BPSK调制解调器的设计与仿真

1、东北大学秦皇岛分校计算机与通信工程学院综合课程设计设计题目BPSK调制解调器的设计与仿真专业名称通信工程班级学号学生姓名指导教师设计时间2014.12.292015.1.15课程设计任务书专业：通信工程 学号： 学生姓名（签名）： 设计题目：调制解调器的设计和仿真一、设计实验条件1.计算机与通信工程实验室；2.计算机及matlab仿真环境；二、设计任务及要求1. 根据题目，查阅相关资料，掌握数字带通BPSK调制解调相关知识，学习MATLAB软件，掌握相关调制解调的MATLAB函数的使用；2. 在此基础上，运用MATLAB进行编程实现BPSK的调制解调过程，并且仿真输出调制前的基带信号、调制后的

2、BPSK信号和叠加噪声后的2PSK信号波形、解调器在接收到信号后解调的各点的信号波形，并对仿真结果进行分析；三、设计报告的内容1. 设计题目与设计任务（设计任务书）1）设计题目BPSK调制解调器的设计与仿真。2）设计任务运用MATLAB进行编程实现BPSK的调制解调过程，并且仿真输出调制前的基带信号、调制后的BPSK信号和叠加噪声后的2PSK信号波形、解调器在接收到信号后解调的各点的信号波形，并对仿真结果进行分析。2. 前言（绪论）(设计的目的、意义等)1）数字信号及数字通信 数字信号是其信息用若干个明确定义的离散值表示的时离散信号。  数字通信是一种用数字信号作

3、为载体来传输信息的通信方式。数字通信可以传输电报、数据等数字信号，也可传输经过数字化处理的语音和图像等模拟信号。 与模拟通信相比，数字通信具有许多突出优点：一，抗干扰力强，二，通信距离远，三，保密性好，四，通信设备的制造和维护简便，五，能适应各种通信业务的要求，六是便于实现通信网的计算机管理。 2）数字通信的前景广阔   由于数字信号相比于模拟信号所具有很多优点，数字通信技术在当今通信技术中占据主导地位，各国都在积极发展数字通信。近年来，我国数字通信得到迅速发展，正朝着高速化、智能化、宽带化和综合化方向迈进。因此作为当代的大学生了解数字通信技术

4、具有深刻的意义。本次课程设计，旨在通过BPSK的仿真，进一步深入学习到数字通信的基本知识，为以后的学习打下基础。3. 设计主体（各部分设计内容、分析、结论等）1）设计原理数字信号的传输方式分为基带传输和带通传输，在实际应用中，大多数信道具有带通特性而不能直接传输基带信号。为了使数字信号在带通信道中传输，必须使用数字基带信号对载波进行调制，以使信号与信道的特性相匹配。这种用数字基带信号控制载波，把数字基带信号变换为数字带通信号的过程称为数字调制。数字调制技术的两种方法：利用模拟调制的方法去实现数字式调制，即把数字调制看成是模拟调制的一个特例，把数字基带信号当做模拟信号的特殊情况处理；利用数字信号

5、的离散取值特点通过开关键控载波，从而实现数字调制。这种方法通常称为键控法，比如对载波的相位进行键控，便可获得相移键控（PSK）基本的调制方式。图1 BPSK信号时间波形示例1.1）BPSK的调制原理如果两个频率相同的载波同时开始振荡，这两个频率同时达到正最大值，同时达到零值，同时达到负最大值，它们应处于"同相"状态；如果其中一个开始的迟了一点，就可能不相同了。如果一个达到正最大值时，另一个达到负最大值，则称为"反相"。一般把信号振荡一次（一周）作为360度。如果一个波比另一个波相差半个周期，我们说两个波的相位差180度，也就是反相。当传输数字信号时，&q

6、uot;1"码控制发0度相位，"0"码控制发180度相位。载波的初始相位就有了移动，也就带上了信息。相移键控是利用载波的相位变化来传递数字信息，而振幅和频率保持不变。在2PSK中，通常用初始相位0和分别表示二进制“1”和“0”。因此，2PSK信号的时域表达式为 （1）式中，jn表示第n个符号的绝对相位： （2）因此，上式可以改写为： （3）由于两种码元的波形相同，极性相反，故BPSK信号可以表述为一个双极性全占空矩形脉冲序列与一个正弦载波的相乘： （4）式中 （5）这里s(t)为双极性全占空(非归零)矩形脉冲序列，g(t)是脉宽为Ts的单个矩形脉冲，而an的统计特

7、性为 （6）BPSK信号的调制原理框图如图2-2所示。与2ASK信号的产生方法相比较，只是对是S(t)的要求不同。在2ASK中S(t)是单极性的，而在BPSK中S(t)是双极性的基带信号。开关电路S(t)e2psk(t)1800移相coswctp0图2 BPSK信号的调制原理框1.2）BPSK的解调原理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。下图2-3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，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

8、的。即正抽样值判为1，负抽样值判为0。Coswct be2psk(t)e输出dca带通滤波器相乘器低通滤波器抽样判决器定时脉冲图3 BPSK的相干接收机原理框图BPSK信号的相干解调各点时间波形如图4所示。图4 BPSK各点时间波形波形图中，假设相干载波的基准相位与BPSK信号的调制载波的基准相位一致（通常默认为0相位）。但是，由于在BPSK信号的载波恢复过程中存在着的相位模糊，即恢复的本地载波与所需的相干载波可能同相，也可能反相，这种相位关系的不确定性将会造成解调出的数字基带信号与发送的数字基带信号正好相反，即“1”变为“0”，“0”变为“1”，判决器输出数字信号全部出错。这种现象称为BPS

9、K 方式的“倒现象”或“反相工作”。这导致了BPSK方式在实际中很少采用。另外，在随机信号码元序列中，信号波形有可能出现长时间连续的正弦波形，致使在接收端无法辨认信号码元的起止时刻。为了克服BPSK这一缺点，在实际使用中常采用DPSK，即差分相移键控。2）基于MATLAB的BPSK调制解调仿真2.1）仿真框图在发送端，通过随机函数随即产生n位二进制信号。然后把这n位信号在频率fc=4000Hz的载波上进行传输，并且采样频率fs=80000Hz。经过调制后，调制信号就可以在信道上传输。但是在实际的信道中传输时，会叠加很多噪声，因此，程序模拟在实际信道上传输，产生噪声，叠加到已调信号上。信道产生随

10、机基带信号调制解调抽样判决码元再生高斯白噪声在接收端，通过相干解调的方法，把接收到的叠加有噪声的信号进行解调，但是解调后的信号还不是最先发送的二进制比特流，需要对解调得到的信号进行抽样判决，才能得到发送的二进制比特流，即发送信号。图5 基于MATLAB的BPSK调制解调仿真框图2.2）仿真源代码本程序传送的信号是利用随机函数产生随机的二进制信号。在已知载波频率fc=4000HZ，采样频率fs=80000HZ的情况下，进行的调制。在传输信道上对已调信号叠加高斯白噪声，在接收端进行相干调制解调，然后再进行抽样判决得到解调信号。%*产生随机二进制信号*%n=10;t=0:0.01:n-0.01;%1

11、00*n个时刻点a=randi(0,1,1,n);%生成的（1,n) 随机二进制数字矩阵,“ 0 ”和“ 1 ”出现的概率相等m=a(ceil(t+0.01);%每次t的改变都会得到一个整数；ceil：离他最近的大整数圆整figure(1)plot(t,m)title('产生随机n位二进制信号');axis(0,n,-1.5,1.5);%*BPSK调制*%fc=4000; %载波频率fs=80000; %采样频率ts=0:1/fs:(100*n-1)/fs; tzxh1=cos(2*pi*fc*ts);%*二进制信号转为BPSK信号*%bpsk=cos(2*pi*fc.*ts+

12、pi*m);%e(t)2psk=ACos（ct+）,:发送1时为，发送0时为0，即异变同不变figure(2)plot(t,bpsk)title('BPSK调制信号');axis(0,n,-1.5,1.5);%*模拟实际信道中的噪声*%e_2psk=awgn(bpsk,10);%在信号中加入10db高斯白噪声，figure(3)plot(t,e_2psk)title('BPSK调制信号叠加噪声波形');%*BPSK相干解调*%b11,a11=ellip(5,0.5,60,2000,6000*2/80000);%带通椭圆滤波器设计，通带为2000，6000b12,

13、a12=ellip(5,0.5,60,2000*2/80000);%低通滤波器设计，通带截止频率为2000Hze_psk1=filter(b11,a11,e_2psk);%通过带通滤波器滤除带外噪声e_psk1_1=e_psk1.*(tzxh1*2);%相干解调,乘以同频同相的相干载波psk_xgjt=filter(b12,a12,e_psk1_1);%通过低通滤波器figure(4)plot(t,psk_xgjt)title('BPSK信号相干解调后、抽样判决前的信号');axis(0,n,-1.5,1.5)%*BPSK信号抽样判决*%for i=0:n-1 if(psk_x

14、gjt(i+1)*100)>0)%若信号大于0 psk_cypj(i*100+1:(i+1)*100)=zeros(1,100);%抽样判决为0 else psk_cypj(i*100+1:(i+1)*100)=ones(1,100);%否则判决为1 endendfigure(5)plot(t,psk_cypj);title('BPSK信号抽样判决后的信号');axis(0,n,-1.5,1.5);3.3）仿真结果在实际传输中，我们需要传输的就是二进制基带信号。因此通过随机函数随机产生n位二进制信号作为基带信号。图6 产生随机n位二进制信号实际通信中不少信道都不能直接传送

15、基带信号，必须用基带信号对载波波形的某些参量进行控制，使载波的这些参量随基带信号的变化而变化，即所谓正弦载波调制。正弦波可以作为数字模拟调制系统和数字调制系统的载波。从原理上来说，受调载波的波形可以是任意的，只要已调信号适合于信道传输就可以了。但实际上，在大多数数字通信系统中，都以正弦信号作为载波。这是因为正弦信号形式简单，便于产生及接收。和模拟调制一样，数字调制有调幅、调频和调相三种基本形式，并可以派生出多种其他形式。数字调制与模拟调制相比，其原理并没有什么区别。不过模拟调制时对载波信号的参量进行连续调制，在接收端则对载波信号的调制参量连续地进行估值；而数字调制都是用载波信号的离散状态来表征

16、所传送的信息，在接受端也只要对载波信号的离散调制参量进行检测。数字调制信号，在二进制时有振幅键控（ASK）、移频键控（FSK）和移相键控（PSK）三种基本信号形式。图7 BPSK调制信号移相键控（PSK）相对于振幅键控（ASK）和频移键控（FSK）来说，具有抗加性高斯白噪声能力强，频带利用率高，对信道变化不敏感、性能好的优点，因此采用BPSK对基带信号进行调制。实际信道处于一个充满了各种干扰的环境中，因此，调制信号不可能无干扰的在信道中传输。为了逼真的模拟调制信号的传输环境，所以在已调信号上叠加上高斯白噪声。图8 BPSK调制信号叠加噪声波形当信号接收机接收到信号后，该信号是经过调制和叠加噪声

17、后的信号，不能为人们所用，为了使接收到的信号能为人们所用，只用对接收到的信号进去滤波和反调制（即解调）处理。在相同的信噪比条件下，相比2ASK系统和2FSK系统，相干解调的2PSK系统的误码率Pe最小。因此解调方法用相干解调的2PSK。再将解调信号通过低通滤波器进行低通滤波。图9 BPSK信号相干解调后、抽样判决前的信号通过相干解调和低通滤波器后的信号，通过抽样判决后，原则上能恢复成系统发送的二进制基带信号，但是在实际的解调和调制的过程中，BPSK系统往往会出现“倒相”，因此在抽样判决的时候需要注意这个问题。为了解决这个问题，现在在实际应用中大多数都采用二进制差分相移键控（2DPSK）。图10

18、 BPSK信号抽样判决后的信号3.4）仿真结果分析让随机产生的二进制信号在已知载波频率的情况下进行调制，获得的调制信号能很好的反映出在真实的通信系统中对数字基带信号进行的调制效果。不过在真实的通信系统中，因为调制的环境里存在许多电磁干扰，还有因为仪器的精密度原因，导致调制信达不到理想的状态，会存在一些失真。但是随着技术的不断发展进步，失真度在慢慢的减小，以至于基本上能达到理想状况下的调制。真实的传输信道都是处于存在多种干扰的大自然中，因此在传输信息的时候会在已调信号上叠加很多噪声，这些噪声混杂在一起称之为白噪声。为了模拟真实的传输环境，因此在调制信号上叠加了高斯白噪声。在接收端，把接收到的信号

19、进行相干解调，解调后的波形是有一定失真并且存在一定规律的模拟波形，因此在调制后会把调制信号通过一个低通的滤波器，滤掉传输波形频率以外的波形，即噪声。调制信号通过低通滤波器后还不是我们所要的二进制波形，是模拟的波形数据，因此必须对改模拟波形进行抽样判决。抽样判决的条件根据调制的时的“0”“”相位来确定。在本实验仿真情况下，模拟系统成功的恢复了发送的二进制基带信号。但是在实际的通信系统中，往往由于系统所在的环境、仪器的精密度、系统中的各种电磁干扰，导致了调制解调都不能百分之百得都正确，存在一定的误差，这个误差称之为误码率。在BPSK信号中，相位变化是以未调载波的相位作为参考基准的。由于它利用载波相位的绝对数值表示数字信息，所以又称为绝对相移。在前面已经说过