基于simulink的psk传输系统仿真

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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 SimulationofPSKtransmissionsystembasedonSimulinkSpecialty：CommunicationEngineeringStudentNumber：201110315213Student：SunPingSupervisor：ZhaoJingAbstract：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）OQPSK2.3.1QPSK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制器中的串/并变换器的工作相反。因为OQPSK调制器中串/并变换器交替地向上、下支路送出信息，使得OQPSK相邻的两码元不可能出现“11”与“00”或者“01”与“10”之间的变化，所以，相应的OQPSK信号相邻码元间相位的突跳值只有0°、±90°三种。然而，QPSK信号相邻码元载波相位的最大跳变值为±180°。所以，即使OQPSK和QPSK的理论功率是一样的，但经过带限非线性信道传输后，OQPSK信号的功率谱旁瓣比QPSK的低，从而引起的带外辐射较小。2.4正交振幅调制（QAM）正交振幅调制，记做QAM，就是用两个独立的基带波形，对两个相互正交的同频载波进行抑制载波的双边带调制后相加，合成一路信号的调制方式。QAM的调制框图如图2-25所示。图2-25中，M=L²，且L=2n（n为正整数）。 图2-25M进制QAM调制器2.4.116QAM信号的产生16QAM是M=16的系统。根据M=2L的关系式，可以得到电平变换器中的L=4。16QAM的调制器框图如图2-26所示。图2-2616QAM调制器原理框图串/并变换器将接收的速率的二进制序列分配到上、下两个支路，每支路的比特速率为Rb/2。2-4电平变换器是一个四电平双极性基带信号产生器，它的输入/输出波形图如图2-27所示。 图2-272-4电平变换器输入/输出波形两个电平转换器的输出和分别和两个正交的载波相乘，然后相加，其表达式为（2-14）式中，=±1，±3；=±1，±3。由于可能的组合有16种，所以16QAM信号有16个状态，如图2-28所示。由图2-27可知，16QAM幅度有三种取值，相位有十二种取值。QAM调制方式受到幅度和相位双重控制，因此QAM不适合于非线性信道上传输，但频带利用率非常高。QAM主要应用在有线通信里。 图2-2716QAM的星座图2.4.216QAM信号的解调解调是图2-26的逆过程，也可以采用正交解调法。解调原理图如图2-28所示。图2-2816QAM解调原理框图可以看出，16QAM和QPSK解调器原理图表面上是一样的，但其中的取样判决器工作方式是不同的。16QAM解调器的取样判决器有0、±2三种门限电平，规则为（1）0<取样值<+2时，判为+1电平，输出双比特信息10； （2）+2<取样值时，判为+3电平，输出双比特信息11；（3）-2<取样值<0时，判为-1电平，输出双比特信息00；（4）取样值<-2时，判为-3电平，输出双比特信息01。图2-29M进制QAM的误码曲线图其他MQAM信号的解调框图和图2-28一致，唯一不同的是判决门限的电平数。如果信号功率一致，当M越大时，门限电平越多，各个门限间的距离变小，越容易产生错误判决，导致误码率更高。然而，M越大，频带利用率会更高。因此，往往不能兼得频带利用率和误码率。M进制误码率曲线如图2-29所示。 3设计技术简介系统仿真(Simulation)技术也称为系统模拟技术。由于计算机仿真具有精度高，通用性强，重复性好，建模迅速以及成本低廉等许多优点，尤其是近年来发展了以MATLAB/Simulink为代表的多种科学计算和系统仿真语言，使用起来比利用传统的C/C++语言进行仿真方便快捷得多。 系统仿真技术在国内学术界和科技界的迅速普及，也大大提高了科学研究的效率。该课题就是以MATLAB/Simulink为仿真语言来进行系统仿真试验的。所谓电子通信系统的计算机仿真，就是利用计算机对实际电子通信系统的物理模型或数学模型进行试验，通过这样的模型试验来对一个实际系统的性能和工作状态进行分析和研究。当在实际电子通信系统中进行试验研究比较困难或者根本无法实现时，仿真技术就成为必然的选择。例如，要测试某种调制方式在时变多径无线电信道中的性能表现，通常只能通过建立时变多径无线电信道的数学模型，利用计算机来实现仿真的无线电信道，通过数值计算以及蒙特卡罗方法进行仿真研究。又如，在对新一代通信体制进行性能分析和系统设计时，实际系统根本不存在，因此必须采用仿真手段。按照系统的数学模型的性质，系统可划分为有记忆系统和无记忆系统两大类。无记忆系统又称为静态系统，其数学描述的一般形式是代数方程、逻辑表达式等。有记忆系统又称为动态系统，其数学描述的一般形式是微分方程、差分方程和排队论等，特别是在现代系统分析理论中，常常将微分方程或差分方程采用其等效形式——传递函数和状态方程来描述。状态方程的数值求解是Simulink系统仿真工作的基础。采用微分方程形式描述的系统称为连续系统。采用差分方程形式描述的系统称为时间离散系统。如果系统需要采用微分方程和差分方程来描述，则称为（连续和离散）混合系统。本质上，只要能够构造出系统的数学模型，MATLAB/Simulink就可以对任意系统进行仿真分析。但是在实际应用中，就方便性而言，MATLAB/Simulink特别适合于针对电子通信系统模块的系统级仿真，因此，该课题主要讨论电子通信系统的系统级（方框图级）的仿真问题。3.1Simulink仿真模型构成Simulink可以对实际的动态系统建模，仿真并实时分析系统输出的变化。利用Simulink仿真动态系统分两步： （1）用户创建一个结构框图，利用Simulink模型编辑器，通过系统的输入，传递函数，输出描述数学关系（2）仿真系统的模型，并指定开始时间和结束时间仿真结构图是动态系统数学模型的图形化描述，数学模型由一组方程组表示，包括比例，微分，微分方程。创建动态系统模型的要素：用户可以用Simulink软件包建模、仿真和分析模型输出随时间而改变的系统，这样的系统通常是指动态系统：利用Simulink，用户可以搭建很多领域的动态系统，包括电子电路、减振器、刹车系统和许多其他的电子、机械和热力学系统。使用Simulink仿真动态系统包括两个过程。首先，利用Simulink的模型编辑器创建被仿真系统的模型方块图，系统模型描述了系统中输入、输出、状态和时间的数学关系，然后使用Simulink根据用户输入的模型信息在一个时间段内仿真动态系统。Simulink中的模块可以表示多个方程，这些方程在Simulink中被描述为模块方法，当用户执行方块图时，Simulink会求取(或执行)这些模块方法的值，这些模块方法的求取在仿真循环内进行。（1）模块方法Simulink会为模块方法所执行的函数类型指定类型名称，共用的方法类型包括：Outputs：给定当前时间步上模块的输入和先前时间步上的模块状态，计算模块输出。Update:给定当前时间步上模块的输入和先前时间步上模块的离散状态，计算模块的离散状态值。Derivatives:给定先前时间步上模块的输入和状态值，计算当前时间步上模块连续状态的微分值。（2）模型方法 除了模块方法，Simulink还提供了一组计算模型属性和模型输出的方法，在仿真过程中，Simulink会同样调用这些方法来确定模型的属性和输出，模型方法通常通过调用相同类型的模块方法来执行不同的任务，例如，模型的Outputs方法根据模型指定的顺序调用它所包含模块的Outputs方法来计算模型的输出。模型的Derivatives方法同样也会调用它所包含模块的Derivatives方法来确定模型状态的微分。3.2模块介绍常用模块库（CommonlyUsedBlocks）是为了加快建模速度、节省建模过程中寻找模块的时间而将最常见的基本模块集中放在一起形成的。在Simulink浏览器中，单击左侧列表中的“CommonlyUsedBlock”节点，就可以打开常用模块库，如图3-1所示。[3]图3-1常用模块库本节主要介绍本设计所用模块。3.2.1信源Simulink通信工具箱中的CommSources/DataSources提供了数字信号源BernoulliBinary Generator，这是一个按Bernoulli分布提供随机二进制数字信号的通用信号发生器。在现实中，对受信者而言，发送端的信号是不可预测的随机信号。因此，我们在仿真中可以用它来模拟基带信号发生器。图3-2不归零二进制码生成器其中主要参数的含义为Probabilityofazero：产生的信号中0符号的概率，在仿真的时候一般设置为0.5，这样便于频谱的计算；Initialseed：控制随机数产生的参数，要求不小于30；Sampletime：抽样时间，这里指一个二进制符号所占的时间，用来控制信号发生的速率，这个参数必须与后面调制和解调模块的Symbolperiod保持一致。3.2.2调制与解调调制和解调是互为相反功能的信号频谱搬移过程。在发送端，通过调制模块将传输信号搬移到指定传输信道的频段上，以便于传输、信道复用以及干扰抑制；在接收端，再通过解调模块以相反的过程一一恢复出传输信号。Simulink通信工具箱中提供了数字信号各种调制方式的模块，本文所用模块如图3-3所示。 图3-3调制与解调模块虽然不同的调制模块，参数设置有所不同，但很多参数在各种调制中是一致的，下面我们以DPSK调制模块为例介绍一下调制模块的参数及其设置，其余模块将在下面仿真模型的建立中详细介绍。M-DPSKModulatorPassband和M-DPSKDemodulatorPassband分别是数字信号DPSK调制和解调的专用模块，其中主要参数有M-arynumber：输入信号的阶次数，比如2-DPSK就是2阶；Symbolperiod：符号周期，即一个符号所占的时间，这必须与信号源的Sampletime一致；Carrierfrequency：载波频率；Carrierinitialphase：载波的初始相位；Inputsampletime：输入信号的抽样时间；Outputsampletime：输出信号的抽样时间。其中个参数需要满足以下条件Symbolperiod>1/(Carrierfrequency)Inputsampletime<1/[2*(Carrierfrequency)+2/(Symbolperiod)]Outputsampletime<1/[2*(Carrierfrequency)+2/(Symbolperiod)]3.2.3信道在分析通信系统时通常选择高斯噪声作为系统的噪声来考查，因为这种噪声在现实中比较常见且容易分析。Simulink中提供了带有加性高斯白噪声的信道：AWGNChannel，高斯噪声模块如图3-4所示。 图3-4加性高斯白噪声信道仿真时可以用该模块模拟现实中的信道，该模块主要参数有Initialseed：控制随机数产生的参数，要求不小于30，且与前面信号源中的Initialseed设置不同的值；Es/No（dB）：信号每个符号的能量与噪声的功率谱密度的比值；SNR（dB）：信号功率与噪声的功率的比值；注：Es/No(dB)和SNR（dB）是表征信号与噪声关系的两种方法，在一次仿真中只能选着其中一种。3.2.4误码计算仪信号在经过信道后，由于噪声的干扰，在接收端可能出现误码。误码率（BER）等于错误码元数与传输总码元数的比值，BER是最常用的数据通信传输质量指标。Simulink中提供了ErrorRateCalculation模块来计算误码率，模块如图3-5所示。图3-5误码计算仪误码计算仪的主要设置参数为Receivedelay：接收延迟，表明在计算误码率时接收到的信号比源信号延迟的码元数，便于准确计算；Outputdata：数据输出，将误码率、误码数及码元总数输出，有Workspace和Port两个选项供选择。将数据输出到Workspace就是将误码率等数据存在内存中，以便下一步使用，而输出到Port中，则是在误码计算仪后再接一个模块(比如结果显示模块)，将数据传到该模块中（显示出来）； Variablename：变量名称，该参数只有在前面选择了Workspace后才有用，它决定数据输出到Workspace后的名称，默认值为ErrorVec。3.2.5眼图眼图的“眼睛”张开的大小反映着码间串扰的强弱，“眼睛”张开的越大，且眼图越端正，表示码间串扰越小，反之表示码间串扰越大。当存在噪声时，噪声将叠加在信号上，观察到的眼图的线迹会变得模糊不清。若同时存在码间串扰，“眼睛”将张开得更小。与无码间串扰时的眼图对比，原来清晰端正的细线轨迹变成了比较模糊的带状线，而且很不端正。噪声越大，线迹越宽，越模糊；码间串扰越大，眼图越不端正。Simulink中提供了眼图显示模块Discrete-TimeEyeDiagramScope显示眼图，模块如图3-6所示。图3-6眼图显示模块在眼图显示模块Discrete-TimeEyeDiagramScope中需要设置的参数为Samples per symbol：每个数据的采样点数；Symbols per trace：每次扫描显示的符号个数，假如设置为3，则眼图将显示3个符号时间宽度；Traces displayed：显示所保留的扫描波形轨迹数，可以直接使用默认值；New traces per display：每次显示的新轨迹数，同样也可以直接使用默认值；Eye diagram to display：模块可同时显示同相支路和正交之路上的波形，In-phaseOnly选项为仅显示同相分量。 3.2.6星座图数字通信领域中，经常将数字信号在复平面上表示，以直观的表示信号以及信号之间的关系。数字信号之所以能够用复平面上的点表示，是因为数字信号本身有着复数的表达形式。虽然信号一般都需要调制到较高频率的载波上传输，但是最终的检测依然是在基带上进行。星座图是目前数字调制的一个基本概念，星座间的距离越大，信号的抗干扰能力就越强，接收端判决再生时就越不容易出现误码，其作用为（1）调制时用于映射；（2）接收时用于判断发送的到底是哪个点，从而正确解调数据。Simulink中提供了星座图显示模块Discrete-TimeScatterPlotScope显示星图，模块如图3-7所示。图3-7星座图模块3.3Simulink与Matlab的交互（1）获取仿真函数通过Matlab中的命令simget可以获取指定仿真模型的仿真参数，以便通过编程对仿真模型进行监控。Simget命令的基本用法是；Struct=simget（model）；其中，model是Simulink模型的文件名，需要用单引号，且不写文件扩展名。Simget将返回一个结构数组，包括了指定模型的全部仿真函数。注释可自己添加。（2）设置仿真参数 可以通过命令的方式来设置指定模型的参数，这样就能够达到灵活的在程序中控制Simulink模型仿真行为的目的。设置模型仿真参数的命令是simset，语法为：options=simset（property，value，......）；options=simset（old_opstruct，property，value，......）；options=simset（old_opstruct，new_opstruct）；simset其中，单独使用simset命令将返回可设置的属性名称property及可选值，将返回一个设置指定的仿真参数结构变量options。（3）通过命令执行仿真通过Matlab命令可以启动指定的仿真模型进行仿真。执行仿真模型的命令是sim，使用语法为：sim(model);[t,x,y]=sim(model，timespan，options，ut);[t,x,y1,y2,......,yn]=sim(model,timespan,options,ut);其中，sim(model)将按照原有设定参数执行仿真。（4）Simulink数据输入输出Simulink的基本模块库Sources中的FromWorkspace模块，可以将Matlab工作空间或Matlab程序中将符合Simulink数据结构要求的变量导入到Simulink仿真模型空间中，作为其输入信号使用。Simulink仿真结果数据也可以通过其模块库Sinks中的ToWorkspace模块来导入到Matlab工作空间或程序中。[4] 4PSK系统设计及分析4.1设计条件由于本设计主要是针对在相同条件下的信号通过不同调制方式后对比其信噪比的差异，从而达到比较各调制方式的目的。所以对于信源、信道、误码仪、眼图和星座图的参数设置均一致，后文将不再赘述。（1）信源参数Probabilityofazero:0.5Initialseed:61Sampletime:1（2）信道参数Initialseed:67Mode:Signaltonoiseratio(SNR)（3）误码计算仪参数Receivedelay:0Outputdata:WorkspaceVariabelname:Errorvec（4）眼图模块参数Samplespersymbol:10Offset(samples):5 Symbolspertrace:1Tracesdisplayed:40Newtracesperdisplay:40（5）星座图模块参数Samplespersysbol:1Offset(samples):0Pointsdisplayed:40Newpointsperdisplay:104.2调制与解调的设计4.2.1M-PSKM-PSK的调制与解调模型如图4-1所示。图4-1M-PSK调制与解调模型（1）2PSK2PSK的调制解调模块参数为 M-arynumber:2;Phaseoffset(rad):pi/8.信号经过调制后的星图如图4-2所示，眼图如图4-3所示。图4-22PSK调制后的星图图4-32PSK调制后的眼图信号经过高斯信道后的星图如图4-4所示。 图4-42PSK调制信号经过信道后的星图（2）QPSKQPSK的调制解调模块参数为M-arynumber:4；Phaseoffset(rad):pi/4.信号经过调制后的星图如图4-5所示，眼图如图4-6所示。图4-5QPSK调制后的星图 图4-6QPSK调制后的眼图信号经过高斯信道后的星图如图4-7所示。图4-7QPSK调制信号经过信道后的星图（3）16PSK16PSK调制解调模块的参数设置为M-arynumber:16;Phaseoffset(rad):pi/1.信号经过调制后的星图如图4-8所示，眼图如图4-9所示。 图4-816PSK调制后的星图图4-916PSK调制后的眼图信号经过高斯信道后的星图如图4-10所示。 图4-1016PSK调制信号经过信道后的星图4.2.22DPSK2DPSK的调制与解调模型如图4-11所示。图4-112DPSk的调制解调模型2DPSK调制解调模块的参数设置为M-arynumber:2; Phaseoffset(rad):pi/8.信号经过调制后的星图如图4-12所示，眼图如图4-13所示。图4-122DPSK调制后的星图图4-132DPSK调制后的眼图信号经过高斯信道后的星图如图4-14所示。 图4-142DPSk调制信号经过信道后的星图4.2.3OQPSKOQPSK的调制与解调模型如图4-15所示。图4-15OQPSK的调制解调模型OQPSK调制解调模块的参数设置使用默认值。信号经过调制后的星图如图4-16所示，眼图如图4-17所示。 图4-16OQPSK调制后的星图图4-17OQPSK调制后的眼图信号经过高斯信道后的星图如图4-18所示。图4-18OQPSK调制信号经过信道后的星图 4.2.416QAM16QAM的调制与解调模型如图4-19所示。图4-1916QAM的调制解调模型信号经过调制后的星图如图4-20所示，眼图如图4-21所示。图4-2016QAM调制后的星图 图4-2116QAM调制后的眼图信号经过高斯信道后的星图如图4-22所示。图4-2216QAM调制信号经过信道后的星图4.3系统性能对比的设计对比系统的设计采用Simulink与Matlab交互的方法，编程调用仿真模型，然后分析不同调制方式误码率的对比。在Matlab工作空间中编写的执行指令为%%clear; clc;N1=1;N2=9;fori=N1:N2SNR=i;%----2psk&2dpsktest--------------M=2;sim('psk.mdl');BER_2psk(i)=ErrorVec(1);sim('dpsk.mdl');BER_2dpsk(i)=ErrorVec(1);%----qpsk&oqpsktest-------------M=4;sim('psk.mdl');BER_4psk(i)=ErrorVec(1);sim('oqpsk.mdl');BER_oqpsk(i)=ErrorVec(1);%----16psk&16qamtest--------------M=16; sim('psk.mdl');BER_16psk(i)=ErrorVec(1);sim('qam.mdl');BER_16qam(i)=ErrorVec(1);end%-------------------BER对比图-------------------------%2psk&2dpskfigure(1);semilogy(N1:N2,BER_2psk,'x:r');holdon;semilogy(N1:N2,BER_2dpsk,'*-g');holdon;title('在不同信噪比下各调制方式的通信质量');legend('2PSK','2DPSK',3);%'Location'=3放置在左下角xlabel('SNRdB');ylabel('BER')holdoff %qpsk&oqpskfigure(2);semilogy(N1:N2,BER_4psk,'x:r');holdon;semilogy(N1:N2,BER_oqpsk,'*-g');holdon;title('在不同信噪比下各调制方式的通信质量');legend('QPSK','OQPSK',3);%'Location'=3放置在左下角xlabel('SNRdB');ylabel('BER')holdoff%16psk&16qamfigure(3);semilogy(BER_16psk,'x:r');holdon;semilogy(BER_16qam,'*-g');holdon；title('在不同信噪比下各调制方式的通信质量'); legend('16PSK','16QAM',3);%'Location'=3放置在左下角xlabel('SNRdB');ylabel('BER')holdoff4.3.12PSK与2DPSK的对比图4-232PSK与2DPSK的对比图 观察图4-3和图4-13可以看出，信号经过2PSK调制和2DPSK调制后，眼图依然平滑清晰规范，说明所用的2PSK调制器和2DPSK调制器的性能在无噪声影响的环境下都较为良好，但是可以看到，2DPSK调制信号“眼”的大小不如2PSK调制信号的“眼”。2PSK调制后的信号经过高斯信道前后的星图如图4-2和图4-4所示，2DPSK调制后的信号经过信道前后的星图如图4-12和图4-14所示，不难看出，二者均受到了噪声的影响使得星图变得杂乱，但2PSK调制后的星图明显比2DPSk的更为集中。最后2PSK与2DPSK的SNR-BER对比如图4-23所示，可以看出同信噪比的环境下，2PSK的误码率比2DPSK低得多。综上所述，不难得出2PSK的抗噪性能优于2DPSK的结论，且结论与理论相符。4.3.2QPSK与OQPSK的对比图4-24QPSK与OQPSK的对比图观察图4-6和图4-17可以看出，信号经过QPSK调制和OQPSK调制后的眼图都很清晰规范，证明所用的两种调制的性能在无噪声影响的环境下都不错。OQPSK调制信号经过高斯信道前后的星图如图4-5和图4-7所示，而OQPSK调制信号经过高斯信道前后的星图如图4-16和图4-18所示，可以看出，调制信号都受到了不同程度的影响，但经过信道后的星图相比，QPSK调制信号的星图更为集中。QPSK与OQPSK的SNR-BER对比图如图4-24所示，不难看出，相同信噪比环境下，QPSK的误码率更低，并且，QPSK的误码率随着信噪比的增大而减小，但OQPSK的误码率且始终几乎不变。综上所述，得出了QPSK的抗噪性能优于OQPSK的结论，且结论与理论相符。4.3.316PSK与16QAM的对比 观察图4-9与图4-21可以看出，信号经过16PSK调制和16QAM调制后的眼图都基本规范，说明所用的两种调制的性能在无干扰的环境下都比较正常，但可以看到，16QAM的“眼”比16PSK的“眼”睁得更大。16PSK调制信号经过高斯信道前后的星图如图4-8和图4-10所示，而16QAM调制信号经过高斯信道前后的星图如图4-20和图4-22所示，两种调制信号同样受到了噪声不同程度的干扰，但对比经过信道后的星图可以看到，16QAM的星图更集中。16PSK与16QAM的SNR-BER对比图如图4-25所示，可以看出跟QPSK与OQPSK的对比图情况很相似，相同信噪比环境下16QAM的误码率远远低于16PSK，且误码率随着信噪比的增大而不断减小，而16PSK的误码率有降低的趋势，但不明显。综上所述，得出了16QAM抗噪性能由于16PSK的结论，且与理论相符。图4-2516PSK与16QM的对比图4.4总结经过对三组对比的分析，得出了2PSK、QPSK和16QAM调制的抗噪性能强于2DPSK、OQPSK和16PSK调制的结论。可以发现，M-PSK调制的抗噪性能随着M的值的增加而减弱，与理论相符。然而通过图4-25的对比可以看到当M=16时，QAM调制的抗噪性能比PSK调制好很多，充分的体现出了QAM调制抗噪性能的优越性。 5结束语长期以来，人们都怀揣着一个美好的愿望，那就是未来总有一天可以做到无论何人在何时何地都能与另一个人进行任何方式的通信。如今移动通信信道的基本特征为（1）带宽有限，所使用的频带资源与信道的传播特性决定了能够使用带宽；（2）干扰和噪声所造成的影响很大，由于移动通信工作的电磁环境，很难避免；（3）存在多径衰落。由于移动通信信道的这些特点，已调信号必须具有频谱利用率高，抗干扰、抗衰落强的性能。而高的抗干扰与抗衰落的性能要求，在恶劣的信道环境下，经过调制解调后输出的误码率低或者信噪比较大。本课题主要研究基于Simulink的PSK传输系统仿真。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，并通过观察2PSK和2DPSK、QPSK和OQPSK、16QAM和16PSK仿真得出的星图、眼图和SNR-BER对比图进行系统性能进行对比。通过Simulink的仿真功能摸拟到了实际中的PSK调制与解调情况，深入的学习了PSK、QAM调制的性能特点，同时通过对比认识到了QAM调制的优越性。在未来的移动通信系统中，不仅需要传输不同速率不同要求的业务，并且由于移动信道独特的传播性能时常会随着时间和传播地点随机变化，因此，移动通信系统须具有自适应改变它的传输速率的特点，才能够保证灵活的为多种业务提供不同的传输速率，并且可以在保证质量的前提下，根据传播条件的变化适时地调整传播速率，从而达到充分发挥所用频谱的效率的目的。而实现可变速率调制的方法中有一种就是根据信道质量的好坏来改变QAM的电平数，因此，本文的研究可以说是移动通信系统的发展的学习的基础。 参考文献[1]黄葆华，杨晓静，吕晶.通信原理[M].西安：西安电子科技大学出版社，2012[2]李建东，郭梯云，邬国扬.移动通信[M].西安：西安电子科技大学出版社，2006[3]张德丰.MATLAB/Simulink建模与仿真实例精解[M].北京：机械工业出版社，2010[4]邵玉斌.Matlab/Simulink通信系统建模与仿真实例分析[M].北京：清华大学出版社，2008[5]赵静，张瑾，高新科.基于MATLAB的通信系统仿真[M].北京：北京航空航天大学出版社，2007[6]丁亦农.Simulink与信号处理[M].北京：北京航空航天大学出版社，2010[7]刘学勇.详解MATLAB/Simulink通信系统建模与仿真[M].北京：电子工业出版社，2011[8]王根英，王琴，周春月.通信系统原理实验[M].北京：清华大学出版社；北京：交通大学出版社，2010[9]雷菁，黄英，李保国，熊春林，赵海涛.通信系统课程设计与实验课程[M].北京：科学出版社，2012[10]张圣勤.MATLAB7.0实用教程[M].北京：机械工程出版社，2006[11]徐明远，邵玉斌.MATLAB仿真在通信与电子工程中的应用[M].西安，西安电子科技大学出版社，2010 致谢在本次的毕业设计中，赵静老师作为我的指导老师。在进行毕业论文过程中，赵静老师给我指导、建立做毕业论文的思路。由于没有具体写毕业论文经验，理论相对也较欠缺，在实际写的过程出现很多的问题，赵静老师非常耐心的给我讲解具体怎样进行的思路，引导我进行毕业论文的进行，让我建立了一种认真严谨的作风。在写毕业论文中，由于没有经验，出错很多，赵静老师也非常仔细的指导并帮助我修改，使我才顺利完成毕业论文的所有工作。借此机会向赵静老师致以崇高的谢意！此外，本次毕业设计的顺利完成，也与其他的很多老师和同学的帮助分不开。在毕业论文过程中，感谢你们为我提供的建议以及宝贵的经验。最后，向在百忙中抽出时间对本文进行评审并提出宝贵意见的各位老师表示衷心地感谢！