課程設(shè)計(jì)基于MATLAB的BPSK調(diào)制解調(diào)研究

1、東 北 石 油 大 學(xué)課 程 設(shè) 計(jì)課 程 通信綜合課程設(shè)計(jì) 題 目 基于MATLAB的BPSK調(diào)制解調(diào)研究 院 系 XXXXXXXXXXXX 專業(yè)班級(jí) XXXXXXX 學(xué)生姓名 XXXXXXXXXXX 學(xué)生學(xué)號(hào) XXXXXXXXXXXXX 指導(dǎo)教師 XXXXXXXXXXXXXXXXXX 2012年3月9日東北石油大學(xué)課程設(shè)計(jì)任務(wù)書課程 通信綜合課程設(shè)計(jì) 題目 基于MATLAB的BPSK調(diào)制解調(diào)研究 專業(yè) XXXXXXX 姓名 XXX 學(xué)號(hào) XXXXXXXXX 主要內(nèi)容：1、 簡(jiǎn)要闡述了BPSK的調(diào)制與解調(diào)原理；2、 利用MATLAB進(jìn)行仿真，附上仿真程序和仿真結(jié)果，并對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析?；?/p>

2、要求：掌握數(shù)字帶通BPSK調(diào)制解調(diào)相關(guān)知識(shí)，學(xué)習(xí)MATLAB軟件，掌握相關(guān)調(diào)制解調(diào)的MATLAB函數(shù)的使用。運(yùn)用MATLAB進(jìn)行編程實(shí)現(xiàn)BPSK的調(diào)制解調(diào)過程，并且仿真輸出調(diào)制前的基帶信號(hào)、調(diào)制后的BPSK信號(hào)和疊加噪聲后的2PSK信號(hào)波形、解調(diào)器在接收到信號(hào)后解調(diào)的各點(diǎn)的信號(hào)波形，并對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析。主要參考資料： 1 樊昌信,曹麗娜.通信原理M.國(guó)防工業(yè)出版社,2010:205-212.2 章宜華.精通MATLAB5M.清華大學(xué)出版社,1999:136-140.3 沈蘭芬,李治群.調(diào)制解調(diào)的數(shù)字實(shí)現(xiàn)J.電信科學(xué),1993,(6):27-31.完成期限 2012.2.202012.3.9

3、指導(dǎo)教師 專業(yè)負(fù)責(zé)人 2012年2月20日目錄1.設(shè)計(jì)要求12.設(shè)計(jì)原理12.1 BPSK的調(diào)制原理12.2 BPSK的解調(diào)原理33.基于MATLAB的BPSK調(diào)制解調(diào)仿真43.1仿真框圖43.2 仿真源程序43.3 仿真輸出結(jié)果63.4仿真結(jié)果分析94.總結(jié)10參考文獻(xiàn)101.設(shè)計(jì)要求根據(jù)題目，查閱相關(guān)資料，掌握數(shù)字帶通的BPSK調(diào)制解調(diào)相關(guān)知識(shí)。并且學(xué)習(xí)MATLAB軟件，掌握MATLAB各種函數(shù)的使用。在此基礎(chǔ)上，運(yùn)用MATLAB進(jìn)行編程實(shí)現(xiàn)BPSK的調(diào)制解調(diào)過程，并且輸出調(diào)制前的基帶信號(hào)、調(diào)制后的BPSK信號(hào)和疊加噪聲后的2PSK信號(hào)波形、解調(diào)器在接收到信號(hào)后解調(diào)的各點(diǎn)的信號(hào)波形。2.設(shè)

4、計(jì)原理數(shù)字信號(hào)的傳輸方式分為基帶傳輸和帶通傳輸，在實(shí)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(hào)。為了使數(shù)字信號(hào)在帶通信道中傳輸，必須使用數(shù)字基帶信號(hào)對(duì)載波進(jìn)行調(diào)制，以使信號(hào)與信道的特性相匹配。這種用數(shù)字基帶信號(hào)控制載波，把數(shù)字基帶信號(hào)變換為數(shù)字帶通信號(hào)的過程稱為數(shù)字調(diào)制。00111tsTTS數(shù)字調(diào)制技術(shù)的兩種方法：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；利用數(shù)字信號(hào)的離散取值特點(diǎn)通過開關(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，比如對(duì)載波的相位進(jìn)行鍵控，便可獲得相移鍵控（PSK）基本的調(diào)制方式。圖

5、1 BPSK信號(hào)時(shí)間波形示例 2.1 BPSK的調(diào)制原理如果兩個(gè)頻率相同的載波同時(shí)開始振蕩，這兩個(gè)頻率同時(shí)達(dá)到正最大值，同時(shí)達(dá)到零值，同時(shí)達(dá)到負(fù)最大值，它們應(yīng)處于"同相"狀態(tài)；如果其中一個(gè)開始得遲了一點(diǎn)，就可能不相同了。如果一個(gè)達(dá)到正最大值時(shí)，另一個(gè)達(dá)到負(fù)最大值，則稱為"反相"。一般把信號(hào)振蕩一次（一周）作為360度。如果一個(gè)波比另一個(gè)波相差半個(gè)周期，我們說兩個(gè)波的相位差180度，也就是反相。當(dāng)傳輸數(shù)字信號(hào)時(shí)，"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(dòng)，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(shù)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(jìn)制“1”和“0”。因此，2PSK信號(hào)的時(shí)域表達(dá)式為 （1）式中，jn表示第n個(gè)符號(hào)的絕對(duì)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(hào)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(gè)矩形脈沖，而an的統(tǒng)計(jì)特性為 （6）開關(guān)電路S(t)e2psk(t)1800移相coswctp0BPSK信號(hào)的調(diào)制原理框圖如圖2-2所示。與2ASK信號(hào)的產(chǎn)生方法相比較

7、，只是對(duì)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(hào)。圖2 BPSK信號(hào)的調(diào)制原理框2.2 BPSK的解調(diào)原理2PSK信號(hào)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)的相位信息來解調(diào)信號(hào)。下圖2-3中給出了一種2PSK信號(hào)相干接收設(shè)備的原理框圖。圖中經(jīng)過帶通濾波的信號(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。判決器是按極性來判決的。即正抽樣值判為1，負(fù)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(shí)脈沖圖3 BPSK的相干接收機(jī)原理框圖BPSK信號(hào)的相干解調(diào)各點(diǎn)時(shí)間波形如圖2-4所示。圖4 BPSK各點(diǎn)時(shí)間波形波形圖中，假設(shè)相干載波的基準(zhǔn)相位與BPSK信號(hào)的調(diào)制載波的基準(zhǔn)相位一致（通常默認(rèn)為0相位）。但是，由于在BPSK信號(hào)的載波恢復(fù)過程中存在著的相位模糊，即恢復(fù)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(guān)系的不確定性將會(huì)造成解調(diào)出的數(shù)字基帶信號(hào)與發(fā)送的數(shù)字基帶信號(hào)正好相反，即“1”變?yōu)椤?”，“0”變?yōu)椤?”，判決器輸出數(shù)字信號(hào)全部出錯(cuò)。這種現(xiàn)象稱為BPSK 方式的“倒現(xiàn)象”或“反相工作”。這導(dǎo)致了BPSK方式在實(shí)際中很少采用。另外，在隨機(jī)信

9、號(hào)碼元序列中，信號(hào)波形有可能出現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)的正弦波形，致使在接收端無法辨認(rèn)信號(hào)碼元的起止時(shí)刻。為了克服BPSK這一缺點(diǎn)，在實(shí)際使用中常采用DPSK，即差分相移鍵控。3.基于MATLAB的BPSK調(diào)制解調(diào)仿真 3.1仿真框圖在發(fā)送端，通過隨機(jī)函數(shù)隨即產(chǎn)生八比特二進(jìn)制比特序列。然后把這八比特序列在頻率fc=4000HZ的載波上進(jìn)行傳輸，并且采樣頻率fs=8000HZ。經(jīng)過調(diào)制后，調(diào)制信號(hào)就可以在信道上傳輸。但是在實(shí)際的信道中傳輸時(shí)，會(huì)疊加很多噪聲，因此，程序模擬在實(shí)際信道上傳輸，產(chǎn)生噪聲，疊加到已調(diào)信號(hào)上。信道產(chǎn)生隨機(jī)基帶信號(hào)調(diào)制解調(diào)抽樣判決碼元再生高斯白噪聲在接收端，通過相干解調(diào)的方法，把接收到

10、的疊加有噪聲的信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，但是解調(diào)后的信號(hào)還不是最先發(fā)送的二進(jìn)制比特流，需要對(duì)解調(diào)得到的信號(hào)進(jìn)行抽樣判決，才能得到發(fā)送的二進(jìn)制比特流，即發(fā)送信號(hào)。軟件的仿真流程圖如3-1所示。圖5 基于MATLAB的BPSK調(diào)制解調(diào)仿真框圖3.2 仿真源程序 本程序傳送的信號(hào)是利用隨機(jī)函數(shù)產(chǎn)生隨機(jī)的八比特二進(jìn)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(jìn)行的調(diào)制。在傳輸信道上對(duì)已調(diào)信號(hào)疊加白噪聲。在接收端進(jìn)行相干調(diào)制解調(diào)，然后在進(jìn)行抽樣判決得到發(fā)送信號(hào)。%產(chǎn)生比特信號(hào)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(chǎn)生隨機(jī)八比特二進(jìn)制比特序列');axis(0,8,-1.5,1.5);%*調(diào)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(diào)制*%psk=cos(2*pi*fc.*ts+pi*m);figure(2)plot(t,psk)title('2PSK調(diào)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(diào)制信號(hào)疊加噪聲波形');%*2PSK相干解調(diào)*%b11,a11=ellip(5,0.5,60,2000,6000*2/80000);%帶通橢圓濾波器設(shè)計(jì)b12,a12=ellip(5,0.5,60,1000*2/80000); %低通濾波器設(shè)計(jì)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(diào)psk_xgjt=filter(b12,a12,e_psk1_1);

13、%相干解調(diào)后，抽樣判決前的結(jié)果figure(4)plot(t,psk_xgjt)title('2PSK調(diào)制信號(hào)相干解調(diào)后通過低通濾波器，抽樣判決前的信號(hào)');axis(0,8,-1.5,1.5)%*2PSK的相干解調(diào)法的抽樣判決結(jié)果與原數(shù)據(jù)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(diào)制信號(hào)相干解調(diào)，抽樣判決后的信號(hào)');axis(0,8,-1.5,1.5);3.3 仿真輸出結(jié)果在實(shí)際傳輸中，我我們需要傳輸?shù)木褪嵌M(jìn)制基帶信號(hào)。因此通過隨機(jī)函數(shù)隨機(jī)產(chǎn)生八位二進(jìn)制比特流，即基帶信號(hào)。圖4-1 隨機(jī)產(chǎn)生的二進(jìn)制基帶信號(hào)實(shí)際通信中不少信道都不能直接傳送基帶信號(hào)，必須用基帶信號(hào)對(duì)載波波形的某些參量進(jìn)行控制，使載波的這些參量隨基帶信號(hào)的變化而變化，即所謂正弦載波調(diào)制。正弦波可以作為數(shù)字模擬調(diào)制系統(tǒng)和數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的載波。從原理上來說，受調(diào)載波的波形可以是任意的，只要已調(diào)信號(hào)適合于信道傳輸就可以了。但實(shí)際上，在大多數(shù)數(shù)字通信系統(tǒng)中，都尋則正弦信號(hào)作為載波。這是因?yàn)?/p>

15、正弦信號(hào)形式簡(jiǎn)單，便于產(chǎn)生及接收。和模擬調(diào)制一樣，數(shù)字調(diào)制業(yè)余調(diào)幅、調(diào)頻和調(diào)相三種基本形式，并可以派生出多種其他形式。數(shù)字調(diào)制與模擬調(diào)制相比，其原理并沒有什么區(qū)別。不過模擬調(diào)制時(shí)對(duì)載波信號(hào)的參量進(jìn)行連續(xù)調(diào)制，在接收端則對(duì)載波信號(hào)的調(diào)制參量連續(xù)地進(jìn)行估值；而數(shù)字調(diào)制都是用載波信號(hào)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(duì)載波信號(hào)的離散調(diào)制參量進(jìn)行檢測(cè)。數(shù)字調(diào)制信號(hào)，在二進(jìn)制時(shí)有振幅鍵控（ASK）、移頻鍵控（FSK）和移相鍵控（PSK）三種基本信號(hào)形式。移相鍵控（PSK）相對(duì)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(qiáng)，頻帶利用率高，對(duì)信道變化不明感，性能好的優(yōu)

16、點(diǎn)，因此采用BPSK對(duì)基帶信號(hào)進(jìn)行調(diào)制。圖4-2 BPSK調(diào)制波形實(shí)際信道處于一個(gè)充滿了各種干擾的環(huán)境中，因此，調(diào)制信號(hào)不可能無干擾的在信道中傳輸。為了逼真的模擬調(diào)制信號(hào)的傳輸環(huán)境，所以在已調(diào)信號(hào)上疊加上高斯白噪聲。圖4-3 調(diào)制信號(hào)疊加噪聲的波形圖當(dāng)信號(hào)接收機(jī)接收到信號(hào)后，該信號(hào)是經(jīng)過調(diào)制和疊加噪聲后的信號(hào)，不能為人們所用，為了使接收到的信號(hào)能為人們所用，只用對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)去濾波和反調(diào)制（即解調(diào)）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(diào)的2PSK系統(tǒng)的誤碼率Pe最小。因此解調(diào)方法用相干解調(diào)的2PSK。再將解調(diào)信號(hào)通過低通濾波器進(jìn)行低通濾波。圖4-4 BPSK調(diào)制

17、信號(hào)相干解調(diào)后的波形圖通過相干解調(diào)和低通濾波器后的信號(hào)，通過抽樣判決后，原則上能恢復(fù)成系統(tǒng)發(fā)送的二進(jìn)制基帶信號(hào)，但是在實(shí)際的解調(diào)和調(diào)制的過程中，BPSK系統(tǒng)往往會(huì)出現(xiàn)“倒相”，因此在抽樣判決的時(shí)候需要注意這個(gè)問題。為了解決這個(gè)問題，現(xiàn)在在實(shí)際應(yīng)用中大多數(shù)都采用二進(jìn)制差分相移鍵控（2DPSk）。圖4-5 相干解調(diào)，經(jīng)過抽樣判決的信號(hào)3.4仿真結(jié)果分析讓隨機(jī)產(chǎn)生的八比特二進(jìn)制流在已知載波頻率的情況下進(jìn)行調(diào)制，獲得的調(diào)制信號(hào)能很好的反應(yīng)出在真實(shí)的通信系統(tǒng)中對(duì)數(shù)字基帶信號(hào)進(jìn)行的調(diào)制效果。不過在真實(shí)的通信系統(tǒng)中，因?yàn)檎{(diào)制的環(huán)境里存在許多電磁干擾，還有因?yàn)閮x器的精密度原因，導(dǎo)致調(diào)制信達(dá)不到理想的狀態(tài)，會(huì)存

18、在一些失真。但是隨著技術(shù)的不斷發(fā)展進(jìn)步，失真度在慢慢的減小，以至于基本上能達(dá)到理想狀況下的調(diào)制。真實(shí)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(shí)候會(huì)在已調(diào)信號(hào)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(shí)的傳輸環(huán)境，因此在調(diào)制信號(hào)上疊加了高斯白噪聲。在接收端，把接收到的信號(hào)進(jìn)行相干解調(diào)，解調(diào)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(diào)制后會(huì)把調(diào)制信號(hào)通過一個(gè)低通的濾波器，濾掉傳輸波形頻率以外的波形，即噪聲。調(diào)制信號(hào)通過低通濾波器后還不是我們所要的二進(jìn)制波形，是模擬的波形數(shù)據(jù)，因此必須對(duì)改模擬波形進(jìn)行抽樣判決。抽樣判決的條件根據(jù)調(diào)制的時(shí)的“0”“”相位來

19、確定。在本實(shí)驗(yàn)仿真情況下，模擬系統(tǒng)成功的恢復(fù)了發(fā)送的二進(jìn)制基帶信號(hào)。但是在實(shí)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(dǎo)致了調(diào)制解調(diào)都不能百分之百得都正確，存在一定的誤差，這個(gè)誤差稱之為誤碼率。在BPSK信號(hào)中，相位變化是以未調(diào)載波的相位作為參考基準(zhǔn)的。由于它利用載波相位的絕對(duì)數(shù)值表示數(shù)字信息，所以又稱為絕對(duì)相移。在前面已經(jīng)說過，BPSK相干解調(diào)時(shí)，由于載波恢復(fù)中相位有0、的模糊性，導(dǎo)致解調(diào)過程中出現(xiàn)“反相工作”現(xiàn)象，恢復(fù)出的數(shù)字信號(hào)“1”和“0”倒置，從而使BPSK在實(shí)際中難以應(yīng)用。為了克服這個(gè)缺點(diǎn)，人們提出了二進(jìn)制差分相移鍵控（2DPSK）方式。4.總結(jié)在這次的課程設(shè)計(jì)過程中，我發(fā)現(xiàn)自己的基礎(chǔ)知識(shí)和應(yīng)用能力都很差。剛接過課題，按照設(shè)計(jì)步驟走的時(shí)候，在數(shù)字基帶信號(hào)的產(chǎn)生和加載載波上就卡住了，通信原理的知識(shí)忘記了很多，以至于在設(shè)計(jì)開始時(shí)必須得先復(fù)習(xí)一下相關(guān)的基礎(chǔ)知識(shí)。隨著實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行，發(fā)現(xiàn)自己的通信原理課程學(xué)得遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，不能根據(jù)要求設(shè)計(jì)出最佳效果的2PSK系統(tǒng)。然而，通過這次設(shè)計(jì)，看了一遍通信原理課程關(guān)于2PSK系統(tǒng)的內(nèi)容，再通過利用參考文獻(xiàn)與網(wǎng)絡(luò)，最終完成了用Matlab進(jìn)行2PSK系統(tǒng)的課程設(shè)計(jì)。加深了對(duì)課堂抽象概念的理解,鞏固了課堂上所學(xué)的理論知識(shí),并能很好地理解與掌握通信原理