2psk仿真课程设计2psk调制解调器的建模与仿真

1、课程设计报告书题目 2PSK 调制解调器的建模与仿真姓名学号专业班级指导教师时 间2015年1月10 日课程设计任务书级 班名 姓目 题设计目的、设计要求相 十 的 妇 信通S3字数 林欄时 ； 决 W八 阅4)判 讣 商 阙； 册 % 址 欲为 苗 场O号叩 规 行 析 亠一一口JJ 进 分 制同 信 留 高 喪相 步 内 提Fa度 同 关 妇宽 位 相 识 痕元 据 信 知 靖码 根 通 关 、二与 字 相 心期 器； 数 的 附周 波果 对 信EP波 滤结 b 通 川载 通真 ab宀尹 康 ；氐仿 的知 数。求OF涉硼删出 目m 解力要2信彌沃给 的用 了能的组波肉特并 计利，的面计一载

2、怖巴率 设过论好方设生生in过码 程通理更各程产产SS通误 课 L 关2.等课 L2.224.、设计进度安扫或工作计刘 9 择 ； 选.；皓亠如 案证邢匕 方监瞧 成完试必豹 4,调O舟 谓块并写 颂瀨归撰 旬O及H 苗一点试期 ，孑调?程 皿册孤课 卅块柯成 熟模酚完 计+4计 3h设设 其它定与撰 指组自 要小各 好各需 商，均 协求员 经要成 组本个 小基每 题题组 yy 、 课课力 .，于题 范基课 规； 写围求 蹊氛奚 告作加 筒成卿。 通形将告 认沖剖侏 长导一 组指写2PSK 调制解调器的建模与仿真摘要数字传输系统中，数字信号对高频载波进行调制，变为频带信号，通过信道传输，在 接

3、收端解调后恢复成数字信号，由于大多数实际信号都是带通型的，所以必须先用数字频 带信号对载波进行调制，形成数字调制信号再进行传输，因此，调制解调技术是实现现代 通信的重要手段。数字调制地实现，促进了通信的飞速发展。研究数字通信调制理论，提 供有效调制方法有着重要意义。实现调试解调的方法有很多种，本文应用了键控法产生调 制与解调信号。数字相位调制又称相移键控记作PSK(Phase Shift Keying),二进制相移键控 记作2PSK，它们是利用载波振荡相位的变化来传送数字信号的，在二进制数字解调中， 当正弦载波的相位随二进制数字基带信号离散变化，则就产生二进制移相键控2PSK信号。 重点介绍了

4、 2PSK的调制与解调的工作原理，以及通过MATLAB进行设计和仿真，并且分 析了各阶段信号的频谱及误码率。关键词数字调制与解调；2PSK； MATLAB仿真目录 TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark2 o Current Document 课程设计任务书I摘 要 II HYPERLINK l bookmark10 o Current Document 1 设计概述 1 HYPERLINK l bookmark12 o Current Document 1.1 设计背景1 HYPERLINK l bookmark14 o Current Document 1.2

5、 设计目的1 HYPERLINK l bookmark16 o Current Document 1.3 设计内容及要求 1 HYPERLINK l bookmark18 o Current Document 2 设计原理 2 HYPERLINK l bookmark20 o Current Document 2.1 2PSK 数字调制过程分析2 HYPERLINK l bookmark36 o Current Document 2.2 2PSK 数字解调过程分析3 HYPERLINK l bookmark53 o Current Document 2PSK 相干解调系统性能分析4 HYPER

6、LINK l bookmark59 o Current Document 3 设计实现 5系统设计框图5 HYPERLINK l bookmark63 o Current Document M文件下仿真设计思路及过程52PSK 调制部分52PSK 解调部分6 HYPERLINK l bookmark69 o Current Document Simulink 下的仿真 63.3.1 仿真模型建立6参数的设置7仿真结果73.3.4 仿真结果分析8 HYPERLINK l bookmark73 o Current Document 4 M 文件仿真结果 9 HYPERLINK l bookmark

7、75 o Current Document 4.1 2PSK 调制、解调系统信号波形图9 HYPERLINK l bookmark79 o Current Document 2PSK调制解调系统频谱分析11 HYPERLINK l bookmark81 o Current Document 各阶段功率谱密度分析及误码率13参考文献15附录161 设计概述设计背景当今社会已经步入信息时代，在各种信息技术中，信息的传输及通信起着支撑作用。 而对于信息的传输，数字通信已经成为重要的手段。因此，数字信号的调制就显得非常重 要。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

8、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。通常使用键控法来实现数字调制， 比如对载波的振幅、频率和相位进行键控。在这三种调制的基础上为了得到更高的效果也 出现了很多其他的调制方式，如：DPSK, MASK, MFSK, MPSK, APK。它们其中有的 一些是将基本的调制方式用在多进制上或者引入了一些新的方式来解决基本调制的一些 问题如相位模糊和无法提取位定时信号,另外一些是由多种基本的调制方式组合来达到更 好的效果。数字调制与解

9、调系统性能的好坏取决于传输信号的误码率,而误码率不仅仅与信道、 接收方法有关还和发送端所采用的调制方式有很大的关系。我们研究的 ASK, FSK, PSK 等就主要是发送方的基本调制方式。本设计主要对2PSK信号的原理及其相干解调系统性 能进行了分析和仿真,这样能让我们对数字调制方式有一个更清楚的认识。设计目的2PSK 数字调相技术由于其抗干扰能力强,实现简单,而被广泛应用于各种通信中。本题目要求学生进行2PSK信号的产生及谱分析，达到以下目的：通过利用MATLAB对数字通信相关内容进行仿真设计，熟悉数字通信的相关理论；更好的了解数字通信的相关知识,提高分析问题、查阅资料、自主设计等各方面能力

10、。了解并掌握数字频带传输系统一2PSK的调制与解调系统，通过MATLAB来实现整个通 信系统的设计，进一步加深对2PSK系统的理解，并熟练掌握MATLAB语言。设计内容及要求产生一组20 位以上随机二进制数字基带信号（双极性）；产生载波信号，载波周期与码元宽度相同且均为 1；实现基于MATLAB仿真2PSK调制与解调；通过巴特沃斯低通滤波器，根据位同步信号进行抽样判决；各阶段信号频谱分析、误码率并给出仿真结果。2设计原理2PSK数字调制过程分析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

11、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，把数字基带信号当作模拟信号的特殊情况处理；利用数字 信号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2-1模拟调制的方法图2-2相移方法数字调相：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

12、果其中一个开始得迟了一 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，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：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n分别表示二进制T”和“0”。因此，2PSK信号的时域表达式为e (t)二 A cos t + p )(2-1)2 pskcn其中，申表示第n个符号的绝对相位：n0发送“0”

13、时Q = inn1F DATddI 4po-lsrUr I Ml nr to Bi p&lorCfilzu lati-orAWQM cnonnGlI1AAGMScopeBipolar toUn I polarCtJnverjWBip-o-l&r taUn i polarenter图3-2 Simulink仿真模型3.3.2参数的设置正弦载波(Sine Wave2)参数设置：设置的振幅是1,频率为1HZ,相位为0。与载波反相正弦波(Sine Wavel)参数设置：设置的振幅是-1,频率也是1hz,相位为0。伯努利二进制随机序列产生器(Bemoulll Binary Generator): 0和1

14、的出现概率为0.5, 抽样时间为1秒，采用是基于采样的，其幅度设置为2,周期为3,占1比为2/3。码型变化器(Unipolar toBipolar Converter)参数设置：设置依据：采用1变0不变调制， 故极性设为“ Positive”。多路选择器(Switch)参数设置：当二进制序列大于0时，输出第一路信号；当二进制 序列小于0时，输出第二路信号。带通滤波器(Digital Filter Design)参数：带通范围为12HZ，载波频率为1HZ,而基 带号带宽为1HZ,考滤到滤波器的边沿缓降，故设置为12HZ。低通滤波器(Digital Filter Design)参数设置：截止频率为

15、1HZ,二进制序列的带宽为 1HZ，故取 1HZ。取样判决器(Sign)参数设置：门限值取为，取样时间为1,当大于0.5时输出0,当 小于0.5时输出1,能达到在1变0不变的取样规则下正确解码的目的。3.3.3仿真结果调制波形：图3-3 2PSK调制的波形图中第一个图为正相载波的波形，第二个图为随机产生的二进制序列，第三个图为通过码型变换器后的波形，最后一个图为调制后的2PSK信号。 解调波形：坯活力毗1第信电的凶K僧号1 1 1 1 L 1 1 1 1 1S. _通过乘达葩号.3 _fl片一跖妃迪癖器信号0丿.n R _v#m4/maa4/w4/vaWaaawv|1I111n h 通过低通遽

16、玻吉洁号U D厂1卜F13-.1 / _%1/fr:f J vz :/:、f1yij .iij -. . ：./:. -. / .：:A-./. -.：./A-I: /：严、*； /：_1LLi.7 一像黜国二jt11用列二02 - a111!11ZZX_U：.l_1 d1 L_U；.l1_ jij|ii_i216B101Z14IEIB图3-4加入高斯白噪声后的解调波形图中第一个图为收到的2PSK波形（加入了高斯噪声），第二个图为与同频同向载波相 乘后的波形，第三个图为抽样判决后的双极性二进制波形，最后一个图是经过极性变换后 的波形。3.3.4仿真结果分析在Simulink下能够清晰的看到2P

17、SK调制和解调的波形。2PSK数字调制系统采用的 是双极性矩形波，所以在基带信号产生后要进行极性变换。2PSK的调制是通过键控法实 现的，还可以采用模拟调制的方法。2PSK的解调只有相干解调一种办法。在加入高斯白 噪声后，依然可以得到解调的波形，但是存在一定的误码率。且信噪比越大，误码率越低。M文件仿真结果4.1 2PSK调制、解调系统信号波形图双极性二进制数字基带信号载波信号波形已调信号波形001加噪后的波形图4-2 2PSK信号与接收机接收到的信号波形解调输出波形经低通滤波器后的输出信号波形图 4-3 通过解调、低通输出波形1由公式(2-4)可知，通过低通滤波器以后，输出波形近似于1 s(

18、t)，即波形相似于双2极性基带信号波形，且幅度减半。抽样后得到的离散采样值抽样判决输出基带信号图 4-4 判决输出波形将抽样输出的基带信号波形与原信号相比较可以发现两个信号波形完全相同，说明整个 2PSK 的调制、解调系统是正确的。2PSK调制解调系统频谱分析数字基带信号为二进制非归零码，所以它的傅里叶变换应该是门函数，信号带宽为1/TS，其频谱图-10。载波信号为正弦信号，载频为1Hz,其频谱如下。500400幅 300振 200100基 带 信 号 频 谱 （ N=1024 ）00 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 频 率 /Hz载 波 信 号 频 谱 （ N=10

19、24）2PSK 信号的实质为基带信号与载波相乘的结果，所以 2PSK 的信号频谱是基带信号 频谱的线性搬移，中心频率为fc.,带宽为基带信号带宽的两倍，如图41, 2PSK信号通过 信道后，加上了高斯白噪声，其频谱如下。5004003002000 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 频 率 /Hz接收机接收到的信号频谱（N=1024）0100相干解调实质是将已调信号与提取的载波信号相乘，所以解调输出的信号的频率成分包括基带信号频率和载频信号和噪声如图-12，通过低通滤波器后，高频成分被虑掉，剩 下基带信号和部分噪声。解 调 输 出 信 号 频 谱 （ N=1024）低 通

20、 输 出 信 号 频 谱 （ N=1024）图 4-7 解调输出与低通输出的信号频谱抽 样 判 决 输 出 信 号 频 谱 （ N=1024）图 4-8 判决输出信号频谱与基带信号频谱通过比较判决输出信号的频谱和基带信号频谱，得出结论，2PSK的调制解调系统设 计是正确的。4.3各阶段功率谱密度分析及误码率判决信号功率谱密度载波信号功率谱密度0 11联川阿附:伽VAR ；伽-饰饰-100 110 200 400 600接收机接收信号功率谱密度0-20-400 200 400 600 低通信号功率谱密度 ；L .! 血酌，nrn昭h*m帛vn, TOC o 1-5 h z 10020040060

21、02PSK信号功率谱密度0 rc1-50 -100 c0200400600解调输出信号功率谱密度图4-9 2PSK功率谱密度率码误图4-10 2PSK系统误码率由图可以看出系统的误码率为 0。总结通过在本次设计中的实践明白了自己知识上的误区，例如，在低通滤波的过程中，主 要目的是滤去高频分量，滤去载波成分，所以对于低通滤波器的截止频率的设置较为关键。 而在 2PSK 的调制与解调中所用信号为双极性的信号，因此要将在本次设计中产生的单极 性信号经过码的变化形成双极性码来传输。本次设计只是按理论上的知识结构进行简单地 系统构建，目的是明确数字基带传输的原理及过程，而对于具体问题，例如，实际中信道

22、噪声一般为高斯白噪声，本次设计为简便并未采用而是用rand函数产生了随机噪声信号。 此外，还有在2PSK实际传输系统中，在恢复载波的过程中会出现“倒n现象”即相位 模糊现象，但是在本次设计中直接在解调时给其同频同相的载波，所以不会出现此种现象， 因此不必考虑。这是自己第一次利用 Matlab 编程功能实现通信原理中基础知识系统地构建和利用 Matlab 中 Simulink 模块搭建系统来实现，通过自己亲自去动手和调试我明白了实践的重 要性，尤其是对程序的调试，更需要大量的时间反复上机运行，发现错误并改正，这样也 就加强了自己对程序分析的能力，更深刻地明白了通信原理中的知识内容，更进一步懂得

23、了理论联系实际的含义，同时提高了自己的思考能力，使得自己对课本里的内容理解、记 忆地更加透彻，这无论是在我以后的工作中或是学习中都是非常有用的。参考文献1郝建军，桑林数字通信M.北京：人民邮电出版社,2002(2)： 206207.1樊昌信，曹丽娜通信原理M.北京：国防工业出版社，2013 (6) :188190.李明明，李白萍电子信息类专业MATLAB实验教程M.北京:北京大学出版社,2011( 1 )： 102208.刘学勇.详解MATLAB/Simulink通信系统建模与仿真M.北京：电子工业出版社，2011(1)： 160173.附录代码%数字通信课程设计_2PSK调制解调器的建模与仿

24、真clear all;close all;i=20; j=5000; %i为随机数个数，j为采样点数t=linspace(0,20,5000);%在0到20之间等分成5000个点，每个码元250点% % 功能实现模块一：产生随机二进制数字基带信号 % rem=round(rand(l,i);%调用函数产生0-1随机序列,round按四舍五入取整Bipolar_NRZ=t;%将离散的的随机序列转变成连续的单极性二进制码元for n=1:20 %20个随机数if rem(n)0;%对每一个码元宽度中间值作判决抽样，增加抽样成功率 y4(n)=1;elsey4(n)=0;endendfigure(4

25、)subplot(211);stem(y4);axis(0 20 -2 2);title(抽样后得到的离散采样值);grid on;xlabel(时间 /s);y5=t;for n=1:20if y4(n)=1; %若当前码元的抽样值为1，则该码元的所有值(250点)为1for m=j/i*(n-1)+1:j/i*ny5(m)=1;endelsefor m=j/i*(n-1)+1:j/i*ny5(m)=-1;endendendsubplot(212);plot(t,y5);axis(0 20 -2 2);grid on;title(抽样判决输出基带信号);xlabel(采样点数)；% % 功能

26、实现模块八：各阶段信号频谱分析 % fs=250;N=1024; %采样频率和数据点数n=0:N-1;t=n/fs; %时间序列y=fft(Bipolar_NRZ,N);%对信号进行 FFT 变换 mag=abs(y);%求取Fourier变换的振幅 f=n*fs/N;figure(5);subplot(211) plot(f(1:N/2),mag(1:N/2);axis(0 50 0 500);xlabel(频率/Hz);ylabel(振幅);title(基带信号频谱(N=1024) );grid on;fs=250;N=1024;n=0:N-1;t=n/fs;y=fft(carrier_s

27、ignal,N);%对信号进行 FFT 变换 mag=abs(y);%求取Fourier变换的振幅 f=n*fs/N;subplot(212) plot(f(1:N/2),mag(1:N/2); axis(0 50 0 500);xlabel(频率 /Hz);ylabel( 振幅);title(载波信号频谱(N=1024);grid on;fs=256;N=1024;n=0:N-1;t=n/fs;y=fft(psk,N);%对信号进行FFT变换 mag=abs(y);%求取Fourier变换的振幅 f=n*fs/N;figure(6)subplot(211) plot(f(1:N/2),mag

28、(1:N/2); axis(0 50 0 500);xlabel(频率/Hz);ylabel(振幅);title(2PSK 信号频谱(N=1024);grid on;fs=250;N=1024;n=0:N-1;t=n/fs;y=fft(yl,N);%对信号进行FFT变换 mag=abs(y);%求取Fourier变换的振幅 f=n*fs/N;subplot(2l2)plot(f(l:N/2),mag(l:N/2);axis(0 50 0 500);xlabel(频率 /Hz);ylabel(振幅);title(接收机接收到的信号频谱(N=1024);grid on;fs=250;N=l024;

29、n=0:N-l;t=n/fs;y=fft(y2,N);%对信号进行FFT变换 mag=abs(y);%求取Fourier变换的振幅 f=n*fs/N;figure(7)subplot(211) plot(f(1:N/2),mag(1:N/2); axis(0 50 0 500);xlabel(频率 /Hz);ylabel (振幅);title(解调输出信号频谱(N=1024);grid on;fs=250;N=1024;n=0:N-1;t=n/fs;y=fft(y3,N);%对信号进行FFT变换 mag=abs(y);%求取Fourier变换的振幅 f=n*fs/N;subplot(212)

30、plot(f(1:N/2),mag(1:N/2); axis(0 50 0 500);xlabel(频率 /Hz);ylabel( 振幅);title(低通输出信号频谱(N=1024);grid on;fs=250;N=1024;n=0:N-1;t=n/fs;y=fft(y5,N);%对信号进行FFT变换 mag=abs(y);%求取Fourier变换的振幅 f=n*fs/N;figure(8) plot(f(1:N/2),mag(1:N/2);axis(0 50 0 500);xlabel(频率 /Hz);ylabel (振幅);title(抽样判决输出信号频谱(N=1024);grid o

31、n;% % 功能实现模块九：各阶段信号功率谱密度分析 % Fs=1000;n=0:1/Fs:1;nfft=1024;window=hamming(100); %海明窗noverlap=20; %数据无重叠range=half; %频率间隔为0 Fs/2,只计算一半的频率 Pxx1,f=pwelch(carrier_signal,window,noverlap,nfft,Fs,range); plot_Pxx1=10*log10(Pxx1); Pxx2,f=pwelch(psk,window,noverlap,nfft,Fs,range); plot_Pxx2=10*log10(Pxx2); Pxx3,f=pwelch(y1,window,noverlap,nfft,Fs,range); plot_Pxx3=10*log10(Pxx3); Pxx4,f=p