8PSK调制以及解调的SIMULINK仿真图解析.docx
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8PSK调制以及解调的SIMULINK仿真图解析
摘要
8PSK意为正交相移键控，是一种数字调制方式。
四相相移键控信号简称“8PSK”。
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。
在现代通信系统中，调制与解调是必不可少的重要手段。
所谓调制，就是把信号转换成适合在信道中传输的形式的一种过程。
解调则是调制的相反过程，而从已调制信号中恢复出原信号。
本课程设计主要介绍通过进行8PSK调制解调的基带仿真，对实现中影响该系统性能的几个重要问题进行了研究。
针对8PSK的特点，调制前后发生的变化，加上噪声后波形出现的各种变化，通过星座图、眼图、波形图等来观察。
关键字：
8PSK；调制解调；MATLAB；分析与仿真
前言
信息化的社会，数字技术快速发展，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。
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。
8PSK数字解调包括：
模数转换、抽取或插值、匹配滤波、时钟和载波恢复等。
根据所处理基带信号的进制不同，分为二进制和多进制，多进制与二进制相比较，其频带利用率更高。
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。
MATLAB完成仿真，它由一系列工具组成。
这些工具方便用户使用MATLAB的函数和文件，其中许多工具采用的是图形用户界面。
包括MATLAB桌面和命令窗口、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的商业化以及软件本身的不断升级，MATLAB的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MATLAB提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较完备的调试系统，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绪论
1.1通信技术的历史和发展
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。
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。
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。
1.2数字调制的发展现状和趋势
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，p/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。
1.3设计要求
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。
完成如下的工作：
1熟悉8PSK信号的调制解调原理
2掌握仿真语言；
3根据原理给出8PSK调制以及解调的SIMULINK仿真图（已调信号波形，解调后的信号波形，眼图和误码率图）
4用MATLAB语言实现8PSK调制和解调，给出信号的波形，眼图及误码率等。
28PSK调制解调的基本原理设计
图2.18PSK的调制解调原理图
2.18PSK数字调制原理
8PSK是一种常用的多相键控，输入的二进制信息序列经串—并交换每次产生一个3位码组b1b2b3，因此符号率为比特率的1/3。
在b1b2b3控制下，同相路和正交路分别产生两个四电平基带信号I（t）和Q（t）。
b1用于决定同相路的信号的极性，b2用于决定正交路信号的极性，b3则用于确定同相路和正交路信号的幅度。
因此同相路和正交路的基带信号幅度是相互关联的，不能独立选取。
8PSK调制是利用载波的8种不同相位（或相位差）来表征数字信息的调制方式，和二进制调制一样，8PSK调制也分为绝对调相和相对调相。
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，映射星座按自然码或者格雷码（文中采用自然码），符号速率是比特速率的1/3，在8PSK调制方式中，输入的串行二进制序列经串并转换，每次产生3位并行码组b1b2b3。
b1和b3分别决定I路的极性和幅度，b2和b3分别决定Q路的极性和幅度。
图2.28PSK调制原理图
2.28PSK的解调原理
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。
8PSK信号可采用8PSK信号的相干解调器进行解调，区别在于判决电路二电平判决改为四电平判决，判决结果经逻辑运算后得到比特码组，再进行并/串变换，8PSK信号的另一种解调方案如图2所示，它采用两组正交相干解调器，其中一组参考载波相位为0°和90°，另一组参考载波相位为-45°和45°，每个相干解调器后接一个二电平判决电路，对判决结果经逻辑运算后得到比特码组，在进行并/串变换，得到原始的串行二进制信息。
图2.38PSK的双正交相干解调
2.3、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。
3无线信道
3.1信道的概述
信道连接发送端和接收端的通信设备，其功能是将信号从发送端传送到接收端。
按照传输媒介的不同，信道可以分为两大类：
无线（wireless）信道和有线（wired）信道。
无线信道利用电磁波在空间中的传播来传输信号，而有线信道则是利用人造的传导电或光信号的媒体来传输信号。
传统的固定电话网用有线信道作为传输媒介，而无线电广播就是利用无线信道传输电台节目的。
在通信系统模型中，还提到信道中存在噪声，它对于信号传输有重要的不良影响，所以通常认为它是一种有源干扰。
而信道本身的传输特性不良可以看作是一种无源干扰。
3.2无线信道
在无线信道中信号的传输是利用电磁波在空间的传播来实现的。
原则上，任何频率的电磁波都可以产生。
但是，为了有效地发射或接收电磁波，要求天线的尺寸不小于电磁波波长的1/10。
因此，频率过低，波长过长，则天线难于实现。
例如，若电磁波的频率等于3000Hz，则其波长等于100km。
这时，要求天线的尺寸大于10km!
这样大的天线虽然可以实现，但是并不经济和方便。
除了在外层空间两个飞船的无线电收发信机之间的电磁波传播是在自由空间传播外，无线电收发信机之间的电磁波传播总是受到地面和大气层的影响。
根据通信距离、频率和位置的不同，电磁波的传播主要分为地波、天波（或称电离层反射波）和视线传播三种。
频率较低（大约2MHz以下）的电磁波趋于沿弯曲的地球表面传播，有一定的绕射能力。
这种传播方式称为地波传播，在低频和甚低频段，地波能够传播超过数百千米或数千米。
频率较高（2MHz-30MHz）的电磁波称为高频电磁波，它能够被电离层反射。
电离层位于地面上60km-400km之间，它是因太阳的紫外线和宇宙射线辐射使大气电离的结果。
电磁波还可以经过散射方式传播，散射传播和反射传播不同。
无线电波的反射特性类似光波的镜面反射特性。
散射现象具有强的方向性，散射的能量主要集中于前方，故常称其为前向散射。
由于散射信号的能量分散于许多方向，故接收点散射信号的强度比反射信号的强度要小得多。
48PSK仿真图形分析
4.1MATLAB软件的介绍
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。
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。
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MATLAB进行系统级的设计与仿真。
4.28PSK调制解调系统的仿真
4.2.18PSK调制解调
图4.18PSK调制
图4.28PSK解调
图4.3对比图
实验结果分析：
如图上结果显示，完成了8PSK信号在理想信道上的调制，解调的过程，由于调制过程中加进了载波，因此调制信号的功率谱密度会发生变化。
并且可以看出调制解调的结果没有误码。
4.2.3误码率及眼图
图4.4误码率
8PSK信号的误码率：
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）。
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。
图4.5眼图的原理图
图4.6眼图
图4.7加噪声后的眼图
“眼睛”的张开程度可以作为基带传输系统性能的一种度量，它不但反映串扰的大小，而且也可以反映信道噪声的影响。
眼图张开部分的宽度决定了接受波形可以不受串扰影响而抽样、再生的时间间隔。
显然，抽样的最佳时刻是“眼睛”张开最大的时刻；“眼睛”在特定抽样时刻的张开高度决定了系统的噪声容限；“眼睛”的闭合斜率决定了系统对抽样定时误差的敏感程度，斜率愈大则对定时误差愈敏感。
4.2.4菜单设计
图4.8菜单
程序：
k=menu（'Choosea8PSK','2PSK','tiaozhi','jietiao','wumalv','yantu'）
displaysontheCommandWindow-----Choosea8PSK-----
1）2PSK
2）tiaozhi
3）jietiao
4）wumalv
5）yantu
总结
本设计要求采用matlab实现对8PSK调制解调的仿真并且绘制相关的图形，从查资料当中学到了很多不知道的东西，加深了对8PSK的了解。
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的调制仿真实现.
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，我能够比较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，无形间提高了我们的动手，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，巩固我们已经学会的，不断学习我们所遗漏的新知识，把这门课学的扎实。
参考文献
[1]王福昌熊兆飞黄本雄.通信原理.清华大学出版社.2006
[2]钟麟王峰.MATLAB仿真技术与应用教程.国防工业出版社.2003
[3]刘敏魏玲.MATLAB通信仿真与技术应用.国防工业出版社.2001
[4]王兴亮.数字通信原理与技术（第二版）.西安电子科技大学出版.2000
[5]樊昌信.徐炳祥等通信原理（第5版）.北京国防工业出版社.2005
[6]张志涌等.精通MATLAB6.5版.北京航空航天大学出版社.2003
[7]邓华等.MATLAB通信仿真及应用实例祥.解人民邮电出版社.2003
致谢
在历时将近3周的课设中，让我对Matlab这个软件有了更进一步的了解，同时也让我对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，让我有机会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8PSK调制解调设计的书籍，巩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，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。
再次感谢张老师，感谢同学。
附录
Matlab程序
w=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（w*t）;s=sin（w*t）;
sit=[sitit];sqt=[sqtqt];
co=[coc];si=[sis];
end
psk=sit.*co+sqt.*si;%调制后的8psk信号
%画图
figure
（1）;
plot（sb2,'LineWidth',1.5）;
gridon;title（'二进制序列（信源）'）;
axis（[02000-1.51.5]）;
set（gca,'Xtick',[150:
150:
1800]）;
xlabel（'（a）t/（ts/150）'）;
figure
（2）;
plot（psk,'LineWidth',1.5）;
gridon;title（'8PSK调制'）;axis（[02000-1.51.5]）;
xlabel（'（b）t/（Ts/150
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