通信原理课程设计BPSK调制与解调

./摘要数字通信系统是当代通信领域的主流,在社会生活各个方面占据重要地位。BPSK作为数字通信系统中的一种简单基础的调制解调方法,抗干扰能力强,容易仿真实现。本文通过BPSK的仿真,希望学习到数字通信的基础知识,为以后的学习打下基础。本文介绍了数字化调制解调技术的现状发展及其应用,通信系统仿真软件MATLAB中的一种可视化仿真工具Simulink；然后介绍了BPSK数字调制解调的理论基础,包括数字带通传输分类以及重点分析了BPSK数字调制和解调的原理。本文在深刻理解通信系统理论的基础上,利用MATLAB强大的仿真功能,在Simulink仿真环境下设计了BPSK调制解调系统仿真模型,给出各路观察波形,证实了解调算法的可行性。关键词：BPSK；调制解调器；MATLAB；蒙特卡洛分析；目录TOC\o"1-3"\h\u19078一、课程设计目的及容3315161.1、课程设计的目的3191461.2课程设计的容327931二、BPSK仿真设计思路4289372.1相移键控系统概述420012.2数字带通传输分类4292332.3BPSK信号调制/解调原理491132.3.1BPSK信号调制原理419732.3.2BPSK信号解调原理621656三、Matlab软件简介87097四、BPSK调制解调的MATLAB仿真9124584.1BPSK调制的数学模型960904.2BPSK解调的原理94514.3实验程序9292474.4仿真波形图：1512356五、总体系能分析1914260六、设计总结2019738七、参考文献2131033致22一、课程设计目的及容1.1、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。本课程设计主要研究8PSK信号的调制解调原理性能分析。通过完成本课题的设计,拟达到以下目的：1．学习如何利用计算机仿真方法和技术对通信系统的理论知识进行验证,并学会搭建简单的系统模型；2．掌握MATLAB7.0的基础知识,熟悉MATLAB进行通信系统仿真中各个常用模块的使用方法；3．通过系统仿真加深对通信课程理论知识的理解。通过该课题的设计与仿真,可以提高学生综合应用所学基础知识的能力和计算机编程的能力,为今后的学习和工作积累经验。1.2课程设计的容根据题目要求,查阅相关资料,掌握数字带通的BPSK调制解调的相关知识。学习MATLAB软件,掌握MATLAB各种函数的使用。在此基础上,完成以下实验要求：设计系统整体框图及数学模型。运用MATLAB进行编程,实现BPSK的调制解调过程的仿真。其中包括信源、BPSK信号的产生,信道噪声的加入,BPSK信号的载波提取和相干解调。系统性能的分析包括信号带宽,波形对比以及误码率的计算。二、BPSK仿真设计思路2.1相移键控系统概述相移键控是目前扩频系统量使用的调制方式,也是和扩频技术结合最成熟的调制技术,原则上看是一种线性调制。从基带变换到中频以及射频,中间的频谱搬移和信号放大需要一个要求较高的线性信道,因而,设计要求较高。相移键控系统中,有待传输的基带数字脉冲控制着载波相位的变化,从而形成振幅与频率不变,而相位取离散值变化的已调波。2.2数字带通传输分类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。数字带通传输中一般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,比如对载波的振幅、频率和相位进行键控可获得振幅键控〔ASK、频移键控〔FSK和相移键控〔PSK。这三种数字调制方式在抗干扰噪声能力和信号频谱利用率等方面,以相干PSK的性能最好,目前已在中、高速传输数据时得到广泛的应用。2.3BPSK信号调制/解调原理2.3.1BPSK信号调制原理二进制相移键控BPSK〔BinaryPhaseShiftKeying方式一般是键控的载波相位按基带脉冲序列的规律而改变的数字调制方式,也就是说,二进制的数字基带信号0与1分别用相干调制的载波的0与π相位的波形来表示。其表达式由公式〔1-1给出：〔1-1其中{}为双极性的二进制数字序列,的取值为±1,为二进制的符号间隔,基带的发送成形滤波器的冲激响应,通常具有升余弦特性；是调制载波的频率,是调制载波的初始相位。用BPSK调制方式时,因为发送端以某一个相位作为基准,所以在接收端也一定有这样一个固定的基准相位作为参考。假如参考相位发生变化了,那么接收端恢复的信息也会出错,也就是存在"倒π"现象。因此需要在接收端使用载波同步,才能够正确恢复出基带的信号。BPSK信号的调制原理框图如图2-1所示,典型波形如图2-2所示。图2-1BPSK调制原理图图图2-2发送码元为10011的BPSK波形BPSK信号的频谱如图2-3所示,可以计算频谱效率,所谓频谱效率是指信号传输速率与所占带宽之比。在BPSK中,信元为,故信号传输速率为,以频谱的主瓣宽度为传输带宽,忽略旁瓣的影响,则射频带宽为2/,频谱效率为：〔每赫即每赫兹带宽传输0.5b/s。注意,这里是以射频带宽计算的,若以基带带宽来计算,那就是每赫兹1b/s。图2-3BPSK的频谱BPSK的调制器非常简单,只要把数字信号与载波相乘即可。不过这里数字信号的"0"要用"-1"来表示〔在数字通信中,符号"1"用"+1"来表示,"0"则用"-1"来表示。由图2-3可见,BPSK波形与信息代码之间的关系是"异变同不变",即：若本码元与前一码元相异,则本码元BPSK信号的初相相对于前一码元BPSK信号末相变化180°；否则不变。2.3.2BPSK信号解调原理因为BPSK信号的幅度与基带信号无关,故不能用包络检波法而只能用相干解调法解调BPSK信号,在相干解调过程中需要用到与接收的BPSK信号同频同相的相干载波,相干接收机模型如图2-4所示：图2-4BPSK相干接收机模型具体的BPSK信号解调原理框图如图2-5所示。带通滤波器带通滤波器相乘器低通滤波器抽样判决图2-5BPSK解调原理框图如图2-5给出了一种BPSK信号相干解调原理框图,图中经过带通滤波的信号在相乘器与本地载波相乘,在相干解调中,如何得到与接收的BPSK信号同频同相的相干载波是关键,然后用低通滤波器去除高频分量,再进行积分采样判决,判决器是按极性进行判决,得到最终的二进制信息。假设相干载波的基准相位于BPSK信号的调制载波的基准相位一致。但是,由于在BPSK信号的载波恢复过程中存在º的相位迷糊〔phaseambiguity,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BPSK方式的‘倒’现象。载波同步器从BPSK信号中提取的相干载波可能与接收信号的载波同相,也可能反相,称此为相干载波的相位模糊现象。如果收到的信号与载波信号同相,则相乘为正值,积分采样后必为一大于0的值,即可判决为"1"。如果收到的信号与参考信号相反,则相乘之后必为负值,积分采样后判决为"0",因此解调完成。具体波形如图2-6所示。图2-6BPSK解调信号示意图三、MATLAB简介MATLAB软件是美国Mathworks公司的产品,MATLAB是英文MATRIXLABORAT-ORY<矩阵实验室>的缩写。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主要由C语言编写而成,采用LAPACK为底层支持软件包。MATLAB的编程非常简单,它有着比其他任何计算机高级语言更高的编程效率、更好的代码可读性和移植性,以致被誉为"第四代"计算机语言,MATLAB是所有MATHWORKS公司产品的数值分析和图形基础环境。此外MATLAB还拥有强大的2D和3D甚至动态图形的绘制功能,这样用户可以更直观、更迅速的进行多种算法的比较,从中找出最好的方案。从通信系统分析与设计、滤波器设计、信号处理、小波分析、神经网络到控制系统、模糊控制等方面来看,MATLAB提供了大量的面向专业领域的工具箱。通过工具箱,以往需要复杂编程的算法开发任务往往只需一个函数就能实现,而且工具箱是开放的可扩展集,用户可以查看或修改其中的算法,甚至开发自己的算法。目前,MATLAB已经广泛地应用于工程设计的各个领域,如电子、通信等领域；它已成为国际上最流行的计算机仿真软件设计工具。现在的MATLAB不再仅仅是一个矩阵实验室,而是一种实用的、功能强大的、不断更新的高级计算机编程语言。现在从电子通信、自动控制图形分析处理到航天工业、汽车工业,甚至是财务工程。MATLAB都凭借其强大的功能获得了极大的用武之地。广大学生可以使用MATLAB来帮助进行信号处理、通信原理、线性系统、自动控制等课程的学习；科研工作者可以使用MATLAB进行理论研究和算法开发；工程师可以使用MATLAB进行系统级的设计与仿真。四、BPSK调制解调的MATLAB仿真4.1BPSK调制的数学模型由于BPSK的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：其中,即s<t>为双极性全占空<非归零>矩形脉冲序列。4.2BPSK解调的原理由于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采用相干解调法来解调信号。4.3实验程序clearallcloseallclcnum=10;%码元个数tnum=200;%码元长度N=num*tnum;%10个码元整体长度a=randint<1,num,2>;%产生1行num列的矩阵,矩阵0和1随机出现fc=0.5;%载波频率为0.5t=0:0.05:9.99;%t从0到9.99,间隔为0.05s=[];c=[];fori=1:num%i从1到10循环if<a<i>==0>A=zeros<1,tnum>;%i=0时,产生一个码元长度为tnum〔200的0码元elseA=ones<1,tnum>;%i=1时,产生一个码元长度为tnum〔200的1码元ends=[sA];%s为随机基带信号cs=sin<2*pi*fc*t>;c=[ccs];%c为载波信号end%采用模拟调制方法得到调制信号s_NRZ=[];fori=1:num%i从1到num〔10循环if<a<i>==0>A=ones<1,tnum>;%i=0时,产生一个码元长度为tnum〔200的1码元elseA=-1*ones<1,tnum>;%i非0时,产生一个码元长度为tnum〔200的-1码元ends_NRZ=[s_NRZ,A];%s_NRZ为双极性非归零码ende=s_NRZ.*c;%e为BPSK调制信号figure<1>;%图1subplot<3,2,1>;%图1分为3×2部分的第一部分plot<s>;%作s〔基带信号的波形图gridon;axis<[0N-22]>;%横轴长度为0到N,纵轴围为-2到+2xlabel<'基带信号s<t>'>;%x轴的注释ylabel<'基带信号幅值'>;%y轴的注释subplot<323>;plot<c>;gridon;axis<[0N-22]>;xlabel<'BPSK载波信号'>;ylabel<'BPSK载波信号幅值'>;%作c〔BPSK载波信号的波形图subplot<325>;plot<e>;gridon;axis<[0N-22]>;xlabel<'BPSK调制信号'>;ylabel<'BPSK调制信号幅值'>;%作e〔BPSK调制信号的波形图%信号的频谱Fs=200;%采样频率n=length<s>;%基带信号长度f=[0:Fs/n:Fs-Fs/n]-Fs/2;%修正频率f的围S=fft<s>;%基带信号s的快速傅里叶变换E=fft<e>;%基带信号e的快速傅里叶变换C=fft<c>;%基带信号c的快速傅里叶变换subplot<322>;plot<f,abs<fftshift<S>>>;%基带信号的频谱title<'基带信号频谱'>;xlabel<'f/hz'>;ylabel<'S<w>'>;gridon;subplot<324>;plot<f,abs<fftshift<C>>>;%载波信号的频谱title<'载波信号频谱'>;xlabel<'f/hz'>;ylabel<'C<w>'>;gridon;subplot<326>;plot<f,abs<fftshift<E>>>;%调制信号的频谱title<'调制信号频谱'>;xlabel<'f/hz'>;ylabel<'E<w>'>;gridon;%加高斯噪声am=0.7;%输入信号经信道后振幅由1衰减为0.7SNR=5;%输入信噪比snr=10^<SNR/10>;N0=<am*am>/2/snr;%计算噪声功率N0_db=10*log10<N0>;%将噪声功率转换为dBWni=wgn<1,N,N0_db>;%产生1行N列的高斯噪声yi=e+ni;%BSK已调信号中加入白噪声,输入信噪比为SNRfigure<2>;subplot<2,1,1>;plot<yi>;gridon;xlabel<'加入高斯白噪声的已调信号yi<t>'>;%带通滤波器[b1,a1]=butter<3,[2*pi*0.0001,2*pi*0.01]>;%计算带通滤波器的H<z>系数y=filter<b1,a1,yi>;%对信号yi进行滤波,得到信号yfigure<2>;subplot<2,1,2>;plot<y>;gridon;xlabel<'经带通滤波器后信号'>;%与恢复载波相乘x1=2*c.*y;figure<3>;subplot<2,1,1>;plot<x1>;gridonxlabel<'与恢复载波相乘后的信号x1<t>'>;%低通滤波器[b2,a2]=butter<2,0.005>;%计算H<z>系数,频率为<1/200>x=filter<b2,a2,x1>;%对信号x1滤波,得到信号xfigure<3>;subplot<2,1,2>;plot<x>;gridonaxis<[0N-22]>;xlabel<'经低通滤波器后信号波形'>%抽样判决x=fun_panjue<x>;%调用函数,进行抽样判决figure<4>;subplot<2,1,1>;plot<x>;gridon;xlabel<'加噪后解调信号x<t>'>;axis<[0N-22]>;%消除延迟x=fun_yanc<x>;%调用函数,进行消除延迟figure<4>;subplot<2,1,2>;plot<x>;gridon;xlabel<'加噪后去掉延迟的解调信号x<t>'>;axis<[0N-22]>;%误码率计算Err1=length<find<x~=s>>%计算解调信号中错误码元个数Pe_test1=Err1/N%计算实际误码率Pe1=<1/2>*erfc<sqrt<snr>>%计算系统理论误码率%理论误码率曲线Pe=[];forSNR=1:10am=0.7;%输入信号经信道后振幅由1衰减为0.7E=am*am/2;snr=10^<SNR/10>;N0=<am*am>/<2*snr>;no=N0/<2*200>;%计算噪声功率N0_db=10*log10<N0>;%将噪声功率转换为dBWni=wgn<1,N,N0_db>;%产生1行N列的高斯噪声yi=e+ni;%BSK已调信号中加入白噪声,输入信噪比为SNRy=filter<b1,a1,yi>;%对yi进行滤波<带通滤波器>,得到信号yx1=2*c.*y;%与恢复载波相乘xx=filter<b2,a2,x1>;%经低通滤波器滤波xx=fun_panjue<xx>;%抽样判决xx=fun_yanc<xx>;%消除延迟snr=10^<SNR/10>;Pe=[Pe,<1/2>*erfc<sqrt<snr>>];%计算理论误码率endPe;figure;SNR=1:10;semilogy<SNR,Pe,'b--'>;holdon%以log10<Pe>为纵坐标画图gridon子程序一：抽样判决〔由于存在"倒pi"现象,故以0为基准进行判决,大于0,判为0；小于0,判为1functionw=fun_panjue<w>N=length<w>;ifw<100>>0w<1:100>=0;elsew<1:100>=1;endfori=101:Nifw<i>>0;w<i>=0;elsew<i>=1;endend子函数二：消除延迟〔由于抽样判决后会产生延迟,故认为对解调信号进行时移,以减小甚至消除延迟,便于与基带信号进行比较,计算实际误码率functionm=fun_yanc<m>N=length<m>;leng=0;ifm<1>==0fori=1:Nifm<i>==1leng=i;break;endendelsefori=1:Nifm<i>==0leng=i;break;endendendleng1=leng-<floor<leng/200>>*200;fori=1:<N-leng1>m<i>=m<i+leng1>;endfori=<N-leng1>:Nm<i>=m<N-200+10>;end4.4仿真波形图：图7基带信号、载波信号和调制信号时域及频域波形图图8加入白噪声及带通滤波后的波形图9图10图11误码率曲线Err1=1910Pe_test1=0.9550Pe1=0.0060总体系能分析信道噪声对系统性能的主要影响是在接收信号中引入了比特差错。在二进制系统中,比特差错率表现为将符号1误认为0,或将符号0误认为符号1。很明显比特差错的频率越高,接收机的输出信号与原始信息之间的差异就越大。在存在信道噪声的情况下,可以用平均符号差错概率来衡量二进制信息传输的逼真度。平均符号差错概率的定义为,接收机输出的重构符号与所传输的二进制不相同的平均概率。在原始二进制波形中的所有比特均具有相同重要性的条件下,平均符号差错概率又称为误比特率<BER>。但是,在重构原始消息信号的模拟波形时,不同的符号差错可能需要区别对待。例如码字<表示消息信号的量化抽样值>中重要的比特发生的错误要比不重要的比特发生的错误有害得多。六、设计总结BPSK,把模拟信号转换成数据值的转换方式之一,利用偏离相位的复数波浪组合来表现信息键控移相方式。BPSK使用了基准的正弦波和相位反转的波浪,使一方为0,另一方为1,从而可以同时传送接受2值得信息。由于最单纯的键控移相方式虽抗噪较强但传送效率差,所以常常使用利用4个相位的QPSK和利用8个相位的8PSK。总体来说这次实验的原理比较困难,但是转换为编程还是费了不少时间和精力的,特别是里边的一些算法,在C语言中要通过若干行代码才能实现,在MATLAB中一个函数就实现了,我为此还请教了同学,MATLAB的真的是又实用又方便,具有巨大的魅力,以后还要努力学习,争取连考试过了,然后再好好学习MATLAB,争取在MATLAB上取得一些成绩。通信原理是通信专业的一门主干技术基础课,通过该门课程的学习,使我们掌握确定信号调制解调原理的特性,信号的传输的特性,确定信号的发送与接收的基本方法以及某些典型系统引出的一些重要的基本概念。本设计要求采用Matlab实现对8PSK通信系统的蒙特卡罗仿真并且绘制相关的图形,此题比较难做涉及到的方面很多,对8PSK及蒙特卡罗仿算法