BPSK調(diào)制解調(diào)

1、一、主要內(nèi)容1、簡(jiǎn)要闡述 BPSK調(diào)制解調(diào)原理2、用 MATLAB進(jìn)行仿真，附上仿真源程序和仿真結(jié)果，對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析。二、主要原理2.1 BPSK 的調(diào)制原理在二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制中，當(dāng)正弦載波的相位隨二進(jìn)制數(shù)字基帶信號(hào)離散變化時(shí)，則產(chǎn)生二進(jìn)制移相鍵控（ 2PSK）信號(hào)。通常用已調(diào)信號(hào)載波的0 度和 180度分別表示二進(jìn)制數(shù)字基帶信號(hào)的1 和 0. 二進(jìn)制移相鍵控信號(hào)的時(shí)域表達(dá)式為e2 PSK (t) an g(t nTs ) coswct（式 21）n其中， an 與 2ASK和 2FSK時(shí)的不同，在 2PSK調(diào)制中， an 應(yīng)選擇雙極性，即當(dāng)發(fā)送概率為 P， an1，當(dāng)發(fā)送概率為1-P,an1

2、。若 g(t) 是脈寬為 TS 、高度為1 的矩形脈沖，則有當(dāng)發(fā)送概率為 P 時(shí)，e2PSK( )cos()（式 ）twc t22發(fā)送概率為 1-P 時(shí)，e2PSKcos()（式2 ）wc t3由（式 22）和（式 23）可以看出，當(dāng)發(fā)送二進(jìn)制符號(hào) 1 時(shí)，已調(diào)信號(hào) e2PSK (t)取 0度相位，當(dāng)發(fā)送二進(jìn)制符號(hào)為0 時(shí)， e2PSK (t) 取180 度相位，則有e2 PSKcos(wctn ) ，其中發(fā)送符號(hào)1，n 00 ，發(fā)送符號(hào)0， n 1800 。這種以載波的不同相位直接表示相應(yīng)二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制信號(hào)的調(diào)制方式，稱為二進(jìn)制絕對(duì)移向方式。下面為2PSK信號(hào)調(diào)制原理框圖2.1 所示：e2

3、PSK (t )S(t)碼型變換乘法器cos(wc t)圖 2.1:2PSK 信號(hào)的調(diào)制原理圖（模擬調(diào)制方法）1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。10011tTS圖 2.2 BPSK 信號(hào)時(shí)間波形示例2.2 BPSK 解調(diào)原理2PSK信號(hào)的解調(diào)通常都采用相干解調(diào)，解調(diào)器原理如圖2.3 所示，在相干解調(diào)過(guò)程中需要用到和接收的2PSK信號(hào)同頻同相的想干載波。e2PSK (t )ad抽樣e帶 通 濾c低 通 濾相乘器判決器波器波器定時(shí)輸出bcos( wct )脈 沖圖 2.3 ： BPSK相干解調(diào)10011atT sb

4、ttctdte0011 t1圖 2.4 BPSK 解調(diào)各點(diǎn)時(shí)間波形2在 2PSK相干信號(hào)解調(diào)過(guò)程中，當(dāng)回復(fù)的相干載波產(chǎn)生180 度倒相時(shí)，解調(diào)出的數(shù)字基帶信號(hào)與將發(fā)送的數(shù)字基帶信號(hào)正好相反，解調(diào)器輸出數(shù)字基帶信號(hào)全部錯(cuò)誤，這通常稱為“倒”現(xiàn)象。為了解決這一問(wèn)題，提出二進(jìn)制差分相位鍵控 2DPSK，2DPSK方式是用前后相鄰碼元的載波相對(duì)相位變化來(lái)表示數(shù)字信息的，假設(shè)前后相鄰碼元的載波相位差為，=0，表示數(shù)字信息“0”，當(dāng)，表示數(shù)字信息“ 1”，也可以當(dāng)，表示數(shù)字信息“ 0”，=0，表示數(shù)字信息“ 1”。2DPSK用下面方法實(shí)現(xiàn)：首先對(duì)二進(jìn)制數(shù)字基帶信號(hào)進(jìn)行差分編碼，將絕對(duì)嗎便是成二進(jìn)制信息變換

5、成用相對(duì)碼表示二進(jìn)制信息，然后再進(jìn)行絕對(duì)調(diào)相，從而產(chǎn)生二進(jìn)制差分相位鍵控信號(hào)。調(diào)制原理如圖2.3 所示：0cos(wct )e2 DPSK (t )180 度移相S(t )碼變換圖 2.3:2DPSK 信號(hào)調(diào)制器原理圖2DPSK相干解調(diào)原理與2PSK相干解調(diào)原理想似，只是在抽樣判決后加了碼反變換器，使回復(fù)的相對(duì)碼， 再通過(guò)碼反變換器換為絕對(duì)碼，從而恢復(fù)出發(fā)送的二進(jìn)制數(shù)字信息， 輸出的絕對(duì)碼不會(huì)發(fā)生任何倒置現(xiàn)象， 從而解決載波相位模糊問(wèn)題。也可采用差分相干解調(diào)， 解調(diào)原理是直接比較前后碼元的相位差， 從而恢復(fù)出發(fā)送的二進(jìn)制數(shù)字信息， 由于解調(diào)的同時(shí)完成碼反變換作用， 故解調(diào)器中不需要碼反變換器。

6、三、基于 MATLAB的 BPSK調(diào)制解調(diào)仿真3.1仿真輸出各點(diǎn)結(jié)果1）產(chǎn)生隨機(jī)的二進(jìn)制比特序列本程序傳送的信號(hào)是利用隨機(jī)函數(shù)產(chǎn)生隨機(jī)的十比特二進(jìn)制流。 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。3輸出框圖如下2）隨機(jī)二進(jìn)制信號(hào)的頻譜43）產(chǎn)生載波信號(hào)從原理上來(lái)說(shuō)， 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)檎倚盘?hào)形式簡(jiǎn)單，便于產(chǎn)生及接收。因?yàn)?/p>

7、信息速率 2400b/s ，載頻 4800Hz，一個(gè) Ts 兩個(gè)載波信號(hào)。4）載波信號(hào)頻譜55）2PSK調(diào)制信號(hào)6）2PSK調(diào)制信號(hào)頻譜7）高斯白噪聲6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(wú)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。在完成調(diào)制后，將形成的調(diào)制信號(hào)送到高斯白噪聲的加性信道中，相當(dāng)于在原信號(hào)的基礎(chǔ)上加入高斯白噪聲。8）高斯白噪聲頻譜79）2psk 疊加白噪聲波形10）2PSK疊加白噪聲頻譜811）濾波器的設(shè)計(jì)：當(dāng)信號(hào)接收機(jī)接收到信號(hào)后， 該信號(hào)是經(jīng)過(guò)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

8、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。載波頻率 4800b/s ，信息速率為 2400b/s ，因?yàn)槎M(jìn)制所以碼元速率2400B，帶通濾波器設(shè)計(jì)指標(biāo)：通帶上、下界頻率分別為2400Hz,6400Hz,通帶最大衰減為 0.5dB, 階數(shù)為 5。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的是數(shù)字濾波器，MATLAB信號(hào)處理工具提供橢圓濾波器的設(shè)計(jì)函數(shù)有ellipap,ellipord,以及 ellip，仿真中利用 ellip函數(shù)計(jì)算橢圓模擬濾波器系統(tǒng)函數(shù)向量系數(shù)BB1，AB1。低通濾波器的設(shè)計(jì)與帶通濾波器設(shè)計(jì)方法類(lèi)似，設(shè)計(jì)指標(biāo)：通帶截止頻率1200Hz, 通帶最大衰減為 0.5dB, 階數(shù)為 5。MA

9、TLAB工具箱中 filter是一維數(shù)字濾波器，使用方法：Y=filter(B,A,X), 輸入 X 為濾波前序列， Y 為濾波后結(jié)果序列， B/A 提供濾波器系數(shù)函數(shù)， B 為分子， A 為分母。設(shè)計(jì)好濾波器后，使用filter函數(shù)使調(diào)制信號(hào)通過(guò)帶通濾波器，使調(diào)制信號(hào)與載波相乘進(jìn)行相干解調(diào)后的調(diào)制信號(hào)通過(guò)低通濾波器進(jìn)行濾波。12）調(diào)制信號(hào)通過(guò)帶通濾波器913）調(diào)制信號(hào)通過(guò)帶通濾波器的頻譜14）帶通濾波器單位沖激響應(yīng)1015）帶通濾波器頻率響應(yīng)16）調(diào)制信號(hào)與載波相乘進(jìn)行相干解調(diào)1117）調(diào)制信號(hào)與載波相乘后信號(hào)頻譜18）低通濾波器單位沖激響應(yīng)1219）低通濾波器頻率響應(yīng)20）解調(diào)信號(hào)通過(guò)低通

10、濾波器1321）解調(diào)信號(hào)通過(guò)低通濾波器后信號(hào)頻譜22）抽樣判決后的信號(hào)1423）2PSK相干解調(diào)系統(tǒng)性能Pe=0.5*erfc(sqrt(SNR),SNR為信噪比。24）2DPSK差分相干解調(diào)系統(tǒng)性能通過(guò)相干解調(diào)和低通濾波器后的信號(hào)，通過(guò)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)調(diào)制的過(guò)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(wèn)題。為解決這個(gè)問(wèn)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）。Pe=0.5*exp(-SNR)1525）相干解調(diào)與差分相干解調(diào)誤碼率比較3.2仿真結(jié)果分析讓隨機(jī)產(chǎn)生的十比特二進(jìn)制流在已知載波頻

11、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(guò)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)制信道達(dá)不到理想的狀態(tài)， 會(huì)存在一些失真。 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

12、波形，因此在調(diào)制后會(huì)把調(diào)制信號(hào)通過(guò)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。16調(diào)制信號(hào)通過(guò)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(lái)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

13、為絕對(duì)相移。在前面已經(jīng)說(shuō)過(guò)，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(guò)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。2PSK與 2DPSK系統(tǒng)比較：1、從圖看出，差分相干解調(diào)誤碼率比2PSK相干解調(diào)誤碼率大， 相同信噪比下，相干解調(diào) 2PSK系統(tǒng)的誤碼率小。2、檢測(cè)這兩種信號(hào)時(shí)判決器均可工作在最佳門(mén)限電平（零電平）。3、2PSK存在反向工作問(wèn)題，而2DPSK系統(tǒng)不存在。四、源程序Clc;clear%產(chǎn)生比特信號(hào)t=0:0.01:9.99;a=randin

14、t(1,10);m=a(ceil(t+0.01);figure(1)plot(t,m)title('產(chǎn)生隨機(jī)十比特二進(jìn)制比特序列');axis(0,10,-2,2);%載波信號(hào) %fc=4800;17fs=100000;ts=0:1/fs:(1000-1)/fs;carry=cos(2*pi*fc*ts/2.5);%因?yàn)樾畔⑺俾?400b/s ，載頻4800Hz，一個(gè)Ts 兩個(gè)載波信號(hào)，不除 2.5 是五個(gè)載波figure(2)plot(t,carry)title('載波信號(hào) ')axis(0,10,-2,2);%2psk調(diào)制 %e_2psk=cos(2*pi*

15、fc*ts/2.5+pi*m);figure(3)plot(t,e_2psk)title('2psk調(diào)制信號(hào) ');axis(0,10,-2,2);%產(chǎn)生高斯白噪聲a=0.1;noise=a*wgn(1,1000,10);%產(chǎn)生 1 行 1000 列的高斯白噪聲為10dBWfigure(4)plot(t,noise)title('高斯白噪聲 ');axis(0,10,-2,2);%調(diào)制信號(hào)疊加高斯白噪聲e2psk=e_2psk+noise;figure(5)plot(t,e2psk)title('2psk疊加白噪聲波形 ')axis(0,10,-

16、2,2);%帶通濾波器的設(shè)計(jì) %18BB1,AB1=ellip(5,0.5,60,2400,6400*2/100000);%帶通濾波器通帶上、下界頻率分別為2400Hz,6400Hz,通帶最大衰減為0.5dB, 階數(shù)為 5，計(jì)算帶通濾波器系統(tǒng)函數(shù)分子分母多項(xiàng)式系數(shù)向量BB1和 AB1e_2psk1=filter(BB1,AB1,e2psk);%帶通濾波器濾除帶外噪聲figure(6)plot(t,e_2psk1)title('調(diào)制信號(hào)通過(guò)帶通濾波器')%相干解調(diào)與載波相乘e_2psk2=e_2psk1.*carry*2;figure(7)plot(t,e_2psk2)title

17、('調(diào)制信號(hào)與載波相乘進(jìn)行相干解調(diào)')axis(0,10,-2,2);%設(shè)計(jì)低通濾波器BB2,AB2=ellip(5,0.5,60,700*2/100000);%通濾波器通帶截止頻率分別為 700Hz,通帶最大衰減為0.5dB, 階數(shù)為 5，計(jì)算低通濾波器系統(tǒng)函數(shù)分子分母多項(xiàng)式系數(shù)向量BB2和 AB2e_2psk3=filter(BB2,AB2,e_2psk2);figure(8)plot(t,e_2psk3)title('解調(diào)信號(hào)通過(guò)低通濾波器')%抽樣判決for i=0:9if(e_2psk3(i+1)*100)>0)e_2psk4(i*100+1:(

18、i+1)*100)=zeros(1,100);elsee_2psk4(i*100+1:(i+1)*100)=ones(1,100);end19endfigure(9)plot(t,e_2psk4)title('抽樣判決后的信號(hào) ')axis(0,10,-2,2);%頻譜觀察%隨機(jī)信號(hào)的頻譜T=t(end);df=1/T;N=length(m);f=(-N/2:N/2-1)*df;sf=fftshift(abs(fft(m);figure(10)plot(f,sf)xlabel('頻率 /Hz');ylabel('振幅 ');title('

19、隨機(jī)二進(jìn)制信號(hào)的頻譜 ')%載波信號(hào)頻譜sfcarry=fftshift(abs(fft(carry);figure(11)plot(f,sfcarry)xlabel('頻率 /Hz');ylabel('振幅 ')title('載波信號(hào)的頻譜 ')%2psk調(diào)制信號(hào)頻譜sfe_2psk=fftshift(abs(fft(e_2psk);figure(12)plot(f,sfe_2psk)xlabel('頻率 /Hz');20ylabel('振幅 ');title('2psk調(diào)制信號(hào)頻譜 ')

20、%高斯白噪聲的頻譜sfnoise=fftshift(abs(fft(noise);figure(13)plot(f,sfnoise)xlabel('頻率 /Hz');ylabel('振幅 ');title('高斯白噪聲的頻譜 ')%調(diào)制信號(hào)疊加高斯白噪聲的頻譜sfe2psk=fftshift(abs(fft(e2psk);figure(14)plot(f,sfe2psk)xlabel('頻率 /Hz');ylabel('振幅 ');title('調(diào)制信號(hào)疊加高斯白噪聲的頻譜')%調(diào)制信號(hào)通過(guò)帶通濾波

21、器的頻譜sfe_2psk1=fftshift(abs(fft(e_2psk1);figure(15)plot(f,sfe_2psk1)xlabel('頻率 /Hz');ylabel('振幅 ');title('調(diào)制信號(hào)通過(guò)帶通濾波器后的頻譜')%相干解調(diào) , 調(diào)制信號(hào)與載波相乘的頻譜sfe_2psk2=fftshift(abs(fft(e_2psk2);figure(16)plot(f,sfe_2psk2)xlabel('頻率 /Hz');ylabel('振幅 ');21title('調(diào)制信號(hào)與載波相乘的頻

22、譜')%解調(diào)信號(hào)通過(guò)低通濾波器后的頻譜sfe_2psk3=fftshift(abs(fft(e_2psk3);figure(17)plot(f,sfe_2psk3)xlabel('頻率 /Hz');ylabel('振幅 ');title('解調(diào)信號(hào)通過(guò)低通濾波器后的頻譜')%抽樣判決后的信號(hào)的頻譜sfe_2psk4=fftshift(abs(fft(e_2psk4);xlabel('頻率 /Hz');figure(18)plot(f,sfe_2psk4)xlabel('頻率 /Hz');ylabel(

23、9;振幅 ');title('抽樣判決后的信號(hào)的頻譜')%濾波器單位沖激響應(yīng)%帶通濾波器單位沖激響應(yīng)figure(18)dimpulse(BB1,AB1)title('帶通濾波器單位沖激響應(yīng)')axis(0,5000,-0.06,0.06);%低通濾波器單位沖激響應(yīng)figure(19)dimpulse(BB2,AB2)axis(0,1000,-0.02,0.02);title('低通濾波器單位沖激響應(yīng)')%濾波器頻率響應(yīng)曲線%帶通濾波器頻率響應(yīng)曲線22figure(20)w=0:0.1:2*pi*0.3;freqz(BB1,AB1,w)t

24、itle('帶通濾波器幅頻相頻曲線')%低通濾波器頻率響應(yīng)曲w=0:0.1:2*pi*0.3;figure(21)freqz(BB2,AB2,w)title('低通濾波器幅頻相頻曲線')%10.(-2)-10.(-6)誤碼曲線r=0:1:11;rr=10.(r/10);pe=0.5*(erfc(sqrt(rr);figure(22)semilogy(r,pe)xlabel('r/dB');ylabel('pe');title('相干解調(diào)下， 10.(-2)-10.(-6)誤碼曲線 ')%不同強(qiáng)度白噪聲下誤碼率r=-8:4:16;rr=10.(r/10);pe=0.5*(erfc(sqrt(rr);figure(23)semilogy(r,pe1)xlabel('r/dB');ylabel('pe');title('2PSK相干解調(diào)下誤碼率曲線 ')pe2=0.5*exp(-rr);figure(24)23semilogy