課程設計基于MATLAB的BPSK調制解調研究

1、東 北 石 油 大 學課 程 設 計課 程 通信綜合課程設計 題 目 基于MATLAB的BPSK調制解調研究 院 系 XXXXXXXXXXXX 專業(yè)班級 XXXXXXX 學生姓名 XXXXXXXXXXX 學生學號 XXXXXXXXXXXXX 指導教師 XXXXXXXXXXXXXXXXXX 2012年3月9日東北石油大學課程設計任務書課程 通信綜合課程設計 題目 基于MATLAB的BPSK調制解調研究 專業(yè) XXXXXXX 姓名 XXX 學號 XXXXXXXXX 主要內容：1、 簡要闡述了BPSK的調制與解調原理；2、 利用MATLAB進行仿真，附上仿真程序和仿真結果，并對仿真結果進行分析。基本

2、要求：掌握數字帶通BPSK調制解調相關知識，學習MATLAB軟件，掌握相關調制解調的MATLAB函數的使用。運用MATLAB進行編程實現BPSK的調制解調過程，并且仿真輸出調制前的基帶信號、調制后的BPSK信號和疊加噪聲后的2PSK信號波形、解調器在接收到信號后解調的各點的信號波形，并對仿真結果進行分析。主要參考資料： 1 樊昌信,曹麗娜.通信原理M.國防工業(yè)出版社,2010:205-212.2 章宜華.精通MATLAB5M.清華大學出版社,1999:136-140.3 沈蘭芬,李治群.調制解調的數字實現J.電信科學,1993,(6):27-31.完成期限 2012.2.202012.3.9

3、指導教師 專業(yè)負責人 2012年2月20日目錄1.設計要求12.設計原理12.1 BPSK的調制原理12.2 BPSK的解調原理33.基于MATLAB的BPSK調制解調仿真43.1仿真框圖43.2 仿真源程序43.3 仿真輸出結果63.4仿真結果分析94.總結10參考文獻101.設計要求根據題目，查閱相關資料，掌握數字帶通的BPSK調制解調相關知識。并且學習MATLAB軟件，掌握MATLAB各種函數的使用。在此基礎上，運用MATLAB進行編程實現BPSK的調制解調過程，并且輸出調制前的基帶信號、調制后的BPSK信號和疊加噪聲后的2PSK信號波形、解調器在接收到信號后解調的各點的信號波形。2.設

4、計原理數字信號的傳輸方式分為基帶傳輸和帶通傳輸，在實際應用中，大多數信道具有帶通特性而不能直接傳輸基帶信號。為了使數字信號在帶通信道中傳輸，必須使用數字基帶信號對載波進行調制，以使信號與信道的特性相匹配。這種用數字基帶信號控制載波，把數字基帶信號變換為數字帶通信號的過程稱為數字調制。00111tsTTS數字調制技術的兩種方法：利用模擬調制的方法去實現數字式調制，即把數字調制看成是模擬調制的一個特例，把數字基帶信號當做模擬信號的特殊情況處理；利用數字信號的離散取值特點通過開關鍵控載波，從而實現數字調制。這種方法通常稱為鍵控法，比如對載波的相位進行鍵控，便可獲得相移鍵控（PSK）基本的調制方式。圖

5、1 BPSK信號時間波形示例 2.1 BPSK的調制原理如果兩個頻率相同的載波同時開始振蕩，這兩個頻率同時達到正最大值，同時達到零值，同時達到負最大值，它們應處于"同相"狀態(tài)；如果其中一個開始得遲了一點，就可能不相同了。如果一個達到正最大值時，另一個達到負最大值，則稱為"反相"。一般把信號振蕩一次（一周）作為360度。如果一個波比另一個波相差半個周期，我們說兩個波的相位差180度，也就是反相。當傳輸數字信號時，"1"碼控制發(fā)0度相位，"0"碼控制發(fā)180度相位。載波的初始相位就有了移動，也就帶上了信息。相移鍵控是利

6、用載波的相位變化來傳遞數字信息，而振幅和頻率保持不變。在2PSK中，通常用初始相位0和分別表示二進制“1”和“0”。因此，2PSK信號的時域表達式為 （1）式中，jn表示第n個符號的絕對相位： （2）因此，上式可以改寫為 （3）由于兩種碼元的波形相同，極性相反，故BPSK信號可以表述為一個雙極性全占空矩形脈沖序列與一個正弦載波的相乘： （4）式中 （5）這里s(t)為雙極性全占空(非歸零)矩形脈沖序列，g(t)是脈寬為Ts的單個矩形脈沖，而an的統(tǒng)計特性為 （6）開關電路S(t)e2psk(t)1800移相coswctp0BPSK信號的調制原理框圖如圖2-2所示。與2ASK信號的產生方法相比較

7、，只是對是S(t)的要求不同。在2ASK中S(t)是單極性的，而在BPSK中S(t)是雙極性的基帶信號。圖2 BPSK信號的調制原理框2.2 BPSK的解調原理2PSK信號的解調方法是相干解調法。由于PSK信號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的相位信息來解調信號。下圖2-3中給出了一種2PSK信號相干接收設備的原理框圖。圖中經過帶通濾波的信號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，負抽樣值判為0。Ts1010 tb1 tt ttt11100adecCoswct be2psk(t)e輸出dca帶通濾波器

8、相乘器低通濾波器抽樣判決器定時脈沖圖3 BPSK的相干接收機原理框圖BPSK信號的相干解調各點時間波形如圖2-4所示。圖4 BPSK各點時間波形波形圖中，假設相干載波的基準相位與BPSK信號的調制載波的基準相位一致（通常默認為0相位）。但是，由于在BPSK信號的載波恢復過程中存在著的相位模糊，即恢復的本地載波與所需的相干載波可能同相，也可能反相，這種相位關系的不確定性將會造成解調出的數字基帶信號與發(fā)送的數字基帶信號正好相反，即“1”變?yōu)椤?”，“0”變?yōu)椤?”，判決器輸出數字信號全部出錯。這種現象稱為BPSK 方式的“倒現象”或“反相工作”。這導致了BPSK方式在實際中很少采用。另外，在隨機信

9、號碼元序列中，信號波形有可能出現長時間連續(xù)的正弦波形，致使在接收端無法辨認信號碼元的起止時刻。為了克服BPSK這一缺點，在實際使用中常采用DPSK，即差分相移鍵控。3.基于MATLAB的BPSK調制解調仿真 3.1仿真框圖在發(fā)送端，通過隨機函數隨即產生八比特二進制比特序列。然后把這八比特序列在頻率fc=4000HZ的載波上進行傳輸，并且采樣頻率fs=8000HZ。經過調制后，調制信號就可以在信道上傳輸。但是在實際的信道中傳輸時，會疊加很多噪聲，因此，程序模擬在實際信道上傳輸，產生噪聲，疊加到已調信號上。信道產生隨機基帶信號調制解調抽樣判決碼元再生高斯白噪聲在接收端，通過相干解調的方法，把接收到

10、的疊加有噪聲的信號進行解調，但是解調后的信號還不是最先發(fā)送的二進制比特流，需要對解調得到的信號進行抽樣判決，才能得到發(fā)送的二進制比特流，即發(fā)送信號。軟件的仿真流程圖如3-1所示。圖5 基于MATLAB的BPSK調制解調仿真框圖3.2 仿真源程序 本程序傳送的信號是利用隨機函數產生隨機的八比特二進制流。在已知在已知載波頻率fc=4000HZ，采樣頻率fs=8000HZ的情況下，進行的調制。在傳輸信道上對已調信號疊加白噪聲。在接收端進行相干調制解調，然后在進行抽樣判決得到發(fā)送信號。%產生比特信號t=0:0.01:7.99;a=randint(1,8);figure(1)m=a(ceil(t+0.0

11、1);figure(1)plot(t,m)title('產生隨機八比特二進制比特序列');axis(0,8,-1.5,1.5);%*調制*%fc=4000; %載波頻率fs=80000; %采樣頻率ts=0:1/fs:(800-1)/fs;ts1=0:1/fs:(100-1)/fs;tzxh1=cos(2*pi*fc*ts);tzxh2=cos(2*pi*fc1*ts);%*2PSK調制*%psk=cos(2*pi*fc.*ts+pi*m);figure(2)plot(t,psk)title('2PSK調制波形');axis(0,8,-1.5,1.5);%*疊加

12、噪聲*%e_2psk=awgn(psk,10);figure(3)plot(t,e_2psk)title('2PSK調制信號疊加噪聲波形');%*2PSK相干解調*%b11,a11=ellip(5,0.5,60,2000,6000*2/80000);%帶通橢圓濾波器設計b12,a12=ellip(5,0.5,60,1000*2/80000); %低通濾波器設計e_psk1=filter(b11,a11,e_2psk);%通過帶通濾波器濾除帶外噪聲e_psk1_1=e_psk1.*(tzxh1*2);%相干解調psk_xgjt=filter(b12,a12,e_psk1_1);

13、%相干解調后，抽樣判決前的結果figure(4)plot(t,psk_xgjt)title('2PSK調制信號相干解調后通過低通濾波器，抽樣判決前的信號');axis(0,8,-1.5,1.5)%*2PSK的相干解調法的抽樣判決結果與原數據比較*%for i=0:7 if(psk_xgjt(i+1)*100)>0.5) psk_hyjt(i*100+1:(i+1)*100)=zeros(1,100); else psk_hyjt(i*100+1:(i+1)*100)=ones(1,100); endendfigure(5)plot(t,psk_hyjt);title(&#

14、39;2PSK調制信號相干解調，抽樣判決后的信號');axis(0,8,-1.5,1.5);3.3 仿真輸出結果在實際傳輸中，我我們需要傳輸的就是二進制基帶信號。因此通過隨機函數隨機產生八位二進制比特流，即基帶信號。圖4-1 隨機產生的二進制基帶信號實際通信中不少信道都不能直接傳送基帶信號，必須用基帶信號對載波波形的某些參量進行控制，使載波的這些參量隨基帶信號的變化而變化，即所謂正弦載波調制。正弦波可以作為數字模擬調制系統(tǒng)和數字調制系統(tǒng)的載波。從原理上來說，受調載波的波形可以是任意的，只要已調信號適合于信道傳輸就可以了。但實際上，在大多數數字通信系統(tǒng)中，都尋則正弦信號作為載波。這是因為

15、正弦信號形式簡單，便于產生及接收。和模擬調制一樣，數字調制業(yè)余調幅、調頻和調相三種基本形式，并可以派生出多種其他形式。數字調制與模擬調制相比，其原理并沒有什么區(qū)別。不過模擬調制時對載波信號的參量進行連續(xù)調制，在接收端則對載波信號的調制參量連續(xù)地進行估值；而數字調制都是用載波信號的默寫離散狀態(tài)來表征所傳送的信息，在接受算也只要對載波信號的離散調制參量進行檢測。數字調制信號，在二進制時有振幅鍵控（ASK）、移頻鍵控（FSK）和移相鍵控（PSK）三種基本信號形式。移相鍵控（PSK）相對于振幅鍵控（ASK）和頻移鍵控（FSK）來說，具有抗加性高斯白噪聲能力強，頻帶利用率高，對信道變化不明感，性能好的優(yōu)

16、點，因此采用BPSK對基帶信號進行調制。圖4-2 BPSK調制波形實際信道處于一個充滿了各種干擾的環(huán)境中，因此，調制信號不可能無干擾的在信道中傳輸。為了逼真的模擬調制信號的傳輸環(huán)境，所以在已調信號上疊加上高斯白噪聲。圖4-3 調制信號疊加噪聲的波形圖當信號接收機接收到信號后，該信號是經過調制和疊加噪聲后的信號，不能為人們所用，為了使接收到的信號能為人們所用，只用對接收到的信號進去濾波和反調制（即解調）處理。在相同的信噪比條件下，相比2ASK系統(tǒng)和2FSK系統(tǒng)，相干解調的2PSK系統(tǒng)的誤碼率Pe最小。因此解調方法用相干解調的2PSK。再將解調信號通過低通濾波器進行低通濾波。圖4-4 BPSK調制

17、信號相干解調后的波形圖通過相干解調和低通濾波器后的信號，通過抽樣判決后，原則上能恢復成系統(tǒng)發(fā)送的二進制基帶信號，但是在實際的解調和調制的過程中，BPSK系統(tǒng)往往會出現“倒相”，因此在抽樣判決的時候需要注意這個問題。為了解決這個問題，現在在實際應用中大多數都采用二進制差分相移鍵控（2DPSk）。圖4-5 相干解調，經過抽樣判決的信號3.4仿真結果分析讓隨機產生的八比特二進制流在已知載波頻率的情況下進行調制，獲得的調制信號能很好的反應出在真實的通信系統(tǒng)中對數字基帶信號進行的調制效果。不過在真實的通信系統(tǒng)中，因為調制的環(huán)境里存在許多電磁干擾，還有因為儀器的精密度原因，導致調制信達不到理想的狀態(tài)，會存

18、在一些失真。但是隨著技術的不斷發(fā)展進步，失真度在慢慢的減小，以至于基本上能達到理想狀況下的調制。真實的傳輸信道都是處于存在多種干擾的大自然中，因此在傳輸信息的時候會在已調信號上疊加很多噪聲，這些噪聲混雜在一起稱之為白噪聲。為了模擬真實的傳輸環(huán)境，因此在調制信號上疊加了高斯白噪聲。在接收端，把接收到的信號進行相干解調，解調后的波形是有一定失真并且存在一定規(guī)律的模擬波形，因此在調制后會把調制信號通過一個低通的濾波器，濾掉傳輸波形頻率以外的波形，即噪聲。調制信號通過低通濾波器后還不是我們所要的二進制波形，是模擬的波形數據，因此必須對改模擬波形進行抽樣判決。抽樣判決的條件根據調制的時的“0”“”相位來

19、確定。在本實驗仿真情況下，模擬系統(tǒng)成功的恢復了發(fā)送的二進制基帶信號。但是在實際的通信系統(tǒng)中，往往由于系統(tǒng)所在的環(huán)境、儀器的精密度、系統(tǒng)中的各種電磁干擾，導致了調制解調都不能百分之百得都正確，存在一定的誤差，這個誤差稱之為誤碼率。在BPSK信號中，相位變化是以未調載波的相位作為參考基準的。由于它利用載波相位的絕對數值表示數字信息，所以又稱為絕對相移。在前面已經說過，BPSK相干解調時，由于載波恢復中相位有0、的模糊性，導致解調過程中出現“反相工作”現象，恢復出的數字信號“1”和“0”倒置，從而使BPSK在實際中難以應用。為了克服這個缺點，人們提出了二進制差分相移鍵控（2DPSK）方式。4.總結在這次的課程設計過程中，我發(fā)現自己的基礎知識和應用能力都很差。剛接過課題，按照設計步驟走的時候，在數字基帶信號的產生和加載載波上就卡住了，通信原理的知識忘記了很多，以至于在設計開始時必須得先復習一下相關的基礎知識。隨著實驗的進行，發(fā)現自己的通信原理課程學得遠遠不夠，不能根據要求設計出最佳效果的2PSK系統(tǒng)。然而，通過這次設計，看了一遍通信原理課程關于2PSK系統(tǒng)的內容，再通過利用參考文獻與網絡，最終完成了用Matlab進行2PSK系統(tǒng)的課程設計。加深了對課堂抽象概念的理解,鞏固了課堂上所學的理論知識,并能很好地理解與掌握通信原理