基于Simulink的PSK传输系统仿真.docx
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基于Simulink的PSK传输系统仿真
基于Simulink的PSK传输系统仿真
摘要：
随着低成本微控制器的涌现还有民用移动电话和卫星通信的引入，数字调制技术的使用日益增加。
由于相位调制能更好的的抑制噪声，因此成为了目前大多数通讯设备的首选方案。
本论文首先对通信技术进行了概述，对基于Simulink的PSK传输系统仿真的原理和关键技术进行了详细介绍，并且指出了PSK传输系统仿真的主要内容和方法。
最后使用MATLAB集成环境下的Simulink仿真平台,设计出2PSK、2DPSK、QPSK、OQPSK、16PSK和16QAM调制对比系统，并通过对2PSK和2DPSK、QPSK和OQPSK、16PSK和16QAM调制系统的性能分别进行对比，分析得出不同调制方式的性能差异。
关键字：
PSK调制；QAM调制；Simulink；性能分析
SimulationofPSKtransmissionsystembasedonSimulink
Abstract：
Withtheemergenceoflow-costmicrocontrollers,aswellastheintroductionofciviliancellphonesandsatellitecommunications,digitalmodulationtechniqueswillbecomeincreasinglypopular.Cansuppressnoisephasemodulation,thusbecomingthemostpreferredprogrammeforcommunicationsequipment.Firstly,anoverviewofICT,thePSKtransmissionsystembasedonSimulinksimulationtheoryandkeytechniquesaredescribedindetailandpointedoutthatthemaincontentsofaPSKtransmissionsystemsimulationandmethods.UsingMATLABSimulinksimulationplatformofintegratedenvironment,design2PSK,2DPSK,QPSK,OQPSKand16QAM,16PSKmodulationcontrastsystems,andthroughthe2PSKand2DPSK,QPSKandOQPSK,16QAMand16PSKmodulationsystemcarriedtotheperformancecomparisonanalysisofperformancedifferenceofdifferentmodulationmodes.
Keywords：
Modulation；Simulink；Performance
1绪论
1.1通信发展简史
1.1.1通信的概念
从广义上讲，通信就是将信息从一个地方传递到另一个地方。
实现通信的方式很多，古代的烽火台，鸣金击鼓，现在的信函、电报、电话、传真、电视等，均属于通信的范畴。
邮政通信和电通信的主要区别在于邮政通信传递的是实物信息，而电通信传递的是电信号，随着现代科学技术的发展，人们对传送信息的要求越来越高，在各种各样的通信方式中，电通信的使用越来越广泛。
这是因为，电通信能使信息在几乎任意的通信距离上实现迅速而可靠的传送。
消息是信息源所产生的，是信息的物理表现，例如，语音、文字、数据、图形和图像等都是消息（Message）。
消息有模拟消息（如语音、图像等）以及数字消息（如数据、文字等）之分。
所有消息必须在转换成电信号（通常简称为信号）后才能在通信系统中传输。
所以，信号（Signal）是传输消息的手段，信号是消息的物质载体。
相应的信号可分为模拟信号和数字信号，模拟信号的自变量可以是连续的或离散的，但幅度是连续的，如电话机、电视摄像机输出的信号就是模拟信号。
数字信号的自变量可以是连续的或离散的，但幅度是离散的，如电船传机、计算机等各种数字终端设备输出的信号就是数字信号。
通信的目的是传递消息，但对受信者有用的是消息中包含的有效内容，也即信息（Information）。
消息是具体的、表面的，而信息是抽象的、本质的，且消息中包含的信息的多少可以用信息量来度量。
通信技术，特别是数字通信技术近年来发展非常迅速，它的应用越来越广泛。
通信从本质上来讲就是实现信息传递功能的一门科学技术，它要将大量有用的信息无失真，高效率地进行传输，同时还要在传输过程中将无用信息和有害信息抑制掉。
当今的通信不仅要有效地传递信息，而且还有储存、处理、采集及显示等功能，通信已成为信息科学技术的一个重要组成部分。
通信系统就是传递信息所需要的一切技术设备和传输媒质的总和，包括信息
源、发送设备、信道、接收设备和信宿（受信者），它的一般模型如图1-1所示。
图1-1通信系统一般模型
通信系统可分为数字通信系统和模拟通信系统。
数字通信系统是利用数字信号来传递消息的通信系统，其模型如图1-2所示。
图1-2数字通信系统模型
模拟通信系统是利用模拟信号来传递消息的通信系统，其模型如图1-3所示。
图1-3模拟通信系统模型
数字通信系统较模拟通信系统而言，具有抗干扰能力强、便于加密、易于实现集成化、便于与计算机连接等优点。
因而，数字通信更能适应对通信技术的越来越高的要求。
近二十年来，数字通信发展十分迅速，在整个通信领域中所占比重日益增长，在大多数通信系统中已代替模拟通信，成为当代通信系统的主流。
1.1.2通信的发展过程
移动通信自产生到现在的历时并不长，但是它的发展速度却大大的超过了人们的预想。
特别是近十多年，在微电子技术、计算机和软件工程的发展的基础上，移动通信设备在质量、便捷度和可靠度等方面的发展都突飞猛进。
从移动通信的发展历程来看，当代移动通信可以划分为四个阶段：
（1）第一代移动通信是以模拟调频、频分多址为主体的技术，包括以蜂窝网系统为代表的公用移动通信系统、以集群系统为代表的专用移动通信系统还有无绳电话。
主要以为用户提供模拟话音业务为目的。
（2）第二代移动通信是以数字传输、时分多址或码分多址为主体的技术，一般称为数字移动通信，包括数字蜂窝系统、数字无绳电话系统和数字集群系统等。
主要以向用户提供数字话音业务和低速数据业务为目的。
（3）第三代（3G）移动通信是以CDMA为主体的技术，达到了向用户提供2Mb/s到10Mb/s的多媒体业务的程度。
（4）超（后）三代（B3G）或第四代（4G）移动通信的研究和开发，主要采用OFDM和多天线等技术，可以达到像用户提供100Mb/s甚至1Gb/s的数据速率的水平。
随着现代电子技术的发展，通信技术正向着数字化、综合化、融合化、宽带化、智能化和个人化的方向发展。
随着科学技术的进步，人们对通信的要求越来越高，各种技术会不断地应用于通信领域，各种新的通信业务将不断地被开发出来。
到那时人们的生活将越来越离不开通信。
1.2调制技术的现状和发展趋势
传统的本地通讯借助于电线传输，因为这既省钱又可保证信息可靠传送。
而长途通讯则需要通过无线电波传送信息。
从系统硬件设备方面考虑这很方便省事，但是从传送信息的准确性考虑，却导致了信息传送不确定性增加，而且由于常常需要借助于大功率传送设备来克服因气象条件、高大建筑物以及其他各种各样的电磁干扰。
各种不同类型的调制方式能够根据系统造价、接收信号品质要求提供各种不同的解决方案，但是直到不久以前它们大部分还是属于模拟调制范畴，频率调制和相位调制噪声小，而幅度调制解调结构要简单的多。
如今由于低成本微控制器的出现以及民用移动电话和卫星通信的引入，数字调制技术日益普及。
数字式调制具有采用微处理器的模拟调制方式的所有优点，通讯链路中的任何不足均可借助于软件根除，它不仅可实现信息加密，而且通过误差校准技术，使接收到的数据更加可靠，另外借助于DSP，还可减小分配给每个用户设备的有限带宽，频率利用率得以提高。
如同模拟调制，数字调制也可分为频率调制、相位调制和幅度调制，性能各有千秋。
由于频率、相位调制对噪声抑制更好，因此成为当今大多数通讯设备的首选方案。
1.3本课题主要研究内容
本文主要研究基于Simulink的PSK传输系统仿真。
文章首先对通信技术进行了概述，对基于Simulink的PSK传输系统仿真的原理和关键技术进行了详细介绍，并且指出了PSK传输系统仿真的主要内容和方法，最后利用MATLAB集成环境下的Simulink仿真平台,设计2PSK、2DPSK、QPSK、OQPSK、16QAM和16PSK系统，并对2PSK和2DPSK、QPSK和OQPSK、16QAM和16PSK系统性能进行对比。
通过Simulink的仿真功能摸拟到了实际中的PSK调制与解调情况。
2移动通信调制技术
2.1调制解调概述
调制是将各种基带信号转换成适于信道传输的调制信号（已调信号或频带信号），就是用基带信号去控制载波信号的某个或几个参量的变化，将信息荷载在其上形成已调信号传输，而解调是调制的反过程，通过具体的方法从已调信号的参量变化中将恢复原始的基带信号。
图2-1为调制与解调的过程示意图。
数字调制和数字解调统称为数字调制。
图2-1调制与解调过程示意图
调制技术分为模拟调制技术与数字调制技术，其主要区别是：
模拟调制是对载波信号的某些参量进行连续调制，在接收端对载波信号的调制参量连续估值，而数字调制是用载波信号的某些离散状态来表征所传送信息，在接收端只对载波信号的离散调制参量进行检测。
与模拟调制系统中的调幅、调频和调相相对应，数字调制系统中也有幅度键控（ASK）、移频键控（FSK）和移相键控（PSK）三种方式，其中移相键控调制方式具有抗噪声能力强、占用频带窄的特点，在数字化设备中应用广泛，具体的数字调制方式有2ASK、2PSK、2FSK、QAM、QPSK、MSK、GSMK等。
图2-2为三种数字调制的波形图。
图2-22ASK、2FSK、及2PSK波形图
数字调制的优点是抗干扰能力强，中继时噪声及色散的影响不积累，因此可实现长距离传输。
在现在文明高速发展的今天，人们越来越离不开数字信息，数字通信也越来越重要，因此数字调制解调技术越来越被广泛应用。
由于信道资源的紧张与人们越来越希望更快的通信速度与更好通信质量的要求的矛盾，将来必然还要寻找更加好的调制技术，它要求功率效率高，频带利用率高，并且易于实现，节能低碳，环保。
激光调制通信、卫星通信、非恒包络调制等都是研究方向。
数字调制解调的发展，必定会有力地推进通信、数字技术等各个领域的进步。
[1]
2.2相移键控（PSK）调制
设输入比特率为，，，则PSK的信号形式为
（2-1）
还可以表示为
（2-2）
即当输入为“+1”时，对应的信号附加相位为“0”；当输入为“-1”时，对应的附加相位为“π”。
设是宽度为的矩形脉冲，其频谱为，则PSK信号的功率谱为（假设“+1”和“-1”是等概率出现）
（2-3）
PSK可以采用相干解调法和差分相干解调法，如图2-3所示。
如输入噪声为窄带高斯噪声（均值为0，方差为），则在输入序列“+1”和“-1”等概出现的条件下，相干解调后的误比特率为
（2-4）
式中，，a为接收信号幅度。
在同条件下，差分相干解调法的误比特率为
（2-5）
式中，。
通过比较可以发现，在相同的误比特率情况下，PSK所需要的信噪比r要比FSK小3dB，即PSK的性能比FSK好。
图2-3PSK的解调框图
（a）相干解调；（b）差分相干解调
2.2.1二进制绝对相位调制（2PSK）
2PSK信号波形图如图2-4所示。
图2-42PSK信号波形图
2PSK调制方法主要有两种：
模拟调相法和键控法（相位选择法）。
模拟调相法原理方框图如图2-5所示，极性变器将输入的二进制单极性码转换成双极性不归零码，然后与载波直接相乘，以实现2PSK
图2-5模拟调相法
键控法原理方框图如图2-6所示，用数字基带信号控制开关电路，以选择不同相位的载波输出。
此时通常是单极性的，当=0时，输出；当=1时，输出。
图2-6键控法
2PSK信号的解调方法是相干解调法。
由于PSK信号本身就是利用相位传递信息的，所以在接收端必须利用信号的相位信息来解调信号。
图2-7中给出了一种2PSK信号相干接收设备的原理框图。
图中经过带通滤波的信号在相乘器中与本地载波相乘，然后用低通滤波器滤除高频分量，在进行抽样判决。
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。
2PSK信号相干解调各点时间波形如图2-8所示。
当恢复的相干载波产生180°倒相时,解调出的数字基带信号将与发送的数字基带信号正好是相反,解调器输出数字基带信号全部出错。
这种现象通常称为"倒π"现象。
由于在2PSK信号的载波恢复过程中存在着180°的相位模糊,所以2PSK信号的相干解调存在随机的"倒π"现象,从而使得2PSK方式在实际中很少采用。
2PSK信号的解调原理方框图如图2-7所示。
图2-72PSK信号的解调原理框图
2PSK信号相干解调各点时间波形如图2-8所示。
图2-82PSK信号相干解调各点时间波形
2.2.2二进制相对相位调制（2DPSK）
如果采用绝对移相方式，由于发送端是以某一个相位作基准的，因而在接收系统中也必须有这样一个固定基准相位作参考。
如果这个参考相位发生变化（0相位变相位或相位变0相位），则恢复的数字信息就会由0变为1或由1变为0，从而造成错误。
这种现象常称为2PSK方式的“倒”现象或“反向工作”现象。
为此实际中一般采用一种所谓的差分移相键控（2DPSK）方式。
2DPSK方式是利用前后相邻码元的相对载波相位值去表示数字信息的一种方式。
例如，假设相位值用相位偏移表示（定义为本码元初相与前一码元初相之差），设编码结果如图2-8所示。
这样就避免2PSK中的倒π现象。
产生2DPSK信号时，先将输入的绝对码转换成相对码，然后再用相对码用二进制绝对移相方式对载波进行调相。
图2-8相对移相示例
2DPSK方式是用前后相邻码元的载波相对相位变化来表示数字信息。
即本码元初相与前一码元初相之差。
假设前后相邻码元的载波相位差为△φ，可定义一种数字信息与△φ之间的关系为
（2-6）
众所周知2PSK调制是将传输的数字码元“1”用初始相位为180°的正弦波表示，而数字码元“0”用初始相位为0°的正弦波表示。
若设s（t）是传输数字码元的绝对码，则2PSK已调信号在任一个码元时间t内的表达式为
（2-7）
若将传输数字码元的绝对码a（t）先进行差分编码得相对码b（t），其差分编译码为
（2-8）
差分译码为
（2-9）
再将相对码进行2PSK调制，则所得到的即是2DPSK已调信号，其在任一码元时间t内的表达式为
（2-10）
差分编码移相2DPSK在数字通信系统中是一种重要的调制方式，其抗噪性能和信道频带利用率均优于移幅键控（ASK）和移频键控（FSK），因而在实际的数据传输系统中得到广泛的应用。
2DPSK调制解调系统的原理框图如图2-9所示。
图2-92DPSK调制解调系统原理框图
（a）
（b）
图2-102DPSK的调制方框图
（a）键控法；（b）模拟调相法
2DPSK调制原理是指载波的相位受数字信号的控制而改变，通常用相位0°来表示“1”，而用180°来表示“0”。
差分移相键控2DPSK信号的参考相位不是未调波的相位，而是相邻的前一位码元的载波相位。
2DPSK信号的产生只需要在2PSK调制前加一套相对码变换电路就可以实现，2DPSK的调制方框图如图2-10所示。
实际中接收到的2DPSK信号在经过带通滤波后，由于码元跳变处的高频分量被过滤掉，滤波后的2DPSK信号波形分为稳定区和过渡区，码元中间部分是稳定区，前、后部分为过渡区。
稳定区内的信号基本无损失，波形近似为正弦波，而过渡区内的波形则不是正弦波，并且幅度明显降低。
调制信息基本上只存在于码元稳定区。
从上述分析出发，可以得到基于DFT的数字解调方案。
对每个码元稳定区内的采样点按照式（2-11）做DFT
（2-11）
其中，
代表每个载波周期的采样点个数，
代表做DFT时使用的稳定区内的采样点个数（通常取多个载波整周期）。
然后，提取出前后码元的相位跳变信息
来进行解调判决：
计算
，并根据
和
的正负情况确定
的取值范围。
把本码元的相位记为
，前一码元的相位记为
，则
（2-12）
其中
是进行了位同步点调整时附加的相位。
可见，在每个码元周期只需要计算一次相位值即本码元的相位，然后相减得到跳变相位，就可以依据判决条件恢复原始数据，而不需要像文献中所提到的对每个码元要随着窗函数的移动多次计算谱值，因而大大减轻了计算量，非常适合于软件无线电的数字化实时解调。
当调频信号不包括载波分量时，必须采用相干解调，2DPSK的解调可采用两种方法。
其一是极性比较法，然后再用码变换器变为绝对码。
另外还有一种实用的方法叫做差分相干解调法，二者的原理框图分别如图2-11、图2-12所示。
（1）相干解调
信号可以采用相干解调方式（极性比较法），其原理框图如图2-11所示。
其解调原理是：
对2DPSK信号进行相干解调，恢复出相对码，再通过码反变换器变换为绝对码，从而恢复出发送的二进制数字信息。
在解调过程中，若相干载波产生180°相位模糊，解调出的相对码将产生倒置现象，但是经过码反变换器后，输出的绝对码不会发生任何倒置现象，从而解决了载波相位模糊度的问题。
图2-11极性比较法解调
图2-12差分相干解调法
（2）差分相干解调
2DPSK信号也可以采用差分相干解调方式（相位比较法），其原理框图如图2-12所示。
其解调原理是：
直接比较前、后码元的相位差，从而恢复发送的二进制数字信息。
由于解调的同时完成了码反变换作用，故解调器中不需要码反变换器。
由于差分相干解调方式不需要专门的相干载波，因此是一种非相干解调方法。
2.2.3十六进制据对相移键控（16PSK）
图2-134位比特信息到16RSK符号的映射关系
16PSK（绝对相移键控）是用载波的16种不同相位表示不同的数字信息。
16PSK调制的16个矢量端点均匀分布在圆上，其数学表达式包括同相分量和正交分量两部分。
16PSK是将输入的二进制信号序列经过串并转换每次将一个4位的码元映射为一个符号的相位，因此符号速率为比特率的1/4。
不同的码元和对应的相位映射如图2-13所示。
2.3四相相移键控（QPSK）调制和交错四相相移键控（OQPSK）调制
OQPSK和QPSK的产生原理如图2-14所示。
图2-14QPSK和OQPSk信号的产生原理图
（a）QPSK的产生原理；（b）OQPSK的产生原理
假设输入二进制序列为，=±1，则在
的区间内，QPSK的产生器的输出为（令n=2k+1）
（2-13）
式中，=±π/4，±3π/4。
它的相位星座图如图2-15（a）所示。
实际中，也可以产生=0，±π/2，π的QPSK信号，即将图2-15（a）的星座旋转45°。
对比式（2-1）和式（2-13），可以看出，在QPSK的码元速率（）与PSK信号的比特速率相等的状况下，QPSK信号是两个PSK信号的和，所以它具有和PSK信号相同的频谱特征和误比特率性能。
由图2-14（b）可以知道，OQPSK调制跟QPSK调制类似，不同的是在正交之路引入了一个比特的时延，这使两个之路的数据不会同时发生变化，因此不可能像QPSK那样产生±π的相位跳变，而仅能够产生±π/2的相位跳变，如图2-15（b）所示。
所以，OQPSK频谱旁瓣要低于QPSK的旁瓣。
[2]
图2-15QPSK和OQPSk的星座图和相位转移图
（a）QPSK；（b）OQPSK
2.3.1QPSK信号波形
正交相移键控（QPSK）就是四进制绝对相位调制4PSK，就是用四进制数字信息去控制载波的相位，使得载波相位改变一个值△φn需要有四种取值和它对比。
通常有两种△φn等间隔选择方案，一种称为π/2型，另一种称为π/4型，可以使得平均误码率尽可能减小。
如图2-16（a）所示。
图2-16四进制相位调制相位匹配图
四种信息码元和四种相位值之间的对应关系很多，要求相邻两个相位值代表的数字信息之中只有一位不相同。
这么做是为了降低系统的平均误比特率，因为当受到噪声等干扰影响的时候，一个相位值很容易错判成其相邻相位值。
一种常用的相位配置如图2-16（b）所示。
QPSK波形如图2-17所示。
图2-17QPSK波形
2.3.2QPSK波形的产生
QPSK调制器的任务就是产生给定信息时的QPSK信号，通常有两种实现方法：
相位选择法和正交法。
相位选择法的框图如图2-18所示。
图2-18相位选择法QPSK调制器
正交法的框图如图2-19所示。
图2-19正交法QPSK调制器
因为QPSK是由两路2PSK信号相加得到的，又因为两路2PSK信号是相互独立的，所以QPSK的功率谱等于上、下两路2PSK功率谱的叠加。
“1”、“0”等概率时的QPSK功率谱如图2-20所示。
频带利用率可以有两种定义，一种定义为单位频带内的码元速率，但为了对不同进制调制方式的频带利用率进行对比，通常定义为单位频带内的信息传输速率。
图2-20QPSK信号的频谱率
2.3.3QPSK信号的解调
QPSK的解调过程是图2-19所示的反过程，框图如图2-21所示。
收到的QPSK信号分别送入上、下两个支路，与载波相乘后，再经低通滤波和取样判决恢复出信息，上、下支路的信息最后经并/串变换输出。
图2-21QPSK解调器框图
2.3.4偏移正交相移键控（OQPSK）
偏移正交相移键控或者交错正交相移键控，记做OQPSK，是QPSK的一种改进形式。
OQPSK正交调制器框图如图2-22所示。
OQPSK调制器产生信号的过程是：
每当串/并变换器收到二进制码元时，就交替送给上、下支路，上、下支路信息经单/双极性变换后对两个正交的载波进行调制，得到两个2PSK信号，这两个信号再相减就可以得到OQPSK调制信号
图2-22OQPSK正交调制器简化图
图2-22和图2-19在形式上完全一致，不同的是串/并变换器的工作。
QPSK的串/并转换器每收到一个比特就轮流向上支路或者下支路输出，即“交替”向上、下支路输出信息，它的工作原理如图2-23所示。
图2-23OQPSk调制器中串/并变换器的工作原理
与QPSK信号的产生一样，OQPSK信号也可以通过采用相位选择法产生。
用相位选择法产生OQPSK信号的原理图也和QPSK相位选择法原理图一致，唯一不同的是串/并变换器“交替”向上、下两个支路输出信息。
OQPSK信号的解调可采用和QPSK信号解调相似的方法，解调框图如图2-24所示。
图2-24OQPSk解调器框图
OQPSK与QPSK的解调相比，只有两点不同：
（1）上、下两支路的取样判决时刻相隔一个比特宽度Tb。
由于调制前上、下两个支路的基带信号是相互交错的，错位一个比特宽度Tb。
（2）并/串转换器交替地从上、下两个支路接收码元并输出。
解调器中的并/串转换器的工作原理正好与调
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