PSK的調(diào)制解調(diào)要點

1、11引言通信按照傳統(tǒng)的理解就是信息的傳輸。在當(dāng)今高度信息化的社會，信息和 通信已成為現(xiàn)代社會的命脈。信息作為一種資源，只有通過廣泛的傳播與交流, 才能產(chǎn)生利用價值，促進(jìn)社會成員之間的合作，推動社會生產(chǎn)力的發(fā)展，創(chuàng)造 出巨大的經(jīng)濟(jì)效益。而通信作為傳輸信息的手段或方式，與傳感技術(shù)，計算機(jī) 技術(shù)相互融合，已為21世紀(jì)國際社會和世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展的強(qiáng)大推動力。1.1數(shù)字通信系統(tǒng)的模型按照信道中傳輸?shù)氖悄M信號還是數(shù)字信號，相應(yīng)的將通信系統(tǒng)分為模擬 通信系統(tǒng)和數(shù)字通信系統(tǒng)。模擬通信系統(tǒng)是利用模擬信號來傳遞信息的通信系 統(tǒng)，模擬信號有時也稱連續(xù)信號。而數(shù)字通信系統(tǒng)是利用數(shù)字信號來傳遞信息 的通信系統(tǒng)。數(shù)字信號有

2、時也稱為離散信號。近年來數(shù)字通信的發(fā)展遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過 模擬通信，數(shù)字通信在各個領(lǐng)域的應(yīng)用也越來越廣泛。本文討論的也是數(shù)字通 信中調(diào)制解調(diào)原理。數(shù)字通信系統(tǒng)的一般模型如圖 1所示。圖1數(shù)字通信系統(tǒng)模型其中，信源編碼有兩個基本功能：一是提高信息傳輸?shù)挠行?，即設(shè)法減 少碼元數(shù)目和降低碼元速率。二是完成數(shù)/模轉(zhuǎn)換，即當(dāng)信息源給出的是模擬信 號時，信源編碼器將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，信源譯碼是信源編碼的逆過程。信道 編碼的目的是增強(qiáng)數(shù)字信號的抗干擾能力，信道譯碼是信道編碼的逆過程。加 密和解密是為了保證所傳信息的安全。數(shù)字調(diào)制就是將數(shù)字基帶信號的頻譜搬 移到高頻處，形成適合在信道中傳輸?shù)膸ㄐ盘?。圖1為數(shù)字通信系

3、統(tǒng)的一般化模型，實際的數(shù)字通信系統(tǒng)不一定包含圖中的所有環(huán)節(jié)。模擬信號經(jīng)過數(shù)字 編碼后也可以在數(shù)字通信系統(tǒng)中傳輸。1.2數(shù)字通信的特點目前，數(shù)字通信在不同的通信業(yè)務(wù)中都得到了廣泛的應(yīng)用，究其原因也是 數(shù)字通信相較于模擬同通信具有以下的一些優(yōu)點。（1）數(shù)字通信系統(tǒng)抗干擾能力強(qiáng)，且噪聲不積累。數(shù)字通信系統(tǒng)中傳輸?shù)?是離散取值的數(shù)字波形，接受端的目標(biāo)不是精確的還原被傳輸?shù)牟ㄐ?，而是?2受噪聲干擾的信號中判決出發(fā)送端所發(fā)送的事兩個狀態(tài)總的哪一個即可。（2） 數(shù)字通信系統(tǒng)傳輸差錯可控。在數(shù)字通信系統(tǒng)中，可通過信道編碼技 術(shù)進(jìn)行檢錯和糾正，降低誤碼率，提高傳輸質(zhì)量。（3） 數(shù)字通信系統(tǒng)便于用現(xiàn)代數(shù)字信號處

4、理技術(shù)對數(shù)字信息進(jìn)行處理、 變 換、存儲。這種數(shù)字處理的靈活性表現(xiàn)為可以將來自不同信源的信號綜合到一起傳輸。（4） 數(shù)字通信系統(tǒng)易于集成，使通信設(shè)備微型化，重量輕。（5）數(shù)字通信系統(tǒng)易于加密處理，且保密性好。1.3數(shù)字調(diào)制的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢數(shù)字通信系統(tǒng)的優(yōu)勢明顯，但同時也存在一些缺陷，需要較寬的傳輸帶寬。 在現(xiàn)代通信中，隨著大容量和遠(yuǎn)距離數(shù)字通信技術(shù)的發(fā)展，信道的帶寬限制和 非線性對傳輸信號的影響越來越來重要。于是，新的數(shù)字調(diào)制方式逐漸出現(xiàn)。 這些調(diào)制方式盡量減小信道對所傳輸信號的影響，以便在有限的帶寬資源條件 下獲得更高的傳輸速率。多進(jìn)制調(diào)制是提高譜利用率的有效方法，恒包絡(luò)技術(shù) 能適應(yīng)信道的非

5、線性，并保持較小的頻帶利用率。近些年來，新發(fā)展的數(shù)字調(diào) 制技術(shù)有最小移頻鍵控（MSK，高斯濾波最小移頻鍵控（GMSK）正交幅度調(diào)制 （QAM）,正交頻分復(fù)用調(diào)制（OFDM等等。近年來，隨著半導(dǎo)體技術(shù)和信號處理技術(shù)的不斷發(fā)展，用戶對信道資源要 求不斷提高，移動性能用戶也不斷增加。衛(wèi)星通信技術(shù)的發(fā)展，軍用制導(dǎo)通信 技術(shù)和深空探測技術(shù)的不斷發(fā)展使高速率的調(diào)制技術(shù)成為可能。隨著軟件無線 電技術(shù)的加速發(fā)展，Doppler頻差影響不斷加大，數(shù)字調(diào)制技術(shù)將能適應(yīng)復(fù)雜 干擾環(huán)境下通信方式和更高頻段的通信。3(1)0兀發(fā)送f”時(2)(3)(5)2 PSK的基本原理2.12PSK調(diào)制解調(diào)的基本原理相移鍵控是利用

6、載波的不同相位來傳遞數(shù)字信息，而振幅和頻率保持不變。 在2PSK中，通常用初始相位0和n分別表示二進(jìn)制“ 0”和“1”。因此，2PSK 信號的時域表達(dá)式為e2PSK(t)二 Acos，ctn其中，n表示第n個符號的絕對相位:因此，式(2)可以改寫為Acoscoct概率為 Pe2PSK (t) 一 AC0S%t 概率為 1 - P由于表示信號的兩種碼元的波形相同，極性相反，故2PSK信號一般可以 表述為一個雙極性(bipolarity )全占空(100% duty ratio )矩形脈沖序列 與一個正弦載波的相乘，即e2PSK 二 s(t)cos ,(4) 其中s(t)八 ang(t - nTs

7、)n這里，g(t)是脈寬為Ts的單個矩形脈沖，而an的統(tǒng)計特性為(6)概率為P概率為1- P4s(t)即發(fā)送二進(jìn)制符號“0”時(an取+ 1) , e2PK (t)取0相位；發(fā)送二進(jìn)制符號“T 時(an取一1),取n相位。這種以載波的不同相位直接去表示相應(yīng)二進(jìn)制數(shù) 字信號的調(diào)制方式，稱為二進(jìn)制絕對相移方式。調(diào)制方法有模擬調(diào)制和鍵控法， 解調(diào)方法通常采用的是相干解調(diào)法。下面是 2PSK勺調(diào)制解調(diào)原理框圖。2.2 4PSK調(diào)制解調(diào)的基本原理4PSK艮卩四進(jìn)制移向鍵控，又叫QPSK4PSK是英文Quadrature Phase ShiftKeying的簡稱，意為正交相移鍵控，是一種數(shù)字調(diào)制方式。19

8、世紀(jì)80年代中期以后,四相絕對移相鍵控(QPSK)技術(shù)以其抗干擾性能強(qiáng)、誤碼性能好、頻譜利 用率高等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于數(shù)字微波通信系統(tǒng)、數(shù)字衛(wèi)星通信系統(tǒng)、寬帶接入、 移動通信及有線電視系統(tǒng)之中。4PSK利用載波的四種不同相位來表示數(shù)字信息，由于每一種載波相位代表 兩個比特信息，因此每個四進(jìn)制碼元可以用兩個二進(jìn)制碼元的組合來表示。下 圖為4PSK的相位矢量圖。(a)模擬調(diào)制方法圖2 2PSK信號的解調(diào)原理框圖51090o00011180參考相位01270圖3 4PSK信號相位$ n矢量圖在表示每個四進(jìn)制碼元的兩個二進(jìn)制碼元中，前一比特用a表示，后一比特用b表示。則雙比特ab與載波相位的關(guān)系入下表所

9、示。表1雙比特ab與載波相位的關(guān)系雙比特碼元載波相位（$n)abA方式B方式0002251090315 1118045 01270135 四進(jìn)制信號可等效為兩個正交載波進(jìn)行雙邊帶調(diào)制所得信號之和。2.2.1 4PSK的調(diào)制原理4PSK的調(diào)制方法有正交調(diào)制方式（雙路二相調(diào)制合成法或直接調(diào)相法） 相位選擇法、插入脈沖法等。本文中采用的是正交調(diào)制方式。下圖是正交調(diào)制 的原理框圖。a6圖4 4PSK正交調(diào)制原理方框圖它可以看成是由兩個載波正交的 2PSK調(diào)制器構(gòu)成的。圖中輸入的基帶信號 是二進(jìn)制不歸零雙極性碼元，它被“串/并變換”電路變成兩路并行碼元a和b, 每個碼元的的持續(xù)時間是輸入碼元的 2倍。然

10、后分別調(diào)制到cos co ct和sin CD ct兩個載波上，兩路相乘器輸出的信號是 相互正交的抑制載波的雙邊帶調(diào)制（DSB信號，其相位與各路碼元的極性有關(guān)， 分別由a和b碼元決定。經(jīng)相加電路后輸出兩路的合成波形，即是4PSK信號。圖中兩個乘法器，其中一個用于產(chǎn)生 0與180兩種相位狀態(tài)，另一個用于產(chǎn)生 90與270兩種相位狀態(tài)，相加后就可以得到45, 135, 225和315四種相位。2.2.2 4PSK的解調(diào)原理4PSK信號是兩個載波正交的2PSK信號的合成。所以，可以仿照2PSK相干 解調(diào)法，用兩個正交的相干載波分別檢測兩個分量 a和b,然后還原成二進(jìn)制 雙比特串行數(shù)字信號。這種方法稱為

11、極性比較法，其原理框圖 5所示。7圖5 4PSK信號解調(diào)器原理方圖判決器是按極性來判決的，即正抽樣值判為1,負(fù)抽樣值判為0。兩路抽樣判決器輸出a、b，經(jīng)并/串變換器就可將并行數(shù)據(jù)恢復(fù)成串行數(shù)據(jù)如表2所示表2抽樣判決器的判決準(zhǔn)則83 PSK在MATLAB的編譯與仿真3.1 MATLAB軟件介紹MATLAB軟件是美國 Math Works 公司的產(chǎn)品， MATLAB是英文Matrix Laboratory（矩陣實驗室）的縮寫。MATLA軟件系列產(chǎn)品是一套高效強(qiáng)大的工程技術(shù)數(shù)值運算和系統(tǒng)仿真軟件， 廣泛應(yīng)用于當(dāng)今的航空航天、汽車制造、半導(dǎo)體制造、電子通信、醫(yī)學(xué)研究、財 經(jīng)研究和高等教育等領(lǐng)域，被譽(yù)為

12、“巨人肩膀上的工具”。研發(fā)人員借助MATLAB 軟件能迅速測試設(shè)想構(gòu)想，綜合評測系統(tǒng)性能，快速設(shè)計更好方案來確保更高技 術(shù)要求。同時MATLA也是國家教委重點提倡的一種計算工具。MATLA的編程非常簡單，它有著比其他任何計算機(jī)高級語言更高的編程效 率、更好的代碼可讀性和移植性，以致被譽(yù)為“第四代”計算機(jī)語言，MATLAB是所有Math Works公司產(chǎn)品的數(shù)值分析和圖形基礎(chǔ)環(huán)境。此外 MATLAB還擁有強(qiáng) 大的2D和3D甚至動態(tài)圖形的繪制功能，這樣用戶可以更直觀、更迅速的進(jìn)行多種 算法的比較，從中找出最好的方案。從通信系統(tǒng)分析與設(shè)計、濾波器設(shè)計、信號處理、小波分析、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)到控 制系統(tǒng)、模糊控

13、制等方面來看，MATLA提供了大量的面向?qū)I(yè)領(lǐng)域的工具箱。 通 過工具箱，以往需要復(fù)雜編程的算法開發(fā)任務(wù)往往只需一個函數(shù)就能實現(xiàn)，而且工具箱是開放的可擴(kuò)展集，用戶可以查看或修改其中的算法，甚至開發(fā)自己的算 法。3.2 MATLAB中工具箱simulink的簡介Simulink是MATLAB最重要的組件之一，它提供一個動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真 和綜合分析的集成環(huán)境。在該環(huán)境中，無需大量書寫程序，而只需要通過簡單 直觀的鼠標(biāo)操作，就可構(gòu)造出復(fù)雜的系統(tǒng)。Simulink具有適應(yīng)面廣、結(jié)構(gòu)和流程清晰及仿真精細(xì)、貼近實際、效率高、靈活等優(yōu)點，并基于以上優(yōu)點simulink 已被廣泛應(yīng)用于控制理論和數(shù)字信號處理

14、的復(fù)雜仿真和設(shè)計。同時有大量的第 三方軟件和硬件可應(yīng)用于或被要求應(yīng)用于 Simulink。Simulink是實現(xiàn)動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和分析的一個軟件包，被廣泛應(yīng)用于線 性系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)、數(shù)字控制及數(shù)字信號處理的建模和仿真中。Simulink可以 用連續(xù)采樣時間、離散采樣時間或兩種混合的采樣時間進(jìn)行建模，它也支持多速率系統(tǒng)，也就是系統(tǒng)中的不同部分具有不同的采樣速率。 為了創(chuàng)建動態(tài)系統(tǒng)模型， Simulink提供了一個建立模型方塊圖的圖形用戶接口（GUI），這個創(chuàng)建過程只需單擊和拖動鼠標(biāo)操作就能完成，它提供了一種更快捷、直接明了的方式，而且用9戶可以立即看到系統(tǒng)的仿真結(jié)果。Simulink的每一個

15、模塊實際上都是一個系統(tǒng)、一個典型的Simulink模塊包括 輸入、狀態(tài)和輸出三個部分：(1)輸入模塊,即信號源模塊，包括常數(shù)信號源、函數(shù)信號發(fā)生器和用戶自定義 信號；(2)狀態(tài)模塊，即被模擬的系統(tǒng)模塊，它是Simulink的中心模塊，是系統(tǒng)建模的 核心和主要部分；(3)輸出模塊，即信號顯示模塊，它能夠以圖形方式、文件格式進(jìn)行顯示，也可以在MATLA的工作空間顯示，輸出模塊主要集中在 Sinks庫目前，MATLA已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于工程設(shè)計的各個領(lǐng)域，如電子、通信等領(lǐng) 域；它已成為國際上最流行的計算機(jī)仿真軟件設(shè)計工具?，F(xiàn)在的MATLA不再僅僅是一個矩陣實驗室，而是一種實用的、功能強(qiáng)大的、不斷更新的高

16、級計算機(jī)編程 語言?，F(xiàn)在從電子通信、自動控制圖形分析處理到航天工業(yè)、汽車工業(yè)，甚至是財務(wù)工程。MATLA都憑借其強(qiáng)大的功能獲得了極大的用武之地。廣大學(xué)生可以使用 MATLA來幫助進(jìn)行信號處理、通信原理、線性系統(tǒng)、自動控制等課程的學(xué)習(xí)；科 研工作者可以使用MATLA進(jìn)行理論研究和算法開發(fā)；工程師可以使用MATLA進(jìn)行 系統(tǒng)級的設(shè)計與仿真。3.3PSK的調(diào)制解調(diào)在MATLA中的編譯與仿真3.3.1 2PSK的調(diào)制的simulink系統(tǒng)框圖2PSK的調(diào)制框圖如下圖所示。圖6 2PSK的調(diào)制框圖10其中Bernoulli Binary Generator是伯努利隨機(jī)信號發(fā)生器，設(shè)置零碼率 為0.5。U

17、nipolar to Bipolar Converter是將單極性碼轉(zhuǎn)化為雙極性碼，其參 數(shù)設(shè)置為：日 Function Block Parameters: Unipohr to Bipolar Co”圖 7 Unipolar to Bipolar Converter信號參數(shù)設(shè)置Sine Wave和Sine Wavel是相位相差n的正弦載波信號。其中0相位的表 示碼元信號1,n相位表示碼元信號0,它們的參數(shù)設(shè)置分別如圖8和圖9所示。圖8 Sin wave信號的參數(shù)設(shè)置11Source Block Parameters： Sine Wavelx圖8 Sin wavel信號的參數(shù)設(shè)置由上面兩個圖可

18、以看出兩個載波是幅度為3,頻率為1Hz,采樣時間為0.002s的反相信號。122PSK調(diào)制各點波形為:圖9 2PSK調(diào)制的各點時間波形133.3.2 2PSK解調(diào)的simulink系統(tǒng)框圖2PSK解調(diào)的系統(tǒng)框圖如下圖所示其中，Sine Wavel與調(diào)制的參數(shù)設(shè)置相一致。AWGChannel為信道中加入 高斯白噪聲，其信噪比的設(shè)置如圖 11所示。Error Rate Calculation 用計算 誤碼率。兩個濾波器分別為帶通濾波器和低通濾波器。Bipolar to Uni polarConverter將雙極性碼轉(zhuǎn)化為單極性碼，與 Unipolar to Bipolar Converter 作用

19、相反，參數(shù)設(shè)置也一致。Sign為符號函數(shù)，是一個抽樣判決器，當(dāng)數(shù)值大 于0是判為1,小于0時判為-1。Function BkxJc Parameters: AWfiN ChannelInitial seed;IMode: Signal to ruoise rartio (Eb/No)Eb/Ko (dB):20Number of bits per symbol:1Input signal paverj referenced to 1 ohn (watt:1圖10 2PSK的解調(diào)框圖14Syhbol period (s):1| QK | Cancel flolpApply圖11 AWGN Channel的參數(shù)設(shè)置當(dāng)信噪比為100時，基帶信號碼元與解調(diào)后的信號碼元如圖12所示，此時