-
基于
Simulink
的
PSK
传输系统仿真
摘要:
随
着低成本微控制器的涌现还有民用移动电话和卫星通信的引入,
数字调制技术的使
用日益增加。
由于相位调制能更好的的抑制噪声,
因此成为了目前大多数通讯设备的首选方
案。本论文首先对通信技术进行了概述,对
基于
Simulink
的
PSK
传输系统仿真的原理和关
键技术进行了详细介绍,
并且指出了
PSK
传输系统仿真的主要内容和方法。
最后使用
MATLAB
集成环境下的
Simulink
仿真平台
,
< br>设计出
2PSK
、
2DPSK<
/p>
、
QPSK
、
OQPSK
、
16PSK
和
16QAM
调
制对比系统,
并通过对
2PSK
和
2DPSK
p>
、
QPSK
和
OQ
PSK
、
16PSK
和
16QAM
调制系统的性能分别
进行对比,分析得出不
同调制方式的性能差异。
关键字:
P
SK
调制;
QAM
调制;
Simulink
;性能分析
Simulation of PSK transmission system
based on
Simulink
Abstract
:
With
the
emergence
of
low-cost
microcontrollers,
as
well
as
the
introduction
of
civilian
cell
phones
and
satellite
communications,
digital
modulation
techniques will become increasingly popular. Can
suppress noise phase
modulation,
thus
becoming
the
most
preferred
programme
for
communications
equipment.
Firstly,
an
overview
of
ICT,
the
PSK
transmission
system
based
on
Simulink
simulation
theory and key
techniques are described in detail and pointed out
that the main
contents
of
a
PSK
transmission
system
simulation
and
methods.
Using
MATLAB
Simulink
simulation
platform
of
integrated
environment,
design
2PSK,
2DPSK,
QPSK,
OQPSK
and
16QAM,
16PSK
modulation
contrast
systems,
and
through
the
2PSK
and
2DPSK,
QPSK
and
OQPSK, 16QAM and 16PSK
modulation system carried to the performance
comparison
analysis of performance
difference of different modulation
modes.
Key words
:
Modulation
;
Simuli
nk
;
Performance
1
绪论
1.1
通信发展简史
1.1.1
通信的概念
从广义上讲,
通信就是将信息从一个地方传递到另一个地方。
实现通信的方
式很多,古代的烽火台,鸣金击鼓,现在的信函、电报、电话、传真、电视等,
均属于通信的范畴。
邮政通信和电通信的主要区别在于邮政通信传递的是实物信
息,
而电通信传递的是电信号,
随着现代科学
技术的发展,
人们对传送信息的要
求越来越高,在各种各样的通
信方式中,电通信的使用越来越广泛。这是因为,
电通信能使信息在几乎任意的通信距离
上实现迅速而可靠的传送。
消息是信息源所产生的,是信息的
物理表现,例如,语音、文字、数据、图
形和图像等都是消息
(
Message)
。消息有模拟消息(如语音、图像等)以及数字
消息
(如数据、
文字等)
之分。
p>
所有消息必须在转换成电信号
(通常简称为信号)
< br>后才能在通信系统中传输。所以,信号(
Signal
)
是传输消息的手段,信号是消
息的物质载体。
相应的信号可分为模拟信号和数字信号,
模拟信号的自变量可以是连续的或
p>
离散的,但幅度是连续的,如电话机、电视摄像机输出的信号就是模拟信号。数
字信号的自变量可以是连续的或离散的,
但幅度是离散的,
< br>如电船传机、
计算机
等各种数字终端设备输出的信号就是
数字信号。
通信的目的是传递消息,
但对受信者有用的是消息中包含的有效内容,
也即
信息
(Information)
。消息是具体的、表面的,而信息是抽象
的、本质的,且消
息中包含的信息的多少可以用信息量来度量。
通信技术,
特别是数字通信技术近年来发展非常迅速,
它的应用越来越广泛。
通信从本质上来讲就是实现信息传递功能的一门科
学技术,
它要将大量有用的信
息无失真,
高效率地进行传输,
同时还要在传输过程中将无用信息和有害信息抑
< br>制掉。当今的通信不仅要有效地传递信息,而且还有储存、处理、采集及显示等
功
能,通信已成为信息科学技术的一个重要组成部分。
通信系统
就是传递信息所需要的一切技术设备和传输媒质的总和,
包括信息
源、
发送设备、
信道、接收设备和信宿
(
受
信者
)
,
它的一般模型如图
1-1
所示。
p>
图
1-1
通信系统一般模型
通信系统可分为数字通信系统和模拟通信系统。
数字
通信系统是利用数字信
号来传递消息的通信系统,其模型如图
1
-2
所示。
图
1-2
数字通信系统模型
模拟通信系统是利
用模拟信号来传递消息的通信系统,
其模型如图
1-3
所示
。
图
1-3
模拟通信系统模型
数字通信系统较模
拟通信系统而言,
具有抗干扰能力强、
便于加密、
易于实
现集成化、
便于与计算机连接等优点。
因而,
数字通信更能适应对通信技术的越
来越
高的要求。
近二十年来,
数字通信发展十分迅速,
在整个通信领域中所占比
重日益增长,在大多数通信系统中已代替模拟通信,
成为当代通信系统的主流。
1.1.2
通信的发展过程
移动通信自产生到现
在的历时并不长,
但是它的发展速度却大大的超过了人
们的预想
。
特别是近十多年,
在微电子技术、
计
算机和软件工程的发展的基础上,
移动通信设备在质量、便捷度和可靠度等方面的发展都突飞猛进。
从移动通信的发展历程来看,当代移动通信可以划分为四个阶段:
(
1
)第一代移动通信是以模拟调频、频分多址为主体
的技术,包括以蜂窝
网系统为代表的公用移动通信系统、
以集群
系统为代表的专用移动通信系统还有
无绳电话。主要以为用户提供模拟话音业务为目的。
(
2
)第二
代移动通信是以数字传输、时分多址或码分多址为主体的技术,
一般称为数字移动通信,
包括数字蜂窝系统、
数字无绳电话系统和数字集群系统
等。主要以向用户提供数字话音业务和低速数据业务为目的。
(
3
)第三代(
3G<
/p>
)移动通信是以
CDMA
为主体的技术,
达到了向用户提供
2Mb/s
到
10M
b/s
的多媒体业务的程度。
(
p>
4
)超(后)三代(
B3G
)或第四代(
4G
)移动通信的研究和开发,主要
p>
采用
OFDM
和多天线等技术,可以达到像
用户提供
100Mb/s
甚至
1Gb/
s
的数据
速率的水平。
随着现代电子技术的发展,通信技术正向着数字化、综合化、融合化、宽带
化
、
智能化和个人化的方向发展。
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。
1.2
调制技术的现状和发展趋势
传统的本
地通讯借助于电线传输,
因为这既省钱又可保证信息可靠传送。
而
长途通讯则需要通过无线电波传送信息。
从系统硬件设备方面
考虑这很方便省事,
但是从传送信息的准确性考虑,
却导致了信
息传送不确定性增加,
而且由于常常
需要借助于大功率传送设备
来克服因气象条件、
高大建筑物以及其他各种各样的
电磁干扰。
各种不同类型的调制方式能够根据系统造价、
接收信号品质要求
提供
各种不同的解决方案,
但是直到不久以前它们大部分还是属
于模拟调制范畴,
频
率调制和相位调制噪声小,
而幅度调制解调结构要简单的多。
如今由于低成本微
控
制器的出现以及民用移动电话和卫星通信的引入,
数字调制技术日益普及。
数
字式调制具有采用微处理器的模拟调制方式的所有优点,
< br>通讯链路中的任何不足
均可借助于软件根除,
它不仅可实
现信息加密,
而且通过误差校准技术,
使接收
< br>
到的数据更加可靠,
p>
另外借助于
DSP
,
还可减小分配给每个用户设备的有限带宽,
频率利用率得以提高。
如同模拟调制,
数字调制也可分为频率调制、
相位调制和<
/p>
幅度调制,性能各有千秋。由于频率、相位调制对噪声抑制更好,因此成为当今
大多数通讯设备的首选方案。
1.3
本课题主要研究内容
本文主要研究基
于
Simulink
的
PSK
传输系统仿真。
文章首先对通信技术进行
了概述
,
对基于
Simulink
的
PSK
传输系统仿真的原理和关键技术进行了详细介绍,
并且指出了
PSK
传输系统仿真的主要内容和方法,<
/p>
最后利用
MATLAB
集成环境下
的
Simulink
仿真平台
,
设计
2PSK
、
2DPSK
、
QPSK
、
OQPSK
、
16QAM
和
16PSK
系统,
并对<
/p>
2PSK
和
2DPSK
< br>、
QPSK
和
OQPSK
、
16QAM
和
16
PSK
系统性能进行对比。通
过
Sim
ulink
的仿真功能摸拟到了实际中的
PSK
调制与解调情况。
2
移动通信调制技术
2.1
调制解调概述
调制是将各种基带信号
转换成适于信道传输的调制信号
(
已调信号或频带信
号
)
,就是用基带信号去控制载波信号的某个或几
个参量的变化,将信息荷载在
其上形成已调信号传输,
而解调是
调制的反过程,
通过具体的方法从已调信号的
参量变化中将恢复
原始的基带信号。
图
2-1
为调制与解调的过程示意图。数字调制和数字解调统称为数字调制。
图
2-1
调制与解调过程示意图
调制技术分为
模拟调制技术与数字调制技术,
其主要区别是:
模拟调制是对<
/p>
载波信号的某些参量进行连续调制,在接收端对载波信号的调制参量连续估值,
而数字调制是用载波信号的某些离散状态来表征所传送信息,
在接收端只对
载波
信号的离散调制参量进行检测。与模拟调制系统中的调幅、调频和调相相对应,
p>
数字调制系统中也有幅度键控
(ASK)
、
移频键控
(FSK)
和移相键控
(PS
K)
三种方式,
其中移相键控调制方式具有抗噪声能力强、
p>
占用频带窄的特点,
在数字化设备中
应用广
泛,
具体的数字调制方式有
2ASK
、
2PSK
、
2FSK
< br>、
QAM
、
QPSK
、
MSK
、
GSMK
p>
等。
图
2-2
为三种数字调制的波形图。
图
2-2 2AS
K
、
2FSK
、及
2PSK
波形图
数字调制的优点
是抗干扰能力强,
中继时噪声及色散的影响不积累,
因此可
p>
实现长距离传输。
在现在文明高速发展的今天,
人们越来越离不开数字信息,
数
字通信也越来越重要,因此
数字调制解调技术越来越被广泛应用。
由于信道资源的紧张与
人们越来越希望更快的通信速度与更好通信质量的
要求的矛盾,
将来必然还要寻找更加好的调制技术,
它要求功率效率高,
频带
利
用率高,并且易于实现,节能低碳,环保。激光调制通信、卫星通信、非恒包络
调制等都是研究方向。
数字调制解调的发展,
必定会有力地推进通信、
数字技术
等各个领域的进步。
[1]
2.2
相移键控(
< br>PSK
)调制
设输入比特率为
,
,
,则
PS
K
的信号形式为
(
2-1
)
还可以表示为
(
2-2
)
即当输入为“
+1
”时,对应的信号附
加相位为“
0
”
;当输入为“
-1
”时,对应的
附加相位为“
π
”
。
设是宽度为的矩形脉冲,其频谱为
,则
PSK
信号的功率谱为(假设“
+
1
”和
“
-1
”是等概率出现)
(
2-3
)
PSK
可以采用相干解调法和差分相干解调法,如图
2-3
所示。
如输入噪
声为窄带高斯噪声(均值为
0
,方差为)
,则在输入序列“
+1
”和
“
-1
”等概出现的条件下,相干解调后的误比特率为
< br>
(
2-4
)
式中,
,
a
为
接收信号幅度。
在同条件下,差分相干解调法的误比特率为
(
2-5
)
式中,
。
通
过比较可以发现,在相同的误比特率情况下,
PSK
所需要的信
噪比
r
要比
FSK
小
3dB
,即
PSK
的性能比
FSK
好。
图
2-3
PSK
的解调框图
(
a
)相干解调;
(
b
)差分相干解调
2.2.1
二进制绝对相位调制(
2PSK
)
2PSK
信号波形图如图
2-4
所示。
图
2-4
2PSK
信号波形图
2PSK
调制方法主要有两种:模拟调相法和键控法(相位选择法)
。
模拟调相法原理方框图如图
2-5
所示,
极性变器将输入的二进制单极性码转
换成双
极性不归零码,然后与载波直接相乘,以实现
2PSK
p>
图
2-5
模拟调相法
键控法原理方框图如图
2-6
所示
,用数字基带信号控制开关电路,以选择不
同相位的载波输出。此时通常是单极性的,当
=0
时,输出;当
=1
时,输出。
图
2-6
键
控法
2PSK
信号的解调方法是相干
解调法。由于
PSK
信号本身就是利用相位传递
信息的,所以在接收端必须利用信号的相位信息来解调信号。图
2-7
中给出了一
种
2PSK
信号相干接收设备的原理框图。图中经过带通滤波的信号在相乘器中与
本地载波相乘,<
/p>
然后用低通滤波器滤除高频分量,
在进行抽样判决。
判决器是按
极性来判决
的。即正抽样值判为
1
,负抽样值判为
0
。
2PSK
信号相干解调各点时间波形如图
2-8
所示。
当恢复的相干载波产生
180
°
倒相时
,
解调出的数字基带信号将与发送的数字基带信号正
好是相反
,
解调器输出
数字基带信号全
部出错。
这种现象通常称为
倒
π
现象。由于在
p>
2PSK
信号的载波恢复过程中存在着
18
0
°的相位模糊
,
所以
2PSK
信号的相干解调存在随机的
< br>倒
π
现象
,
从而使得
2PSK
方式在实际中很
少采用。
2PSK
信号的解调原理方
框图如图
2-7
所示。
图
2-7
2PSK
信号的解调原理框图
2PS
K
信号相干解调各点时间波形如图
2-8
所示。
图
2-8
2PSK
信号相干解调各点时间波形
2.2.2
二进制相对相位调制(
2
DPSK
)
如果采用绝对移相方式,
由于发送端是以某一个相位作基准的,
因而在接收
系统中也必须有这样一个固定基准相位作参考。如果这个参考相位发生变化(
0
相位变
相位或
相位变
0
相位)
,则恢复的数字信息就会由
0
变为
1
或由
1
变为
0
,从而造成错误。这种现象常
称为
2PSK
方式的“倒
”现象或“反向工作”现
象。为此实际中一般采用一种所谓的差分移相键
控(
2DPSK
)方式。
2DPSK<
/p>
方式
是利用前后相邻码元的相对载波相位值去表示数字信息的一种
方式。
例如,
假设
相位值用相位偏移表
示(定义为本码元初相与前一码元初相之差)
,设编码结果
如图
2-8
所示。这样就避免
2PSK
p>
中的倒
π
现象。产生
2DPSK
信号时,先将输入
的绝对码转换成相对码,
然后再用相对码用二进制绝对移相方式对载波进行调相。
图
2-8
相
对移相示例
2DPSK
方式是用前后
相邻码元的载波相对相位变化来表示数字信息。
即本码
元初相与
前一码元初相之差。假设前后相邻码元的载波相位差为△
φ
,可
定义一
种数字信息与△
φ
之间的关系为
?
0
,
p>
?
?
?
?
?
?
,
表示数字信息“
0
”
表示数字信息“
< br>1
”
(
2-6
)
众所周知
2PSK
调制是将传输的数字
码元“
1
”用初始相位为
180
°的正弦波
表示,而数字码元“
0
”用初始相位为
0
°的正弦波表示。若设
s
(
t
)是传输数
p>
字码元的绝对码,则
2PSK
已调信号在任
一个码元时间
t
内的表达式为
s
?
t
?
?
A
sin
?
?
ct
?
a
?
t
?
?
< br>,
a
?
t
?
?
1
或
0
(
2-7
)
若将传输数字码元的绝对码
a
(
t
)先进行差分编码得相对码
b
(
t
)
,其差
分编译码为
< br>b
?
t
?
?
a
?
t
?
?
b
?
t
p>
?
T
?
(
2-8
)
差分译码为
a
?
t
p>
?
?
b
?
t
?
?
b
?
t
?
T
< br>?
(
2-9
)
再将相对码进行
2PSK
调制,则所得
到的即是
2DPSK
已调信号,其在任一码
元时间
t
内的表达式为
s
?
t
?
?
A
sin
?
?
ct
?
b
?
t
?
?
?
,
b
?
t
?
?
1
或<
/p>
0
(
2-10
)
差分编码移相
2DPSK
在数字通信系
统中是一种重要的调制方式,其抗噪性
能和信道频带利用率均优于移幅键控
(ASK)
和移频键控
(FSK)
< br>,因而在实际的数据
传输系统中得到广泛的应用。
2DP
SK
调制解调系统的原理框图如图
2-9
所示。
图
2-9
2DPSK
调制解调系统原理框图
(
a
)
(
b
)
图
2-10 2DPSK
的调制方框图
(
a
)键控法;
(
b
)模拟调相法
2DPSK
调
制原理是指载波的相位受数字信号的控制而改变,通常用相位
0
°
来表示“
1
”
,而用
180
°来表示“
0
”
。差分移相键控
2DPSK
< br>信号的参考相位不是
未调波的相位,
而是相邻的前一位码
元的载波相位。
2DPSK
信号的产生只需要在
2PSK
调制前加一套相
对码变换电路就可以实现,
2DPSK
的调制方框图如图
p>
2-10
所示。
实际中接收到的
2DPSK
信号在经
过带通滤波后,由于码元跳变处的高频分
量被过滤掉,滤波后的
2DPSK
信号波形分为稳定区和过渡区,码元中间部分是
稳定
区,
前、
后部分为过渡区。
稳定区内的
信号基本无损失,
波形近似为正弦波,
而过渡区内的波形则不是
正弦波,
并且幅度明显降低。
调制信息基本上只存在于
码元稳定区。从上述分析出发,可以得到基于
DFT
的数字解调方案。
对每个码元稳定区内的采样点按照式(
2-11
)做
DFT
1
I
?
N
?
x
k
?
1
N
k
cos
2
?
k
/
n<
/p>
1
Q
?
N
?
x
k
?
1
N
k
sin
2
?
k
/
n
(
2-11
)
其中,
n
代表每个载波周期的采样点个
数,
N
代表做
DFT
< br>时使用的稳定区内
的采样点个数
(
通常取多个载波整周期
)
。然后,提取出前后码元的相位跳变
信息
?
Q
/
I
?
,
并根据
Q
和
I
的正负
情况确定
?
T
的
?
T
来进行解调判决:计算
?
?
arctan
取值范围。把本码元的相位记
为
?
b
,前一码元的相位记为
?
a
,则
?
T
?
?
b
?
?
a
?
?
d
?
2
?
mod
?
(
2-12
)
其中
?
d
是进
行了位同步点调整时附加的相位。
可见,
在每个码元周期只需要计算一次相位值即本码元的相位,
然后相减得
到跳变相位,
就可以依据判决条件恢复原始数据,
而不
需要像文献中所提到的对
每个码元要随着窗函数的移动多次计算谱值,
< br>因而大大减轻了计算量,
非常适合
于软件无线电的数字化
实时解调。
当调频信号不包括载波分量时,
< br>必须采用相干解调,
2DPSK
的解调可采用两
种方法。
其一是极性比较法,
然后再用码变换器
变为绝对码。
另外还有一种实用
的方法叫做差分相干解调法,二
者的原理框图分别如图
2-11
、图
2
-12
所示。
(
1
)相干解调
信号可以采用相干
解调方式
(
极性比较法
)
,
其原理框图如图
2-11
所示。
其解
调原理是:对
2DPSK
信号进行相干解调,恢复出相对码,再通过码反变换器变
换为绝对码,
从而恢复出发送的二进
制数字信息。
在解调过程中,
若相干载波产
生
180
°相位模糊,解调出的相对码将产生倒置现象,但
是经过码反变换器后,
输出的绝对码不会发生任何倒置现象,从而解决了载波相位模糊度
的问题。
图
2-11
极性比较法解调
图
2-12
差分相干解调法
< br>
(
2
)差分相干解调
2DPSK
信号也可以采用差分相干解调方式
(
相位比较法
)
,其原理框图如图
2-12
所示。其解调原理是:
直接比较前、
后码元的相位差,从而恢复发送的二进
制数字信息。
由于解调的同时完成了码反变换作用,
故解调器
中不需要码反变换
器。
由于差分相干解调方式不需要专门的相干
载波,
因此是一种非相干解调方法。
2.2.3
十六进制据对相移键控(
16PSK
)
图
2-13 4
位比特信息到
16RSK
符号的映射关系
< br>16PSK
(绝对相移键控)是用载波的
16
种不同相位表示不同的数字信息。
16PSK
调制的
16
个
矢量端点均匀分布在圆上,其数学表达式包括同相分量和正
交分量两部分。
16PSK
是将输入的二进制信号序列经过串并转换每次将一个
4
位
的码元映射为一个符号的相位,因此符号速率为
比特率的
1
/
4
。不同的码元和对
应的相位映射如图
2-13
所示。
2.3
四相相移键
控(
QPSK
)调制和交错四相相移键控(
OQPSK
)调制
OQPSK<
/p>
和
QPSK
的产生原理如图
2-14
所示。
图
2-14
QPSK
和
OQPSk
信号的产生原
理图
(
a
)
QPSK
的产生原理;
(
b
)
OQPSK
的产生原理
假设输入二进制序列为,
=±1
,则在
的区间内,
QPSK
的产生器的输出为(令
< br>n=2k+1
)
(2-13)
式中,
=±
π
/
4
,
±3
π
/
4
。它的
相位星座图如图
2-15
(
a
)所示。实际中,也可以
产生
=0
,
±
π
/2
,
π
的
QPSK
信号,
即将图
2-15
(<
/p>
a
)
的星座旋转
45
°。
对比式
(
2-1
)
和式(
2-13
)
,可以看出,在
QPSK
的码元速率()与
PSK
信号的比特速率相等的
状况下,
QPSK
信号是两个
PSK
信号的和,所以它具有和
PSK
信号相同的频谱特
征和误比特率性能。
< br>由图
2-14
(
b
)可以知道,
OQPSK
调制跟
QPSK
调制类似,不同的是在正交
之路引入了一个比特的时延,
这使两
个之路的数据不会同时发生变化,
因此不可
能像
QPSK
那样产生
±
π
的相位跳变,而仅能够产生
±
π
/2
的相位跳变,如图
2-15
(
b
)所示。所以,
OQPSK<
/p>
频谱旁瓣要低于
QPSK
的旁瓣。
[2]
图
2-15 QPSK
和
OQPSk
的星座图和相位转移图
(
a
)
QPSK
;
(
b
)
< br>OQPSK
2.3.1
QPSK
信号波形
正交相移键控(<
/p>
QPSK
)就是四进制绝对相位调制
4P
SK
,就是用四进制数字
信息去控制载波的相位,使得载波相位
改变一个值△
φ
n
需要有四种取值和它
对比。
通常有两种△
φ
n
等间隔选择方案,一种称为
π
/2
< br>型,另一种称为
π
/4
型,可以
使得平均误
码率尽可能减小。如图
2-16
(
a
)所示。
图
2-16
四进制相位调制相位匹配图
四种信息
码元和四种相位值之间的对应关系很多,
要求相邻两个相位值代表
的数字信息之中只有一位不相同。
这么做是为了降低系统的平均误比特率,
因为
当受到噪声等干扰影响的时候,
一个相位值很
容易错判成其相邻相位值。
一种常
用的相位配置如图
2-16
(
b
)所示。<
/p>
QPSK
波形如图
2-17
所示。
图
2-17
QPSK
波形
2.3.2
QPSK
波形的产生
QPSK
调制器的任务就是产生给定信息时的
QPSK
信号,
通常有两种实现方法:
相位选择法和正交法。
相位选择法的框图如图
2-18
所示。
图
2-18
相位选择法
QPSK
调制器
< br>
正交法的框图如图
2-19
所示。
图
2-19
正交法
< br>QPSK
调制器
因为
QPSK
是由两路
2PSK
信号相加得到的,又因为两路
2PSK
信号是相互独
立的,所以
QPSK
的功率谱等于上、下两路
2PSK
功率谱的叠加。
“
1
”
、
“
0
”等概
率时的
QPSK
p>
功率谱如图
2-20
所示。
频带利用率可以有两种定义,
一种定义为单位频带内
的码元速率,
但为了对
不同进制调制方式的频带利用率进行对比
,
通常定义为单位频带内的信息传输速
率。
图
2-20
QPSK
信号的频谱率
2.3.3
QPSK
信号的解调
QPSK
的解调过程是图
2-19
所示的反过程,
p>
框图如图
2-21
所示。
< br>收到的
QPSK
信号分别送入上、
下两个支路,
与载波相乘后,
再经低通滤波和取样判决恢复出
信息,上、下支路的信息最后经并
/
串
变换输出。
图
2-21
QPSK
解调器框图
2.3.4 <
/p>
偏移正交相移键控(
OQPSK
)
偏移正交相移键控或者交错正交相移键控,记做
OQPSK
,是
QPSK
的一种改
进形式。
OQPSK
正交调制器框图如
图
2-22
所示。
< br>OQPSK
调制器产生信号的过程是:每当串
/
并变换器收到二进制码元时,就
交替送给上、下支路,上、下支路信息经
单
/
双极性变换后对两个正交的载波进
行调制,得到两个
2PSK
信号,这两个信号再相减就可以得到
OQPSK
调制信号
图
2-22
OQPSK
正交调制器简化图
图
2-22
和图
2-19
在形式上完全一致,不同的是串
< br>/
并变换器的工作。
QPSK
的
串
/
并转换器每收到一个比特就轮流向上支路或者下支路输出,
即“交替”向
上、下支路输出信息,它的工作原理如图
2-23
所示。
图
2-23 OQPSk
调制器中串<
/p>
/
并变换器的工作原理
与
QPSK
信号的产生一样,
OQPSK
信号也可以通过采用相位选择法产生。用
相位选择法
产生
OQPSK
信号的原理图也和
QP
SK
相位选择法原理图一致,
唯一不
同
的是串
/
并变换器“交替”向上、下两个支路输出信息。
OQPSK
信号的解调可采用和
QPSK
信号解调相似的方法,
解调框图如图
p>
2-24
所示。
图
2-24
OQPSk
解调器框图
OQPSK<
/p>
与
QPSK
的解调相比,只有两点不同:
(
1
)上、
下两支路的取样判决时刻相隔一个比特宽度
T
b
。由于调制前上、
下两个支路的基带信号是相互交错的,错位一个比特宽度
p>
T
b
。
(
2
)并
/
串转换器交替地从上、下两个支路接收码元并输出。解调器中的并
/
串转换器的工作原理正好与调制器中的串
/
并
变换器的工作相反。
因为
OQPSK
调制器中串
/
并变换器交替地向上、<
/p>
下支路送出信息,
使得
OQPSK
相邻的两码元不可能出现
“
11
”
与
“
00
”
或者
“
01
”
与
“
10
< br>”
之间的变化,
所以,
相应的<
/p>
OQPSK
信号相邻码元间相位的突跳值只有
0
°、
±
90
°三种。
然而,
QPSK
信号相邻
码元载波相位的最大跳变值为±
180
°。所以,即使
OQPSK
和
QPSK
的
理论功率是一样的,
但经过带限非线性信道传输后,
OQPSK
信号的功率谱旁瓣比
QPSK
的低,从而引起的带外辐射
较小。
2.4
正交振幅调制(
p>
QAM
)
正交振
幅调制,记做
QAM
,就是用两个独立的基带波形,对两个相互
正交
的同频载波进行抑制载波的双边带调制后相加,
合成一路信
号的调制方式。
QAM
的调制框图如图
2-25
所示。图
2-25
中,
M=L
?,且
L=2
n
(
n
为正整数)
。
图
2-25 M
进制
< br>QAM
调制器
2.4.1
16QAM
信号的产生
16QAM<
/p>
是
M=16
的系统。
根据
M=2
L
的关系式,
可以得到电平变换器中的
L=4
。
16QAM
的调制器框图如图
2-26
所示。
图
2-26
16QAM
调制器原理框图
串
/
并变换器将接收的速率的二进制序列分配到上、下两个支路,每支路
的
比特速率为
R
b
/2
。
2-4
电平变换器是一个四
电平双极性基带信号产生器,它的输
入
/
输出波形图如图
2-27
所示。
图
2-27 2-4
电平变换器输入<
/p>
/
输出波形
两
个电平转换器的输出和分别和两个正交的载波相乘,
然后相加,
其表达式
为
(
2-14
)
式中,
=
±
1
,±
3
;
=<
/p>
±
1
,±
3
p>
。由于可能的组合有
16
种,所以
16QAM
信号有
16
个状态,如图
2-28
所示。
由图
2-27
可知,
16QAM
幅度有三种取值,
相位有十二种取值。
QAM
调制方
式受
到幅度和相位双重控制,因此
QAM
不适合于非线性信道上传输
,但频带利
用率非常高。
QAM
主要应
用在有线通信里。
图
2-27
16QAM
的星座图
2.4.2
16QAM
信号的解调
解调是图
p>
2-26
的逆过程,也可以采用正交解调法。解调原理图如图
2-28
所
示。
图
2-28
16QAM
解调原理框图
可以看出,
16QAM
和
QPSK
解调器原理图表面上是一样的,
但其中的取样判
决器工
作方式是不同的。
16QAM
解调器的取样判决器有
0
、±
2
三种门限电平,
规则为
(
1
)
0<
取样值
<+2
时,判为
+1
电平,输出双比特
信息
10
;
(
2
)
+2<
取样值时,判为
+3
电平,输出双比特信息
11
;
(
3
)
-2<
取样值
< br><0
时,判为
-1
电平,输出双
比特信息
00
;
(
4
)取样值
<-2
时,判为
-3
电平,输出双比特信息
01
。
图
2-29 M
进制
< br>QAM
的误码曲线图
其他
MQAM
信号的解调框图和图
2-28
一致,
唯一不同的是判决门限的电平
数。
如果信号功率一致,
当
M
越大时,
门限电平
越多,
各个门限间的距离变小,
越容易产生错误判决,导致误码
率更高。然而,
M
越大,频带利用率会更高。因
此,往往不能兼得频带利用率和误码率。
M
进制误码率
曲线如图
2-29
所示。
3
设计技术简介
系统仿真
(Simulation)
技术也称为系统模拟技术。
由于计算机仿真具有精度高,
通用性强,
重复性好,
建模迅速以及成本低廉等许多优点,
尤其是近年来发展了
以
MATLAB/Simulink
为代表的多种科学
计算和系统仿真语言,
使用起来比利用传
统的
< br>C/C++
语言进行仿真方便快捷得多。
系统仿真技术在国内学术界和科技界的迅速普及,
也大大提高了科学研究的<
/p>
效率。该课题就是以
MATLAB/Simulink
为仿真语言来进行系统仿真试验的。
所谓电子通
信系统的计算机仿真,
就是利用计算机对实际电子通信系统的物
理模型或数学模型进行试验,
通过这样的模型试验来对一个实际系统的性能和工
作状态进行分析和研究。
当在实际电子通信系
统中进行试验研究比较困难或者根本无法实现时,
仿真
技术就成
为必然的选择。
例如,
要测试某种调制方式在时变多径无线电信
道中的
性能表现,
通常只能通过建立时变多径无线电信道的数学
模型,
利用计算机来实
现仿真的无线电信道,
< br>通过数值计算以及蒙特卡罗方法进行仿真研究。
又如,
在
对新一代通信体制进行性能分析和系统设计时,
实际系统根本不
存在,
因此必须
采用仿真手段。
p>
按照系统的数学模型的性质,
系统可划分为有记忆系统和无记忆系统
两大类。
无记忆系统又称为静态系统,
其数学描述的一般形式是
代数方程、
逻辑表达式等。
有记忆系统又称为动态系统,
其数学描述的一般形式是微分方程、
差分方程和排
队论等,
特别是在现代系统分析理论中,
常常将微分方程或
差分方程采用其等效
形式——传递函数和状态方程来描述。
<
/p>
状态方程的数值求解是
Simulink
系统仿真工作的基础。
采用微分方程形式描
述的系统称为连续系
统。
采用差分方程形式描述的系统称为时间离散系统。
如果
p>
系统需要采用微分方程和差分方程来描述,则称为(连续和离散)混合系统。
本质上,只要能够构造出系统的数学模型,
MATL
AB/Simulink
就可以对任意
系统进行仿真分析。但是
在实际应用中,就方便性而言,
MATLAB/Simulink
特别
适合于针对电子通信系统模块的系统级仿真,
因此,
p>
该课题主要讨论电子通信系
统的系统级(方框图级)的仿真问题。<
/p>