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1、 基于 MATLAB 的 MPSK 性能分析 【摘摘 要要】 通信系统中的数字调制技术是通信与信息系统领域的基础知识，而相移 键控(MPSK)信号是作为常见的数字通信调制信号。目前，它已被广泛应用，不管是在传 统的通信系统，还是移动通信系统或卫星通信系统。这些都是因为它的功率和频谱效率 高的优点。因此对相移键控信号的调制解调原理的掌握有助于加深对调制技术的理解， 并对深入学习新型的调制技术有指导作用。本文首先介绍数字通信系统的组成，然后分 析数字调制系统中的几种基本调制解调方法，主要包括 MPSK 和 MDPSK。最后运用 MATLAB 软件对 MPSK 和 MDPSK 进行仿真和分析，其中主
2、要是通过仿真得到信噪比与误码率之间的 曲线，然后对加性高斯白噪声环境下的性能进行分析，并与理论值相比较。最后，还对 MPSK 与 MDPSK 在实际情况下的误码率进行了比较和分析。 【关键词关键词】 数字调制，MPSK，MDPSK，误码率，信噪比 基于 MATLAB 的 MPSK 性能分析 II MPSK Performance Analysis Based On MATLAB 【Abstract】 Digital modulation technology in communication system is basic knowledge in the field of communica
3、tion and information systems, and phase-shift keying (MPSK) signals are as common digital modulation signals. Due to its high power and spectrum utilization, MPSK have been widely used in traditional communications, mobile communications and satellite communications systems. Grasp of the phase-shift
4、 keying signal modulation and demodulation principle will help to deepen the understanding of modulation techniques, and it play a guiding role in-depth study of a new type of modulation technique. This paper first describes the composition of the digital communication system, and then analyzes seve
5、ral basic digital modulation systems, mainly includes MPSK and MDPSK. At last, using the MATLAB software to simulate and analyze the MPSK and MDPSK. Through the simulation, we get the curve between signal-to-noise ratio and the error rate. Then analyzes the performance under the Gaussian white noise
6、 environment, and compares with the theory. Finally, also has carried on the comparison and the analysis to MPSK and MDPSK in the actual situation error rate. 【Key words】 Digital modulation, MPSK, MDPSK, error rate, signal-to-noise ratio 基于 MATLAB 的 MPSK 性能分析 IV 目 录 第一章 绪论 .1 1.1 课题背景 .1 1.2 调制技术的发展
7、和趋势 .1 1.3 课题研究的意义 .2 1.4 本文内容安排 .3 第二章 数字相位调制 .4 2.1 数字通信系统的组成及说明 .4 2.2 多进制相移键控 .5 2.2.1 2PSK 调制解调 5 2.2.2 4PSK 调制解调 7 2.2.3 8PSK 调制解调 9 2.3 多进制差分相移键控 11 2.3.1 2DPSK 调制解调 12 2.3.2 4DPSK 调制解调 13 2.3.3 8DPSK 调制解调 16 第三章 多进制数字相位调制仿真 18 3.1 蒙特卡洛仿真的简单介绍 18 3.2 多进制数字相位调制性能仿真原理 19 3.3 MPSK 系统仿真方法 .20 3.3
8、.1 部件仿真原理 21 3.3.2 MPSK 仿真流程图 .22 3.4 MDPSK 系统的仿真方法 24 3.4.1 部件仿真原理 25 3.4.2 MDPSK 仿真流程图 26 第四章 仿真结果比较和分析 29 4.1 MPSK 理论误码率与实际误码率的比较 .29 基于 MATLAB 的 MPSK 性能分析 V 4.2 MDPSK 理论误码率与实际误码率的比较 29 4.3 MPSK 和 MDPSK 误码率的比较 .30 第四章 总结 33 参考文献 .34 致 谢 35 基于 MATLAB 的 MPSK 性能分析 1 第一章 绪论 1.1 课题背景 数字通信系统是采用数字信号来传递信
9、息的系统，比模拟通信，更能满足通信技术 在现代社会越来越高的要求，它的特点是：抗干扰能力强；差错可控；容易和各种数字 终端连接，用现代计算技术来对信号进行一些处理，然后加工变换再存储，这样就形成 智能网；易于集成化，这样就能实现通信设备的微型化；容易加密，而且机密强度高。 数字通信的产生虽晚于模拟通信，但其介入我们生活的速度却让人膛目结舌。数字 网络通过编码将我们的任何表达（语音、文字、动作等）变成数字，这些数字在网络信 道上任意流动，到达世界的每一个角落，最后形成了一个虚拟世界，越来越多的人深陷 其中，分不清真实和虚幻；移动数字系统无处不在地联系着我们与他人，许多高楼大厦 甚至高山上稳稳地站
10、着张牙舞爪的天线，那是移动通信的基站，信号由那里辐射到我们 的手机上；数字电视系统为我们提供了一个更清晰的节目；还有军事通信的数字化，城 市交通的数字控制所以，数字通信系统已经在有线电话信道，微波无线电、光纤 信道和卫星信道等各种通信媒介中承担着大量的日常信息传输的任务。正如我们亲眼所 见，当前个人通信系统和超高速通信网络迅猛发展，这些都是基于信息的数字传输，而 无论这些信息是语音、图像还是视频信号。 现在的各种公用和专用通信系统都在追求具有更大的通信容量、更远的通信距离以 及更高的功率效率，尤其是目前广泛应用的移动通信、卫星通信以及航天器的测量、跟 踪与控制等系统中，这方面的需求和要求更加紧
11、迫。由于通信系统的容量与系统所占的 频带和可以利用的频段有着直接的关系，而该频段可以被利用的是不可再生的，并且频 带的资源还是具有一定的限度的，所以一定要寻找具有更高频谱效率的、高效的数字调 制技术，来改善系统的能力1。 1.2 调制技术的发展和趋势 调制技术最初是从模拟信号的调制与解调技术开始发展的，这是因为当时的通信系 统为模拟系统。后来，随着数字通信技术的发展，数字调制技术也得到了迅猛的发展和 基于 MATLAB 的 MPSK 性能分析 2 广泛应用。随着各种各样的通信系统数量的日益增加，为了能更充分地利用有限的频谱 资源，大多数通信研究者比较倾向于研究具有更高频谱效率的数字调制技术2。
12、显然，调 制技术是通信系统中很重要的技术之一，尤其是对数字通信系统来说，数字调制技术更 是关系到系统性能的好坏3。对于数字调制技术的主要要求是：已调制的信号所占的频 带要窄，即已调信号要有更高的频谱效率，而对于已调信号，要方便采用相干或非相干 的方法解调，且调制的信号要具有较强的抗噪声和抗干扰的能力，并适宜衰落信道传输。 一个有相对狭窄频谱的恒定包络调制，它已赢得关注和使用，也得到了快速发展。 另一种获得迅速发展的调制技术是振幅和相位联合调制（QAM）技术，该技术的信息传输 速率较高。由于移动通信、导航控制技术的迅速发展，使得码分多址通信系统发展非常 迅猛，也使得正交频分复用（OFDM）技术获
13、得了新生，并得到极快的发展，该技术可以 克服符号之间的干扰，也大大地提高了系统的容量。 1.3 课题研究的意义 现在的很多数字通信系统都是通过调制方式进行传输信息的。常见的数字调制方式 有：振幅键控 ASK，频移键控 FSK，相移键控 PSK、DPSK、QPSK 等，还有一些新型调制体 制：QAM、MSK、OFDM 等。而在数字通信领域中,相位键控的带宽和功率占用方面都具有优 势，即带宽占用小和比特信噪比要求低，其抗噪声能力比 ASK 和 FSK 都强，且不易受信 道特性变化的影响，因此，MPSK 和 MDPSK 调制方式在高、中速数据传输中得到了广泛的 应用。而相干解调和差分解调作为两种基本
14、解调方式，在各种应用条件下的性能分析也 一度成为人们的研究重点。 现在很多新型数字带通调制技术都有运用到相移键控，比如 QAM（正交振幅调制） ， 它是为了改善在 MPSK 体制中，M 大时的噪声容限而发展出来的。QAM 是一种振幅和相位 联合键控4。在16QAM 信号的产生方法中，就有运用到相移键控，它利用两路独立的4PSK 信号叠加，形成16QAM。还有，OFDM（正交频分复用技术） ，它是一种特殊的多载波传输 方案。因为其不同的子载波之间是相互正交的，所以扩频调制以后的频谱是可以相互重 叠，这样不仅仅减小了子载波之间的相互干扰，而且还很大程度上提高了频谱效率5。 像 OFDM 这么先进的
15、调制技术，在它的每个子载波调制中，也要用到相移键控或者正交幅 度调制。而且，在 CDMA 移动通信中，它的载波调制也是采用4PSK，或者是4PSK 的变化形 式。所以它们都是基于4PSK，或者说都是基于2PSK，因为它们的调制与解调最终都可以 基于 MATLAB 的 MPSK 性能分析 3 化为不同 BPSK 调制、解调的组合。由此可见，研究 M 进制相移键控调制技术在实际中具 有很重要的意义。 1.4 本文内容安排 第一章绪论，简单介绍所选课题的背景，还有课题研究的意义以及数字调制技术的 发展与趋势。 第二章数字相位调制，首先介绍数字通信系统的组成以及对其模型的说明，进而介 绍多进制数字相位
16、调制，其中主要包括 2PSK，4PSK，8PSK，2DPSK，4DPSK，8DPSK 的调 制解调相关原理。 第三章多进制数字相位调制仿真，首先介绍蒙特卡洛仿真的原理，然后给出 MPSK 和 MDPSK 性能仿真的原理和方法，最后对 MPSK 和 MDPSK 系统进行蒙特卡洛仿真。 第四章仿真结果比较和分析，通过仿真得到 MPSK 和 MDPSK 的误码率曲线，然后对这 两种调制方式的误码率性能进行比较。 第五章对本文进行总结。 基于 MATLAB 的 MPSK 性能分析 4 第二章 数字相位调制 2.1 数字通信系统的组成及说明 数字通信系统，它是利用数字信号进行传递信息的系统6，如图 1-1 所示。 图 2-1 数字通信系统模型 由于在数字通信系统中传输的是数字信号，但在实际中，信息源给出的一般都是模 拟信号，所以需要在发送端添加一个信源编码器，用来把模拟信号转换成数字信号，这 样就可以完成模拟信号向数字化的传输。相应的，在接收端就需要加一个信源解码器， 用来把数字信息变换成原来的模拟信号。而有些场合对信息的机密性要求非常高
