8PSK设计报告.docx
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8PSK设计报告
8PSK设计报告
课程名称：
现代通信原理
设计名称：
8PSK调制解调器设计与仿真分析
姓名：
学号:
班级：
通信1102
指导教师：
起止日期：
2014—2014
信息工程学院制
课程设计任务书
学生班级：
通信1102学生姓名：
学号：
设计名称：
8PSK调制解调器设计与仿真分析
起止日期：
2014.06.15—2014.06.29指导教师：
设计要求：
要求：
（1）分析8PSK调制、解调原理，并画出其系统框图；
（2）产生等概率且相互独立的二进制序列，作为待传输的信号，并画出其波形；
（3）完成8PSK调制器设计，给出调制信号波形；
（4）产生高斯噪声，加入调制信号；
（5）完成8PSK解调器设计仿真，分析加入噪声和不加入噪声对信号解调的影响；
课程设计学生日志
时间
设计内容
6.15—6.18
查阅Matlab、通信原理的有关资料
6.19—6.20
进行总体方案的设计，分析其可行性，最终确定系统方案
6.21—6.22
用Matlab编写并调试程序,实现调制、解调信号的时域波形
6.23—6.25
验证实验结果
6.26—6.27
完成课程设计，撰写报告
6.28—6.29
对论文进行最后修改
6.30
答辩
课程设计评语表
指导教师评语：
成绩：
指导教师：
年月日
8PSK调制解调器设计与仿真分析
一、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。
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调制解调原理的基础上应用MATLAB语言来完成仿真，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。
二、设计目的和意义
1、对8psk进行调制和解调，通过MATLAB编程，掌握MATLAB的使用，熟练掌握8PSK的调制原理，解调原理。
2、分析了加性高斯噪声和单频干扰条件下的8PSK信号相位分布模型及其相关检测方法；为现实中通信系统的调制，解调，及信道传输进行理论指导。
3、使我们掌握利用信号分析的软件来完成数值计算、通信过程分析的可视化建模及仿真调试，培养我们的主动获取知识和独立解决问题的能力，加强通信原理的基本概念、基本原理和基本分析方法。
巩固已经学过的知识，加深对知识的理解和应用，加强学科间的横向联系。
三、设计原理
3.1MPSK的介绍
MPSK即多进制相移键控，又称为多相制。
这种键控方式是多进制键控的主要方式。
在M进制的相移键控信号，用M个相位不同的载波分别代表M个不同的符号。
如果载波有2n个相位，它可以代表n位二进制码元的的不同组合的码组。
多进制相移键控也分为多进制绝对相移键控和多进制相对相移键控。
在MPSK信号中，载波相位有M种可能取值，qn=2πn/M（n=1,2,…M）。
因此MPSK信号可表示为
S（t）=cos（ω0t+θn）=cos（ω0t+2πn/M）
若载波频率是基带信号速率的整数倍，则上式可改写为
S（t）=∑g（t-nTs）cos（ω0t+θn）=cosω0tΣg（t-nTs）cosθn-sinω0tΣg（t-nT）sinθn
式中g（t）是高度为1、宽度为Ts的矩形脉冲。
式中表明，MPSK信号可等效为两个正交载波的MASK信号之和。
所以，MPSK信号的带宽和MASK信号的带宽相同。
因此，MPSK系统是一种高效率的信息传输方式。
但是，当M的取值增加时，载波间的相位差也随之减少，这就使它的抗噪声性能变差。
3.28PSK的原理
在八相调相中，把载波相位的一个周期0-2π等分成8种相位，已调波相邻相位之差为2π/8=π/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串行码流经过串/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信号可用正交调制法产生，方法如图3.1所示。
输入的二进制信息序
列经串/并变换后，分为三路并行序列BAC，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矢量合成后就能得到8PSK信号。
在图3.1中，A用于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用于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则用于确定同相支路和正交支路信号的幅度（C为“1”码时，|ak|>|bk|；C为“0”码时，|ak|<|bk|）。
图3.1正交调制法产生8PSK信号方框图
8PSK绝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串并变换每次把一个3位的码组映射为一个符号的相位，因此符号率为比特率的1/3，它们与载波相位的映射关系如图3.2所示
图3.2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，并串变换，恢复出原始的数据流。
整个8PSK调制解调系统的基带仿真框图如下图3.3所示
图3.38PSK的调制解调原理图
由于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串转换就可恢复出原始数据流。
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。
四、详细设计步骤
4.18PSK调制部分
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：
三位二进制序列与对应控制相位
111------π/8
110------3π/8
010------5π/8
011------7π/8
001------9π/8
000------11π/8
100------13π/8
101------15π/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程序如下：
f=150；%抽样频率
g=（sign（rand（1,150）-0.5）+1）/2；%产生二进制序列
sn=randn（1,50*length（g））;%产生加性高斯白噪声
dt=2*pi/149;
t=0:
dt:
2*pi;
si=[];co=[];%si为正交分量，co为同相分量
sit=[];sqt=[];%sit为同相分量幅度，sqt为正交分量幅度
sb2=[];%输入二进制序列
%8PSK调制过程
forn=1:
3:
length（g）;%一次取3个二进制数
ifg（n）==0&&g（n+1）==0&&g（n+2）==0
%b1b2b3=000时正交分量和同相分量的幅值
it=-0.383*ones（1,150）;
qt=-0.924*ones（1,150）;
b2=[zeros（1,50）zeros（1,50）zeros（1,50）]
elseifg（n）==0&&g（n+1）==0&&g（n+2）==1%b1b2b3=001时
it=-0.924*ones（1,150）;
qt=-0.383*ones（1,150）;
b2=[zeros（1,50）zeros（1,50）ones（1,50）]
elseifg（n）==1&&g（n+1）==0&&g（n+2）==0
it=0.383*ones（1,150）;
qt=-0.924*ones（1,150）;
b2=[ones（1,50）zeros（1,50）zeros（1,50）]
elseifg（n）==1&&g（n+1）==0&&g（n+2）==1
it=0.924*ones（1,150）;
qt=-0.383*ones（1,150）;
b2=[ones（1,50）zeros（1,50）ones（1,50）]
elseifg（n）==0&&g（n+1）==1&&g（n+2）==0
it=-0.383*ones（1,150）;
qt=0.924*ones（1,150）;
b2=[zeros（1,50）ones（1,50）zeros（1,50）]
elseifg（n）==0&&g（n+1）==1&&g（n+2）==1
it=-0.924*ones（1,150）;
qt=0.383*ones（1,150）;
b2=[zeros（1,50）ones（1,50）ones（1,50）]
elseifg（n）==1&&g（n+1）==1&&g（n+2）==1
it=0.924*ones（1,150）;
qt=0.383*ones（1,150）;
b2=[ones（1,50）ones（1,50）ones（1,50）]
elseifg（n）==1&&g（n+1）==1&&g（n+2）==0
it=0.383*ones（1,150）;
qt=0.924*ones（1,150）;
b2=[ones（1,50）ones（1,50）zeros（1,50）]
end
sb2=[sb2b2];
c=cos（f*t）;s=sin（f*t）;
sit=[sitit];sqt=[sqtqt];
co=[coc];si=[sis];
end
psk=sit.*co+sqt.*si;%调制后的8psk信号
4.28PSK解调部分
采用双正交相干解调。
这里有四个不周相位的本地载波，分别分0，π/2，-π/4，π/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，则相应判决码输出1，否则输出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，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，b1对应于输入二进制序列的第二位，b3和b4则对应于第三位，第三位的取值是b3b4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。
MATLAB程序如下：
rpsk=psk+sn;%加入加性高斯白噪声
rs=[];%rs用来存放解调后的二进制序列
form=1:
150:
50*length（g）-150;
rpsk1=rpsk（m:
m+149）;%取一个码元
sit=rpsk1.*cos（f*t）;
it=cumtrapz（sit）*dt;
it=it（end）;%相关后得的I路电平
ifit>0%对得到的电平进行判决
rs=[rsones（1,50）];
elseifit<0
rs=[rszeros（1,50）];
end
sqt=rpsk1.*sin（f*t）;
qt=cumtrapz（sqt）*dt;
qt=qt（end）;%相关后得的Q路电平
ifqt>0%对得到的电平进行判决
rs=[rsones（1,50）];
elseifqt<0
rs=[rszeros（1,50）];
end
sb3=rpsk1.*cos（f*t-pi/4）;
b3=cumtrapz（sb3）*dt;
b3=b3（end）;
sb4=rpsk1.*sin（f*t-pi/4）;
b4=cumtrapz（sb4）*dt;
b4=b4（end）;
b5=abs（b3+b4）;%得到b3的电平并判决
ifb5<2
rs=[rsones（1,50）];
elseifb5>2
rs=[rszeros（1,50）];
end
4.3高斯噪声、眼图
直接调用MATLAB的函数RANDN产生均值为0，方差为1的加性高斯随机噪声，眼图用MATLAB系统的函数EYEDIAGRAM对加入噪声的已调信号进行眼图观察。
误码统计中，对每一次加入噪声后解调输出的二进制序列与输入的二进制序列进行对比，计算解调后的误码数及其比率。
MATLAB程序如下：
EsNodb=2:
0.5:
12;%设置信噪比范围
Es=1;
No=10.^（-EsNodb/10）;
sigma=sqrt（No/2）;%噪声功率，其值随信噪比而变
error=zeros（1,length（EsNodb））;%错误计数
sdata=zeros（1,length（EsNodb））;%进行比较判决抽样值的总的计数
fori=1:
length（EsNodb）
error（i）=0;
sdata（i）=0;
whileerror（i）<1000%误码数<1000
d=ceil（rand（1,10000）*8）;
%产生信源10000个,返回大于或者等于指定表达式的最小整数
s=sqrt（Es）*exp（j*2*pi/8*（d-1））;%复基带形式
r=s+sigma（i）*（randn（1,length（d））+j*randn（1,length（d）））;
form=1:
8
rd（m,:
）=abs（r-sqrt（Es）*exp（j*2*pi/8*（m-1）））;
%rd有m行，每行对应r与m的差值，8*10000的二维数组
end
form=1:
length（s）
dd（m）=find（rd（:
m）==min（rd（:
m）））;
%找到rd的m列中最小的值的行序号（与之相对的判决电平值），%dd（m）即为接收到的m值，find（）函数返回的是行号
ifdd（m）~=d（m）%与发送的m相比,进行误码计数
error（i）=error（i）+1;
end
end
sdata（i）=sdata（i）+10000;
end
end
pe=error./sdata;%仿真得的误码率
figure（5）;
semilogy（EsNodb,pe,'b*:
'）;holdon;
axis（[2,12,10^（-2）,10^0]）;
gridon
xlabel（'Es/No（db）'）;ylabel（'误码率'）;
legend（'仿真结果'）;
%绘眼图
tt=0:
150-1;%显示1个码元周期内的眼图
figure（6）;
fork=1:
9
eyeprsk=rpsk（k*150:
（k+1）*150-1）;%rpsk为接收到的8PSK信号
drawnow
plot（tt,eyeprsk）;holdon;
axis（[040-55]）;
end
五、设计结果及分析
.8PSK调制
仿真结果如下图：
图5.1二进制序列
图5.28PSK调制
.8PSK解调
仿真结果如下图：
图5.38PSK解调输出
图5.4比较图形
.高斯噪声、眼图
仿真结果如下图：
图5.5误码率分析
从图中可以看出，此调制解调在没有加入噪声的情况下没有误码率，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，模块连接如下图：
图5.6模块连接图
仿真结果如5.7图和5.8图：
图5.7未加高斯白噪声的眼图
图5.8加入高斯白噪声的眼图
由上图可知，眼图越模糊，眼睛越闭合，则说明噪声越强，反之，则说明噪声强度弱，也能说明信道性能更优良。
分析：
信道噪声对系统性能的主要影响是在接收信号中引入了比特差错。
在二进制系统中,比特差错率表现为将符号1误认为0,或将符号0误认为符号1。
很明显比特差错的频率越高,接收机的输出信号与原始信息之间的差异就越大。
在存在信道噪声的情况下,可以用平均符号差错概率来衡量二进制信息传输的逼真度。
平均符号差错概率的定义为,接收机输出的重构符号与所传输的二进制不相同的平均概率。
在原始二进制波形中的所有比特均具有相同重要性的条件下,平均符号差错概率又称为误比特率（BER）。
但是,在重构原始消息信号的模拟波形时,不同的符号差错可能需要区别对待。
例如码字（表示消息信号的量化抽样值）中重要的比特发生的错误要比不重要的比特发生的错误有害得多。
将接收数字信号波形输入示波器,把产生水平扫描的锯齿波形周期与码源定时同步,则在示波器上可以看到相应的眼图。
数字信号干扰效果评估是通信信号干扰效果评估中的一项重要的研究内容,基于眼图分析的干扰效果评估方法的研究,首先在确定成型滤波器及其滚降系数（即排除了信道中其它因素如码间串扰的影响）的基础上为数字信号的眼图生成提供了平台;进而完成对眼图受到干扰后的变化情况的分析,确定了能够反应眼图变化的两个特征参数（眼皮厚度、眼图的开启度）,为评估受扰后的眼图提供了参数依据;最后通过仿真,建立了眼图厚度比随干扰强度变化的评估模板,提出了一种新的能够反应数字信号受干扰情况的评估方法。
六、总结
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8PSK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8PSK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。
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（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8PSK进制的调制仿真实现.
七、体会
这次的课程设计是在MATLAB的SIMULINK环境下仿真实现8PSK的调试与解调，刚开始是没有完全理解8PSK的的原理，以至于多走了很多的弯路，后来又因为没能正确的使用示波器而导致出现了很多的错误，后来加如噪声后，更是有很多的错误出现了，误码率也很大，星座图也跳跃不停。
通过出现的问题，我看到了自己的不足，也学会了SIMULINK模块的运用，更重要的是了解了多进制的调制与解调原理，通过课程设计来巩固本学期的通信原理与数字信号的专业知识内容，同时也运用理论知识与实际电路的设计相结合了起来，通过综合分析，找出了自己学习过程中的不足，为今后的学习提供实践依据，打下了基础。
这次实习是运用MATLAB中的SIMULINK仿真出8PSK的调制与解调，这是多进制的调制与解调，我开始没能完全理解多进制的调制与解调，错误的使用了二进制的方式去调制与解调，输入了二进制的正弦波，也使用了只能显示二进制的示波器，导致实验过程中一直都有错，没能正确的运行，再一次次的失败后，仍然找不到出错点在哪。
后来同学来给我讲解了多进制的原理后，我明白了原来自己的
专业知识不够扎实，原理没有理解透
在此次课程设计中，我掌握了SIMULINK软件的使用，虽然不是很熟悉，但是，以后将会更加努力的学习，还有专业知识的加强，在这次课程设计中，问题出现的如此多，主要在于专业知识的不够完善，幸亏同学一次次的细心指点，才能完成此次设计，今后一定加强学习。
八、参考文献
【1】桑林，郝建军，刘丹.数字通信.北京邮电大学出版社，2002
【2】苗云长等主编.现代通信原理及应用.电子工业出版社，2005
【3】吴伟铃，庞沁华.通信原理.北京邮电大学出版社，2005
【4】张圣勤.MATLAB7.0实用教程.机械工业出版社，2006
【5】邵玉斌.Matlab/Simulink通信原理建模与仿真实例分析.清华大学出版社，2008
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