8PSK调制解调技术的设计与仿真

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1、摘要在数字信号的调制方式中 8PSK是目前最常用的一种数字信号调制方式，它 具有较高的频谱利用率、较强的抗十扰性、在电路上实现也较为简单。调制技术 是通信领域里非常重要的环节，一种好的调制技术不仅可以节约频谱资源而且可 以提供良好的通信性能。8PSK调制是一种具有较高频带利用率和良好的抗噪声 性能的调制方式，在数字移动通信中已经得到了广泛的应用。本次设计在理解 8PSK调制解调原理的根底上应用 MATLA弟言来完成仿真，仿真出了 8PSK的调 制以及解调的仿真图，包括已调信号的波形，解调后的信号波形，眼图和误码率。 在仿真的根底上分析比拟了各种调制方法的性能，并通过比拟仿真模型与理论计 算的性

2、能，证明了仿真模型的可行性。关键字：8PSK调制解调 MATLAB分析与仿真目录摘要 1目录 2前言 31. 信道 41.1信道概念 41.2信道分类 42. 8PSK的原理 52.1根本原理 52.2 8PSK的调制 72.3 8PSK的解调采用双正交相十解调 82.4眼图 93. 设计及仿真 103.1 MATLAB软件的介绍 103.2 8PSK调制局部 103.3 8PSK解调局部 133.4高斯噪声、眼图 164. 总结 20参考文献 21致谢 22前言信息化的社会，数字技术快速开展，数字器件也广泛的利用，数字信号的处 理技术也越来越重要。进入20世纪以来，随着晶体管、集成电路的出现

3、与普及、 无线通信迅速开展。特别是在 20世纪后半叶，随着人造地球卫星的发射，大规 模集成电路、电子计算机和光导纤维等现代技术成果的问世，通信技术在不同方向都取得了巨大的成功。随着技术的进步，特别是超大规模集成电路和数字信号 处理技术的开展，使得复杂的电路设计得以用少量的几块即成电路模块实现，有些硬件电路的功能还可以用软件代替实现。因此使得一些较复杂的调制技术能够 容易地实现并投入使用。这方面的条件使得新的更复杂的调制体制迅速地不断涌 现。8PSK的调制与解调具有一系列独特的优点，已经广泛应用于无线通信中， 成为现代通信中一种十分重要的调制解调方式。根据所处理基带信号的进制不 同，分为二进制和

4、多进制，多进制与二进制相比拟，其频带利用率更高。现代社 会开展要求通信系统功能越来越强， 性能越来越高，构成越来越复杂；这就要借 助于功能强大的计算机辅助分析设计技术和工具才能实现。MATLABI成仿真，它由一系列工具组成。这些工具方便用户使用 MATLAB勺函数和文件，其中许多 工具采用的是图形用户界面。包括 MATLAB面和命令窗口、历史命令窗口、编 辑器和调试器、路径搜索和用于用户浏览帮助、 工作空间、文件的浏览器。随着 MATLAB勺商业化以及软件本身的不断升级， MATLAB勺用户界面也越来越精致， 更加接近 Windows的标准界面，人机交互性更强，操作更简单。而且新版本的 MAT

5、LAB供了完整的联机查询、帮助系统，极大的方便了用户的使用。简单的 编程环境提供了比拟完备的调试系统， 程序不必经过编译就可以直接运行， 而且 能够及时地报告出现的错误及进行出错原因分析。 本设计主要研究数字通信过程 中的调制解调过程。从原理上说受调载波可以是任意的，只要已调信号适合心动 的传输就可以了，但是实际上，大多数通信系统中，都选择正弦信号作为载波。 这是因为正弦信号简单，便于产生和接收。1.信道1.1信道概念信道：信道就是信号的通道。在数字通信系统模型中，可将其分为狭义信道 和广义信道。狭义信道：用来传输电光信号，介于发送设备和接收设备之间的传输媒介；广义信道：凡信号经过的路径就称之

6、为信道。 按所传输信号的形式，可分为 调制信道和编码信道是数字信道。【注】如无特殊说明，通信领域中提起信道，应理解为广义信道。发送方调制器的输出端到接收方解调器的输入端，称为调制信道，分为恒 参信道和随参信道；恒参信道：信道传递函数与时间t无关的信道，如有线电缆、光纤、微波等；随参信道：信道传递函数与时间t有关的信道，如短波电离层反射、超短波流星余迹散射等；发送方编码器的输出端到接收方译码器的输入端，称为编码信道；分为无记 忆信道和有记忆信道；无记忆信道：假设每个输出的符号只取决于当前的输入符号， 而与前后其他的 输入符号无关时，称为无记忆信道。即前后码元的接收概率不存在关联性，概 率是统计独

7、立的。有记忆信道：假设前后码元的接收概率存在关联性，那么称为有记忆的编码信道。1.2信道分类信道可按不同的方式进行分类：按用途分： 信道、电视信道等；按传输的信号分：模拟信道、数字信道；按传输媒介分：有线信道、无线信道；按传输信号频谱分：基带信道、载波信道；按使用方式分：专用信道、公共信道。就总体而言，信道应看作一个线性系统，满足线性叠加原理。信号在信道中传输， 存在衰耗和时延，信道中总是存在噪声，信号在实际信道中传输，将会产生失真，任何信道都有一定的频率带宽，信道不可能传送功率无限大的信号。2. 8PSK的原理2.1根本原理在八相调相中，把载波相位的一个周期0-2兀等分成8种相位，已调波相邻

8、相 位之差为2兀/8=兀/4。二进制信码的三比码组成一个八进制码元， 并与一个已调 波的相位对应。所以在调制时必须将二进制的基带申行码流经过申 /并变换，变 为三比特码元，然后进行调相。三比特码元的组合不同，对应的已调波的相位就 不同。8PSK言号可用正交调制法产生，方法如图2.1所示。输入的二进制信息序列经申/并变换后，分为三路并行序列 BAG每一组并行的BAC称为三比特码元。 每路的码元速率是输入数据速率的1/3。A和C送入同相支路的2/4电平变换器， 输出的电平幅度值为ak；B和C送入正交支路的2/4电平变换器，输出的电平幅度 值为bk。将ak和bk这两个幅度不同而相互正交的欠量合成后就

9、能得到 8PSK信号。在图2.1中，A用丁决定同相支路信号的极性A为“1码时，ak为正；A 为“0码时，ak为负。B用丁决定正交支路信号的极性B为“1码时，bk 为正；B为“0码时，bk为负。C那么用丁确定同相支路和正交支路信号的幅度* 24宣平变峡卷相I(t)SPSK(C为 “1 码时,|ak|bk| ； C为 “0 码时，|ak|v|bk|)。二道制 _1_串并变换smc 24电平变箜biQ (t)图2.1正交调制法产生8PSK信号方框图8PSK色对移相调制利用载波的8种不同相位来表征数字信息。它把输入的二进制信号序列经过申并变换每次把一个 3位的码组映射为一个符号的相位, 因此符号率为比

10、特率的1 / 3，它们与载波相位的映射关系如图 2.2所示图2.2位信息比特到8PSK符号的映射关系图系统根据映射后的相位，计算出I ,Q两路的数值，经过成形滤波，送入信 道传输。在接收端，首先经过匹配滤波滤除带外噪声和干扰， 然后经过抽样相位 判决，相位解码，并申变换，恢复出原始的数据流。整个8PSKM制解调系统的基带仿真框图如下列图2.3所示图2.3 8PSK的调制解调原理图由丁 8PSK存在相位模糊问题，因此可采用差分编码技术，将 3位码组映射 的相位值作为实际相位的增加量；在接收端，抽样判决后的相位值也须先经过相 应的差分解码，恢复出原始相位值，之后再进行相位解码和并申转换就可恢复出原

11、始数据流。采用这样的带差分编码的 8PSK即D8PSK就可解决相位模糊的 问题设计原理2.2 8PSK的调制八进制移相键控8PSK调制。由丁 8PSKI* GMSK勺信号空间从2扩展到8,因 此每个符号可以包括的信息是原来的4倍。8PSK的符号率保持在271kbps,每个 时隙可以得到69.2kbps的总速率，并且仍然能够完成 GSM谱屏蔽。对丁高速传输，为了提高频带利用率，多采用多进制调制方法，在一个波形 周期0, TS内发送多个二进制符号。频带利用率能成倍增加。8PSK载波有0, n/4 ,兀/2 , 3兀/4 , 叭 5兀/4 , 3兀/2 , 7兀/4 八 种不同的初相，可以在一个波形

12、周期0, TS内发送3个二进制符号000,001, 010, 011, 100, 101, 110, 111。频带利用率能到达 6b/S/HZ。由丁 8PSK信号幅度不是包定的，因此，被调制信号将不再保持包定幅度，它必须能够从任何起点到达任何相位位置。这意味着8-PSK信号的幅度变化很大，这给RF放大器带来了较大压力，而且可能会导致进一步失真。通过8PSK设计的增强功能，即3兀/8旋转那么能够降低较大的幅度变化。 所以，经过符号映射 后的符号，应再按照F式进行3兀/8弧度的符号旋转。欠量图见图：7 n /8+| /8相 /8相5 n /8 相I 3那/8相5 n /8相3 n用相图2.3 8P

13、SK欠量图函数首先将产生的二进制序列送入，在申并变换处分成 3个电平，b1,b2和 b3,其中b1用丁决定同相路信号的极性，当其为1时，同路信号的极性为1,当 其为0时，同路信号的极性为-1。b2用丁确定正交路信号的极性，当其为1时，正 交路信号的极性为1,当其为0时，正交路信号的极性为-1。b3用丁确定同相路和正交路的幅度，当8PSK信号幅度为1时，假设b3为1时同相路 的基带信号幅度应为0.924,而正交路幅度为0.383;假设b3为0时，同相路信号幅 度为0.383,而正交路信号幅度为0.924。求出I和Q以后就分别与相位相反的 载波叠加。最后相加就得到了调制后的8PSK信号。原理图见图

14、：.电平 产生也载波二进信息申-并变整发生器人8PSK信号 倒相电平产生:90书相图2.4 8PSK的调制原理图2.3 8PSK的解调采用双正交相干解调8PSK信号与信道中的噪声叠加后输入解调器，首先将信号分解成四个独立 的信号，然后分别与相位不同的载波相叠加， 然后就是判决电路，当不对时，计 数器加1。判决出以后的信号就是 b1,b2,b3最后将3个信号叠加起来就得到了输 出信号。蒙特卡罗分析就是分析信号信噪比的误码率和误比特率,然后对信号进行分析，与理论的误码率和误比特率进行比照。原理图见图2.5。Sps信号图2.5 8PSK的双正交相干解调2.4眼图眼图是信号由垂直扫描进入与同周期的水平

15、扫描锯齿波叠加到示波器上时到 得图案。眼图能够反映信号在传输过程中受到的信道噪声影响的强度，眼图越模糊， 眼睛越闭合，那么说明噪声越强，反之，那么说明噪声强度弱，也能说明信道性能更 优良。3. 设计及仿真3.1 MATLAB软件的介绍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。MATLAB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

16、试设想设想，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MATLAEfc是国家教委重点提倡的一种计算工具。MATLA庄要由C语言编写而成，采用LAPACKJ底层支持软件包。MATLAB勺编程非常简单，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MathWorks公司产品的数值分析和图形根底环境。此外MATLAB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 种算法的比拟，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

17、糊控制等方面来看，MATLA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。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MATLABf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凭借其强大的功能获得了极大的用武之地。广阔学生可以使用 MATLAB帮助进行

18、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MATLA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。3.2 8PSK调制局部本设计采用相位选择法进行8PSK调制。其三位二进制序列与对应控制相位对应如下表表1三位二进制序列与对应控制相位1 1 1- 攵 /81 1 0-3Tt /80 1 0-5兀/80 1 1-7Tt /80 0 1-9Tt /80 0 0-11Tt /81 0 0-13Tt /81 0 1-15兀/8对应上表，首先生成对应相位的同频载波，再根据输入二进制序列对每连续三位进行判决，输出相应相位的载波即可。其 MATLAB

19、S序如下：f=150% 抽样频率g=(sign(rand(1,150)-0.5)+1)/2以广生二进制序列sn=randn(1,50*length(g);dt=2*pi/149;t=0:dt:2*pi;以广生加性高斯白噪声si=;co=;sit=;sqt=;sb2=;%si为正交分量，co为同相分量%sit为同相分量幅度，sqt为正交分量幅度输入二进制序列%8PSKI制过程for n=1:3:length(g); %一次取 3 个二进制数if g(n)=0 & g(n+1)=0 & g(n+2)=0 %b1b2b3=00时正交分量和同相分量的幅值it=-0.383*ones(1,150);qt

20、=-0.924*ones(1,150);b2=zeros(1,50) zeros(1,50) zeros(1,50)%b1b2b3=00 时elseif g(n)=0 & g(n+1)=0 & g(n+2)=1 it=-0.924*ones(1,150);qt=-0.383*ones(1,150);b2=zeros(1,50) zeros(1,50) ones(1,50)elseif g(n)=1 & g(n+1)=0 & g(n+2)=0it=0.383*ones(1,150);qt=-0.924*ones(1,150);b2=ones(1,50) zeros(1,50) zeros(1,5

21、0)elseif g(n)=1 & g(n+1)=0 & g(n+2)=1it=0.924*ones(1,150);qt=-0.383*ones(1,150);b2=ones(1,50) zeros(1,50) ones(1,50)elseif g(n)=0 & g(n+1)=1 & g(n+2)=0it=-0.383*ones(1,150);qt=0.924*ones(1,150);b2=zeros(1,50) ones(1,50) zeros(1,50)elseif g(n)=0 & g(n+1)=1 & g(n+2)=1it=-0.924*ones(1,150);qt=0.383*one

22、s(1,150);b2=zeros(1,50) ones(1,50) ones(1,50)elseif g(n)=1 & g(n+1)=1 & g(n+2)=1it=0.924*ones(1,150);qt=0.383*ones(1,150);b2=ones(1,50) ones(1,50) ones(1,50)elseif g(n)=1 & g(n+1)=1 & g(n+2)=0it=0.383*ones(1,150);qt=0.924*ones(1,150);b2=ones(1,50) ones(1,50) zeros(1,50)endsb2=sb2 b2;c=cos(f*t); s=si

23、n(f*t);sit=sit it; sqt=sqt qt;co=co c; si=si s;endpsk=sit.*co+sqt*si;咖制后的 8psk 信号仿真结果如下列图：二进制序列信廉图3.1二进制序列图3.2 8PSK调制3.3 8PSK解调局部采用双正交相十解调。这里有四个不周相位的本地载波，分别分0,兀/2 ,-兀/4 ,兀/4 ,其频率与发送端载波一样。四个不同相位的载波分别与一个周期的 已调信号作乘法运算，然后进行判决。具体判决方法是，把所乘结果的离散数据 相累加，如果其和大于0,那么相应判决码输出1,否那么输出0。实际上，由于作乘 法运算之后的离散也为一对称的正弦离散信号

24、， 故只需取出此信号内的最大值与 最小值，进行相加并判断其正负即可，这样减少了运算量。对应2, b2对应于输入二进制序列的第一位，bl对应于输入二进制序列的第 二位，b3和b4那么对应于第三位，第三位的取值是 b3 b4求同或的值。因此，程序首先生成四种相位的本地载波， 然后对输入的已调信号的每一个 周期内作乘法，再进行上述的判决。程序如下:rpsk=psk+sn;rs=;for m=1:150:50*length(g)-150;rpsk1=rpsk(m:m+149);sit=rpsk1.*cos(f*t);it=cumtrapz(sit)*dt;it=it(end);if it0rs=rs

25、ones(1,50);elseif it0rs=rs ones(1,50);elseif qt0rs=rs zeros(1,50);endsb3=rpsk1.*cos(f*t-pi/4);%to入加性高斯白噪声%rs用来存放解调后的二进制序歹0% 取一个码元% 相关后得的I路电平%对得到的电平进行判决% 相关后得的Q路电平%对得到的电平进行判决b3=cumtrapz(sb3)*dt;b3=b3(end);sb4=rpsk1.*sin(f*t-pi/4);b4=cumtrapz(sb4)*dt;b4=b4(end);%得到b3的电平并判决b5=abs(b3+b4);if b52rs=rs zer

26、os(1,50);end仿真结果如下列图：图3.3 8PSK解调输出二迸制序列(信源)I94t#III4I*1-III111IIIllI150 300 450 60。750 900 1050 1200 1350 1500 1650 1800(a)t/ts/150)BPSK调制0-102D0400600300 1000 1200 1400 1600 1800 2000(b)叩550)醉调输出hnimnnzmmrmlIIiiIII1#1v111111i1t1* * w v * *L sb k sb L w k n , Ln* * Ik* * M M，M v L * fir w JL 靠 _ _ v

27、 n v JL n w , sb JL n sb A s * -w A _ _ w11111i111l1150 300 450 600 750 900 1050 1200 1350 1500 1660 1800t/(ts/15D)图3.4比拟图形3.4高斯噪声、眼图直接调用MATLAU勺函数RAND*生均值为0,方差为1的加性高斯随机噪声， 眼图用MATLAB统的函数EYEDIAGRAM参加噪声的已调信号进行眼图观察。 误 码统计中,对每一次参加噪声后解调输出的二进制序列与输入的二进制序列进行 比照，计算解调后的误码数及其比率。程序如下：EsNodb=2:0.5:12;%设置信噪比范围咐码数1

28、000%产生信源10000个,返回大丁或Es=1;No=10.A(-EsNodb/10);sigma=sqrt(No/2);error=zeros(1,length(EsNodb);sdata=zeros(1,length(EsNodb);for i=1:length(EsNodb)error(i)=0;sdata(i)=0;while error(i) QFSK,Random IntegerOPSKGsntratcxModulateB9=zandDiiff&te-Tirw爻AWQI.FIR Interpolatian图3.5误码率分析从图中可以看出，此调制解调在没有参加噪声的情况下没有误码率

29、，没有延 迟，误码率为0,符合要求，性能良好。眼图模块采用simulink仿真，模块连接如下列图:*奉Disaete-TimEft CiijaTiSeeE/t DisfiramSccpt图3.6眼图模块连接图仿真结果如3.7图和3.8图:Eye Diagram3.7未加高斯白噪声的眼图Eye Diagram208O 5 O 5 。-0. 营_在0J善 du-n- 5 0 50.。dJipnl=dEonlEpeno图3.8参加高斯白噪声的眼图由上图可知，眼图越模糊，眼睛越闭合，那么说明噪声越强，反之，那么说明噪声强度弱，也能说明信道性能更优良。4. 总结在通信和信息传输系统、工业自动化或电子工程

30、技术中，调制和解调应用最 为广泛。本设计研究了 8PSK勺调制和解调原理，以及利用 MATLABt其调制和解 调进行了编程和编译仿真，得到的结论和理论上是一致的。简单而且快捷。同时 利用MATLAB的8PSK勺通信系统进行了仿真研究了其传输的特性，及传输中噪声对系统的影响。而调制和解调的根本原理是利用信号与系统的频域分析和傅里叶变换的基 本性质，将信号的频谱进行搬移，使之满足一定需要，从而完成信号的传输或处 理。调制与解调乂分模拟和数字两种，在现代通信中，调制器的载波信号几乎都 是正弦信号，数字基带信号通过调制器改变正弦载波信号的幅度、频率或相位， 产生幅度键控ASK、相位键控PSK、频率键控

31、FSK信号，或同时改变 正弦载波信号的几个参数，产生复合调制信号。本课程设计主要介绍基于Matlab 对8PSKS制的调制仿真实现.本研究具有可比照性，比照2PS对日4PSK勺通信原理和星座图可发现其中的 不同点，但是频谱图近似相同。通信中信道的信噪比设置越大信噪传输越理想， 与理论上是相符合的。2PSK和4PSK的传输系统也具有比照性，本研究在文中列 出了仿真过程中每个元件的仿真参数的设置。 比拟其中不同点我们发现其中参数 根本相似。也说明了他们的传输原理根本相同， 都利用了相位的不同表示了不同 的码元传输。通过这次课程设计，培养了我综合运用所学知识，发现、提出、分析和解决实际问题、锻炼实践

32、的能力，是对我们以后的实际工作能力的具体训练 和一个考察过程。在这次课程设计中，我能够比拟系统的了解数字信号的载波传 输，尤其是多进制相移监控8PSK把理论和实践相结合。在做设计的过程中难 免总会出现各种问题，通过查阅资料，自学其中的相关知识，无形问提高了我们 的动手，动脑能力，通过课程设计让我知道了，我们平时所学的知识如果不加以 实践的话等于纸上谈兵。课程设计主要是我们理论知识的延伸， 它的目的主要是 要在设计中发现问题，并且自己要能找到解决问题的方案，形成一种独立的意识。 我们还能从设计中检验我们所学的理论知识到底有多少，稳固们已经学会的，不断学习我们所遗漏的新知识，把这门课学的扎实。参考

33、文献1 ?电子技术实验教程M王紫婷西南交大出版社20012 ?通信原理? 王福昌 熊兆飞 黄本雄 活华大学出版社20063 MATLA切真技术与应用教程?钟麟 王峰 国防工业出版社20034 MATLAffi信仿真与技术应用?刘敏 魏玲 国防工业出版社20015 Simulink通信仿真开发手册?孙屹 吴磊 国防工业出版社20046 ?数字通信原理与技术?第二版 王兴亮西安电子科技大学出版社 20007 ?徐炳祥等通信原理第5版樊昌信 北京国防工业出版社20058 ?精通MATLAB6.版?张志涌等 北京航空航天大学出版社 20039 MATLAffi信仿真及应用实例祥?邓华等 解人民邮电出版

34、社 2003致谢通过本次计算机通信课程设计，让我在除了课本的知识之外的知识有了更好 的理解，对8PSK调制解调的工作原理有了更好的理解，在设计之前，收集了很 多的材料，但当真正深入设计时，却也遇到了诸多的问题，让我体会到了设计的 要求在于系统性，可行性，准确性，诸多问题的出现给我们的设计带来了难度， 也同时是更大的一次挑战，最终，在老师以及同学的帮助下，克服了种种困难， 顺利的完成了本次计算机通信的课程设计, 在此,首先要感谢学校安排此次课程 设计，让我有时机对本次课程设计能够深入理解和设计，再次感谢老师的细心指导和改正，还有同组同学的相互团结和帮助，使我完成了本次计算机通信课程设 计，使我在求学的道路上有了更多方面知识的获得。设计过程中查阅了大量的有关PSK调制解调设计的书籍，稳固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本 上所没有学到过的知识。通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合的必要 性，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来， 从 理论中得出结论，才能真正为社会效劳，从而提高自己的实际动手能力和独立思 考的能力。再次感谢学校，感谢张老师，感谢同学。