1、武汉理工大学通信工程专业学科基础课群课设报告课程设计任务书学生姓名： 张亚男 专业班级： 通信1104班 指导教师： 艾青松 工作单位： 信息工程学院 题 目: 4PSK调制解调系统仿真分析 初始条件：Matlab软件，通信原理基础知识要求完成的主要任务: （1）任务：设计一个4PSK调制解调系统（2）要求：1）4PSK信号波形的载频和相位参数应随机置或者可有几组参数组合供选择2）系统中要求加入高斯白噪声3) 4PSK解调方框图采用相干接收形式4）分析误码率（3）说明：设计报告必须包括建模仿真结果。参考文献：1 谢自美.电子线路设计实验测试(第三版).武汉：华中科技大学出版社2 康华光. 电子
2、技术基础模拟部分.高等教育出版社，20053 康华光. 电子技术基础 数字部分.高等教育出版社，20054 樊昌信. 通信原理（第五版）.北京：国防工业出版社，2005时间安排：（1）理论讲解，老师布置课程设计题目，学生根据选题开始查找资料；（2）课程设计时间为2周。 1）确定技术方案、电路，并进行分析计算， 时间2天； 2）选择元器件、安装与调试，或仿真设计与分析，时间6天； 3）总结结果，写出课程设计报告，时间2天。指导教师签名： 年 月 日系主任（或责任教师）签名： 年 月 日目 录摘要 .Abstract 1 软件简介 11.1 MATLAB软件简介 11.2 SIMULINK简介 1
3、2 基本原理 22.1 4PSK的基本特点 22.2 4PSK调制解调原理 42.2.1 4PSK调制原理 42.2.2 4PSK解调原理 52.3 4PSK误码率的分析 73 基于SIMULINK的4PSK调制解调系统 83.1 4PSK调制解调系统的设计 83.1.1 信源的产生 83.1.2 串并转换 83.1.3 非极性信号转换成极性信号 83.1.4 信号的调制 83.1.5 信号的传输 93.1.6 信号的解调 93.1.7 4PSK调制解调系统 103.1.8 4PSK比特误码率分析 113.2 仿真结果分析 114 4PSK调制解调源程序及仿真分析 134.1 4PSK调制的仿
4、真 134.2 4PSK解调的仿真 144.3 4PSK误码率分析 155 小结及体会 176 参考文献. 18附录1 4PSK调制源程序. 19附录2 4PSK解调源程序. 20附录3 4PSK误码率分析源程序. 21摘要在数字信号的调制方式中4PSK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、较强的抗干扰性、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。4PSK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4PSK调制解调原理的基础上
5、应用MATLAB语言来完成仿真，仿真出了4PSK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，星座图和误码率与信噪比的关系曲线。在仿真的基础上分析了调制解调的性能，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。关键词: 4PSK 调制解调 MATLAB 分析与仿真AbstractIn digital signal modulation method, 4PSK is the most commonly used digital signal modulation mode, it has high frequency spectrum use efficiency
6、, strong anti-jamming, in circuit implementation are relatively simple. Modulation technique is communication field very important link, a good modulation technology can not only save spectrum resources and can provide good communication performance. 4PSK modulation is a kind of high efficiency and
7、good resistance to band noise performance of the modulation mode, in digital mobile communication has been widely used. This design in understanding 4PSK demodulation based on the principle of MATLAB language to complete the simulation, the simulation out 4PSK modulation and demodulation of the simu
8、lation diagram, including the signal waveform has, after the demodulation signal waveform, the eye chart and the bit error rate. On the basis of simulation analyses and compares the performance of various modulation method, and by comparing the simulation model and theoretical calculation of perform
9、ance, proved the feasibility of the simulation model.Keywords: 4PSK modem MATLAB analysis and simulation1 软件简介1.1 MATLAB软件简介MATLAB软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软件能迅速测试设想构想，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MATLAB也是国家教委重点提倡的一种计算工具。MA
10、TLAB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，MATLAB是所有MathWorks公司产品的数值分析和图形基础环境。此外MATLAB 还拥有强大的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较，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、模糊控制等方面来看，MATLAB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
11、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MATLAB不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都凭借其强大的功能获得了极大的用武之地。广大学生可以使用MATLAB来帮助进行信号处理、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MATLAB进行理论研究和算法开发；工程师可以使用MAT
12、LAB进行系统级的设计与仿真。1.2 SIMULINK简介SIMULINK是MATLAB最重要的组件之一，它提供一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境。在该环境中，无需大量书写程序，而只需要通过简单直观的鼠标操作，就可构造出复杂的系统。SIMULINK具有适应面广、结构和流程清晰及仿真精细、贴近实际、效率高、灵活等优点，并基于以上优点SIMULINK已被广泛应用于控制理论和数字信号处理的复杂仿真和设计。同时有大量的第三方软件和硬件可应用于或被要求应用于SIMULINK。SIMULINK是MATLAB中的一种可视化仿真工具， 是一种基于MATLAB的框图设计环境，是实现动态系统建模、仿真和分
13、析的一个软件包，被广泛应用于线性系统、非线性系统、数字控制及数字信号处理的建模和仿真中。SIMULINK可以用连续采样时间、离散采样时间或两种混合的采样时间进行建模，它也支持多速率系统，也就是系统中的不同部分具有不同的采样速率。为了创建动态系统模型，SIMULINK提供了一个建立模型方块图的图形用户接口(GUI) ，这个创建过程只需单击和拖动鼠标操作就能完成，它提供了一种更快捷、直接明了的方式，而且用户可以立即看到系统的仿真结果。SIMULINK是用于动态系统和嵌入式系统的多领域仿真和基于模型的设计工具。对各种时变系统，包括通讯、控制、信号处理、视频处理和图像处理系统，SIMULINK提供了交
14、互式图形化环境和可定制模块库来对其进行设计、仿真、执行和测试。构架在SIMULINK基础之上的其他产品扩展了SIMULINK多领域建模功能，也提供了用于设计、执行、验证和确认任务的相应工具。SIMULINK与MATLAB紧密集成，可以直接访问MATLAB大量的工具来进行算法研发、仿真的分析和可视化、批处理脚本的创建、建模环境的定制以及信号参数和测试数据的定义。2 基本原理2.1 4PSK的基本特点4PSK常称为正交相移键控（Quadrature Phase Shift Keying, QPSK）。它的每个码元含有2b的信息，现用ab代表这两个比特。发送码元序列在编码时需要先将每两个比特分成一组
15、，然后用4种相位之一来表示它。它们与相位之前的关系通常都按格雷码的编码规则安排。四相相移调制是利用载波的四种不同相位差来表征输入的数字信息，是四进制移相键控。4PSK是在M=4时的调相技术，它规定了四种载波相位，分别为45，135，225，275，调制器输入的数据是二进制数字序列，为了能和四进制的载波相位配合起来，则需要把二进制数据变换为四进制数据，这就是说需要把二进制数字序列中每两个比特分成一组，共有四种组合，即00，01，10，11，其中每一组称为双比特码元。每一个双比特码元是由两位二进制信息比特组成，它们分别代表四进制四个符号中的一个符号。4PSK中每次调制可传输2个信息比特，这些信息比
16、特是通过载波的四种相位来传递的。解调器根据星座图及接收到的载波信号的相位来判断发送端发送的信息比特。 数字调制用“星座图”来描述，星座图中定义了一种调制技术的两个基本参数：（1）信号分布；（2）与调制数字比特之间的映射关系。星座图中规定了星座点与传输比特间的对应关系，这种关系称为“映射”，一种调制技术的特性可由信号分布和映射完全定义，即可由星座图来完全定义。首先将输入的串行二进制信息序列经串并变换，变成m=log2M个并行数据流，每一路的数据率是R/m，R是串行输入码的数据率。I/Q信号发生器将每一个m比特的字节转换成一对（pn，qn）数字，分成两路速率减半的序列，电平发生器分别产生双极性二电
17、平信号I(t)和Q(t)，然后对coswct和sinwct进行调制，相加后即得到4PSK信号。4PSK是一种频谱利用率高、抗干扰性强的数调制方式, 它被广泛应用于各种通信系统中. 适合卫星广播。例如，数字卫星电视DVB2S 标准中，信道噪声门限低至4. 5 dB，传输码率达到45Mb/s，采用4PSK 调制方式，同时保证了信号传输的效率和误码性能。四进制绝对相移键控(4PSK)直接利用载波的四种不同相位来表示数字信息。如下：图2-1 4PSK信号相位n矢量图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
18、，则双比特ab与载波相位的关系入下表：表2-1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 270o 225o 315 o 45 o 135 o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。2.2 4PSK调制解调原理2.2.1 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：图2-2 4PSK正交调制原理方框图它可以看成是由
19、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）然后分别调制到cosct和sinct两个载波上，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315o四种相位。2.2.2 4PS
20、K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法）。图2-3 4PSK信号解调原理方框图在不考虑噪声及传输畸变时，接收机输入的4PSK信号码元可表示为： yi(t)=A cos(ct+n)输入相位ncosn的极性sinn的极性判决器输出ab45o 135 o225o315o+-+-10011100表2-2抽样判决器的判决标准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。两路抽样判决器输出a、b，经并
21、/串变换器就可将并行数据恢复成串行数据。2.3 4PSK误码率的分析通信系统的抗噪声性能是指系统克服加性噪声影响的能力。在数字通信系统中，信道噪声有可能使传输码元产生错误，错误程度通常用误码率来衡量。因此，与分析数字基带系统的抗噪声性能一样，分析数字调制系统的噪声性能，也就是求系统在信道噪声干扰下的总误码率。误码率（BER：bit error ratio）是衡量数据在规定时间内数据传输精确性的指标。误码率是指错误接收的码元数在传输总码元数中所占的比例，更确切地说，误码率是码元在传输系统中被传错的概率，即误码率=错误码元数/传输总码元数。如果有误码就有误码率。误码的产生是由于在信号传输中，衰变改
22、变了信号的电压,致使信号在传输中遭到破坏，产生误码。噪音、交流电或闪电造成的脉冲、传输设备故障及其他因素都会导致误码（比如传送的信号是1，而接收到的是0；反之亦然）。误码率是最常用的数据通信传输质量指标。它表示数字系统传输质量的式是“在多少位数据中出现一位差错”。误信率，又称误比特率，是指错误接收的比特数在传输总比特数中所占的比例，即误比特率=错误比特数/传输总比特数。在数字通信系统中，可靠性用误码率和误比特率表示。4PSK的误码率计算公式为： （公式2-1）4PSK误比特率计算公式为： （公式2-2）3 基于SIMULINK的4PSK调制解调系统3.1 4PSK调制解调系统设计3.1.1信源
23、的产生在搭建QPSK调制解调系统中直接使用伯努力信号发生器产生01比特序列，每两比特代表一个符号，伯努利随即生成二进制Generator模块用伯努利分布的二进制数字。产生参数为p伯努利分布，伯努利分布均值1-p和方差p(1-p)，一个零概率参数指定p，可以是任何0和1之间的实数。本次试验中模块参数设置为：发送0的概率p=0.5，采样时间为0.03s。3.1.2 串并转换首先使用buffer模块实现将发射信号转成两路，buffer模块为重新分配的缓冲区块的输入样本。输出多个采样频率较低的帧信号，但是会产生与缓冲区容量相同的时延。模块参数设置：缓冲区容量(buffer size)为2。3.1.3
24、非极性信号转换成极性信号将01序列减去0.5，再乘以2，可得到1，-1序列，即极性信号。此过程中用到常数产生模块(Constant)/幅度增益模块(Gain)和减法模块(Subtract)。3.1.4 信号的调制分别将两路信号乘以相位为0和pi/2的载波，然后相加。载波可以有正弦信号发生器产生，正弦波模块可提供一个正弦波，模块可基于时间或采样的模式。参数设置：信号类型(sine size)为基于时间，信号幅度(Amplitude)为1，信号的频率(Frequency)为2000*2*pi即为载波频率，相位(Phase)分别为0和pi/2。此过程中用到正弦信号发生模块(sine wave)、乘法
25、模块(Product)、加法模块(Sum)。调制部分模块的连接图如图3-1所示：图3-1 调制模块电路连接图3.1.5 信号的传输将调制信号通过AWGN信道。AWGN信道模块可以将加性高斯白噪声加到一个实数的或者复数的输入信号。参数设置：工作方式选择输入方差，噪声方差可随机输入，观察信噪比与比特误码率的关系。3.1.6 信号的解调首先将信号分为两路，分别乘以相位为0和pi/2的载波。使用相关器解调方法，乘以1信号即幅度为一方波信号。然后信号通过积分器，使用积分器时需要在时间t=T时使积分器复位，所以积分模块需设置在时钟上升沿时复位，之后需要采样并保持，需要使用sample and hold模块
26、，同时也要使用与发送码元时间两倍的时钟输入。然后检测并判断输出信号，使用autothrehold模块，该模块会根据输入数据自动设置阀门，对输入信号给出判断，输出二进制比特序列，并可输出阀值。最后再经过并串转换，将两路信号合成一路信号输出。解调部分模块连接图如下： 3-2 解调模块电路连接图3.1.7 4PSK调制解调系统图3-3 调制解调系统原理图3.1.8 4PSK比特误码率分析比特错误率统计使用Error Rate Calculation模块，该模块可自动比较发送序列与接受序列并作比较，进行错误统计，由于前面buffer模块是每个支路产生一个单位的时延，采样保持模块是每个支路产生一个延时，
27、所以最好时延为四个，所以Error Rate Calculation模块需设置序列延迟为4，将比特错误率输出并显示在display模块显示。3.2 仿真结果及分析图3-4 未加噪声时的调制解调仿真图仿真分析：如上图3-4所示，未加噪声时，调制信号与解调信号都能正确输出，且解调信号与原信号基本一致，只是有一点相位上的偏移。图3-5 加高斯白噪声后的调制解调仿真图仿真分析：如上图3-5所示，将调制信号通过有高斯白噪声的信道时，调制信号变得不理想，而且误码率较高，导致解调出来的信号与原信号相比，错误率较大。4 4PSK调制解调源程序及仿真分析4.1 4PSK调制的仿真4PSK调制的源程序见附录1，仿
28、真结果见下图。图4-1 4PSK调制仿真图仿真分析：如图所示，原信号先经过串/并转换，将一组序列分为a,b两组分别进行调制然后相加合成，便得到4PSK调制信号。由图可以看出，加入高斯白噪声后调制信号变得不理想。4.2 4PSK解调的仿真4PSK调制的源程序见附录2，仿真结果见下图。图4-2 4PSK解调仿真图仿真分析：如图所示，调制信号分为奇偶两组分别进行解调，然后进行并/串转换，便得到4PSK解调信号。由图可以看出，解调信号与原信号相比不太理想，波形有毛刺，主要是因为加入高斯白噪声的影响。4.3 4PSK误码率分析4PSK误码率分析的源程序见附录3，仿真结果见下图。图4-3 未加噪声时的星座
29、图仿真分析：图4-3是未加噪声的星座图映射，00、01、10、11组合分别映-1-j，-1+j，1-j，1+j。图4-4 加入噪声后的星座图仿真分析：图4-4是加入噪声的星座图映射，它是加入噪声后的映射结果，由图中可以看出加入噪声后大致以-1-j，-1+j，1-j，1+j为中心形成了近似圆的图像，少部分点偏离比较严重，产生了误差。图4-5 差错率曲线比较图仿真分析：图4-5可见，4PSK仿真误码率曲线和理论误码率曲线重合在一起，4PSK仿真误比特率曲线和理论误比特率曲线也重合在一起，误码率约是误比特率的两倍，说明实验是正确可行的。5 小结及体会在老师和同学的帮助下我顺利的完成了这次课程设计，在
30、这次课程设计中，我们使用了MATLAB对 4PSK的通信系统进行了仿真，研究了其传输中噪声对系统的影响。通过理论指导，从仿真中可以看出，在4PSK调制系统中由于存在信道干扰和码间串扰，会影响调制系统的性能，即存在一定的误码率，误码率与信噪比相关，当信噪比提高时，误码率下降在通信和信息传输系统、工业自动化或电子工程技术中，调制和解调应用最为广泛。本设计研究了4PSK的调制和解调原理，以及利用MATLAB对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中的SIMULINK对4PSK的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。本研究具有可对比性，对比4PSK的通信原理 可发现频谱图近似相同。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。而调制和解调的基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。调制与解调又分模拟和
