沈陽(yáng)理工大學(xué)2DPSK系統(tǒng)仿真通信課設(shè)

1、沈陽(yáng)理工大學(xué)通信系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)報(bào)告 摘 要本文設(shè)計(jì)了差分編碼移相鍵控(2DPSK)調(diào)制解調(diào)系統(tǒng),并利用 Matlab MATLAB中SIMULINK通信系統(tǒng)仿真模型庫(kù)進(jìn)行2DPSK的建模仿真，對(duì)其仿真結(jié)果進(jìn)行分析。通過(guò)模擬調(diào)制與相干解調(diào)組成模擬調(diào)制系統(tǒng)，設(shè)置濾波器，相乘器，碼變換器以及抽樣判決器等的參數(shù)設(shè)置實(shí)現(xiàn)仿真。利用仿真的結(jié)果,從基帶信號(hào)的波形圖可以衡量數(shù)字信號(hào)的傳輸質(zhì)量;由系統(tǒng)的輸入和輸出波形圖可以看出,仿真實(shí)驗(yàn)良好 ，克服了相干載波恢復(fù)中載波相位模糊的缺點(diǎn)，且抗噪聲性能良好。關(guān)鍵詞：MATLAB；Simulink；2DPSK；相干解調(diào) I目 錄1.課程設(shè)計(jì)目的12課程設(shè)計(jì)要求13. 相關(guān)

2、知識(shí)13.1課程設(shè)計(jì)內(nèi)容13.2 MATLAB SIMULINK 軟件簡(jiǎn)介13.3 基本原理24.課程設(shè)計(jì)方案34.1 2DPSK調(diào)制34.2 2DPSK解調(diào)45.系統(tǒng)仿真65.1 2DPSK調(diào)制與解調(diào)電路建模65.2 2DPSK調(diào)制65.3 2DPSK解調(diào)116.結(jié)果分析136.1仿真結(jié)果圖136.2結(jié)果分析147.參考文獻(xiàn)15II2DPSK系統(tǒng)仿真1.課程設(shè)計(jì)目的（1） 掌握2DPSK的調(diào)制與解調(diào)原理； （2）掌握仿真軟件matlab的使用方法； （3）完成對(duì)2DPSK的調(diào)制與解調(diào)仿真電路設(shè)計(jì)，并對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析。2課程設(shè)計(jì)要求（1）了解2DPSK系統(tǒng)包括幾部分，及每部分的功能特性。（2

3、）就其調(diào)制解調(diào)部分，利用分立元件搭建電路。（3）掌握理論聯(lián)系實(shí)踐的方法。3. 相關(guān)知識(shí)3.1課程設(shè)計(jì)內(nèi)容利用MATLAB集成環(huán)境下的Simulink仿真平臺(tái),設(shè)計(jì)一個(gè)2DPSK調(diào)制與解調(diào)系統(tǒng)。用示波器觀察調(diào)制前后的信號(hào)波形，根據(jù)運(yùn)行結(jié)果和波形來(lái)分析該系統(tǒng)性能。3.2 MATLAB SIMULINK 軟件簡(jiǎn)介Simulink是Matlab 最重要的組件之一，它提供一個(gè)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和綜合分 析的集成環(huán)境。在該環(huán)境中，無(wú)需大量書(shū)寫(xiě)程序，而只需要通過(guò)簡(jiǎn)單直觀的鼠標(biāo)操作， 就可構(gòu)造出復(fù)雜的系統(tǒng)。Simulink 具有適應(yīng)面廣、結(jié)構(gòu)和流程清晰及仿真精細(xì)、貼近實(shí) 際、效率高、靈活等優(yōu)點(diǎn)，并基于以上優(yōu)點(diǎn)

4、 Simulink 已被廣泛應(yīng)用于控制理論和數(shù)字 信號(hào)處理的復(fù)雜仿真和設(shè)計(jì)。同時(shí)有大量的第三方軟件和硬件可應(yīng)用于或被要求應(yīng)用 于Simulink。 Simulink 是Matlab 中的一種可視化仿真工具，是一種基于Matlab 的框圖設(shè)計(jì)環(huán)境， 是實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和分析的一個(gè)軟件包，被廣泛應(yīng)用于線性系統(tǒng)、非線性系 統(tǒng)、數(shù)字控制及數(shù)字信號(hào)處理的建模和仿真中。Simulink 可以用連續(xù)采樣時(shí)間、離散采 樣時(shí)間或兩種混合的采樣時(shí)間進(jìn)行建模，它也支持多速率系統(tǒng)，也就是系統(tǒng)中的不同部 分具有不同的采樣速率。為了創(chuàng)建動(dòng)態(tài)系統(tǒng)模型，Simulink 提供了一個(gè)建立模型方塊圖 的圖形用戶接口(GUI

5、)，這個(gè)創(chuàng)建過(guò)程只需單擊和拖動(dòng)鼠標(biāo)操作就能完成，它提供了一 種更快捷、直接明了的方式，而且用戶可以立即看到系統(tǒng)的仿真結(jié)果。 Simulink 的功能：Simulink 是用于動(dòng)態(tài)系統(tǒng)和嵌入式系統(tǒng)的多領(lǐng)域仿真和基于模 型的設(shè)計(jì)工具。對(duì)各種時(shí)變系統(tǒng)，包括通訊、控制、信號(hào)處理、視頻處理和圖像處理 系統(tǒng)，Simulink 提供了交互式圖形化環(huán)境和可定制模塊庫(kù)來(lái)對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)、仿真、執(zhí) 行和測(cè)試。構(gòu)架在Simulink 基礎(chǔ)之上的其他產(chǎn)品擴(kuò)展了Simulink 多領(lǐng)域建模功能，也 提供了用于設(shè)計(jì)、執(zhí)行、驗(yàn)證和確認(rèn)任務(wù)的相應(yīng)工具。Simulink 與Matlab 緊密集 成，可以直接訪問(wèn) Matlab 大量

6、的工具來(lái)進(jìn)行算法研發(fā)、仿真的分析和可視化、批處理 腳本的創(chuàng)建、建模環(huán)境的定制以及信號(hào)參數(shù)和測(cè)試數(shù)據(jù)的定義。 Simulink 的特點(diǎn)：豐富的可擴(kuò)充的預(yù)定義模塊庫(kù)，交互式的圖形編輯器來(lái)組合和 管理直觀的模塊圖，以設(shè)計(jì)功能的層次性來(lái)分割模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜設(shè)計(jì)的管理。通過(guò) Model Explorer 導(dǎo)航、創(chuàng)建、配置、搜索模型中的任意信號(hào)、參數(shù)、屬性，生成模型代 碼。提供API 用于與其他仿真程序的連接或與手寫(xiě)代碼集成。使用Embedded Matlab 塊在Simulink和嵌入式系統(tǒng)執(zhí)行中調(diào)用MATLAB 算法，使用定步長(zhǎng)或變步長(zhǎng)運(yùn)行仿真， 根據(jù)仿真模式，(Normal,Accelerator,

7、Rapid Accelerator)來(lái)決定以解釋性的方式運(yùn)行 或以編譯C 代碼的形式來(lái)運(yùn)行模型。圖形化的調(diào)試器和剖析器來(lái)檢查仿真結(jié)果，診斷設(shè) 計(jì)的性能和異常行為，可訪問(wèn) Matlab 從而對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析與可視化，定制建模環(huán)境， 定義信號(hào)參數(shù)和測(cè)試數(shù)據(jù)，模型分析和診斷工具來(lái)保證模型的一致性，確定模型中的錯(cuò)。3.3 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。所謂相對(duì)載波相位是指本碼元初相與前一碼元初相之差。2DPSK方式即是利用前后相鄰碼元的相對(duì)載波相位值去表示數(shù)字信息的一種方式。例如，假

8、設(shè)相位值用相位偏移表示（定義為本碼元初相與前一碼元初相只差），并設(shè)=數(shù)字信息1=0數(shù)字信息0數(shù)字信息序列與2DPSK信號(hào)的碼元相位關(guān)系可舉例表示如如下：數(shù)字信息： 0 0 1 1 1 0 0 1 0 12DPSK信號(hào)相位 ：0 0 0 0 0 或 0 0 0 0 0畫(huà)出的2PSK及DPSK信號(hào)的波形如圖3.1所示。圖3.1 2PSK及2DPSK信號(hào)的波形如圖3.1所示，表示了數(shù)字信息序列與2DPSK信號(hào)的碼元相位關(guān)系。4.課程設(shè)計(jì)方案4.1 2DPSK調(diào)制2DPSK調(diào)制信號(hào)需要經(jīng)過(guò)碼型變換，將絕對(duì)碼變?yōu)橄鄬?duì)碼。一般來(lái)說(shuō)，2DPSK信號(hào)有兩種調(diào)試方法，即模擬調(diào)制法和鍵控法。2DPSK信號(hào)的的模擬

9、調(diào)制法框圖如圖4.1所示。相乘碼變換 s(t) (t)載波圖4.1模擬調(diào)制法如圖4.1，其中碼變換的過(guò)程為將輸入的單極性不歸零碼轉(zhuǎn)換為雙極性不歸零碼。差分碼可取傳號(hào)差分碼或空號(hào)差分碼。其中，傳號(hào)差分碼的編碼規(guī)則為 （4.1）稱為差分編碼（碼變換），即把絕對(duì)碼變換為相對(duì)碼。式中，為模2加；為的前一碼元，最初的可任意設(shè)定。其逆過(guò)程稱為差分譯碼（碼反變換），即 （4.2）2DPSK信號(hào)的的鍵控調(diào)制法框圖如圖4.2所示?；鶐盘?hào)差分變換反相器 載波輸入選相開(kāi)關(guān)已調(diào)信號(hào)圖4.2鍵控法如圖4.2，其中碼變換的過(guò)程為將輸入的基帶信號(hào)差分，即變?yōu)樗南鄬?duì)碼。選相開(kāi)關(guān)作用為當(dāng)輸入為數(shù)字信息“0” 時(shí)接

10、相位0，當(dāng)輸入數(shù)字信息為“1” 時(shí)接pi。 4.2 2DPSK解調(diào)2DPSK信號(hào)可以采用相干解調(diào)法（極性比較法）和差分相干解調(diào)法（相位比較法）。2DPSK的差分相干解調(diào)法其原理框圖如圖4.3所示。相乘器低通濾波器抽樣判決器帶通濾波器 2DPSK 數(shù)據(jù) 信號(hào) 輸出延遲Ts 定時(shí) 脈沖 圖4.3 差分相干解調(diào)如圖4.3，差分相干解調(diào)不需要專門(mén)的本地相干載波，將2DPSK信號(hào)延時(shí)一個(gè)碼元間隔Ts后與2DPSK信號(hào)本身相乘。相乘器起著相位比較的作用，相乘結(jié)果反映了前后碼元的相位差，經(jīng)過(guò)低通濾波后再抽樣判決，即可直接恢復(fù)出原始數(shù)字信息，故解調(diào)器中不需要碼反變換器。相干解調(diào)法原理框圖和解調(diào)過(guò)程各點(diǎn)時(shí)間波形

11、如圖4.4（a）和（b）所示。帶通濾波器相乘器低通濾波器碼（反）變換器抽樣判決器 2DPSK 數(shù)據(jù) 信號(hào) 輸出 本地 載波 定時(shí) 脈沖（a）（b）圖4.4 2DPSK的相干解調(diào)如圖4.4，相干解調(diào)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(guò)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(guò)程中，若相干載波產(chǎn)生180°相位模糊，解調(diào)出的相對(duì)碼將產(chǎn)生倒置現(xiàn)象，但是經(jīng)過(guò)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(wèn)題。5.系統(tǒng)仿真 5.1 2DPSK調(diào)制與解調(diào)電路建模圖5.1 2DPSK調(diào)制與解調(diào)電路圖5.2 2DPSK調(diào)制2

12、DPSK的調(diào)制采用模擬調(diào)制法。調(diào)制電路的主要模塊是碼型變換模塊，它主要是完成絕對(duì)碼波形轉(zhuǎn)換為相對(duì)碼波形，在實(shí)際的仿真中要先經(jīng)過(guò)差分編碼，再進(jìn)行極性雙變換，得到的信號(hào)與載波一起通過(guò)相乘器，就完成了調(diào)制過(guò)程。其中要注意的是在進(jìn)行差分編碼之后再進(jìn)行極性變換之前要有一個(gè)數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換的單元，前后數(shù)據(jù)類型一致才不會(huì)出錯(cuò)。在DPSK調(diào)制中，載波頻率應(yīng)比基帶信號(hào)的頻率大，故將載波的頻率參數(shù)設(shè)置為2000*pi，抽樣時(shí)間為0，其參數(shù)圖如圖5.2所示。將基帶信號(hào)的抽樣時(shí)間改成0.001，其參數(shù)圖如圖5.3所示。圖5.2 載波參數(shù)設(shè)置 如圖5.2所示， 載波的頻率參數(shù)設(shè)置為2000*pi，抽樣時(shí)間為0。圖5.3 基

13、帶信號(hào)參數(shù)設(shè)置如圖5.3所示，基帶信號(hào)的probability of a zero設(shè)置為0.5，initial seed設(shè)置為61, sample time設(shè)置為0.001。圖5.4 Unipolar to Bipolar Converter參數(shù)設(shè)置如圖5.4所示，在單極性到雙極性變換中，M-ary number設(shè)置為2，極性為positive。圖5.5 乘法器參數(shù)設(shè)置如圖5.5所示，乘法器參數(shù)number of inputs設(shè)置為2，sample time設(shè)置為-1。碼變換部分參數(shù)設(shè)置如圖5.6、5.7、5.8所示圖5.6 Logical Operator參數(shù)設(shè)置如圖5.6所示，Logica

14、l operator參數(shù)operator設(shè)置為XOR，number of input ports設(shè)置為2，sample time設(shè)置為0.001。圖5.7 Unit Delay參數(shù)設(shè)置如圖5.7所示，unit delay的參數(shù)sample time設(shè)置為0.001。 圖5.8 Data Type Conversion參數(shù)設(shè)置如圖5.8，data type conversion的參數(shù)output data type mode設(shè)置為double ，sample time設(shè)置為0.001。 5.3 2DPSK解調(diào)仿真中我們采用相干解調(diào)法進(jìn)行2DPSK解調(diào)，解調(diào)電路中有帶通濾波器、相乘器、低通濾波器、

15、抽樣判決器及碼反變換組成。2DPSK相干解調(diào)原理是：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(guò)碼反變換為絕對(duì)碼，從而恢復(fù)出發(fā)送的二進(jìn)制數(shù)字信息。載波的參數(shù)設(shè)置同2DPSK調(diào)制的載波參數(shù)設(shè)置一致，可見(jiàn)圖5.2。帶通濾波器參數(shù)設(shè)置如圖5.9所示。低通濾波器參數(shù)設(shè)置如圖5.10所示。抽樣判決器的參數(shù)設(shè)置如圖5.11，5.12,5.13所示。 圖5.9 帶通濾波器參數(shù)設(shè)置如圖5.9，帶通濾波器的參數(shù)design method設(shè)置為butterworth，filter type設(shè)置為bandpass，filter order設(shè)置為8，lower passband edge frequency設(shè)置

16、為3*pi，upper passband edge frequency設(shè)置為4000*pi。圖5.10 低通濾波器參數(shù)設(shè)置如圖5.10，低通濾波器的參數(shù)design method設(shè)置為butterworth，filter type設(shè)置為lowpass，filter order設(shè)置為8，passband edge frequency設(shè)置為2000*pi。圖5.11 抽樣判決器參數(shù)設(shè)置圖5.12 抽樣判決器參數(shù)設(shè)置如圖5.12，抽樣判決器參數(shù)pulse type設(shè)置為time based，amplitude設(shè)置為1，period設(shè)置為0.001，pulse width設(shè)置為50。6.結(jié)果分析6.1

17、仿真結(jié)果圖圖6.1本地載波圖6.2基帶信號(hào)圖6.3 2DPSK信號(hào)圖6.4經(jīng)過(guò)帶通濾波器信號(hào)與本地載波相乘后信號(hào)圖6.5經(jīng)過(guò)低通濾波器后的信號(hào)圖6.6 經(jīng)過(guò)碼反變換器后的信號(hào)6.2結(jié)果分析2DPSK的相干解調(diào)波形如仿真結(jié)果圖所示，調(diào)制信號(hào)經(jīng)過(guò)帶通濾波器之后，與本地的載波相乘，然后通過(guò)低通濾波器，去除信號(hào)中的高頻成分，得到包含基帶信號(hào)的低頻成分，然后抽樣判決，得到基帶信號(hào)的差分碼波形。信號(hào)通過(guò)逆差分變換之后，便得到基帶信號(hào)。在解調(diào)過(guò)程中，由于載波相位模糊性的影響，可能會(huì)發(fā)生和2PSK同樣的現(xiàn)象，但經(jīng)過(guò)碼反變換得到的絕對(duì)碼不會(huì)發(fā)生任何倒置的現(xiàn)象，故輸出波形與基帶信號(hào)波形相同。圖6.6所示的波形雖然存在延遲，但是與6.2所表示基帶信號(hào)的波形一致，所以最終解調(diào)結(jié)果是正確的。7.參考文獻(xiàn)1 樊昌信，曹麗娜.通信原理M.國(guó)防工業(yè)出版社.2012.213-2202 徐明遠(yuǎn)，劉增