45 o 135 o4PSK信号可以表示为 e4PSK(t)= g(t-nTs)cos(ct+n)式中，g(t) 为信号包络(bo lu)波形，通常为矩形波，幅度为1：Ts为码元时间(shjin)宽度；c 为角频率；n 为第n个码元对应的相位(xingwi)，可取/4,3/4,5/4,7/4这四种值。 4PSK信号可以表示为 正交形式： e4PSK(t)= g(t-nTs)cosn cosct - g(t-nTs)sinn sinc = ang(t-nTs)cosct-bng(t-nTs) sinct =I(t) cosct-Q(t) sinct式中I(t)=

10、ang(t-nTs) Q(t)= bng(t-nTs)其中an ,bn分别是cosn ，sinn的值。an ,bn可取+1和-1。可见，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。这样，就把数字调相和线性调制联系起来，为四相波形的产生提供依据。3.2.1 4PSK信号调制和解调（1）4PSK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。这里我们采用正交调制方式。4PSK的正交调制原理如图。串/并变换单/双极性换单/双极性换移相/2载波震荡+acosctsinct-+输入4PSK输出4PSK正交调制原理方框图b它可以看成是

11、由两个载波正交的2PSK调制器构成的。图中串/并变换器将输入的二进制序列分为速度减半的两个并行双极性序列a和b（a,b码元在事件上是对齐(du q)的），再分别进行极性变换，把极性码变为双极性码（0-1，1+1）然后(rnhu)分别调制到cosct和sinct两个载波(zib)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

12、315o四种相位状（2）4PSK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相干检测法，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。此法称作极性比较法（相干解调加码反变换器方式或相干正交解调发）。4PSK信号解调器原理方图带通滤波器低通滤波器低通滤波器抽样判决抽样判决位定时并/串变换正交载波源4PSK输入yi(t)yB(t)cosctsinctyA(t)zB(t)xA(t)zA(t)xB(t)ab在不考虑噪声及传输畸变时，接收机输入的4PSK信号码(hom)元可表示为 yi(t)=A cos(ct+n) 式中n为45o，1

13、35o，225o，315o四个相位(xingwi)值。 带通滤波器输出(shch)的两路信号 yA(t)= yB(t)= yi(t) 两路相乘器输出分别为 ZA（t）=A cos(ct+n) cosct=cos(2ct+n)+ cosn ZB（t）= A cos(ct+n)（-sinct）=- sin(2ct+n)+ sinn低通滤波器输出为 XA（t）=cosn XB（t）=sinn抽样判决器的判决准则如下表：输入相位 ncosn的极性sinn的极性 判决器输出 a b45o 135 o225 o315 o+-+-10011100判决(pnju)器是按极性来判决的。即正抽样值判为1，负抽样值

14、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(bngxng)数据恢复成串行数据。3.3 本章(bn zhn)小结本章讲述了数字调制的原理及二种调制方式相位键控（PSK、2PSK）的调制和解调方法和结果，通过仿真过程和结果来加深对三种键控的理解。4 PSK调制解调(ji dio)系统的仿真4.1 2PSK调制解调系统(xtng)的仿真系统(xtng)方框图各个模块的参数见附录（二）运行结果如下：4.2 4PSK调制解调系统的仿真系统方框图各个(gg)模块的参数见附录（三）运行结果(ji gu)如下：4.3利用(lyng)MATLAB研究4PSK信号系统方框图：各个(gg)模块的参数

15、见附录（四）运行(ynxng)结果如下：实际的传输系统不可能完全的满足无码间串扰传输条件(tiojin)，评价传输系统的一种定性而且简单的方法就是观察信号通过加有噪声的信道后的眼图上右图是信号没有通过任何的系统的眼图，下面是信号通过信噪比为26dB的高斯白噪声后的眼图。最下面是信号通过信噪比为16dB后的眼图。通过对比可以知道信噪比越大，信号的眼图越清晰，信噪比越小，眼图越模糊，没有噪声的话，眼图最清晰，近似线状。眼图不仅反映信噪比对信号的影响，而且反映信号之间串扰的大小。眼图中改变参数设置，可以(ky)发现最佳判决时刻的改变。 附录(fl)附录(fl)一clear all; close al

16、l; fs=8e5;%抽样(chu yn)频率 fm=20e3;%基带频率 n=2*(6*fs/fm); final=(1/fs)*(n-1); fc=2e5; % 载波频率 t=0:1/fs:(final); Fn=fs/2;%耐奎斯特频率 %用正弦波产生方波 %= twopi_fc_t=2*pi*fm*t; A=1; phi=0; x = A * cos(twopi_fc_t + phi); % 方波 am=1; x(x0)=am; x(x= vt Vs(ii)=High; else Vs(ii)=Low; end end Vo=Vs; subplot(325); plot (t,Vo),

17、 title(解调后输出信号), axis(0 2e-4 -5 5) grid on; xlabel(时间 (s), ylabel(幅度(V),附录二：Random-Integer Genrrator （随机整数发生器）的主要参数模块名称 Random-Integer Genrrator位置(wi zhi) Communications BlocksetComm Sources参数名称 参数值 2PSK M-ry number（元数） 2 Initial seed（初始化种子） 12345 Sample time(采样时间) 0.001Spectrum Scope(频谱仪)的主要参数模块(m

18、kui)名称 Spectrum Scope位置(wi zhi) DSP BlocksetDSP sinks 参 数 名 称 参 数 值Buffer size（缓存长度）1024Buffer overlap（缓存交叠）512FFT length（FFT长度）1024Number ofspectral averages（谱（计算）平均（点）数）64Scope position（显示器位置）Get(0，defaultfigureposition)Frequency units（频率单位）HertzFrequency range （频率范围）-Fs/2.Fs/2Amplitude scaling（幅度

19、刻度）dBInherit sample increment from input（与输入信号采样时间一致）使能MinmumY-limit(Y轴最小刻度)-30MaxmumY-limit(Y轴最大刻度)15Discrete-Time Scatter Diagram（离散使劲星座图仪）的主要参数模块名称 Discrete-Time Scatter Diagram位置 CommunicationsBlockset Comm Sinks 参数名称 参数值Sanmples per symbol1Offset（samples）0Points display1000New traces per displa

20、y100BPSK Modulator Baseband（基带BPSK调制器）的主要参数模块名称 BPSK Modulator Baseband位置 Communications BlocksetModulationDigital Bseband Modulation参数名称 参数值Phase offsetPi/4Samples per symbol 16AWGN Channel（加性高斯白噪声信道）的主要参数模块名称 AWGN Channel位置(wi zhi)Communications BlocksetChannels 参 数 名 称 参数值BPSKInitial seed（初始化种子）1

21、8233Mode（模式）Signal to noise ration（SNR）（信噪比）SNR（dB）（信噪比）16Input signal power 1Error Rate Calculation（误码率计算(j sun)）的主要参数模块(m kui)名称 Error Rate Calculation位置 CommunicationsBlockset Comm Sinks 参数名称 参数值BPSKReceive delay（接收延迟）1Communication delay（计算延迟）0Computational mode（计算模式）Entire frameOutput data（输出数据

22、）Port附录三：Random-Integer Genrrator （随机整数发生器）的主要参数模块名称 Random-Integer Genrrator位置 Communications BlocksetComm Sources参数名称 参数值 QPSK M-ry number（元数） 4 Initial seed（初始化种子） 12345 Sample time(采样时间) 0.001Spectrum Scope(频谱仪)的主要参数模块名称 Spectrum Scope位置 DSP BlocksetDSP sinks 参 数 名 称 参 数 值Buffer size（缓存长度）1024Bu

23、ffer overlap（缓存交叠）512FFT length（FFT长度）1024Number ofspectral averages（谱（计算）平均（点）数）64Scope position（显示器位置）Get(0，defaultfigureposition)Frequency units（频率单位）HertzFrequency range （频率范围）-Fs/2.Fs/2Amplitude scaling（幅度刻度）dBInherit sample increment from input（与输入信号采样时间一致）使能MinmumY-limit(Y轴最小刻度)-30MaxmumY-lim

24、it(Y轴最大刻度)15Discrete-Time Scatter Diagram（离散(lsn)使劲星座图仪）的主要参数模块(m kui)名称 Discrete-Time Scatter Diagram位置(wi zhi) CommunicationsBlockset Comm Sinks 参数名称 参数值Sanmples per symbol1Offset（samples）0Points display1000New traces per display100QPSK Modulator Baseband（基带QPSK调制器）的主要参数模块名称 QPSK Modulator Baseban

25、d位置 Communications BlocksetModulationDigital Bseband Modulation参数名称 参数值Input type（输入类型）IntegerPhase offset(相位偏移)Pi/4Samples per symbol（每符号采样数）16AWGN Channel（加性高斯白噪声信道）的主要参数模块名称 AWGN Channel位置Communications BlocksetChannels 参 数 名 称 参数值QPSKInitial seed（初始化种子）18233Mode（模式）Signal to noise ration（SNR）（信噪

26、比）SNR（dB）（信噪比）16Error Rate Calculation（误码率计算）的主要参数模块名称 Error Rate Calculation位置 CommunicationsBlockset Comm Sinks 参数名称 参数值BPSKReceive delay（接收延迟）1Communication delay（计算延迟）0Computational mode（计算模式）Entire frameOutput data（输出数据）Port附录(fl)四：Random-Integer Genrrator （随机(su j)整数发生器）的主要参数模块(m kui)名称 Random-Integer Genrrator位置 Communications BlocksetComm Sources参数名称 参数值 M-ry number（元数） 4 Initial seed（初始化种子） 12345 Sample time(采样时间) 0.001QPSK Modulator Baseband（基带QPSK调制器）的主要参数模块名称 QPSK Modulator Baseband位置 Communications BlocksetMod