基于MATLAB的移动通信中数字调相技术的研究与仿真.docx
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基于MATLAB的移动通信中数字调相技术的研究与仿真
摘要
在日常的生活中，通信是人们用来传递信息的方式。
随着数字系统的飞速发展,对
数字系统的性能和调制解调技术要求也越来越高。
同时，由于计算技术的发展，通信系统的仿真已日益普遍，已逐渐成为今天设计和分析通信系统的主要工具。
本次设计将使用MATLAB软件设计函数和Smulink建模对数字调相技术进行仿真和研究。
本文首先介绍了通信系统的组成、MATLAB的使用以及Simulink模块的组建。
然后深入分析了PSK、QPSK、OQPSK的调制解调原理，熟悉了原理后，用MATLAB编程和Simulink对它们进行仿真和研究。
本设计主要实现PSK、QPSK、OQPSK调制解调过程的仿真，并分析它们的性能差异。
关键词：
MATLAB；调制解调；PSK；QPSK
Abstract
Inthedailylife,communicationisveryimportantforus.Alongwithdevelopmentofdigitalsystemthetechnicalcriterionofmodulationanddemodulationwillbeadjustedtomeethigherrequirement.Atthesametime,becauseofthedevelopmentofthecomputingtechnology,thesimulationofthecommunicationsystemhasbeenalreadypopulardaybyday,italreadyismaintoolofdesignandanalysessystemofcommunicationtoday.
ThisdesignwillusetheMATLABsoftwaredesignfunctionandthesimulinkmodellingcarriesonthesimulationandtheresearchforPhasemodulationtechnology.
ThisarticlediscussesthecompositionofCommunicationssystem,theuseofMATLABandbriefintroductionofthemoduleofSimulink.Andthenthoroughanalysistheprinciplemodulation&demodulation.LateruseMATLABandSimulinkCarryonthesimulationandtheresearch.ThisdesignmostlyachievestheprocesssimulationofthePSK、QPSK、OQPSKmodulation&demodulation,andanalyzestheirperformancedifference.
Keywords：
MATLAB;Modulationanddemodulation;PSK；QPSK
目录
引言……………………………………………………………………………1
1绪论…………………………………………………………………………2
1.1课题研究的意义……………………………………………………………2
1.2国内外研究及发展情况……………………………………………………2
1.3本课题主要内容……………………………………………………………4
2通信系统和调相信号研究及MATLAB简介……………………………4
2.1通信系统的组成…………………………………………………………4
2.1.1数字通信系统……………………………………………………………5
2.2调相技术的初步研究……………………………………………………6
2.3MATLAB和Simulink简要介绍………………………………………………7
3研究和仿真的要求………………………………………………………8
3.1研究和仿真的任务…………………………………………………………8
3.2研究和仿真的技术要求………………………………………………………8
3.3课题的主要工作流程…………………………………………………………8
4研究和仿真的构思和理论………………………………………………8
4.1PSK信号的调制解调及其原理……………………………………………9
4.2PSK信号的性能…………………………………………………………13
4.2.1PSK信号的频谱………………………………………………………13
4.2.2PSK信号的误码率和星座图………………………………………………13
4.3QPSK信号的调制解调及其原理………………………………………………14
4.3.1QPSK调制和解调方式……………………………………………………15
4.4QPSK信号的性能……………………………………………………………20
4.4.1QPSK信号和PSK信号的功率谱比较………………………………………20
4.4.2QPSK误码率和星座图……………………………………………………24
4.5OQPSK信号的调制解调及其原理……………………………………………24
5PSK、QPSK、OQPSK三种调制解调方式的比较…………………………26
5.1不同性噪比下误码率的比较………………………………………………26
5.2不同性噪比下星座图的比较……………………………………………26
6总结及心得体会…………………………………………………………28
谢辞…………………………………………………………………………29
参考文献……………………………………………………………………30
引言
在这样一个信息化的社会，通信是很重要的，尤其是移动通信在现代化进程中起到的巨大作用是不容质疑的。
移动通信可以说从1897M·G·马可尼所完成的无线通信试验之日就产生了，当时的试验是在固定站与一艘拖船之间进行的，距离为18海里。
移动通信的发展走过了一段很漫长的路程。
通信信号处理方式也从模拟向数字通信转变。
同时通信系统已经由单一的硬件系统转向与软件的结合。
随着通信技术的发展，信号处理方面硬件设计与专业软件设计结合日趋紧密，已经有一些公司开发出专业数字信号处理软件。
比较优秀而且得到广大技术人员认可的有MATLAB。
MATLAB是MatrixLabotratory（矩阵实验室）的缩写，最初由美国CleveMoler博士在20世纪70年代末讲授矩阵理论和数据分析等课程编写的软件包Linkpack与Eispack组成，旨在使使应用人员免去大量经常重复的矩阵运算和基本数学运算等烦琐的编程工作。
MATLAB作为一种仿真平台，提供了强大的功能，设计者可以自己设计函数，同时也可以调用Toolbox里的函数调用。
MATLAB等优秀软件使仿真技术得到很好的应用。
通过对通信过程的仿真，我们就可以在低成本的条件下检测某一个方案是否能够实现，是否有更好的方案可以代替原来的方案，这样对通信的研究就站在了一个更高的起点，使通信技术的发展日新月异，近十年来手机的普及率的迅速提高就从侧面反映移动通信技术的发展。
现代移动通信系统的发展是以多种先进的通信技术为基础发展起来的。
移动通信的主要基本技术包括调制技术、移动信道中电波的传播特性、多址方式、抗干扰技术以及组网技术。
在移动通信中，数字调制解调技术是关键技术，其中数字调相信号具有数字通信的诸多优点,在数字移动通信中，广泛使用它来传送各种控制信息。
本文就是通过使用MATLAB软件来仿真研究数字通信中常用的几种调相方式：
2PSK、QPSK、OQPSK等，分析各种调相信号的产生原理以及抗干扰性能。
1绪论
1.1课题研究的意义
随着科学技术的发展，系统建模和仿真技术已经日益成为现代各领域，特别是理工科各专业进行科学探索、系统可行性研究和工程设计不可缺少的重要环节。
仿真技术在今天的通信领域是一个非常重要的技术手段。
随着通信技术的发展,通信系统的结构和规模越来越复杂,基于通信系统的应用也越来越多样化,单纯地依靠经验进行通信系统的规划和设计、通信设备的研发以及通信网络协议的开发,已经不能适应现代通信的发展需要。
因而急需一种科学的手段来反映和预测网络的性能,这导致了仿真技术的应运而生。
要规划和设计一个性能完善的通信系统,光靠理论计算或凭个人的组网经验是无法完成的。
如果在真实的网络环境中进行通信性能研究、网络规划、设计和开发,不仅耗资大,而且在统计数据的收集和分析上也有一定困难。
通信仿真技术是通过在计算机中构造虚拟的环境来反映现实的通信网络环境,模拟现实中的通信网络行为,从而可以有效提高通信网络规划和设计的可靠性和准确性,明显降低通信系统的投资风险,减少不必要的投资浪费。
通过仿真软件来模拟和估算通信系统的性能,通过模拟和仿真来调整一些通信系统的参数以期达到最佳的使用效果具有非常重大的意义。
在本课题中，用国际控制界公认的标准仿真软件MATLAB来仿真移动通信系统各种数字调制解调技术中，具有数字通信的诸多优点,广泛使用它来传送各种控制信息的数字调相信号，比较不同调相计术之间的性能差异。
1.2国内外研究及发展情况
MATLAB名字是由MATrix和LABoratory两词的前3个字母组合而成。
20世纪70年代后期，时任美国新墨西哥大学计算机科学系主任的CleveMoler教授出于减轻学生编程负担的动机，为学生设计了一组调用LINPACK和EISPACK库程序的“通俗易用”的接口，此即用FORTRAN编写的萌芽状态的MATLAB。
经过几年的校际流传，在Little的推动下，由Little、Moler、SteveBangert合作，于1984年成立了MathWorks公司，并把MATLAB正式推向市场，从这时起，MATLAB的内核采用C语言编写，而且除了原有的数值计算功能外，还新增加了数据视图功能。
MATLAB以商品形式出现后短短几年，就以其良好的开放性和运行的可靠性，使原先在控制领域里的封闭式软件包纷纷淘汰，而改在MATLAB平台上重建。
1993年，MathWorks公司推出了基于Windows平台的MATLAB4.0，在继承和发展起原有的数值计算和图形可视能力的同时，推出了SIMULIKE，一个交互式操作的动态系统建模、仿真、分析集成环境；推出了符号计算工具包，一个一Maple为“引擎”的SymbolicMathToolbox；构作了Notbook，一个运用DDE和OLE，实现MATLAB与Word的无缝连接，从而为专业科技工作者创造了融合科学计算、图形可视、文字处理为一体的高水准环境。
其后MATLAB经过多个版本的不断改进，“面向对象”的特点愈加突出，数据类型愈加丰富，操做界面愈加友善，在很多科技领域得到广泛应用，对科学技术的发展起到了相当大的推动作用。
在我国，传统的仿真技术基于C语言等计算机专业编程工具，编程的工作量极大，仿真程序的可读性、可重用性、可靠性都很难适应复杂的仿真，尤其是很难适应大型复杂通信系统仿真的需要。
通信与电子工程师和科技工作者迫切需要一种仿真工具，以摆脱繁杂的编程工作，将精力和时间集中到解决科学问题、提出和验证创新思想和算法上来。
MATLAB以及Simulink科学计算、建模和仿真软件正是能适应这一要求的优秀仿真平台软件，并已成为全世界科技工作者共同的学术交流工具以及系统仿真界事实上的工业标准。
现在，我国教育科研部门对MATLAB的地位和重要作用也逐渐达成了共识，尤其是在硬件设施有限、科研经费不足的情况下，MATLAB的广泛应用必将大大提升我国科教事业的基础研究水平。
在移动通信的关键技术之一的调制解调技术领域，数字调制解调技术作为数字蜂窝移动通信系统中空中接口的重要组成部分，它具有抗干扰能力强、易于加密、话音间隙噪声小等优点。
目前正在研究的数字调制方式有缓变调频（TFM）、相干移相键控（CPSK）、四相移相键控（QPSK）、高斯最小移频健控（GMSK）及网格编（TCM）调制方案等，选择适用于具体的移动和个人通信系统的调制方案，要依赖于许多因素，如谱效率特性与同波道干扰的关系、多载波比特率的支持、接收机灵敏度等。
目前已用于数字蜂窝无线系统的调制技术可分为两大类：
线性调制技术和恒包络调制技术。
在当代移动通信中，第三代移动通信系统（3G）已成为目前通信业的研究热点。
第一代移动通信系统采用频分多址（FDMA）的模拟调制方式，这种系统的主要缺点是频谱利用率低，信令干扰话音业务。
第二代移动通信系统主要采用时分多址（TDMA）的数字调制方式，提高了系统容量，并采用独立信道传送信令，使系统性能大为改善，但TDMA的系统容量仍然有限，越区切换性能仍不完善。
CDMA系统以其频率规划简单、系统容量大、频率复用系数高、抗多径能力强、通信质量好、软容量、软切换等特点显示出巨大的发展潜力。
在第二代通信系统中，使用QPSK、OQPSK做为调制解调技术的IS-95系统以其高语音质量、稳定的性能及空中接口的大容量在世界各地广泛配置。
IS-95目前还在不断完善和发展的过程中，高通公司（Qualcomm）将致力继续发展IS-95，以便使IS-95保持竞争优势，并过渡到第三代系统。
通过研究，在IS-95系统的基础上不断推出新标准。
基于IS-95的CdmaOne技术自1995年10月商用实践以来，迅速覆盖韩国、日本、美国、欧洲和南美洲的一些主要市场，取得了巨大的商业成功，并成为业界公认的过渡到未来3G的技术平台。
目前各国上报给国际电联审批的所有3G提案中，绝大多数方案都是基于与IS-95CDMA相近的CDMA技术。
1.3本课题主要内容
本课题从调相技术的仿真出发，分析并比较各种调相技术的特性及设计方法，从而得出各种移动通信系统中调相技术的具体方案。
数字调相技术的研究与仿真可以分解为各种调制技术（2PSK、QPSK、OQPSK等）的调制解调原理和其理论实现方法，用MATLAB软件实现仿真，通过星座图、频谱利用率、误码率分析等全面研究移动通信系统的调相技术。
本课题要求以数字调制技术为基本理论，分析几种常用的调相技术，进行初步的设计计算，然后通过MATLAB仿真调相信号，进行参数的设置和调整，要求获得各种调相信号的波形和软件编程方法，对其进行数据分析，得出移动通信系统中采用何种调制方式的理论依据。
2通信系统和调相信号研究及MATLAB简介
信息的高度发展给整个社会的经济、文化、科研、教育带来了很大的变革，它推动着社会的发展，给人们的工作学习还有生活带来许多的便利。
在理论上，通信是怎样一种概念，如何建立通信系统，通信系统有哪些分类，MATLAB对社会的发展以及通信的研究又带来了什么方便，下面将描述性地介绍通信系统的各个方面以及简要的介绍一下MATLAB软件。
2.1通信系统的组成
通信的目的是传输消息。
消息具有不同的形式，例如：
符号、文字、话音、音乐、数据、图片、活动图象等。
而传递消息的方式可以有多种，根据其发展先后我们可以分为电报、电话、传真、数据传输以及发展到现在的可视电话等。
而从广义的角度看，广播、电视、雷达、导航、遥测等也可以列入通信的范畴。
从表面上看来，通信就是将信息从发送端发送出去，从接收端获取信息。
但是，在通信模型构造上还是非常复杂的，下图是一个简单的通信系统模型。
图1.1简单通信系统一般模型
图1.1中，信源（信息源，也称发终端）的作用是把待传输的消息转换成原始电信号，如电话系统中电话机可看成是信源。
信源输出的信号称为基带信号。
所谓基带信号是指没有经过调制（进行频谱搬移和变换）的原始电信号，其特点是信号频谱从零频附近开始，具有低通形式，。
根据原始电信号的特征，基带信号可分为数字基带信号和模拟基带信号，相应地，信源也分为数字信源和模拟信源。
发送设备的基本功能是将信源和信道匹配起来，即将信源产生的原始电信号（基带信号）变换成适合在信道中传输的信号。
变换方式是多种多样的，在需要频谱搬移的场合，调制是最常见的变换方式；对传输数字信号来说，发送设备又常常包含信源编码和信道编码等。
信道是指信号传输的通道，可以是有线的，也可以是无线的，甚至还可以包含某些设备。
图中的噪声源，是信道中的所有噪声以及分散在通信系统中其它各处噪声的集合。
在接收端，接收设备的功能与发送设备相反，即进行解调、译码、解码等。
它的任务是从带有干扰的接收信号中恢复出相应的原始电信号来。
信宿（也称受信者或收终端）是将复原的原始电信号转换成相应的消息，如电话机将对方传来的电信号还原成了声音。
图1.1给出的是通信系统的一般模型，按照信道中所传信号的形式不同，可进一步具体化为模拟通信系统和数字通信系统。
2.1.1数字通信系统
信道中传输数字信号的系统，称为数字通信系统。
数字通信系统可进一步细分为数字频带传输通信系统、数字基带传输通信系统、模拟信号数字化传输通信系统。
（1）数字频带传输通信系统
数字通信的基本特征是，它的消息或信号具有“离散”或“数字”的特性，从而使数字通信具有许多特殊的问题。
数字通信中存在以下突出问题：
第一，数字信号传输时，信道噪声或干扰所造成的差错，原则上是可以控制的。
这是通过所谓的差错控制编码来实现的。
于是，就需要在发送端增加一个编码器，而在接收端相应需要一个解码器。
第二，当需要实现保密通信时，可对数字基带信号进行人为“扰乱”（加密），此时在收端就必须进行解密。
第三，由于数字通信传输的是一个接一个按一定节拍传送的数字信号，因而接收端必须有一个与发端相同的节拍，否则，就会因收发步调不一致而造成混乱。
另外，为了表述消息内容，基带信号都是按消息特征进行编组的，于是，在收发之间一组组的编码的规律也必须一致，否则接收时消息的真正内容将无法恢复。
在数字通信中，称节拍一致为“位同步”或“码元同步”，而称编组一致为“群同步”或“帧同步”，故数字通信中还必须有“同步”这个重要问题。
综上所述，点对点的数字通信系统模型一般可用图1.2表示。
图1.2数字频带通信系统的模型
图1.3中调制器/解调器、加密器/解密器、编码器/译码器等环节，在具体通信系统中是否全部采用，这要取决于具体设计条件和要求。
但在一个系统中，如果发端有调制/加密/编码，则收端必须有解调/解密/译码。
通常把有调制器/解调器的数字通信系统称为数字频带传输通信系统。
（2）数字基带传输通信系统
与频带传输系统相对应，我们把没有调制器/解调器的数字通信系统称为数字基带传输通信系统，如图1.3所示。
图1.3数字基带传输系统模型
图1.3中基带信号形成器可能包括编码器、加密器以及波形变换等，接收滤波器亦可能包括译码器、解密器等。
（3）模拟信号数字化传输通信系统
上面论述的数字通信系统中，信源输出的信号均为数字基带信号，实际上，在日常生活中大部分信号（如语音信号）为连续变化的模拟信号。
那么要实现模拟信号在数字系统中的传输，则必须在发端将模拟信号数字化，即进行A/D转换；在接收端需进行相反的转换，即D/A转换。
实现模拟信号数字化传输的系统如图1.4所示。
图1.4模拟信号数字化传输系统
2.2调相技术的初步研究
在实际通信中，不少信道都不能直接传送基带信号，必须用基带信号对载波波形的某些参量进行控制，即对基带信号进行调制。
调制即是按照调制信号（基带信号）的变化规律去改变载波某些参数的过程。
调制不仅可以对被调制信号进行频谱搬移和扩频，而且对系统的传输有效性和传输可靠性有很大影响，因此，调制方式往往决定了一个通信系统的性能。
在传输脉冲时，传输系统会产生噪声，如果其幅度为反极性并超过脉冲的幅度，则产生误码。
在以脉冲调制载波时，也有同样现象产生。
但是，在一定的噪声情况下，根据对载波的调制方法和解调方法的不同，误码的发生概率也不同。
一般，数字调制方式的选择往往是频带利用率、误比特率、Eb/n0（或S/N）和设备实现复杂性等因素综合考虑的结果，必须根据具体使用条件进行比较才能做出判断。
数字调制方式有三种：
幅度键控、频移键控和相移键控。
它们分别对应于用正弦波
的幅度、频率和相位来传递数字基带信号。
当调制信号为二进制数字信号时，该调制称
为二进制数字调制。
而当调制信号为多进制数字信号时，则称为多进制数字调制。
相移键控有很多方式，如PSK、DPSK、QPSK、OQPSK、pi/4-DQPSK等。
本设计重点对PSK、DPSK、QPSK三种方式进行研究和仿真。
2.3MATLAB和Simulink简要介绍
MATLAB的由来及其发展在1.2小节中已经做了介绍，这里不在重述。
下面简要介绍一下MATLAB的几个重要特点。
（1）编程简洁，效率高
矩阵和向量运算是工程数学计算的基础，MATLAB是一种以矩阵为基本变量单元的可视化的程序语言，其基本数据单元是既不需要指定维数、也不需要说明数据类型的矩阵，而且数学表达形式和运算规则与通常的习惯相同。
因此，在MATLAB环境下，数组操作与数的操作一样简单。
这使得计算机兼备高级计算机的功能，使用十分方便。
（2）扩展功能强大
MATLAB语言不但提供了科学计算，数据分析与可视化，系统仿真等强大功能，而且还具有扩展的特征。
MathWorks公司针对不同领域的应用，推出了自动控制、信号处理、图象处理、模糊逻辑、神经网络、小波分析、通信、最优化、数理统计、偏微分方程、财政金融等30多个具有专门功能MATLAB工具箱。
在这些工具箱里，除基本函数外，还有初等矩阵和矩阵变换、数值线形代数、多项式运算求根、函数求极限值、数据分析和傅立叶变换，已经某些特殊的矩阵函数和数学函数等，这些函数都可以直接调用。
同时，MATLAB支持用户对其函数进行二次开发，用户的程序可以作为新的函数添加到相应的工具箱中，扩充函数库。
（3）语言简单
MATLAB语言中最基本、最重要的成分是函数。
函数可以是数学上的函数，也可以是程序块或子程序，十分丰富，而且便于调试。
（4）绘图功能强大
MATLAB具有强大的二维、三维绘图功能。
在程序的运行过程中，可以方便迅速地用图形、图象、声音、动画等多媒体技术直接表述数值计算结果，可以选择不同坐标系，可以设置颜色、线型、视角等。
Simulink是MATLAB的附加组件，为用户提供了一个建模与仿真平台。
其采用了模块组合的方法来创建动态系统的计算机模型，可以比较快速、准确的实现对系统的建模仿真。
Simulink可以用于模拟线性、非线性系统，连续系统、非连续系统，同时适用于混合系统。
并且提供了图形动画处理方法，以使用户可以较为直观的观察到整个仿真过程。
Simulink还提供了一种供用户进行功能扩展的函数规则—S函数，S函数可以是一个C文件、M文件、C＋＋文件或其它的高级语言文件。
用户可以通过编辑自己的功能程序，然后使用Simulink提供的S-FUNCTION模块对其进行调用，从而获得具有自编程序功能的新的Simulink模块。
由此可见，Simulink是一个灵活性、功能性、扩展性较强的仿真平台。
SIMULINK6.5版本提供了20多个仿真模型库，内容覆盖了通信仿
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