2PSK信號(hào)的產(chǎn)生與譜分析報(bào)告

1、 . . . *實(shí)踐教學(xué)* 理工大學(xué)計(jì)算機(jī)與通信學(xué)院2013年春季學(xué)期 信號(hào)處理 課程設(shè)計(jì) 題 目：2PSK信號(hào)的產(chǎn)生與譜分析 專業(yè)班級(jí)：成 績(jī)：摘要當(dāng)今社會(huì)已經(jīng)步入信息時(shí)代，在各種信息技術(shù)中，信息的傳輸起著支撐作用。而對(duì)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(hào)的調(diào)制就顯得非常重要。本課程設(shè)計(jì)主要是用MATLAB來(lái)實(shí)現(xiàn)。數(shù)字調(diào)相技術(shù)由于其抗干擾能力強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單而被廣泛用于各種通信中，本課題要實(shí)現(xiàn)2PSK信號(hào)的產(chǎn)生與譜分析，通過(guò)此次課程設(shè)計(jì)我們要掌握2PSK調(diào)制和解調(diào)的原理與實(shí)現(xiàn)方法，信號(hào)譜分析的方法，利用MATLAB軟件產(chǎn)生2PSK信號(hào)，利用MATLAB編程實(shí)現(xiàn)2PSK信號(hào)的譜

2、分析，觀察DFT長(zhǎng)度和窗函數(shù)長(zhǎng)度對(duì)頻譜的影響。關(guān)鍵字：2PSK;調(diào)制與解調(diào)；MATLAB目錄 一、 前言4二、設(shè)計(jì)依據(jù)與原理52.1 MATLAB概述52.2 2PSK信號(hào)的表達(dá)式和波形62.3 2PSK調(diào)制解調(diào)的基本原理62.4 2PSK信號(hào)設(shè)計(jì)的具體過(guò)程8三、MATLAB的調(diào)試分析113.1設(shè)計(jì)程序的流程113.2用MATLAB仿真的圖形12總結(jié)13參考文獻(xiàn)15附錄161、 前言在數(shù)字傳輸系統(tǒng)中，數(shù)字信號(hào)對(duì)高頻載波進(jìn)行調(diào)制，變?yōu)轭l帶信號(hào)，通過(guò)信道傳輸，在接收端解調(diào)后恢復(fù)成數(shù)字信號(hào)，由于大多數(shù)實(shí)際信號(hào)都是帶通型的，所以必須先用數(shù)字頻帶信號(hào)對(duì)載波進(jìn)行調(diào)制，形成數(shù)字調(diào)制信號(hào)再進(jìn)行傳輸，因此，調(diào)制

3、解調(diào)技術(shù)是實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代通信的重要手段。數(shù)字調(diào)制地實(shí)現(xiàn)，促進(jìn)了通信的飛速發(fā)展。研究數(shù)字通信調(diào)制理論，提供有效調(diào)制方法有著重要意義。實(shí)現(xiàn)調(diào)試解調(diào)的方法有很多種，本文應(yīng)用了鍵控法產(chǎn)生調(diào)制與解調(diào)信號(hào)，數(shù)字相位調(diào)制又稱相移鍵控記作PSK(Phase Shift Keying),二進(jìn)制相移鍵控記作2PSK，它們是利用載波振蕩相位的變化來(lái)傳送數(shù)字信號(hào)的，在二進(jìn)制數(shù)字解調(diào)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，則就產(chǎn)生二進(jìn)制移相鍵控2PSK信號(hào)。 為了使數(shù)字信號(hào)在信道中有效地傳播，必須使用數(shù)字基帶信號(hào)的調(diào)制與解調(diào)，以使得信號(hào)與信道的特性相匹配。二、設(shè)計(jì)依據(jù)與原理2.1 MATLAB概述 MATLAB是美

4、國(guó)MathWorks公司出品的商業(yè)數(shù)學(xué)軟件，用于算法開(kāi)發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析以與數(shù)值計(jì)算的高級(jí)技術(shù)計(jì)算語(yǔ)言和交互式環(huán)境。MATLAB和Mathematica、Maple、MathCAD并稱為四大數(shù)學(xué)軟件。它在數(shù)學(xué)類科技應(yīng)用軟件中在數(shù)值計(jì)算方面首屈一指。MATLAB可以進(jìn)行矩陣運(yùn)算、繪制函數(shù)和數(shù)據(jù)、實(shí)現(xiàn)算法、創(chuàng)建用戶界面、連接其他編程語(yǔ)言的程序等，主要應(yīng)用于工程計(jì)算、控制設(shè)計(jì)、信號(hào)處理與通訊、圖像處理、信號(hào)檢測(cè)、金融建模設(shè)計(jì)與分析等領(lǐng)域。 MATLAB的主要功能有：1)數(shù)值分析。2)數(shù)值和符號(hào)計(jì)算。3)工程與科學(xué)繪圖。4)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真。5)數(shù)字圖像處理。6)數(shù)字信號(hào)處理。7)通訊系統(tǒng)設(shè)

5、計(jì)與仿真。8)財(cái)務(wù)與金融工程。 MATLAB的基本數(shù)據(jù)單位是矩陣，它的指令表達(dá)式與數(shù)學(xué)、工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB來(lái)解算問(wèn)題要比用C，F(xiàn)ORTRAN等語(yǔ)言完成一樣的事情簡(jiǎn)捷得多，并且MATLAB也吸收了像Maple等軟件的優(yōu)點(diǎn)，使MATLAB成為一個(gè)強(qiáng)大的數(shù)學(xué)軟件。在新的版本中也加入了對(duì)C，F(xiàn)ORTRAN，C+，JAVA的支持?？梢灾苯诱{(diào)用,用戶也可以將自己編寫(xiě)的實(shí)用程序?qū)氲組ATLAB函數(shù)庫(kù)中方便自己以后調(diào)用。 MATLAB的優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)有：1) 高效的數(shù)值計(jì)算與符號(hào)計(jì)算功能，能使用戶從繁雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算分析中解脫出來(lái)；2) 具有完備的圖形處理功能，實(shí)現(xiàn)計(jì)算結(jié)果和編程的可視化；3)

6、 友好的用戶界面與接近數(shù)學(xué)表達(dá)式的自然化語(yǔ)言，使學(xué)者易于學(xué)習(xí)和掌握；4) 功能豐富的應(yīng)用工具箱(如信號(hào)處理工具箱、通信工具箱等) ，為用戶提供了大量方便實(shí)用的處理工具。 MATLAB可以用來(lái)進(jìn)行以下各種工作：數(shù)值分析、數(shù)值和符號(hào)計(jì)算、工程與科學(xué)繪圖、控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真、數(shù)字圖像處理技術(shù)、數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)、通訊系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真、財(cái)務(wù)與金融工程、管理與調(diào)度優(yōu)化計(jì)算（運(yùn)籌學(xué)）。MATLAB 的應(yīng)用圍非常廣，包括信號(hào)和圖像處理、通訊、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、測(cè)試和測(cè)量、財(cái)務(wù)建模和分析以與計(jì)算生物學(xué)等眾多應(yīng)用領(lǐng)域。附加的工具箱（單獨(dú)提供的專用MATLAB函數(shù)集）擴(kuò)展了MATLAB 環(huán)境，以解決這些應(yīng)用領(lǐng)域特定類型

7、的問(wèn)題。2.2 2PSK信號(hào)的表達(dá)式和波形在2PSK中，通常用初始相位0和分別表示二進(jìn)制“1”和“0”。因此，2PSK信號(hào)的時(shí)域表達(dá)式為： (1)其中，n表示第n個(gè)符號(hào)的絕對(duì)相位： (2)因此，上式可以改寫(xiě)為 (3) 從圖1中可以看出對(duì)數(shù)字信號(hào)相位的調(diào)制中二進(jìn)制1用初始相位為0的正弦波表示，二進(jìn)制0用初始相位為的正弦波表示。圖1 2PSK信號(hào)波形2.32PSK調(diào)制解調(diào)的基本原理數(shù)字調(diào)制是用載波信號(hào)的某些離散狀態(tài)來(lái)表征所傳送的信息。數(shù)字調(diào)制技術(shù)中，調(diào)制是對(duì)信號(hào)源的編碼信息進(jìn)行處理，使其變?yōu)檫m合傳輸?shù)男问降倪^(guò)程。即是把基帶信號(hào)（信源）轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€(gè)相對(duì)基帶頻率而言頻率非常高的帶通信號(hào)。帶通信號(hào)叫做已調(diào)

8、信號(hào)，而基帶信號(hào)叫做調(diào)制信號(hào)。調(diào)制可以通過(guò)使高頻載波隨信號(hào)幅度的變化而改變載波的幅度，相位或者頻率來(lái)實(shí)現(xiàn)。解調(diào)則是將基帶信號(hào)從載波中提取出來(lái)以便預(yù)定的接收者（信宿）處理和理解的過(guò)程。 數(shù)字調(diào)制技術(shù)的兩種方法：一是利用模擬調(diào)制的方法去實(shí)現(xiàn)數(shù)字式調(diào)制，即把數(shù)字調(diào)制看成是模擬調(diào)制的一個(gè)特例，把數(shù)字基帶信號(hào)當(dāng)做模擬信號(hào)的特殊情況處理；二是利用數(shù)字信號(hào)的離散取值特點(diǎn)通過(guò)開(kāi)關(guān)鍵控載波，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)字調(diào)制，這種方法通常稱為鍵控法。載波的相位對(duì)其參考相位的偏離值隨調(diào)制信號(hào)的瞬時(shí)值成比例變化的調(diào)制方式，稱為相位調(diào)制，或稱調(diào)相。調(diào)相即載波的初始相位隨著基帶數(shù)字信號(hào)而變化，例如數(shù)字信號(hào)1對(duì)應(yīng)相位180，數(shù)字信號(hào)0對(duì)應(yīng)

9、相位0。這種調(diào)相的方法又叫相移鍵控PSK，其特點(diǎn)是抗干擾能力強(qiáng)，但信號(hào)實(shí)現(xiàn)的技術(shù)比較復(fù)雜。2.2.1調(diào)制原理通常2PSK的調(diào)制用相移鍵控實(shí)現(xiàn)，相移鍵控是利用載波的相位變化來(lái)傳遞數(shù)字信息，而振幅和頻率保持不變。調(diào)制過(guò)程如圖2所示圖2 鍵控法2.2.2解調(diào)原理2PSK信號(hào)的采用的解調(diào)方法是相干解調(diào)法。由于PSK信號(hào)本身就是利用相位傳遞信息的，所以在接收端必須利用信號(hào)的相位信息來(lái)解調(diào)信號(hào)。下圖3給出了2PSK信號(hào)的解調(diào)框圖。圖3 2PSK信號(hào)的相干解調(diào)框圖2.4 2PSK信號(hào)設(shè)計(jì)的具體過(guò)程2PSK的調(diào)制原理:2PSK采用相移鍵控法對(duì)信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，二進(jìn)制相移鍵控也稱BPSK，它是用兩個(gè)頻率一樣但相位不

10、同的載波信號(hào)來(lái)表示的，通常兩個(gè)信號(hào)的相位相差1800。在2PSK的波形中，通常用初始相位為0和表示二進(jìn)制的“1”和“0”。因此2PSK的信號(hào)的時(shí)域表達(dá)式為： (4)其中，n表示第n個(gè)符號(hào)的絕對(duì)相位： (5)因此，上式可改寫(xiě)為 (6)由于表示信號(hào)的兩種碼元的波形一樣，極性相反，故2PSK信號(hào)一般可以表述為一個(gè)雙極性全占空矩形脈沖序列與一個(gè)正弦載波相乘，即 (7)其中 (8)這里，g(t)是脈寬為T(mén)s的單個(gè)矩形脈沖，而an得統(tǒng)計(jì)特性為 (9) 即發(fā)送二進(jìn)制符號(hào)“0”時(shí)（an取+1），2psk(t)取0相位；發(fā)送二進(jìn)制符號(hào)“1”時(shí)（an取-1），2psk(t)取相位。2PSK信號(hào)的相干解調(diào)原理：將經(jīng)

11、過(guò)調(diào)制的2PSK信號(hào)通過(guò)帶通濾波器，通過(guò)濾波器得到的信號(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(lái)判決的。即正抽樣值判為1，負(fù)抽樣值判為0。 在2PSK信號(hào)相干解調(diào)各點(diǎn)時(shí)間波形中，當(dāng)恢復(fù)的相干載波產(chǎn)180倒相時(shí),解調(diào)出的數(shù)字基帶信號(hào)將與發(fā)送的數(shù)字基帶信號(hào)正好是相反,解調(diào)器輸出數(shù)字基帶信號(hào)全部出錯(cuò)。 這種現(xiàn)象通常稱為倒現(xiàn)象，在2PSK信號(hào)的載波恢復(fù)過(guò)程中存在著180的相位模 糊，所以2PSK信號(hào)的相干解調(diào)存在隨機(jī)的倒現(xiàn)象，因此2PSK信號(hào)在信道中傳輸?shù)姆绞皆趯?shí)際中很少采用。下圖4中給出了一種2PSK信號(hào)相干接收設(shè)備的原理框圖。圖4 2PSK信號(hào)的解調(diào)

12、器波形圖2PSK信號(hào)在一個(gè)碼元的持續(xù)時(shí)間Ts可以表示為 (10)其中 (11) 設(shè)發(fā)送端發(fā)出的信號(hào)如上式所示，則接收端帶通濾波器輸出波形y(t)為 (12）y(t)經(jīng)過(guò)想干解調(diào)（相乘低通）后，送入抽樣判決器的輸入波形為 (13)nc(t)是均值為0，方差為2的高斯噪聲。信號(hào)的功率譜：功率譜主要研究信號(hào)在頻域中的各種特征，目的是根據(jù)有限數(shù)據(jù)在頻域提取被淹沒(méi)在噪聲中的有用信號(hào)?！肮β首V密度是隨機(jī)過(guò)程二階統(tǒng)計(jì)量自相關(guān)函數(shù)的傅立葉變換”，功率譜是隨機(jī)過(guò)程的統(tǒng)計(jì)平均概念，平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程的功率譜是一個(gè)確定函數(shù)。2PSK信號(hào)的功率譜密度的特點(diǎn)： 在2PSK信號(hào)的時(shí)域表達(dá)式為(14)當(dāng)p=1/2時(shí)，2PSK信號(hào)

13、的功率譜密度為 (15)它的功率譜表達(dá)式為： (16) 由上可知：2PSK信號(hào)也是一種幅度調(diào)制信號(hào)，當(dāng)雙極性基帶信號(hào)“0”和“1”等概率出現(xiàn)，即P=0.5時(shí)，無(wú)離散譜，也即“0”，“1”等概率的抑制載頻2ASK。但2ASK信號(hào)總是存在離散譜，而2PSK信號(hào)可能無(wú)離散譜（P=0.5時(shí)）。已調(diào)信號(hào)的帶寬是基帶信號(hào)的倍。三、MATLAB的調(diào)試分析3.1設(shè)計(jì)程序的流程在MATLAB中進(jìn)行程序設(shè)計(jì)時(shí)，先要清除MATLAB中的所有變量關(guān)閉所有窗口之后才能開(kāi)始輸程序，先將之后要用到的變量進(jìn)行賦值，然后定義一個(gè)正弦波，通過(guò)正弦波產(chǎn)生方波，為使程序簡(jiǎn)單，這里產(chǎn)生的是等概率的二進(jìn)制信源，建一個(gè)繪圖窗口縱向平分為三

14、等分，第一個(gè)區(qū)域繪制等概的二進(jìn)制信源，第二個(gè)窗口繪制已調(diào)的2PSK信號(hào)，第三個(gè)窗口繪制2PSK信號(hào)的頻譜圖，給三個(gè)圖形分別加標(biāo)題。程序設(shè)計(jì)的流程如圖5所示。結(jié)束在第三個(gè)區(qū)域繪制出2PSK信號(hào)的頻譜圖并加標(biāo)題利用相關(guān)的函數(shù)產(chǎn)生2PSK信號(hào)的頻譜在第二個(gè)區(qū)域匯出2PSK信號(hào)的圖形加標(biāo)題利用函數(shù)產(chǎn)生已調(diào)的2PSK信號(hào)在第一個(gè)區(qū)域匯出等概率的二進(jìn)制信源并加標(biāo)題建一個(gè)繪圖窗口縱向分為三等分定義正弦波用正弦波產(chǎn)生方波定義變量開(kāi)始 圖5 程序的設(shè)計(jì)流程圖3.2用MATLAB仿真的圖形 利用MATLAB仿真的2PSK信號(hào)與其頻譜圖如圖6所示。以下三幅圖是不同頻率對(duì)應(yīng)的信號(hào)與其頻譜圖。圖6 2PSK信號(hào)與其頻譜

15、圖（1）圖7 2PSK信號(hào)與其頻譜圖（2）圖8 2PSK信號(hào)與其頻譜圖（3）說(shuō)明：在MATLAB的程序設(shè)計(jì)中分別采用不同大小的參數(shù)（幅度和頻率），使得出現(xiàn)的圖像有不同的效果，從而產(chǎn)生對(duì)比，如圖中（1）（2）（3）。在每幅圖中都有三個(gè)不同的坐標(biāo)圖，每一個(gè)坐標(biāo)圖代表的容如下：1.等概率的的二進(jìn)制信源圖：它是利用正弦波產(chǎn)生的，根據(jù)二進(jìn)制的0或者1產(chǎn)生相應(yīng)2PSK信號(hào)的波形圖。2.已調(diào)的2PSK信號(hào)：二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)與相位之間是一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，即用載波相位的取值來(lái)表示所傳輸?shù)臄?shù)字序列，或者說(shuō)已調(diào)的信號(hào)相位的變化都是相對(duì)于一個(gè)固定的參考相位來(lái)取值的，這種方式叫做絕對(duì)移相調(diào)制。根據(jù)信源的0或者1對(duì)其進(jìn)行調(diào)制

16、，此程序中，二進(jìn)制中的1對(duì)應(yīng)2PSK信號(hào)中的相位為0，二進(jìn)制中的0對(duì)應(yīng)2PSK信號(hào)中的相位為。3.2PSK信號(hào)的頻譜圖：根據(jù)MATLAB中的自帶公式可得到2PSK信號(hào)的頻譜圖，由上圖可知，2PSK信號(hào)的功率譜不存在離散的載波分量。此時(shí)，2PSK信號(hào)實(shí)際上相當(dāng)于抑制載波的雙邊帶信號(hào)，它可以看做是雙極性基帶信號(hào)作用下的調(diào)幅信號(hào)?？偨Y(jié) 在信號(hào)系統(tǒng)、工業(yè)自動(dòng)化或電子工程技術(shù)中，調(diào)制和解調(diào)應(yīng)用最為廣泛。本設(shè)計(jì)研究了2PSK的產(chǎn)生與譜分析，通過(guò)MATLAB工具,通過(guò)相干檢測(cè)法,對(duì)相移鍵控(PSK)進(jìn)行了仿真處理,簡(jiǎn)單而且快捷，同時(shí)對(duì)其2PSK的特性進(jìn)行分析。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,利用相移鍵控法產(chǎn)生了PSK信號(hào),同

17、時(shí)利用了相干解調(diào)法對(duì)2PSK信號(hào)進(jìn)行了解調(diào)。最后利用MATLAB語(yǔ)言在MATLAB上通過(guò)程序?qū)崿F(xiàn)2PSK數(shù)字信號(hào)的調(diào)制與解調(diào)的仿真.最后對(duì)系統(tǒng)噪聲的影響,誤碼率進(jìn)行了較詳細(xì)的分析。通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)，培養(yǎng)了我綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí),發(fā)現(xiàn)、提出、分析和解決實(shí)際問(wèn)題、鍛煉實(shí)踐的能力,是對(duì)我們以后的實(shí)際工作能力的具體訓(xùn)練和一個(gè)考察過(guò)程。在這次課程設(shè)計(jì)中，我能夠系統(tǒng)的了解2PSK的產(chǎn)生與譜分析，把理論和實(shí)踐相結(jié)合。在做設(shè)計(jì)的過(guò)程中難免總會(huì)出現(xiàn)各種問(wèn)題，通過(guò)查閱資料，自學(xué)其中的相關(guān)知識(shí)，無(wú)形間提高了我們的動(dòng)手，動(dòng)腦能力，通過(guò)課程設(shè)計(jì)讓我知道了，我們平時(shí)所學(xué)的知識(shí)如果不加以實(shí)踐的話等于紙上談兵。課程設(shè)計(jì)主要是我們

18、理論知識(shí)的延伸，它的目的主要是要在設(shè)計(jì)中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，并且自己要能找到解決問(wèn)題的方案，形成一種獨(dú)立的意識(shí)。我們還能從設(shè)計(jì)中檢驗(yàn)我們所學(xué)的理論知識(shí)到底有多少，鞏固們已經(jīng)學(xué)會(huì)的，不斷學(xué)習(xí)我們所遺漏的新知識(shí)，把這門(mén)課學(xué)的扎實(shí)。參考文獻(xiàn)1 董邵平,世庚，王洋.數(shù)字信號(hào)處理基礎(chǔ)TN.:工業(yè)大學(xué)，20032 樊昌信,麗娜. 通信原理（第六版）TN. ：國(guó)防工業(yè), 20063 利華，王華.MATLAB電子仿真與應(yīng)用TN.：國(guó)防工業(yè), 20034 梅志紅，萬(wàn)銓.MATLAB程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)與應(yīng)用.清華大學(xué)，2005附錄1clear ; %清變量close all;%關(guān)閉所有窗口N=600; %給變量賦值fs=250; %給變量賦值Ts=1; %給變量賦值t=0:1/fs:N*Ts; %給t賦值，以0為初值以1/fs為增值到N*Ts取值。fm=1/2*Ts; %給變量賦值fc=4; %用正弦波產(chǎn)生方波twopi_fc_t=2*pi*fm*t; %源信號(hào)A=2; %幅值為1phi=0; %相位偏移為0x = A * cos(twopi_fc_t + phi); %正弦波%