MATLAB modulation and demodulation and
simulation based on PSK
Abstract
PSK modulation is one of the most important parts in the communication system, the improved PSK modulation technology is an important way to improve the performance of communication system is. This paper first analyzes the basic method of modulation and demodulation, digital modulation system and simulation model, the simulation tool -- Simulink design using MATLAB and comes with these types of digital modulation method. Through the simulation, each link of the modulation and demodulation process in time domain and frequency domain wave form observation, combined with the modulation principle of several modulation methods, there liability analysis of tracking all aspects of influence on the modulation performance and simulation model. Finally, on the basis of simulation analysis and comparison of the performance of various modulation methods, and compared with the theoretical model through performance simulation, proved the feasibility of the simulation model.
Keywords: digital modulation; simulation and analysis; MATLAB; Simulink
Preface
The development trend of modern digital communication, with the continuous development of modern communication technology, digital modulation technology has become increasingly mature, and have been applied widely in various fields and identity. Therefore this paper on PSK digital modulation and demodulation simulation. The development of modern society requires a communication system function is more and more strong, more and more high performance, which has become more and more complicated; it is necessary to use computer aided design technology and the powerful analysis tools to achieve. The rapid development of modern computer science and technology, has developed a new generation of visual simulation software. The simulation software is powerful, the process of design and analysis of communications system simulation more intuitive and convenient, which makes the communication system simulation technology has developed rapidly. This paper is the use of powerful MATLAB software. MATLAB is especially suitable for high-level language in scientific research and engineering calculation, an easy to use, compared with other computer language, which is characterized by simple and intelligent, high efficiency of programming and debugging. Based on the digital modulation simulation using MATLAB toolbox function, can thoroughly master the digital communication, the principle of digital modulation. Help us to study and research, deepen the understanding and application of knowledge. The convenience of MATLAB is also reflected in its simulation results can also be stored in the MATLAB workspace to work after treatment. Convenient we modify the parameters were compared between the output results in different cases.
Because MATLAB and SIMULINK are integrated together, so that users can in the two situations of their model simulation, analysis and modification.
Introduction
1.1 The history and development of the communication technology
1.1.1 The concept of communication
The communication distance is to overcome the obstacles on the exchange of news, from one place to another and transfer. The message is generated by the source of information, is the physical manifestation of the information, for example, voice, text, data, graphics and images are news (Message). Message by analog message (such as voice, image and so on) and digital news (such as data, text and other points). All messages must be in the conversion into electrical signals (usually referred to as signal) to transmission in a communication system So, the signal (Signal) is the transmission means of information, is the material carrier of message signal.
The corresponding signal can be divided into analog signal and digital signal, analog signal variables can be continuous or discrete, but the magnitude is continuous, such as telephone television camera signal is analog signal output. Digital signal variables can be either continuous or discrete, but the magnitude is discrete, such as computers and other digital signal is digital signal output terminal equipment.
The purpose of communication is to deliver the message, but useful to the trustee is the effective content contained in the message, namely information (Information). The message is specific, the surface, and the information is abstract, the nature, how the information contained in the message and can be used to measure the amount of information Communication technology, especially digital communication technology has developed rapidly in recent years, it is used more and more widely.
Digital communication system simulation communication system, has strong anti-interference ability, easy encryption, easy to achieve integration, easy to connect with computer .Therefore, digital communication can meet the requirements of high communication technology.
1.1.2 Brief introduction of the history of the development of communication
In ancient times, the message distance is to be completed in the form of letters, this communication mode has the defects of long time transfer. In order to transfer the message as much as possible in the shortest possible time, people constantly try to find the most new technology. In 1837 Morse invented the electromagnetic telegraph marks the start of electrical communication. After the study, the use of electric communication has made considerable progress. In 1866 the use of submarine cable to achieve transoceanic telegraph communication across the Atlantic. Bell invented the telephone in 1876, implementation of the cable transmission of speech signal using electrical signals, the transmission of information become quick and accurate, which marks the start of analog co
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基于MATLAB的PSK调制和解调及仿真
摘 要
PSK调制是通信系统中最为重要的环节之一，PSK调制技术的改进也是通信系统性能提高的重要途径。本文首先分析了数字调制系统的基本调制解调方法，然后，运用MATLAB及附带的图形仿真工具——Simulink设计了这几种数字调制方法的仿真模型。通过仿真，观察了调制解调过程中各环节时域和频域的波形，并结合这几种调制方法的调制原理，跟踪分析了各个环节对调制性能的影响及仿真模型的可靠性。最后，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。
关键词：数字调制；分析与仿真；MATLAB；Simulink
前 言
现代通信的发展趋势为数字化，随着现代通信技术的不断开发，数字调制技术已日趋成熟，在各个领域都得到了广泛的应用和认同。因此本文对PSK的数字调制和解调进行了仿真。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。现代计算机科学技术快速发展，已经研发出了新一代的可视化的仿真软件。这些功能强大的仿真软件，使得通信系统仿真的设计和分析过程变得相对直观和便捷，由此也使得通信系统仿真技术得到了更快的发展。本文使用的是功能强大的MATLAB软件。MATLAB是一种使用简便的、特别适用于科学研究和工程计算的高级语言，与其他计算机语言相比，它的特点是简洁和智能化，具有极高的编程和调试效率。通过使用MATLAB工具箱函数对数字调制进行仿真，更能直观彻底的掌握数字通信，数字调制的原理。有助于我们的学习和研究，加深对知识的理解和运用。MATLAB的便利性还体现在它的仿真结果还可以存放到MATLAB 的工作空间里做事后处理。方便我们修改参数对不同情况下的输出结果进行对比。
由于MATLAB和SIMULINK是集成在一起的，因此用户可以在这两种环境下对自己的模型进行仿真、分析和修改。
1 绪 论
1.1通信技术的历史和发展
1.1.1通信的概念
通信就是克服距离上的障碍，从一地向另一地传递和交换消息。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）。消息由模拟消息（如语音、图像等）以及数字消息（如数据、文字等）之分。所有消息必须在转换成电信号（通常简称为信号）后才能在通信系统中传输。所以，信号（Signal）是传输消息的手段，信号是消息的物资载体。
相应的信号可以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，如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，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。
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高要求。
1.1.2通信的发展史简介
远古时代，远距离的传递消息是以书信的形式来完成的，这种通信方式明显具有传递时间长的缺点。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。数字通信的高速率和大容量等各方面的优越性也使人们看到了它的发展前途。
1.2数字调制技术
通信按照传统的理解就是信息的传输与交换。在当今信息社会，通信则与遥感，计算技术紧密结合，成为整个社会的高级“神经中枢”。没有通信，人类社会是不可想象的。一般来说，社会生产力水平要求社会通信水平与之相适应。若通信水平跟不上，社会成员之间的合作程度就受到限制。可见，通信是十分重要的。
通信传输的消息是多种多样的，可以是符号的，文字的，数据和图像的等等。各种不同的消息可以分为两类：一类称为离散消息；另一类称为连续消息。离散消息的状态是可数的或离散的，比如符号，文字或数据等。离散消息也称数字消息。而连续消息则是其状态连续变化的消息，例如，连续变化的语音，图像等。连续消息也称模拟消息。因此按照信道中传输的是模拟信号还是数字信号可以将通信系统分为模拟通信系统和数字通信系统。
数字通信有以下突出的特点：第一，数字信号传输时，信道噪声或干扰所造成的差错，原则上是可以控制的。第二，当需要保密的时候，可以有效的对基带信号进行人为的“扰乱”，即加上密码。
数字通信在近20年来得到了迅速的发展，其原因是：抗干扰能力强；便于进行各种数字信号处理；易于实现集成化；经济效益正赶上或超过模拟通信。
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。
1.3数字调制的发展现状和趋势
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，通信技术在以下几个不同方向都取得了巨大的成功。
微波中继通信使长距离、大容量的通信成为了现实。
移动通信和卫星通信的出现，使人们随时随地可通信的愿望可以实现。
光导纤维的出现更是将通信容量提高到了以前无法想象的地步。
电子计算机的出现将通信技术推上了更高的层次，借助现代电信网和计算机的融合，人们将世界变成了地球村。
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，/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。
1.4本章小结
本章主要讲述了通信、调制、数字通信的概念，发展以及在生活中的应用价值。从大的方面到小的方面，层层递进一直到本文所要讲的主旨内容数字调制。
2 MATLAB仿真技术
2.1通信仿真
2.1.1通信仿真简介
随着科学技术、仿真理论及计算机的不断发展，仿真技术不断提高。在如今的科学研究中，仿真技术提高了科学研究水平，缩短了科学研究周期、降低了科学研究成本及风险、促进了各不同领域学科融合、加速了科研成果转化为生产力。可以说仿真技术已成为科学研究中必不可少的实用技术。因此在现代科学研究及应用中，仿真技术被广泛应用于数学、物理、电子、通信、医学、生物等众多领域。
所谓系统仿真，通俗的说就是模型试验，它是指通过系统模型试验去研究一个已经存在的或者正在设计的系统的过程。仿真方法可以分为3类：实物仿真、数学仿真和半实物仿真。系统仿真的研究重点在于仿真环节，即在模型建立之后，设计适当的算法，并编制成计算机程序。因此，便产生了很多仿真算法和仿真软件，其中以MATLAB提供的动态仿真工具Simulink最为耀眼，它不仅具有强大的功能，并且具有很好的使用性。MATLAB就是大量的计算机仿真软件中的优秀代表，它在科学研究特别是电子信息科学中有着极为广泛的应用。MATLAB现已被广泛应用于数学、通信、信号处理、自动控制、神经网络、图形处理等许多不同学科的研究中。
2.1.2 仿真技术在通信系统设计中的作用
仿真技术的主要应用之一就是辅助系统的设计过程，也就是计划、设计和实现通信系统的过程。实际系统的设计不同于传统的分析问题，它有自己的特点。在设计过程中，不能依靠对系统各单元特性的详细而精密的了解，这里面有现实而又重要的原因。
2.1.3仿真的应用
我们主要通过以下几种仿真方法，讲述目前正迅猛发展的仿真技术的许多的新的思想。
针对光纤系统，研究的重点是光检测器的特性。光纤系统中误码率是很小的，这样我们就可能在该例子采用运行时间减小技术配合蒙特卡罗仿真方法。
主要研究多径衰落环境下64QAM无线中继系统的错误概率性能（BER）的估计。在该系统中，不同的QA输出可表示为单个基本脉冲时延加权的和，仿真就是产生这些基本脉冲。进而计算BER。
主要是检测数字卫星通信系统的环境。这个系统中含有非线性，这是一个难以处理的问题。另一个问题是模型描述越详细，仿真就变得复杂费时。在这个研究中，我们应当掌握复杂性与准确性的平衡，在降低复杂性时，采用一些技巧避免准确性的过分降低。野战网初始拓扑的优化问题。由于网络节点和用户都在运动之中，节点数和用户数都可能十分大，要保证野战网覆盖制定的地域范围，并在很恶劣的战场环境下具有很好的抗毁能力，网络的设计必须考虑很多参数，这可能使网络仿真的运行时间过长，启发算法利用迭代逼近，使得设计结果与仿真运行时间能取得较好的折衷。
2.2 MATLAB简介
2.2.1 MATLAB 的介绍及发展
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软件是美国Math works公司的产品，MATLAB 是英文Matrix Laboratory (矩阵实验室)的缩写。从1984年推出了它的第一个DOS版本至今，一经推出了6.5版。Matrix Laboratory意为“矩阵实验室”，从它的本意可以知道，最初的MATLAB只是一个数学计算工具。但现在的MATLAB已经远不仅仅是一个“矩阵实验室”，它已经成为一个集概念设计、算法开发、建模仿真、实时实现于一体的集成环境，它拥有许多衍生的子集工具。
新的版本集成了日常数学处理中的各种功能，包括高效的数值计算、矩阵运算、信号处理和图形生成等等的常用功能。在 MATLAB 环境下，用户可以集成地进行程序设计
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