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MATLABPSK调制与解调及仿真
学士学位毕业设计（论文）
基于MATLAB的PSK调制和解调及仿真
摘要
Psk调制是通信系统中最为重要的环节之一，Psk调制技术的改进也是通信系统性能提高的重要途径。
本文首先分析了数字调制系统的基本调制解调方法，然后，运用Matlab及附带的图形仿真工具——Simulink设计了这几种数字调制方法的仿真模型。
通过仿真，观察了调制解调过程中各环节时域和频域的波形，并结合这几种调制方法的调制原理，跟踪分析了各个环节对调制性能的影响及仿真模型的可靠性。
最后，在仿真的基础上分析比较了各种调制方法的性能，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。
另外，本文还利用Matlab的图形用户界面（GUI）功能为仿真系统设计了一个便于操作的人机交互界面，使仿真系统更加完整，操作更加方便。
关键词：
数字调制；分析与仿真；Matlab；Simulink；GUI图形界面
ABSTRACT
Inthispaper,methodsofpskmodulationareintroducedfirstly.ThentheirsimulationmodelsarebuiltbyusingMATLAB’ssimulationtool,SIMULINK.Throughobservingtheresultsofsimulation,thefactorsthataffectthecapabilityofthepskmodulationsystemandthereliabilityofthesimulationmodelsareanalyzed.Andthen,thecapabilityofthreedigitalmodulationsimulationmodels,2-PSK,4-PSKand,havebeencompared,aswellascomparingtheresultsofsimulationandtheory.Atlast,theconclusionisgotten:
Thesimulationmodelsarereasonable.Inaddition,anoperationinterfaceisdesigned,whichcansimplifythemanipulationofthesimulationsystem,bymeanoftheGraphicalUserInterface,whichshortforGUI.
Keywords:
PSKmodulation;analysis;simulation;MATLAB;SIMULINK;GUI
目录
摘要I
ABSTRACTI
目录I
前言1
1绪论1
1.1通信技术的历史和发展1
1.2数字调制技术1
1.3数字调制的发展现状和趋势1
1.4本章小结1
2MATLAB仿真技术1
2.1通信仿真1
2.2MATLAB简介1
2.3Simulink简介1
2.4本章小结1
3PSK调制系统1
3.12PSK数字调制原理1
3.24PSK的调制和解调1
3.3本章小结1
4PSK调制解调系统的仿真1
4.12PSK调制解调系统的仿真1
4.24PSK调制解调系统的仿真1
4.3利用MATLAB研究4PSK信号1
4.4本章小结1
结论1
参考文献1
致谢1
附录1
前言
现代通信的发展趋势为数字化，随着现代通信技术的不断开发，数字调制技术已日趋成熟，在各个领域都得到了广泛的应用和认同。
因此本文对PSK的数字调制和解调进行了仿真。
现代社会发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。
现代计算机科学技术快速发展，已经研发出了新一代的可视化的仿真软件。
这些功能强大的仿真软件，使得通信系统仿真的设计和分析过程变得相对直观和便捷，由此也使得通信系统仿真技术得到了更快的发展。
本文使用的是功能强大的MATLAB软件。
MATLAB是一种使用简便的、特别适用于科学研究和工程计算的高级语言，与其他计算机语言相比，它的特点是简洁和智能化，具有极高的编程和调试效率。
通过使用MATLAB工具箱函数对数字调制进行仿真，更能直观彻底的掌握数字通信，数字调制的原理。
有助于我们的学习和研究，加深对知识的理解和运用。
MATLAB的便利性还体现在它的仿真结果还可以存放到MATLAB的工作空间里做事后处理。
方便我们修改参数对不同情况下的输出结果进行对比。
由于MATLAB和SIMULINK是集成在一起的，因此用户可以在这两种环境下对自己的模型进行仿真、分析和修改。
1绪论
1.1通信技术的历史和发展
1.1.1通信的概念
通信就是克服距离上的障碍，从一地向另一地传递和交换消息。
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）。
消息由模拟消息（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，信号是消息的物资载体。
相应的信号可以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，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。
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高要求。
1.1.2通信的发展史简介
远古时代，远距离的传递消息是以书信的形式来完成的，这种通信方式明显具有传递时间长的缺点。
为了在尽量短的时间内传递尽量多的消息，人们不断地尝试所能找到的各种最新技术手段。
1837年发明的莫尔斯电磁式电报标志着电通信的开始。
之后，利用电进行通信的研究取得了长足的进步。
1866年利用海底电缆实现了跨大西洋的越洋电报通信。
1876年贝耳发明了电话，利用电信号实现了语音信号的有线传递，使信息的传递变得既迅速又准确，这标志着模拟通信的开始，由于它比电报更便于交流使用，所以直到20世纪前半叶这种采用模拟技术的电话通信技术比电报得到了更为迅速和广泛的发展。
1937年瑞威斯发明的脉冲编码调制标志数字通信的开始。
20世纪60年代以后集成电路、电子计算机的出现，使得数字通信迅速发展。
在70年代末在全球发展起来的模拟移动电话在90年代中期被数字移动电话所代替，现有的模拟电视也正在被数字电视所代替。
数字通信的高速率和大容量等各方面的优越性也使人们看到了它的发展前途
1.2数字调制技术
通信按照传统的理解就是信息的传输与交换。
在当今信息社会，通信则与遥感，计算技术紧密结合，成为整个社会的高级“神经中枢”。
没有通信，人类社会是不可想象的。
一般来说，社会生产力水平要求社会通信水平与之相适应。
若通信水平跟不上，社会成员之间的合作程度就受到限制。
可见，通信是十分重要的。
通信传输的消息是多种多样的，可以是符号的，文字的，数据和图像的等等。
各种不同的消息可以分为两类：
一类称为离散消息；另一类称为连续消息。
离散消息的状态是可数的或离散的，比如符号，文字或数据等。
离散消息也称数字消息。
而连续消息则是其状态连续变化的消息，例如，连续变化的语音，图像等。
连续消息也称模拟消息。
因此按照信道中传输的是模拟信号还是数字信号可以将通信系统分为模拟通信系统和数字通信系统。
数字通信有以下突出的特点：
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。
第二，当需要保密的时候，可以有效的对基带信号进行人为的“扰乱”，即加上密码。
数字通信系统可以用下图表示：
数字通信在近20年来得到了迅速的发展，其原因是：
（1）抗干扰能力强
（2）便于进行各种数字信号处理
（3）易于实现集成化
（4）经济效益正赶上或超过模拟通信
（5）传输与交换可结合起来，传输电话与传输数据也可结合起来，成为一个统一整体，有利于实现综合业务通信网。
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。
1.3数字调制的发展现状和趋势
进入20世纪以来，随着晶体管、集成电路的出现与普及、无线通信迅速发展。
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，通信技术在以下几个不同方向都取得了巨大的成功。
（1）微波中继通信使长距离、大容量的通信成为了现实。
（2）移动通信和卫星通信的出现，使人们随时随地可通信的愿望可以实现。
（3）光导纤维的出现更是将通信容量提高到了以前无法想象的地步。
（4）电子计算机的出现将通信技术推上了更高的层次，借助现代电信网和计算机的融合，人们将世界变成了地球村。
（5）微电子技术的发展，使通信终端的体积越来越小，成本越来越低，范围越来越广。
例如2003年我国的移动电话用户首次超过了固定电话用户。
根据国家信息产业部的统计数据，到2005年底移动电话用户近4亿。
随着现代电子技术的发展，通信技术正向着数字化、网络化、智能化和宽带化的方向发展。
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。
本文中提到的调制方式大都是可以实用的，已经采用多年，并且至今仍然被采用着。
但是，这些调制方法还不是很完善，有许多值得改进之处。
因此，在这些基本的数字调制方法基础上，多年来不断研究出新的或改进的调制方法。
实际上，在基本的和先进的调制方法之间并没有明确的界限。
这些方法都是不间断地发展出来的，后来者自然比原有者更先进。
此外，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发展，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。
目前，改进的数字调制方式主要有偏置正交相移键控，/4正交差分相移键控，最小频移键控，高斯最小频移键控，正交频分复用，网格编码调制等，这里对最小频移键控作一介绍
1.4本章小结
本章主要讲述了通信、调制、数字通信的概念，发展以及在生活中的应用价值。
从大的方面到小的方面，层层递进一直到本文所要讲的主旨内容数字调制。
2MATLAB仿真技术
2.1通信仿真
2.1.1通信仿真简介
随着科学技术、仿真理论及计算机的不断发展，仿真技术不断提高。
在如今的科学研究中，仿真技术提高了科学研究水平，缩短了科学研究周期、降低了科学研究成本及风险、促进了各不同领域学科融合、加速了科研成果转化为生产力。
可以说仿真技术已成为科学研究中必不可少的实用技术。
因此在现代科学研究及应用中，仿真技术被广泛应用于数学、物理、电子、通信、医学、生物等众多领域。
所谓系统仿真，通俗的说就是模型试验，它是指通过系统模型试验去研究一个已经存在的或者正在设计的系统的过程。
系统仿真，它不是对原型的简单再现，而是按照研究的侧重点对系统进行提炼，以利于研究者抓住问题的本质，这种建立在模型系统上的实验技术，称为仿真技术。
仿真方法可以分为3类：
实物仿真、数学仿真和半实物仿真。
系统仿真的研究重点在于仿真环节，即在模型建立之后，设计适当的算法，并编制成计算机程序。
因此，便产生了很多仿真算法和仿真软件，其中以MATLAB提供的动态仿真工具Simulink最为耀眼，它不仅具有强大的功能，并且具有很好的使用性。
MATLAB就是大量的计算机仿真软件中的优秀代表，它在科学研究特别是电子信息科学中有着极为广泛的应用。
MATLAB现已被广泛应用于数学、通信、信号处理、自动控制、神经网络、图形处理等许多不同学科的研究中。
仿真是衡量系统性能的工具，它通过仿真模型的仿真结果来推断原系统的性能，从而为新系统的建立或原系统的改造提供可靠的参考。
实际的通信系统是一个功能结构相当复杂的系统，对这个系统做出的任何改变都可能影响到整个系统的性能和稳定。
因此，在对原有的通信系统做出改进或建立一个新系统之前，通常需要对这个系统进行建模和仿真，通过仿真结果衡量方案的可行性，从中选择最合理的系统配置和参数设置，然后再应用于实际系统中。
这个过程就是通信仿真。
通信系统仿真可以分成离散事件仿真和连续事件仿真。
在离散事件仿真中，仿真系统只对离散事件做出反应，而在连续事件仿真中，仿真系统对输入信号产生连续的输出信号。
离散事件仿真是对实际通信系统的一种简化，它的仿真建模比较简单，整个仿真过程需要花费的时间也比连续仿真少。
虽然离散事件仿真舍弃了一些仿真细节，在有些场合显得不够具体，但仍然是通信系统仿真的主要形式。
与一般的仿真过程类似，在对通信系统实施仿真之前，首先需要研究通信系统的特性，通过归纳和抽象建立通信系统的仿真模型。
2.1.2通信仿真的一般步骤
通信系统仿真一般分成3个步骤，即仿真建模、仿真实验和仿真分析。
应该注意的是，通信仿真是一个螺旋式发展的过程，因此这3个步骤可能需要循环执行多次之后才能够获得令人满意的仿真结果。
（1）仿真建模
仿真建模是根据实际通信系统建立仿真模型的过程，它是整个通信系统仿真过程中的一个关键步骤，因为仿真模型的好坏直接影响着仿真结果的真实性和可靠性。
仿真模型一般是一个数学模型。
数学模型有多种分类方式，包括确定性模型和随机性模型，静态模型和动态模型。
确定性模型的输入变量和输出变量都有固定数值，而在随机模型中，至少有一个输入变量是随机的。
静态模型不需要考虑时间变化因素，动态模型的输入输出变量则需要考虑时间变化因素。
一般情况下，通信系统模型是一个随机动态系统。
在仿真建模过程中，首先需要分析实际系统存在的问题或设立系统改造的目标，并且把这些问题和目标转化成数学变量和公式。
有了这些具体的仿真目标之后，下一步是获取实际通信系统的各种参数，如通信系统占用的带宽及其频率分布，系统对于特定的输入信号产生的输出等。
同时，对于通信系统中的各个随机变量，可以采集这些变量的数据，然后通过数学工具来确定随机变量的分布特性。
有了上面的准备工作，下一步就可以通过仿真软件来建立仿真模型了。
（2）仿真实验
仿真实验是一个或一系列针对仿真模型的测试。
在仿真实验中，通常需要多次改变仿真模型输入信号的数据，以观察和分析仿真模型对这些输入信号的反应，以及仿真系统在这个过程中表现出来的性能。
需要强调的一点是，仿真过程中使用的输入数据必须具有一定的代表性，即能够从各个角度显著地改变仿真输出信号的数值。
实施仿真之前需要确定的另外一个因素是性能尺度。
性能尺度指的是能够衡量仿真过程中系统性能的输出信号的数值（或根据输出信号计算得到的数值），因此，在实施仿真之前，首先需要确定仿真过程中应该收集哪些仿真数据，这些数据以什么样的格式存在，以及收集多少数据。
在明确了仿真系统对输入信号的要求之前，最好把这些设置整理成一份简单的文档。
编写文档是一个好习惯，它能够帮助我们回忆起仿真过程的一些细节。
当然，文档的编写不一定要求很规范，并且文档的大小应视仿真设计的规模而定。
最后，还应该明确各个输入信号的初始设置以及仿真系统内部各个状态的初始值。
仿真的运行实际上是计算机的计算过程，这个过程一般不需要人工干预，花费的时间由仿真的复杂度确定。
如果需要比较仿真系统在不同参数设置下的性能，应该使仿真系统在取不同参数值时具有相同的输入信号，这样才能保证分析和比较的客观性和可靠性。
（3）仿真分析
仿真分析是一个通信系统仿真流程中的最后一个步骤。
在仿真分析过程中，用户已经从仿真过程中获得了足够多的关于系统性能的信息，但是这些信息只是一个原始的数据，一般还需要经过数值分析和处理才能够获得衡量系统性能的尺度，从而获得对仿真系统的一个总体评价。
常用的系统性能尺度包括平均值，方差，标准差，最大值和最小值等，它们从不同的角度描绘了仿真系统的性能。
图表是最简洁的说明工具，它具有很强的直观性，便于分析和比较，因此，仿真分析的结果一般都绘制成图表形式。
我们使用的仿真工具一般都具有很强的绘图功能，能够便捷地绘制各种类型的图表。
2.1.3仿真技术在通信系统设计中的作用
仿真技术的主要应用之一就是辅助系统的设计过程，也就是计划、设计和实现通信系统的过程。
实际系统的设计不同于传统的分析问题，它有自己的特点。
在设计过程中，不能依靠对系统各单元特性的详细而精密的了解，这里面有现实而又重要的原因。
系统设计师的基本目的是制造出一个系统使它在预计的使用寿命内满足一定的性能指标。
假如我们已经有了一个能满足一定性能的具体设计方案，所谓具体设计方案，就是说系统中的每个部件都唯一地用一定的函数来描述.
2.1.4仿真的应用
我们主要通过以下几种仿真方法，讲述目前正迅猛发展的仿真技术的许多的新的思想。
（1）针对光纤系统，研究的重点是光检测器的特性。
光纤系统中误码率是很小的，这样我们就可能在该例子采用运行时间减小技术配合蒙特卡罗仿真方法。
（2）主要研究多径衰落环境下64QAM无线中继系统的错误概率性能（BER）的估计。
在该系统中，不同的QA输出可表示为单个基本脉冲时延加权的和，仿真就是产生这些基本脉冲。
进而计算BER。
（3）主要是检测数字卫星通信系统的环境。
这个系统中含有非线性，这是一个难以处理的问题。
另一个问题是模型描述越详细，仿真就变得复杂费时。
在这个研究中，我们应当掌握复杂性与准确性的平衡，在降低复杂性时，采用一些技巧避免准确性的过分降低。
（4）野战网初始拓扑的优化问题。
由于网络节点和用户都在运动之中，节点数和用户数都可能十分大，要保证野战网覆盖制定的地域范围，并在很恶劣的战场环境下具有很好的抗毁能力，网络的设计必须考虑很多参数，这可能使网络仿真的运行时间过长，启发算法利用迭代逼近，使得设计结果与仿真运行时间能取得较好的折衷。
（5）关于自适应滤波器的性能仿真.
2.2MATLAB简介
2.2.1MATLAB的介绍及发展
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。
MATLAB软件是美国Mathworks公司的产品，MATLAB是英文MATrixLABoratory（矩阵实验室）的缩写。
从1984年推出了它的第一个DOS版本至今，一经推出了6.5版。
MatrixLaboratory意为“矩阵实验室”，从它的本意可以知道，最初的MATLAB只是一个数学计算工具。
但现在的MATLAB已经远不仅仅是一个“矩阵实验室”，它已经成为一个集概念设计、算法开发、建模仿真、实时实现于一体的集成环境，它拥有许多衍生的子集工具[9]。
新的版本集成了日常数学处理中的各种功能，包括高效的数值计算、矩阵运算、信号处理和图形生成等等的常用功能。
在MATLAB环境下，用户可以集成地进行程序设计、数值计算、图形绘制、输入输出、文件管理等各项操作。
MATLAB提供了一个人机交互的数学系统环境，该系统的基本数据结构是矩阵，在生成矩阵对象时，不要求作明确的维数说明，所谓交互式语言，是指人们给出一条命令，立即就可以得出该命令的结果。
该语言无需像C和Fortran语言那样，首先要求使用者去编写源程序，然后对之进行编译、连接，最终形成可执行文件。
这无疑会给使用者带来了极大的方便，因此，利用MATLAB可以节省大量的编程时间。
2002年6月Mathworks公司正式推出MATLABRelease13，即MATLAB6.5／Simulink5.0这是目前应用最广的版本。
MATLAB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。
2.2.2MATLAB的主要特点
（1）科学计算
MATLAB是一种面向科学与工程计算的高级语言，允许采用数学形式的语言编写程序。
用MATLAB编写程序犹如在演算纸上排列出公式与求解问题，因此MATLAB语言被称为“演算纸式”科学计算语言。
MATLAB拥有五百多种数学、统计及工程函数，可使用户立刻实现所需强大的数学计算功能。
（2）先进的可视化工具
MATLAB提供功能强大的、交互式的二维绘图和三维绘图功能。
可使用户创建富有表现力的彩色图形。
（3）直观灵活的语言
MATLAB不仅仅是是一套打好包的函数库，同时也是一种高级的、面向对象的编程语言。
（4）开放性、可扩展性强
M文件是可见的MATLAB程序，所以用户可以查看源代码。
开放的系统设计使用户能够检查算法的正确性，修改已存在的函数，或者加入自己的新部件。
（5）特殊应用工具箱
MATLAB的工具箱加强了对工程及科学种特殊应用的支持。
工具箱也和MATLAB一样是完全用户化的，可扩展性强。
将某个或某几个工具箱与MATLAB联合使用，可以得到一个功能强大的计算组合包，满足用户的特殊要求。
（6）使用方便
MATLAB语言是一种解释型语言，执行之前不需要进行专门的编译。
一般情况下，在采用任何高级语言编写和调试程序时需要经历4个阶段，即编辑、编译、链接以及执行调试，并且这四个步骤之间是顺次执行的。
MATLAB语言与其他语言相比，较好地解决了上述的问题。
（7）强大的图形处理功能[10]
2.2.3MATLAB的功能
MATLAB之所以成为世界顶级的科学计算与数学应用软件,是因为它随着版本的升级与不断完善而具有愈来愈强大的功能。
（1）数值计算功能。
MATLAB出色的数值计算功能是使之优于其他数学应用软件的决定性因素之一。
（2）符号计算
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