數(shù)字信號處理

1、數(shù)字信號處理 BPSK的調(diào)制與解調(diào)摘要：隨著數(shù)字信號處理技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)字化軟件無線電接收機已經(jīng)成為趨勢，調(diào)制/解調(diào)技術(shù)是數(shù)字通信系統(tǒng)中的核心技術(shù)。現(xiàn)代計算機科學(xué)技術(shù)快速發(fā)展，使得通信系統(tǒng)仿真的設(shè)計和分析過程變得相對直觀和便捷，由此也使得通信系統(tǒng)仿真技術(shù)得到了更快的發(fā)展。通信系統(tǒng)仿真具有廣泛的適應(yīng)性和極好的靈活性,有助于更好地研究通信系統(tǒng)性能。為了使數(shù)字信號在信道中有效地傳播，必須使用數(shù)字基帶信號的調(diào)制與解調(diào)，以使得信號與信道的特性相匹配。基于matlab實驗平臺實現(xiàn)對數(shù)字信號的2psk的調(diào)制與解調(diào)的模擬。本文詳細的介紹了PSK波形的產(chǎn)生和仿真過程加深了我們對數(shù)字信號調(diào)制與解調(diào)的認知程度。關(guān)

2、鍵字：2PSK;調(diào)制與解調(diào)；MATLAB1 引言當(dāng)今社會已經(jīng)步入信息時代，在各種信息技術(shù)中，信息的傳輸及通信起著支撐作用。而對于信息的傳輸，數(shù)字通信已經(jīng)成為重要的手段。因此，數(shù)字信號的調(diào)制就顯得非常重要。調(diào)制分為基帶調(diào)制和帶通調(diào)制。不過一般狹義的理解調(diào)制為帶通調(diào)制。帶通調(diào)制通常需要一個正弦波作為載波，把基帶信號調(diào)制到這個載波上，使這個載波的一個或者幾個參量上載有基帶數(shù)字信號的信息，并且還要使已調(diào)信號的頻譜倒置適合在給定的帶通信道中傳輸。特別是在無線電通信中，調(diào)制是必不可少的，因為要使信號能以電磁波的方式發(fā)送出去，信號所占用的頻帶位置必須足夠高，并且信號所占用的頻帶寬度不能超過天線的的通頻帶，所

3、以基帶信號的頻譜必須用一個頻率很高的載波調(diào)制，使期帶信號搬移到足夠高的頻率上，才能夠通過天線發(fā)送出去。主要通過對它們的三個參數(shù)進行調(diào)制，振幅，角頻率，和相位。使這三個參量都按時間變化。所以基帶的數(shù)字信號調(diào)制主要有三種方式：FSK，PSK，ASK。在這三種調(diào)制的基礎(chǔ)上為了得到更高的效果也出現(xiàn)了很多其它的調(diào)制方式，如：DPSK，MASK，MFSK，MPSK，APK。它們其中有的一些是將基本的調(diào)制方式用在多進制上或者引入了一些新的方式來解決基本調(diào)制的一些問題如相位模糊和無法提取位定時信號，另外一些由是組合多種基本的調(diào)制方式來達到更好的效果。基帶信號的調(diào)制主要分為線性調(diào)制和非線性調(diào)制，線性調(diào)制是指已調(diào)

4、信號的頻譜結(jié)構(gòu)與原基帶信號的頻譜結(jié)構(gòu)基本相同，只是占用的頻率位置搬移了。而非線性調(diào)制則是指它們的結(jié)構(gòu)完全不同不僅僅是頻譜搬移，在接收方會出現(xiàn)很多新的頻譜分量。在三種基本的調(diào)制中，ASK屬于線性調(diào)制，而FSK和PSK屬于非線性調(diào)制。已調(diào)信號會在接收方通過各種方式通過解調(diào)得到，但是由于噪聲和碼間串?dāng)_，總會有一定的失真。所以人們總是在尋找不同的接收方式來降低誤碼率，其中的接收方式主要有相干接收和非相干接收。在接收方通過載波的相位信號去檢測信號的方法稱為相干檢測，反之若不利用就稱為非相干檢測，而對于一些特別的調(diào)制有特別的解調(diào)方式，如過零檢測法。系統(tǒng)的性能好壞取決于傳輸信號的誤碼率，而誤碼率不僅僅與信道

5、、接收方法有關(guān)還和發(fā)送端采用的調(diào)制方式有很大的關(guān)系。我們研究的ASK，F(xiàn)SK，PSK等就主要是發(fā)送方的調(diào)制方式。本文主要對2PSK信號的原理及其相干解調(diào)系統(tǒng)性能進行了分析和仿真，這樣能讓我們對數(shù)字調(diào)制方式有一個更清楚的認識。 2 BPSK數(shù)字調(diào)制/解調(diào)原理2.1 相移鍵控系統(tǒng)概述相移鍵控是目前擴頻系統(tǒng)中大量使用的調(diào)制方式，也是和擴頻技術(shù)結(jié)合最成熟的調(diào)制技術(shù)，原則上看是一種線性調(diào)制。從基帶變換到中頻以及射頻，中間的頻譜搬移和信號放大需要一個要求較高的線性信道，因而，設(shè)計要求較高。相移鍵控系統(tǒng)中，有待傳輸?shù)幕鶐?shù)字脈沖控制著載波相位的變化，從而形成振幅與頻率不變，而相位取離散值變化的已調(diào)波。2.2

6、數(shù)字帶通傳輸分類數(shù)字信號的傳輸方式分為基帶傳輸和帶通傳輸，在實際應(yīng)用中，大多數(shù)信道具有帶通特性而不能直接傳輸基帶信號。為了使數(shù)字信號在帶通信道中傳輸，必須使用數(shù)字基帶信號對載波進行調(diào)制，以使信號與信道的特性相匹配。這種用數(shù)字基帶信號控制載波，把數(shù)字基帶信號變換為數(shù)字帶通信號的過程稱為數(shù)字調(diào)制。數(shù)字帶通傳輸中一般利用數(shù)字信號的離散取值特點通過開關(guān)鍵控載波，從而實現(xiàn)數(shù)字調(diào)制，比如對載波的振幅、頻率和相位進行鍵控可獲得振幅鍵控（ASK）、頻移鍵控（FSK）和相移鍵控（PSK）。這三種數(shù)字調(diào)制方式在抗干擾噪聲能力和信號頻譜利用率等方面，以相干PSK的性能最好，目前已在中、高速傳輸數(shù)據(jù)時得到廣泛的應(yīng)用。

7、2.3 BPSK信號調(diào)制/解調(diào)原理2.3.1 BPSK信號調(diào)制原理二進制相移鍵控 BPSK（Binary Phase Shift Keying）方式一般是鍵控的載波相位按基帶脈沖序列的規(guī)律而改變的數(shù)字調(diào)制方式，也就是說，二進制的數(shù)字基帶信號 0 與 1 分別用相干調(diào)制的載波的 0 與相位的波形來表示。其表達式由公式（1-1）給出： （1-1）其中為雙極性的二進制數(shù)字序列，的取值為± 1，為二進制的符號間隔，基帶的發(fā)送成形濾波器的沖激響應(yīng)，通常具有升余弦特性；是調(diào)制載波的頻率，是調(diào)制載波的初始相位。用 BPSK 調(diào)制方式時，因為發(fā)送端以某一個相位作為基準(zhǔn)，所以在接收端也一定有這樣一個固

8、定的基準(zhǔn)相位作為參考。假如參考相位發(fā)生變化了，那么接收端恢復(fù)的信息也會出錯，也就是存在“倒”現(xiàn)象。因此需要在接收端使用載波同步，才能夠正確恢復(fù)出基帶的信號。BPSK信號的調(diào)制原理框圖如圖2-1所示，典型波形如圖2-2所示。圖2-1 BPSK調(diào)制原理圖 圖2-2 發(fā)送碼元為1 0 0 1 1的BPSK波形BPSK信號的頻譜如圖2-3所示，可以計算頻譜效率，所謂頻譜效率是指信號傳輸速率與所占帶寬之比。在BPSK中，信號碼元為，故信號傳輸速率為，以頻譜的主瓣寬度為傳輸帶寬，忽略旁瓣的影響，則射頻帶寬為2/，頻譜效率為：（每赫） 即每赫茲帶寬傳輸0.5b/s。注意，這里是以射頻帶寬計算的，若以基帶帶寬

9、來計算，那就是每赫茲1 b/s。 圖2-3 BPSK的頻譜BPSK的調(diào)制器非常簡單，只要把數(shù)字信號與載波相乘即可。不過這里數(shù)字信號的“0”要用“-1”來表示（在數(shù)字通信中，符號“1”用“+1”來表示，“0”則用“-1”來表示）。由圖2-3可見，BPSK波形與信息代碼之間的關(guān)系是“異變同不變”，即：若本碼元與前一碼元相異，則本碼元內(nèi)BPSK信號的初相相對于前一碼元內(nèi)BPSK信號末相變化180°；否則不變。2.3.2 BPSK 信號解調(diào)原理因為BPSK信號的幅度與基帶信號無關(guān)，故不能用包絡(luò)檢波法而只能用相干解調(diào)法解調(diào)BPSK信號，在相干解調(diào)過程中需要用到與接收的BPSK信號同頻同相的相干

10、載波,相干接收機模型如圖2-4所示： 圖2-4 BPSK相干接收機模型具體的BPSK信號解調(diào)原理框圖如圖2-5所示。圖2-5 BPSK解調(diào)原理框圖如圖2-5給出了一種BPSK信號相干解調(diào)原理框圖，圖中經(jīng)過帶通濾波的信號在相乘器與本地載波相乘，在相干解調(diào)中，如何得到與接收的BPSK信號同頻同相的相干載波是關(guān)鍵，然后用低通濾波器去除高頻分量，再進行積分采樣判決，判決器是按極性進行判決，得到最終的二進制信息。假設(shè)相干載波的基準(zhǔn)相位于BPSK信號的調(diào)制載波的基準(zhǔn)相位一致。但是，由于在BPSK信號的載波恢復(fù)過程中存在º的相位迷糊（phase ambiguity），即恢復(fù)的本地載波與所需的相干載

11、波可能同相，也可能反相，這種相位關(guān)系的不確定性將會造成解調(diào)出數(shù)字基帶信號與發(fā)送的數(shù)字基帶信號正好相反，即1變?yōu)?，0變?yōu)?，判決器輸出數(shù)字信號全部出錯。這種現(xiàn)象稱為BPSK方式的倒現(xiàn)象。載波同步器從BPSK信號中提取的相干載波可能與接收信號的載波同相，也可能反相，稱此為相干載波的相位模糊現(xiàn)象。如果收到的信號與載波信號同相，則相乘為正值，積分采樣后必為一大于0的值，即可判決為“1”。如果收到的信號與參考信號相反，則相乘之后必為負值，積分采樣后判決為“0”，因此解調(diào)完成。具體波形如圖2-6所示。圖2-6 BPSK解調(diào)信號示意圖3 各模塊功能及主要模塊的流程圖各模塊功能及主要流程圖2PSK信號的調(diào)制

12、器鍵控法原理方框圖如圖3.2.1：圖 3.2.1 2PSK信號的調(diào)制器原理方框圖說明：2psk調(diào)制器可以采用相乘器，也可以采用相位選擇器就模擬調(diào)制法而言，與產(chǎn)生2ASK信號的方法比較，只是對s(t)要求不同，因此2PSK信號可以看作是雙極性基帶信號作用下的DSB調(diào)幅信號。而就鍵控法來說，用數(shù)字基帶信號s(t)控制開關(guān)電路，選擇不同相位的載波輸出，這時s(t)為單極性NRZ或雙極性NRZ脈沖序列信號均可。 2PSK信號屬于DSB信號，它的解調(diào)，不再能采用包絡(luò)檢測的方法，只能進行相干解調(diào)。2PSK信號的解調(diào)通常采用相干解調(diào)法原理框圖如圖3.2.2：圖 3.2.2 2PSK信號的相干解調(diào)原理方框圖圖

13、中，假設(shè)相干載波的基準(zhǔn)相位與2PSK信號的基準(zhǔn)一致（通常默認為0相位）。說明：由于PSK信號的功率譜中五載波分量，所以必須采用相干解調(diào)的方式。在相干解調(diào)中，如何得到同頻同相的本地載波是個關(guān)鍵問題。只有對PSK信號進行非線性變換，才能產(chǎn)生載波分量。2PSK信號經(jīng)過帶通濾波器得到有用信號，經(jīng)相乘器與本地載波相乘再經(jīng)過低通濾波器得到低頻信號v(t)，再經(jīng)抽樣判決得到基帶信號。2PSK相干解調(diào)系統(tǒng)性能原理框圖 如圖3.2.3圖 3.2.3 2PSK相干解調(diào)系統(tǒng)性能原理方框圖由最佳判決門限分析可知，在發(fā)送“1”符號和發(fā)送“0”符號概率相等時，最佳判決門限b* = 0。此時，發(fā)“1”而錯判為“0”的概率為

14、同理，發(fā)送“0”而錯判為“1”的概率為 故2PSK信號相干解調(diào)時系統(tǒng)的總誤碼率為在大信噪比條件下，上式可近似為4 軟件調(diào)試分析 圖 4.1.1 2PSK系統(tǒng)信號解調(diào)前波形圖 圖 4.1.2 2PSK系統(tǒng)信號解調(diào)波形圖 圖 4.1.3 2PSK系統(tǒng)信號解調(diào)前頻譜圖 圖 4.1.4 2PSK系統(tǒng)信號解調(diào)頻譜圖 4.1.1說明：基帶信號經(jīng)過調(diào)制系統(tǒng)生成PSK信號，信道中可能會有噪音干擾，經(jīng)過帶通濾波器過濾出有用信號。圖 4.1.2說明：信道內(nèi)的PSK信號經(jīng)過帶通濾波器過濾出有用信號，經(jīng)過相乘器和載波信號相乘，所得信號通過低通濾波器得到低頻信號，再經(jīng)抽樣判決得到基帶信號。圖 4.1.3說明：信源信號是

15、低頻信號，能量主要集中在低頻部分。調(diào)制之后信號變?yōu)殡p邊帶信號，加入噪聲之后會干擾原信號。圖 4.1.3說明：經(jīng)過帶通濾波處理之后的信號是雙邊帶信號，帶通濾波增加了信號的信噪比。通過低通濾波器后得到低頻信息。經(jīng)過最后判決解調(diào)之后，與原信號頻譜很相近，說明仿真很理想。 5.結(jié)語本文中,我通過MATLAB工具,通過相干檢測法,對相移鍵控(PSK)進行了仿真處理,仿真結(jié)果證明了課本理論的正確.在實驗過程中,我很好的利用相移鍵控法產(chǎn)生了PSK信號,同時利用了相干解調(diào)法對2PSK信號進行了解調(diào).最后利用MATLAB語言在MATLAB上通過程序?qū)崿F(xiàn)2PSK數(shù)字信號的調(diào)制與解調(diào)的仿真.最后對系統(tǒng)噪聲的影響,誤

16、碼率進行了較詳細的分析.基本達到本次設(shè)計的要求.參考文獻1朱近康.未來移動通信的技術(shù)挑戰(zhàn)和解決方案J.北京:電子學(xué)報，2004. 2樊昌信，曹麗娜.通信原理M.北京：國防工業(yè)出版社，2006. 3姚天任，孫洪.現(xiàn)代數(shù)字信號處理M.武漢：華中科技大學(xué)出版社，1999 4蘇偉.基于軟件無線電的 BPSK/QPSK 解調(diào)器的研究D.北京：北京化工大學(xué)，2008. 5應(yīng)亞萍，許建鳳，陳婉君.2FSK 調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)的 FPGA 設(shè)計與實現(xiàn)J.浙江：浙江工業(yè)大學(xué).2010. 6王蔚.MATLAB 環(huán)境下的數(shù)字濾波器設(shè)計及其應(yīng)用D.蘇州：蘇州大學(xué) 2002. 7董良威 劉龍春.線性相位數(shù)字濾波器的設(shè)計J.常州工學(xué)院學(xué)報，2006，19(2):18-22. 8武衛(wèi)華.基于 MATLAB 的 FIR 數(shù)字濾波器的設(shè)計J.自動化儀表，2003，24（7）：19-22. 9徐肖峰.無線電數(shù)字上變頻算法研究D.重慶：重慶大學(xué)，2008. 10李孝輝，邊玉敬.BPSK 調(diào)制信號中的幅度調(diào)制現(xiàn)象分析J.時間頻率學(xué)報 2003，26(2):111-117. 11李亞楠.數(shù)字調(diào)制識別算法研究D.西安:西安電子科技大學(xué)，2013. 12孫曉瑋，陳青松.通信效率的確定性與可靠性分析J.石家莊:產(chǎn)業(yè)與科技論壇，2014. 13