2Psk调制解解调.docx

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2Psk调制解解调

1引言

1.1数字调制的意义

数字调制是指用数字基带信号对载波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。

根据控制的载波参量的不同，数字调制有调幅、调相和调频三种基本形式，并可以派生出多种其他形式。

由于传输失真、传输损耗以及保证带内特性的原因，基带信号不适合在各种信道上进行长距离传输。

为了进行长途传输，必须对数字信号进行载波调制，将信号频谱搬移到高频处才能在信道中传输。

因此，大部分现代通信系统都使用数字调制技术。

另外，由于数字通信具有建网灵活，容易采用数字差错控制技术和数字加密，便于集成化，并能够进入综合业务数字网（ISDN网），所以通信系统都有由模拟方式向数字方式过渡的趋势。

因此，对数字通信系统的分析与研究越来越重要，数字调制作为数字通信系统的重要部分之一，对它的研究也是有必要的。

通过对调制系统的仿真，我们可以更加直观的了解数字调制系统的性能及影响性能的因素，从而便于改进系统，获得更佳的传输性能。

1.2课程设计的目的

通信原理是通信工程专业的一门骨干的专业课，是通信工程专业后续专业课的基础。

掌握通信原理课程的知识可使学生打下一个坚实的专业基础，可提高处理通信系统问题能力和素质。

由于通信工程专业理论深、实践性强，做好课程设计，对学生掌握本专业的知识、提高其基本能力是非常重要的。

通信课程设计的目的是为了学生加深对所学的通信原理知识理解，培养学生专业素质，提高利用通信原理知识处理通信系统问题的能力，为今后的专业课程的学习、毕业设计和工作打下良好的基础。

使学生能比较扎实地掌握本专业的基础知识和基本理论，掌握数字通信系统及有关设备的分析、开发等基本技能，受到必要工程训练和初步的科学研究方法和实践训练，增强分析和解决问题的能力，了解本通信专业的新发展。

1.3课程设计的基本任务和要求

本次课程设计的基本任务：

（1）使学生通过专业课程设计掌握通信中常用的信号处理方法，能够分析简单通信系统的性能。

（2）使学生掌握通信电路的设计方法，能够进行设计简单的通信电路系统。

（3）了解通信工程专业的发展现状及发展方向。

（4）与运用学过的MATLAB基本知识，熟悉MATLAB集成环境下的Simulink仿真平台的使用

课程设计中必须遵循下列要求：

（1）利用通信原理中学习的理论知识，在Simulik仿真平台中设计出各种调制与解调系统、基带传输系统、差错控制编解码系统等等，并按题目要求运行、检测系统仿真结果。

（2）构建调制电路，并用示波器观察调制前后的信号波形，用频谱分析模块观察调制前后信号频谱的变化。

（3）再以调制信号为输入，构建解调电路，用示波器观察调制前后的信号波形，用频谱分析模块观察调制前后信号频谱的变化。

（4）在调制与解调电路间加上噪声源，模拟信号在不同信道中的传输：

a用高斯白噪声模拟有线信道，b用瑞利噪声模拟有直射分量的无线信道，c用莱斯噪声模拟无直射分量的无线信道。

将三种噪声源的方差均设置为0.1，分析比较通过三种不同信道后的接收信号的性能。

（5）要求编写课程设计论文，正确阐述和分析设计和实验结果。

1.4设计平台

随着通信系统复杂性的增加,传统的手工分析与电路板试验等分析设计方法已经不能适应发展的需要,通信系统计算机模拟仿真技术日益显示出其巨大的优越性.。

计算机仿真是根据被研究的真实系统的模型,利用计算机进行实验研究的一种方法.它具有利用模型进行仿真的一系列优点,如费用低,易于进行真实系统难于实现的各种试验,以及易于实现完全相同条件下的重复试验等。

Matlab仿真软件就是分析通信系统常用的工具之一。

Matlab是一种交互式的、以矩阵为基础的软件开发环境,它用于科学和工程的计算与可视化。

Matlab的编程功能简单,并且很容易扩展和创造新的命令与函数。

应用Matlab可方便地解决复杂数值计算问题。

Matlab具有强大的Simulink动态仿真环境,可以实现可视化建模和多工作环境间文件互用和数据交换。

Simulink支持连续、离散及两者混合的线性和非线性系统,也支持多种采样速率的多速率系统;Simulink为用户提供了用方框图进行建模的图形接口,它与传统的仿真软件包用差分方程和微分方程建模相比,更直观、方便和灵活。

用户可以在Matlab和Simulink两种环境下对自己的模型进行仿真、分析和修改。

用于实现通信仿真的通信工具包（Communicationtoolbox,也叫Commlib,通信工具箱）是Matlab语言中的一个科学性工具包,提供通信领域中计算、研究模拟发展、系统设计和分析的功能,可以在Matlab环境下独立使用,也可以配合Simulink使用。

另外，Matlab的图形界面功能GUI（GraphicalUserInterface）能为仿真系统生成一个人机交互界面，便于仿真系统的操作。

因此，Matlab在通信系统仿真中得到了广泛应用，本文也选用该工具对数字调制系统进行仿真。

2设计原理

2.1通信的概念

通信[1]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）。

消息有模拟消息（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，信号是消息的物质载体。

相应的信号可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，如电船传机、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，也即信息（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。

通信从本质上来讲就是实现信息传递功能的一门科学技术，它要将大量有用的信息无失真，高效率地进行传输，同时还要在传输过程中将无用信息和有害信息抑制掉。

当今的通信不仅要有效地传递信息，而且还有储存、处理、采集及显示等功能，通信已成为信息科学技术的一个重要组成部分。

通信系统就是传递信息所需要的一切技术设备和传输媒质的总和，包括信息源、发送设备、信道、接收设备和信宿（受信者），它的一般模型如图2.1所示。

↑

图2.1通信系统一般模型

通信系统可分为数字通信系统和模拟通信系统。

数字通信系统是利用数字信号来传递消息的通信系统，其模型如图2.2所示，

图2.2数字通信系统模型

模拟通信系统是利用模拟信号来传递消息的通信系统，其模型如图2.3所示。

图2.3模拟通信系统模型

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越来越高的要求。

近二十年来，数字通信发展十分迅速，在整个通信领域中所占比重日益增长，在大多数通信系统中已代替模拟通信，成为当代通信系统的主流。

2.2二进制移相键控（2PSK[1]）

在二进制数字调制中,当正弦载波的相位随二进制数字基带信号离散变化时,则产生二进制移相键控（2PSK）信号.通常用已调信号载波的0°和180°分别表示二进制数字基带信号的1和0.二进制移相键控信号的时域表达式为

e2PSK（t）=g（t-nTs）]cosωct（2-1）

其中,an与2ASK和2FSK时的不同,在2PSK调制中,an应选择双极性,即

（2-2）

（2–3）

若g（t）是脉宽为Ts,高度为1的矩形脉冲时,则有

e2PSK（t）=cosωct,发送概率为P

-cosωct,发送概率为1-P

由式（2-3）可看出,当发送二进制符号1时,已调信号e2PSK（t）取0°相位,发送二进制符号0时,e2PSK（t）取180°相位.若用φn表示第n个符号的绝对相位,则有

φn=0°,发送1符号

180°,发送0符号

这种以载波的不同相位直接表示相应二进制数字信号的调制方式,称为二进制绝对移相方式.二进制移相键控信号的典型时间波形如图2.4所示.

图2.4二进制移相键控信号的时间波形

二进制移相键控信号的调制原理图如图2.5所示.其中图（a）是采用模拟调制的方法产生2PSK信号,图（b）是采用数字键控的方法产生2PSK信号.

2PSK信号的解调通常都是采用相干解调,解调器原理图如图2.6所示.在相干解调过程中需要用到与接收的2PSK信号同频同相的相干载波。

2PSK信号相干解调各点时间波形如图2.7所示.

（a）模拟调制方法

（b）键控法

图2.52PSK信号的调制原理框图

图2.62PSK信号的解调原理框图

图2.72PSK信号相干解调各点时间波形

2PSK信号的功率谱密度

若二进制基带信号s（t）的功率谱密度Ps（f）为

（2-4）

则二进制相移键控信号的功率谱密度为

（2-5）

整理后可得

（2-6）

二进制相移键控信号的功率谱密度如图2.8所示，由离散谱和连续谱两部分组成。

续谱两部分组成。

离散谱由载波分量确定，连续谱由基带信号波形g（t）确定，二进制相移键控信号的带宽B2PSK是基带信号波形带宽B的两倍,即B2PSK=2B。

图2.82PSK信号功率谱密度

3设计步骤

3.1Simulink[1]工作环境

（1）模型库

在MATLAB命令窗口输入“simulink”并回车，就可进入Simulink模型库

单击工具栏上的

按钮也可进入

Simulik模块库按功能进行分为以下8类子库：

Continuous（连续模块）Discrete（离散模块）Function&Tables（函数和平台模块）Math（数学模块）Nonlinear（非线性模块）Signals&Systems（信号和系统模块）Sinks（接收器模块）Sources（输入源模块）用户可以根据需要混合使用歌库中的模块来组合系统，也可以封装自己的模块，自定义模块库、从而实现全图形化仿真。

Simulink模型库中的仿真模块组织成三级树结构Simulink子模型库中包含了Continous、Discontinus等下一级模型库Continous模型库中又包含了若干模块，可直接加入仿真模型。

图3.1Simulink工具箱

（2）设计仿真模型

在MATLAB子窗口或Simulink模型库的菜单栏依次选择“File”|“New”|“Model”，即可生成空白仿真模型窗口

图3.2新建仿真模型窗口

（3）运行仿真

两种方式分别是菜单方式和命令行方式，菜单方式：

在菜单栏中依次选择"Simulation"|"Start"或在工具栏上单击

。

命令行方式：

输入“sim”启动仿真进程

比较这两种不同的运行方式：

菜单方式的优点在于交互性，通过设置示波器或显示模块即可在仿真过程中观察输出信号。

命令行方式启动模型后，不能观察仿真进程，但仍可通过显示模块观察输出，适用于批处理方式[3]。

3.22PSK的调制仿真

建立simulink模型方框图如下：

图3.12PSK调制

其中BernoulliBinaryGenerator为伯努利二进制随机数产生器，SineWave为载波模块，UnipolartoBipolarConverter为极性变换模块，PowerSpectralDensity是频谱仪

图3.2基带信号的参数设置

图3.3载波的参数设置

图3.4极性变换参数设定

图3.5频谱分析模块参数设定

各点的时间波形如下所示，其中

第一路为基带信号；

第二路是经过极性转换的双极性码；

第三路是载波波形；

第四路是调制的2PSK波形，原来PN码的+1电平用表示，-1电平用

表示。

图3.62PSK调制的时间波形

（a）调制前（b）调制后

图3.72PSK调制功率谱

从频谱图3.7可看出基带的频谱在0到20之间，调制好的2PSK信号频率谱在100到160之间，即载波频率（40*pi）-基带频率至载波频率（40*pi）+基带频率。

3.32PSK的相干解调仿真

建立simulink模型方框图如下

图3.82PSK调制和相干解调框图

BipolartoUnipolarConverter为极性变换模块，AnalogFilterDesign1为滤波器模块，Sign为判决模块，Scope为示波器，PowerSpectralDensity2为频谱分析模块。

参数设置如下：

图3.9带通、低通滤波器参数设置

图3.10sign函数参数设置

图3.11极性变换参数设定

调制信号经过带通滤波器之后，与本地的载波相乘，然后通过低通滤波器，去除信号中的高频成分，得到包含基带信号的低频成分。

最后抽样判决，得到基带信号的差分码波形

各点的时间波形如图3.12所示，其中

第一路为基带信号；

第二路是经过极性转换的双极性码；

第三路为调制的2PSK波形；

第四路是2PSK信号与载波相乘的波形，由于调制波形通过了调制信道，叠加了噪声，并且通过恢复载波，最后的波形就变成了下面的图形。

这是因为经过了恢复载波乘法器之后，2PSK叠加噪声之后的波形与恢复载波相乘，正正得正，正负得负，所以才形成了上下不一的图形；

第五路是低通滤波后的波形，通过低通滤波器之后相当于载波提取后的波形与低通滤波器的波形相互卷积，最后得出了下图。

并且下图的大概包络与载波提取后的波形包络大概相同，而且还有噪声的滤波器的一些不理想因素造成了滤波后的波形出现了波纹幅度；

第六路为抽样判决的波形，此图把滤波器输出波形大于0的部分判决成了+1电平，把小于0的判成了-1电平；

第八路为经过极性变换后的波形；

通过波形对比分析可知2PSK信号解调很成功。

图3.122PSK解调各点的时间波形

（a）滤波前（b）滤波前

图3.132PSK解调调功率谱

从图3.13（a）（b）可看出（a）（b）功率密度谱在0至25与图3.7（a）是相同的即基带信号功率谱，

3.4信道中加入高斯噪声仿真

所谓高斯白噪声是指由于热噪声是由大量自由电子的运动产生的，其统计特性服从高斯分布的这类热噪声。

图3.12是加入高斯白噪声的模型，在调制信道与相干解调信道之间加入高斯白噪声，将调制信号与白噪声相加即可。

再进行相干解调，高斯噪声的，参数设置如图3.13所示

图3.14加入高斯噪声的2PSK信号调制与相干解调

图3.15高斯噪声参数设置

各点的时间波形如图3.16所示，其中第一路是初始双极性码，第二路为加入方差为5的高斯白噪声后的解调信号，第三路为加入方差为15的高斯噪声后的解调信号

对比可知，加入方差为5的高斯噪声对2PSK相干解调几乎没影响，而加入方差为15的高斯噪声则有误码出现。

图3.16加入高斯噪声波形图

（a）方差为5（b）方差为15

图3.17加入高斯噪声后的功率谱

（a）方差为5（b）方差为15

图3.18滤波后的功率谱

分析图3.13（a）图3.17（a）（b）可知加入高斯白噪声，调制信号的波形发生了变化。

加入噪声后，调制的波形发生了失真，2PSK调制在加入噪声以后，其波形随着高斯噪声的方差增大失真更严重，其频谱图也与初始信号的频谱图相差更多。

分析图3.18，信号经过低通滤波器后，去除高频成分，得到包含基带信号的低频信号，加入方差越小的波形滤波后得到的信号与基带信号更相似。

3.5信道中加入瑞利噪声仿真

瑞利噪声实质是指噪声服从瑞利分布的噪声。

瑞利噪声是加性干扰，通过加法器加入信道，再对加了瑞利噪声的调制信号进行相干解调，信道加入瑞利噪声的模型如3.19所示。

其它的器件参数设置不改变，瑞利噪声方差参数设置如3.20所示。

图3.19加入瑞利噪声的2PSK信号调制与相干解调

图3.20瑞利噪声参数设置

各点的时间波形如图3.17，其中第一路是初始双极性码，第二路为加入方差为1瑞利噪声后的解调信号，第三路为加入方差为5的瑞利噪声后的解调信号。

对比可知，加入方差为1的瑞利噪声对2PSK相干解调几乎没影响，而加入方差为5的瑞利噪声则有误码出现。

图3.21加入瑞利噪声波形图

分析图3.13（a）图3.22（a）（b）、加入瑞利噪声，我们发现调制信号的波形发生了变化。

加入噪声后，调制的波形发生了失真，2PSK调制在加入噪声以后，其波形随着瑞利噪声的方差增大失真更严重，其频谱图也与初始信号的频谱图相差更多。

分析图3.23，信号经过低通滤波器后，去除高频成分，得到包含基带信号的低频信号，加入方差越小的波形滤波后得到的信号与基带信号更相似。

（a）方差为1（b）方差为5

图3.22加入瑞利噪声后的功率谱

（a）方差为1（b）方差为5

图3.23滤波后的功率谱

3.6信道中加入莱斯噪声仿真

莱斯噪声实质是指噪声服从莱斯分布的噪声。

莱斯噪声是乘性干扰，在调制信道与相干解调信道之间加入莱斯噪声，其模型如图3.24，运行加入莱斯噪声模型，用示波器观察加入方差为1和3的莱斯噪声解调后的时域波形区别。

莱斯噪声的参数设置框如图3.25所示，其它参数不变。

图3.24加入莱斯噪声的2PSK信号调制与相干解调

（a）方差为1（b）方差为3

图3.25莱斯噪声参数设置

各点的时间波形如图3.20，其中第一路是初始双性码，第二路为加入方差为1莱斯噪声后的解调信号，第三路为加入方差为3莱斯噪声后的解调信号。

对比可知，加入方差为1的莱斯噪声对2PSK相干解调几乎没影响，而加入方差为3的莱斯噪声则有误码出现。

图3.26加入莱斯噪声波形图

（a）方差为1（b）方差为3

图3.27加入莱斯噪声后的功率谱

（a）方差为1（b）方差为3

图3.28滤波后的功率谱

分析图3.13（a）图3.27（a）（b）、加入莱斯噪声，我们发现调制信号的波形发生了变化。

加入噪声后，调制的波形发生了失真，2PSK调制在加入噪声以后，其波形随着莱斯噪声的方差增大失真更严重，其频谱图也与初始信号的频谱图相差更多。

分析图3.28，信号经过低通滤波器后，去除高频成分，得到包含基带信号的低频信号，加入方差越小的波形滤波后得到的信号与基带信号更相似。

结束语

此次通信原理课程设计虽然时间只有短短的两周时间，但是在两周时间内我收获到了很多原来没有体验过的东西。

本课程设计的目的主要是让我们了解仿真通信系统中的调制与解调的系统仿真。

这次课程设计使我学会了用MATLAB/Simulink仿真系统初步的设计方法，初步了解了如何用MATLAB/Simulink这个仿真软件进行2PSK调制与解调系统的设计。

通过做2PSK调制与相干解调课程设计，我对通信领域的知识得到了更深一步的了解。

熟悉地掌握了2PSK调制与相干解调的原理和方法。

2PSK调制的方法是将基带信号转换成双极性信号再与载波相乘后，即可产生2PSK调制信号。

而相干解调的方法是将2PSK调制信号与在波相乘后通过全波整流器和低通滤波器即可恢复原始信号。

若加入噪声，则是将2PSK带调试信号与噪声源相加，再进行相干解调的步骤即可。

在这次课程设计中，有许多的知识都不是很懂，通过课设中查阅资料等，我拓宽了知识面，增长了见识。

在这过程中我遇到了很多困难，其中两大难点就是参数设置的调整和Simulink的应用，切身体会到自己的英文知识欠佳，必须靠翻译来理解英文。

不过，很欣慰自己可以坚持到底，也是自己独立完成的课程设计，最后圆满完成课程设计任务。

通过这次的课程设计，我了解到了做任何事都要有耐心、更是要细心做事。

这次的课程设计让意识到自己的原理知识还是不够好，在今后的学习中我们需要更努力的学习课本的专业知识，才能更好的服务于实践中。

在这次的课程设计中我得到了黄老师、胡老师及同学们的大力帮助，让我能完成这次课程设计。

致谢

本设计在指导老师的悉心指导和严格要求下已完成，从课题选择、方案论证到具体设计和调试，无不凝聚着老师的心血和汗水。

在这次课程设计中，我曾遇到过不少问题和技术难题，单凭我个人的努力，很难按时完成该课程设计及报告。

在此，我衷心感谢我的指导老师。

参考文献

[1]樊昌信，曹丽娜．通信原理．第6版．国防工业出版社，2010

[2]维纳·K·英格尔，约翰·G·普罗克斯．数字信号处理（MATLAB版）．西安交通大学，2009

[3]张志涌．精通MATLAB6.5．北京航天航空大学，2009

[4]黄文梅，熊桂林，杨勇．信号分析与处理－MATLAB语言及应用．国防科技大学出版社，2000

[5]韩利竹，王华．MATLAB电子仿真与应用．第2版．国防工业出版社，2003