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8PSK调制与解调系统的MATLAB实现

及性能分析

学生姓名： 指导老师：

摘要：8PSK是一种常用于卫星通信的高带宽效率的多相位键控调制解调技术。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。研究了实际应用时不同类型和参数的滤波器对系统性能的影响，针对8PSK的特点，采用了存储波形累加求和法来代替一般的滤波成形，提高了调制速度，利用其相位对称的特点将波形存储表压缩为原容量的1 / 4，有效地节约了存储空间。

关键词： MATLAB7.1 ；Simulink仿真平台；8PSK调制解调；

1 引言

1.1 8PSK 简介

8PSK (8 Phase Shift Keying 8移相键控) 是一种相位调制算法。 相位调制（调相）是频率调制（调频）的一种演变，载波的相位被调整用于把数字信息的比特编码到每一词相位改变（相移）。

\中的\表示使用移相键控方式，移相键控是调相的一种形式，用于表达一系列离散的状态，8PSK对应8种状态的PSK。如果是其一 半的状态，即4种，则为QPSK，如果是其2倍的状态，则为16PSK。因为8PSK拥有8种状态，所以8PSK每个符号(symbol)可以编码3个比特(bits)。8PSK抗链路恶化的能力（抗噪能力）不如QPSK，但提供了更高的数据吞吐容量。

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1.2 8PSK的特点

(1) 传输效率高。码元速率相同时，信息速率比二进制高。

(2) 抗衰落能力差。8PSK信号只宜在恒参信道(如有线信道)中使用。 (3) 在接收机输入平均信噪比相等的情况下，8PSK系统的误码率比2PSK系统要高。

1.3课程设计的目的

通过本课程的学习我们不仅能加深理解和巩固理论课上所学的有关 PcM编码和解码的基本概念、基本理论和基本方法，而且能锻炼我们分析问题和解决问题的能力；同时对我们进行良好的独立工作习惯和科学素质的培养，为今后参加科学工作打下良好的基础。

1.4课程设计的内容

利用MATLAB集成环境下的Simulink仿真平台,设计一个8PSK调制与解调系统.用示波器观察调制前后的信号波形;用频谱分析模块观察调制前后信号频谱的变化;加上各种噪声源,用误码测试模块测量误码率;最后根据运行结果和波形来分析该系统性能。

1.5课程设计的要求

1）熟悉MATLAB环境下的Simulink仿真平台，熟悉8PSK系统的调制解调原理，构建QPSK调制解调电路图.

2）用示波器观察调制前后的信号波形，用频谱分析模块观察调制前后信号的频谱的变化。并观察解调前后频谱有何变化以加深对该信号调制解调原理的理解。

3）在调制与解调电路间加上各种噪声源，用误码测试模块测量误码率,并给出仿真波形，改变信噪比并比较解调后波形，分析噪声对系统造成的影响。 4）在老师的指导下，要求独立完成课程设计的全部内容，并按要求编写课程设计学年论文，能正确阐述和分析设计和实验结果。

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2 设计原理

2.1 MPSK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-sinω0tΣ

g(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。

2.2 8PSK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2.1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，

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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2.1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|）。

A 2/4电平变换 ak I(t) cosω0t 二进制 串/并 变换 倒相 c 移相π/2 sinω0t bk 2/4电平变换 Q（t） 8PSK 信息序列 ∑ B 图2.1 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2.2所示

图2.2 位信息比特到8PSK符号的映射关系图

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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2.3所示

输入数据 串并变换 相位编码 形成滤波 信道 匹配滤波 抽样相位判 决 相位解码 并串编码 恢复数据流

图2.3 8PSK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.

3 模块设计与仿真图形分析

3.1 8PSK的调制解调基本原理图

熟悉SIMULInK的调制与解调原理，初步设置了8PSK基本原理图，由数字源随机整数产生器（Random Integer Generator）输出具有均匀分布的随机整数。此时通过了一个转换器，形成了基带信号与调制信号的波形比较，以计算延迟，同时观察调制与解调的星座图。

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图3.22 Display 的参数设置

图3.23 carrier Phase Estimate 的参数设置

图3.24 Delay Estimate 的参数设置

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图3.25 Selector 的参数设置

图3.26 Goto 的参数设置

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图3.27 From 的参数设置

图3.28 Discrete-Time Eye Diagram Scope 的参数设置

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图3.29 Discrete-Time Scatter Plot Scope 的参数设置

将调制和解调端引出离散时间发散图，得出以下图形：

图3.30 调制端形成滤波后的信号的离散时间发散图

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图3.31 解调端匹配滤波信号后的离散时间发散图

图3.32 基带信号的眼图

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图3.33 解调信号的眼图

图3.34 无噪声的8PSK的误码率

通过调制眼图和解调眼图以及误码率我们可以看出，眼图是一样的，误码率为0。这个调制解调的性能良好。

3.3 8PSK的有噪声调制解调

和基本的调制解调相比，此电路图上多了高斯噪声模块（Gaussian noise Generator），一个离散时间发散图（Discrete-Time Scatter Plot Scope）以观察被噪声影响后的离散时间发散图。

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图3.35 加高斯噪声的原理图

图3.36 高斯噪声的参数设置

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图3.37 基带信号的参数设置

图3.38 调制器的参数设置

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图3.39 解调器的参数设置

图3.40 加高斯噪声的误码率

加入高斯噪声后，误码率就出现了。

以下是加入高斯噪声后的离散时间发散图，可以看出，高斯噪声对信道的影响。

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图3.41 加高斯噪声的离散时间发散图

图3.42 加高斯噪声的调制端眼图

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图3.43 加高斯噪声解调端的眼图

从眼图的比较可以看出，高斯噪声对解调后的信号有一定的影响，但是信号的大体图形没有变化。

图3.44 加高斯噪声的基带信与解调信号的波形比较

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从波形图可以看出，这种8PSK的调制解调的方法只有误码率，没有延迟，因此延迟比较器的设置如下：

图3.45 延迟比较器的参数设置

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4 结束语

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。后来老师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

再接下来就是如何正确的调制了，由于没有波形，我一直没能正确的算出延时，导致误码率的居高不下，后来经老师提点，知道了，其实可以将多进制进行转换，转换为二进制的方式在示波器上显示，于是，我使用了一个转换器，成功的显示了多进制的波形。

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，以后我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，幸亏老师一次次的细心指导，才能完成此次设计，今后一定加强学习。

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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，机器工业出版社，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