通信原理課程設(shè)計(jì)基于MATLAB的2PSK2DPSK仿真

1、 江西農(nóng)業(yè)大學(xué)通信原理課程設(shè)計(jì)報(bào)告題 目 基于Matlab的相移鍵控仿真設(shè)計(jì)專 業(yè) 電子信息工程 學(xué)生姓名 曾凡文 學(xué) 號(hào) 20121206 二 0 一五 年 六 月基于Matlab的2PSK,2DPSK仿真 摘要：現(xiàn)代通信系統(tǒng)要求通信距離遠(yuǎn)、通信容量大、傳輸質(zhì)量好，作為其關(guān)鍵技術(shù)之一的調(diào)制技術(shù)一直是研究的一個(gè)重要方向。本設(shè)計(jì)主要敘述了數(shù)字信號(hào)的調(diào)制方式，介紹了2PSK數(shù)字調(diào)制方式的基本原理，功率譜密度，并運(yùn)用MATLAB軟件對(duì)數(shù)字調(diào)制方式2PSK進(jìn)行了編程仿真實(shí)現(xiàn),在MATLAB平臺(tái)上建立2PSK和2DPSK調(diào)制技術(shù)的仿真模型。進(jìn)一步學(xué)習(xí)了MATLAB編程軟件，將MATLAB與通信系統(tǒng)中數(shù)字

2、調(diào)制知識(shí)聯(lián)系起來，為以后在通信領(lǐng)域?qū)W習(xí)和研究打下了基礎(chǔ)在計(jì)算機(jī)上，運(yùn)用MATLAB軟件來實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)字信號(hào)調(diào)制技術(shù)的仿真。 課程設(shè)計(jì)目的：通過課程設(shè)計(jì)，鞏固已學(xué)過的*知識(shí)，加深對(duì)其理解和應(yīng)用，學(xué)會(huì)應(yīng)用Matlab Simulink工具對(duì)通信系統(tǒng)仿真。關(guān)鍵詞：數(shù)字調(diào)制與解調(diào)；MATLAB；2PSK；2DPSK；第1章 基本工作原理1.1 2PSK原理1.1.1 2PSK基本原理二進(jìn)制移相鍵控，簡(jiǎn)記為2PSK或BPSK。2PSK信號(hào)碼元的“0”和“1”分別用兩個(gè)不同的初始相位“0”和“”來表示，而其振幅和頻率保持不變.因此，2PSK信號(hào)的時(shí)域表達(dá)式為:(t)=Acost+) 其中，表示第n個(gè)符號(hào)的絕對(duì)

3、相位：= 因此，上式可以改寫為: 這種以載波的不同相位直接表示相應(yīng)二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)的調(diào)制方式,稱為二進(jìn)制移相鍵控方式。二進(jìn)制移相鍵控信號(hào)的典型時(shí)間波形如圖1-1。圖1-1 二進(jìn)制相移鍵控信號(hào)的時(shí)間波形1.1.2 2PSK調(diào)制原理在二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制中，當(dāng)正弦載波的相位隨二進(jìn)制數(shù)字基帶信號(hào)離散變化時(shí)，則產(chǎn)生二進(jìn)制移相鍵控(2PSK)信號(hào)。2PSK信號(hào)調(diào)制有兩種方法，即模擬調(diào)制法和鍵控法。通常用已調(diào)信號(hào)載波的 0°和 180°分別表示二進(jìn)制數(shù)字基帶信號(hào)的 1 和 0，模擬調(diào)制法用兩個(gè)反相的載波信號(hào)進(jìn)行調(diào)制。2PSK以載波的相位變化作為參考基準(zhǔn)的，當(dāng)基帶信號(hào)為0時(shí)相位相對(duì)于初始相位為0

4、°，當(dāng)基帶信號(hào)為1時(shí)相對(duì)于初始相位為180°。鍵控法，是用載波的相位來攜帶二進(jìn)制信息的調(diào)制方式。通常用0°和180°來分別代表0和1。其時(shí)域表達(dá)式為：其中，2PSK的調(diào)制中an必須為雙極性碼。兩種方法原理圖分別如圖1-2和圖1-3所示。圖1-2 模擬調(diào)制原理圖圖 1-3 鍵控法原理圖 1.1.3 2PSK解調(diào)原理由于2PSK的幅度是恒定的，必須進(jìn)行相干解調(diào)。經(jīng)過帶通濾波的信號(hào)在相乘器中與本地載波相乘，然后用低通濾波器濾除高頻分量，在進(jìn)行抽樣判決。判決器是按極性來判決的。即正抽樣值判為1，負(fù)抽樣值判為0。2PSK信號(hào)的相干解調(diào)原理圖如圖1-4所示，各點(diǎn)的波

5、形如圖1-5所示。由于2PSK信號(hào)的載波回復(fù)過程中存在著180°的相位模糊，即恢復(fù)的本地載波與所需相干載波可能相同，也可能相反，這種相位關(guān)系的不確定性將會(huì)造成解調(diào)出的數(shù)字基帶信號(hào)與發(fā)送的基帶信號(hào)正好相反，即“1”變成“0”嗎“0”變成“1”，判決器輸出數(shù)字信號(hào)全部出錯(cuò)。這種現(xiàn)象稱為2PSK方式的“倒”現(xiàn)象或“反相工作”。 圖 1-4 2PSK的相干解調(diào)原理圖圖 1-5 相干解調(diào)中各點(diǎn)波形圖1.2 2DPSK原理1.2.1 2DPSK基本原理二進(jìn)制差分相移鍵控常簡(jiǎn)稱為二相相對(duì)調(diào)相，記為2DPSK。它不是利用載波相位的絕對(duì)數(shù)值傳送數(shù)字信息，而是用前后碼元的相對(duì)載波相位值傳送數(shù)字信息。所謂

6、相對(duì)載波相位是只本碼元初相與前一碼元初相之差。傳輸系統(tǒng)中要保證信息的有效傳輸就必須要有較高的傳輸速率和很低的誤碼率。在傳輸信號(hào)中，2PSK信號(hào)和2ASK及2FSK信號(hào)相比，具有較好的誤碼率性能，但是，在2PSK信號(hào)傳輸系統(tǒng)中存在相位不確定性，并將造成接收碼元“0”和“1”的顛倒，產(chǎn)生誤碼。為了保證2PSK的優(yōu)點(diǎn)，又不會(huì)產(chǎn)生誤碼，將2PSK體制改進(jìn)為二進(jìn)制差分相移鍵控（2DPSK），及相對(duì)相移鍵控。2DPSK方式即是利用前后相鄰碼元的相對(duì)相位值去表示數(shù)字信息的一種方式?，F(xiàn)假設(shè)用表示本碼元初相與前一碼元初相之差，并規(guī)定：0表示0碼，表示1碼。則數(shù)字信息序列與2DPSK信號(hào)的碼元相位關(guān)系可舉例表示如

7、2PSK信號(hào)是用載波的不同相位直接去表示相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)而得出的，在接收端只能采用相干解調(diào)，它的時(shí)域波形圖見圖1-6。圖1-6 2DPSK信號(hào)波形圖1.2.2 2DPSK調(diào)制原理二進(jìn)制差分相移鍵控。2DPSK方式是用前后相鄰碼元的載波相對(duì)相位變化來表示數(shù)字信息。假設(shè)前后相鄰碼元的載波相位差為，可定義一種數(shù)字信息與之間的關(guān)系為：為前一碼元的相位。實(shí)現(xiàn)二進(jìn)制差分相移鍵控的最常用的方法是：先對(duì)二進(jìn)制數(shù)字基帶信號(hào)進(jìn)行差分編碼，然后對(duì)變換出的差分碼進(jìn)行絕對(duì)調(diào)相即可。2DPSK調(diào)制原理圖如圖1-7所示。 圖1-7 2DPSK調(diào)制原理框圖 1.2.3 2DPSK解調(diào)原理2DPSK信號(hào)解調(diào)有相干解調(diào)方式和差分相

8、干解調(diào)。用差分相干解調(diào)這種方法解調(diào)時(shí)不需要恢復(fù)本地載波，只要將DPSK信號(hào)精確地延遲一個(gè)碼元時(shí)間間隔，然后與DPSK信號(hào)相乘，相乘的結(jié)果就反映了前后碼元的相對(duì)相位關(guān)系，經(jīng)低通濾波后直接抽樣判決即可恢復(fù)出原始的數(shù)字信息，而不需要在進(jìn)行差分解碼。 第二章 設(shè)計(jì)系統(tǒng) 2.1框圖兩種解調(diào)方式的原理框圖如圖1-8和圖1-9所示。 圖 1-8 2DPSK差分相干解調(diào)原理框圖圖 1-9 2DPSK相干解調(diào)原理框圖 2.2工作原理相干解調(diào)碼變換法及相干解調(diào)法的解調(diào)原理是，先對(duì)2DPSK信號(hào)進(jìn)行相干解調(diào)，恢復(fù)出相對(duì)碼，再通過碼反變換器變換為絕對(duì)碼，從而恢復(fù)出發(fā)送的二進(jìn)制數(shù)字信息。在解調(diào)過程中，若相干載波產(chǎn)生相位

9、模糊，解調(diào)出的相對(duì)碼將產(chǎn)生倒置現(xiàn)象，但是經(jīng)過碼反變換器后，輸出的絕對(duì)碼不會(huì)發(fā)生任何倒置現(xiàn)象，從而解決了載波相位模糊的問題。本次設(shè)計(jì)采用相干解調(diào)。2.3設(shè)定參數(shù)如附錄1 第三章 Matlab仿真 3.1顯示系統(tǒng)不同部分的信號(hào)波形 PSK如圖3-1和圖3-2所示 圖3-1 圖3-23.1.2 2DPSK如圖3-3、圖3-4和圖3-5所示 圖3-3 圖3-4 圖3-5 3.2各種相移系統(tǒng)的比較和分析 例如“倒”現(xiàn)象  對(duì)于相同的數(shù)字信號(hào)基帶序列，由于初始相位不同，2DPSK信號(hào)的相位并不直接代表基帶信號(hào)，而前后碼元相對(duì)相位的差才唯一決定信號(hào)的符號(hào)。2PSK信號(hào)載波恢復(fù)過程中，存在著180&

10、#176;的相位模糊即恢復(fù)的本地載波與與所需的想干載波可能同相也可能反相，這種相位關(guān)系的不確定性將會(huì)造成解調(diào)出來的數(shù)字基帶信號(hào)與發(fā)送的數(shù)字基帶信號(hào)正好相反，即“1”變成“0”，“0”變成“1”，判決器輸出的數(shù)字信號(hào)全部出錯(cuò), 這種現(xiàn)象稱為2PSK的“倒”現(xiàn)象或“反相工作”。 本地載波與發(fā)送端載波反向時(shí)，2PSK的解調(diào)波形與2DPSK完全相反 3.3不同方式解調(diào)下PSK、DPSK的誤碼率 誤碼率是指接收的碼元數(shù)在傳輸總碼元數(shù)中所占的比例，即： 誤碼率=錯(cuò)誤碼元數(shù)÷傳輸總碼元數(shù) PSK相干解調(diào)： 誤碼率Pe=1/2erfc（r/2） DPSK相干解調(diào)： 誤碼率Pe=1

11、/2erfc(r) DPSK差分非相干解調(diào)： 誤碼率pe=1/2e(-r)  r為信噪比。 誤碼率是衡量一個(gè)數(shù)字通信系統(tǒng)性能的重要指標(biāo)。在信道高斯白噪聲的干擾下，各種二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的誤碼率取決于解調(diào)器輸入信噪比，而誤碼率表達(dá)式的形式則取決于解調(diào)方式。對(duì)于所有的數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)誤碼率與信噪比的關(guān)系的圖表來看，所有的曲線呈減函數(shù)的下降曲線，即隨著信噪比的增大，誤碼率降低。橫向比較來看，對(duì)于同一種調(diào)制方式，當(dāng)信噪比相同時(shí)，采用相干解調(diào)方式的誤碼率低于非相干解調(diào)方式的誤碼率；縱向比較來看，對(duì)2PSK,2DPSK兩種調(diào)制方式若采用同一種解調(diào)方式（相干解調(diào)或非相干解調(diào)），則2PSK的誤碼率最低，

12、2DSPK的誤碼率次之。當(dāng)信噪比一定時(shí)，誤碼率由低到高依次是：2PSK的相干解調(diào)，2DPSK的相干解調(diào)，2DPSK的差分解的非相干調(diào)。附錄12PSK調(diào)制解調(diào)程序及注釋：clear allclose alli=10;j=5000;fc=4.6;               %載波頻率fm=i/5;           &

13、#160; %碼元速率B=2*fm;t=linspace(0,5,j);a=round(rand(1,i);    %隨機(jī)序列,基帶信號(hào)figure(3);stem(a);st1=t;for n=1:10    if a(n)<1;        for m=j/i*(n-1)+1:j/i*n        &#

14、160;   st1(m)=0;        end    else        for m=j/i*(n-1)+1:j/i*n            st1(m)=1;     

15、60;  end    endendfigure(1);subplot(411);plot(t,st1);title('基帶信號(hào)st1');axis(0,5,-1,2);%由于PSK中的是雙極性信號(hào)，因此對(duì)上面所求單極性信號(hào)取反來與之一起構(gòu)成雙極性碼st2=t;               for k=1:j;    if

16、 st1(k)>=1;        st2(k)=0;    else        st2(k)=1;    endend;subplot(412);plot(t,st2);title('基帶信號(hào)反碼st2');axis(0,5,-1,2);st3=st1-st2;subplot(413);plot(t,st3);titl

17、e('雙極性基帶信號(hào)st3');axis(0,5,-2,2);s1=sin(2*pi*fc*t);subplot(414);plot(s1);title('載波信號(hào)s1');e_psk=st3.*s1;figure(2);subplot(511);plot(t,e_psk);title('e_2psk');noise=rand(1,j);psk=e_psk+noise;            %加入噪聲subplot(512);

18、plot(t,psk);title('加噪后波形');psk=psk.*s1;                %與載波相乘subplot(513);plot(t,psk);title('與載波s1相乘后波形');f,af = T2F(t,psk);           

19、0;  %通過低通濾波器t,psk = lpf(f,af,B);subplot(514);plot(t,psk);title('低通濾波后波形');for m=0:i-1;    if psk(1,m*500+250)<0;       for j=m*500+1:(m+1)*500;         &#

20、160;  psk(1,j)=0;       end    else       for j=m*500+1:(m+1)*500;           psk(1,j)=1;       end &

21、#160;  endendsubplot(515);plot(t,psk);axis(0,5,-1,2);title('抽樣判決后波形')2DPSK調(diào)制解調(diào)程序及注釋:clear allclose alli=10;j=5000;fc=4.6;                     %載波頻率fm=i/5;  &

22、#160;                 %碼元速率B=2*fm;t=linspace(0,5,j);a=round(rand(1,i);figure(4);stem(a);st1=t;for n=1:10    if a(n)<1;        for m=j/i*(

23、n-1)+1:j/i*n            st1(m)=0;        end    else        for m=j/i*(n-1)+1:j/i*n        

24、0;   st1(m)=1;        end    endendfigure(1);subplot(321);plot(t,st1);title('絕對(duì)碼');axis(0,5,-1,2);b=zeros(1,i);                 %全零矩

25、陣b(1)=a(1);for n=2:10    if a(n)>=1;        if b(n-1)>=1            b(n)=0;        else     &#

26、160;      b(n)=1;        end    else        b(n)=b(n-1);    endendst1=t;for n=1:10    if b(n)<1;   

27、60;    for m=j/i*(n-1)+1:j/i*n            st1(m)=0;        end    else        for m=j/i*(n-1)+1:j/i*n 

28、60;          st1(m)=1;        end    endendsubplot(323);plot(t,st1);title('相對(duì)碼st1');axis(0,5,-1,2);st2=t;   for k=1:j;    if st1(k)>=1

29、;        st2(k)=0;    else        st2(k)=1;    endend;subplot(324);plot(t,st2);title('相對(duì)碼反碼st2');axis(0,5,-1,2);s1=sin(2*pi*fc*t);subplot(325);plot(s1);title('載波信號(hào)s1

30、9;);s2=sin(2*pi*fc*t+pi);subplot(326);plot(s2);title('載波信號(hào)s2');d1=st1.*s1;d2=st2.*s2;figure(2);subplot(411);plot(t,d1);title('st1*s1');subplot(412);plot(t,d2);title('st2*s2');e_dpsk=d1+d2;subplot(413);plot(t,e_dpsk);title('調(diào)制后波形');noise=rand(1,j);dpsk=e_dpsk+noise;

31、60;              %加入噪聲subplot(414);plot(t,dpsk);title('加噪聲后信號(hào)');dpsk=dpsk.*s1;                    %與載波s1相乘figure(3);subplo

32、t(411);plot(t,dpsk);title('與載波相乘后波形');f,af=T2F(t,dpsk);                  %通過低通濾波器t,dpsk=lpf(f,af,B);subplot(412);plot(t,dpsk);title('低通濾波后波形');st=zeros(1,i);      &

33、#160;                 %全零矩陣for m=0:i-1;    if dpsk(1,m*500+250)<0;       st(m+1)=0;        for j=m*500

34、+1:(m+1)*500;            dpsk(1,j)=0;        end    else        for j=m*500+1:(m+1)*500;            st(m+1)=1;            dpsk(1,j)=1;