PSK調(diào)制與解調(diào)系統(tǒng)的仿真

1、科類 理工科 編號(hào)（學(xué)號(hào)） 本科生畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）調(diào)制與解調(diào)系統(tǒng)的仿真The simulation of PSK modulation and demodulation system秦安東指導(dǎo)教師： 趙紅偉 （講師）云南農(nóng)業(yè)大學(xué) 昆明 黑龍?zhí)?650201學(xué) 院： 基礎(chǔ)與信息工程學(xué)院 專 業(yè)： 電子信息工程 年級(jí)： 論文（設(shè)計(jì)）提交日期： 答辯日期： 答辯委員會(huì)主任： 云南農(nóng)業(yè)大學(xué)年月目錄摘要6 ABSTRACT41.前言42.設(shè)計(jì)原理4 2.1 2PSK信號(hào)的調(diào)制與解調(diào)52.1.1 2PSK信號(hào)的調(diào)制原理52.1.2 2PSK信號(hào)的解調(diào)原理5 2.2 4PSK信號(hào)的調(diào)制與解調(diào)52.

2、2.1 4PSK信號(hào)的調(diào)制原理52.2.2 4PSK信號(hào)的解調(diào)原理5 2.3 8PSK信號(hào)的調(diào)制與解調(diào)52.3.1 8PSK信號(hào)的調(diào)制原理52.3.2 8PSK信號(hào)的解調(diào)原理53仿真結(jié)果74.1 2PSK信號(hào)的仿真結(jié)果如下圖所示64.2 4PSK信號(hào)的仿真結(jié)果如下圖所示74.3 8PSK信號(hào)的仿真結(jié)果如下圖所示65.心得體會(huì)8參考文獻(xiàn)9致謝18附錄19摘 要用數(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(guò)程稱為數(shù)字調(diào)制。鍵控法，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。由于PSK在生活中有著廣泛的應(yīng)用，本論文詳細(xì)介紹了PSK波形的產(chǎn)生和仿真過(guò)程。我們可以系統(tǒng)

3、的了解基本原理，以及得到數(shù)字調(diào)制波形的方法。利用MATLAB仿真可更好的認(rèn)識(shí)2PSK信號(hào)波形的調(diào)制過(guò)程。關(guān)鍵詞：數(shù)字調(diào)制、2PSK、調(diào)制與解調(diào)、Matlab仿真 ABSTRACT1.前言 課程設(shè)計(jì)需要運(yùn)用MATLAB編程實(shí)現(xiàn)2PSK調(diào)制解調(diào)過(guò)程，并且輸出其調(diào)制及解調(diào)過(guò)程中的波形，討論其調(diào)制和解調(diào)效果。2. 設(shè)計(jì)原理2.1 2PSK信號(hào)的調(diào)制與解調(diào)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

4、通信號(hào)的過(guò)程稱為數(shù)字調(diào)制。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(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，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1 相應(yīng)的信號(hào)波形的示例 1 0 12.1.12PSK信號(hào)的調(diào)制原理數(shù)字調(diào)相：如果兩個(gè)頻率相同的載波同時(shí)開(kāi)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(kāi)始得遲了一點(diǎn)，就可能不相同了。如果一個(gè)達(dá)到正

5、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(shuō)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。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(t)=Acost+) 其中，表示第n個(gè)符號(hào)的絕對(duì)相位：= 因此，上式可以改寫(xiě)為 圖2 2PSK信號(hào)波形

6、2PSK信號(hào)的調(diào)制原理框圖如下圖3所示：2PSK信號(hào)的調(diào)制原理框圖說(shuō)明：2psk調(diào)制器可以采用相乘器，也可以采用相位選擇器就模擬調(diào)制法而言，與產(chǎn)生2ASK信號(hào)的方法比較，只是對(duì)s(t)要求不同，因此2PSK信號(hào)可以看作是雙極性基帶信號(hào)作用下的DSB調(diào)幅信號(hào)。而就鍵控法來(lái)說(shuō)，用數(shù)字基帶信號(hào)s(t)控制開(kāi)關(guān)電路，選擇不同相位的載波輸出，這時(shí)s(t)為單極性NRZ或雙極性NRZ脈沖序列信號(hào)均可。 2PSK信號(hào)屬于DSB信號(hào)，它的解調(diào)，不再能采用包絡(luò)檢測(cè)的方法，只能進(jìn)行相干解調(diào)。2.1.22PSK信號(hào)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

7、須利用信號(hào)的相位信息來(lái)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(guò)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(lái)判決的。即正抽樣值判為1，負(fù)抽樣值判為0.2PSK信號(hào)相干解調(diào)各點(diǎn)時(shí)間波形如圖 3 所示. 當(dāng)恢復(fù)的相干載波產(chǎn)生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).圖 32PSK信號(hào)相干解調(diào)各點(diǎn)時(shí)間波形 這種現(xiàn)象通常稱為"倒"現(xiàn)象.由于在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

8、相干解調(diào)存在隨機(jī)的"倒"現(xiàn)象,從而使得2PSK方式在實(shí)際采用. 2PSK信號(hào)的解調(diào)原理框圖如下圖所示：帶通濾波相乘低通濾波抽樣判決本地載波提取V（t）定時(shí)脈沖cost2PSK解調(diào)器 2PSK信號(hào)的解調(diào)原理框圖說(shuō)明：由于PSK信號(hào)的功率譜中五載波分量，所以必須采用相干解調(diào)的方式。在相干解調(diào)中，如何得到同頻同相的本地載波是個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。只有對(duì)PSK信號(hào)進(jìn)行非線性變換，才能產(chǎn)生載波分量。2PSK信號(hào)經(jīng)過(guò)帶通濾波器得到有用信號(hào)，經(jīng)相乘器與本地載波相乘再經(jīng)過(guò)低通濾波器得到低頻信號(hào)v(t)，再經(jīng)抽樣判決得到基帶信號(hào)。2.2 4PSK信號(hào)的調(diào)制與解調(diào)四進(jìn)制絕對(duì)相移鍵控(4PSK)直接利用載

9、波的四種不同相位來(lái)表示數(shù)字信息。如圖2所示參考相位000o11 180o01 270o10 90o45o 11135o 0100225o10315o參考相位圖2 4PSK信號(hào)相位n矢量圖由于每一種相位代表兩個(gè)比特信息，因此每個(gè)四進(jìn)制碼元可以用兩個(gè)二進(jìn)制碼元的組合來(lái)表示。兩個(gè)二進(jìn)制碼元中的前一比特用a來(lái)表示，后一比特用b表示，則雙比特ab與載波相位的關(guān)系入下表1：表1 雙比特ab與載波相位的關(guān)系雙比特碼元載波相位（n） abA方式B方式000o225o1090o315 o11180o45 o01270o135 o四進(jìn)制信號(hào)可等效為兩個(gè)正交載波進(jìn)行雙邊帶調(diào)制所得信號(hào)之和。這樣，就把數(shù)字調(diào)相和線性調(diào)

10、制聯(lián)系起來(lái)，為四相波形的產(chǎn)生提供依據(jù)。2.2.14PSK信號(hào)的調(diào)制原理4PSK的調(diào)制方法有正交調(diào)制方式（雙路二相調(diào)制合成法或直接調(diào)相法）、相位選擇法、插入脈沖法等。這里我們采用正交調(diào)制方式。4PSK的正交調(diào)制原理如圖3：串/并變換單/雙極性換單/雙極性換×移相/2載波震蕩+acosctsinct-+輸入4PSK輸出b×圖3 4PSK正交調(diào)制原理方框圖它可以看成是由兩個(gè)載波正交的2PSK調(diào)制器構(gòu)成的。圖中串/并變換器將輸入的二進(jìn)制序列分為速度減半的兩個(gè)并行雙極性序列a和b（a,b碼元在事件上是對(duì)齊的），再分別進(jìn)行極性變換，把極性碼變?yōu)殡p極性碼（0-1，1+1）然后分別調(diào)制到c

11、osct和sinct兩個(gè)載波上，兩路相乘器輸出的信號(hào)是相互正交的抑制載波的雙邊帶調(diào)制（DSB）信號(hào)，其相位與各路碼元的極性有關(guān)，分別由a和b碼元決定。經(jīng)相加電路后輸出兩路的合成波形，即是4PSK信號(hào)。圖中兩個(gè)乘法器，其中一個(gè)用于產(chǎn)生0o與180o兩種相位狀態(tài)，另一個(gè)用于產(chǎn)生90o與270o兩種相位狀態(tài)，相加后就可以得到45o，135o，225o，和315o四種相位。2.2.24PSK信號(hào)的解調(diào)原理4PSK信號(hào)是兩個(gè)載波正交的2PSK信號(hào)的合成。所以，可以仿照2PSK相干檢測(cè)法，用兩個(gè)正交的相干載波分別檢測(cè)兩個(gè)分量 a和b，然后還原成二進(jìn)制雙比特串行數(shù)字信號(hào)。此法稱作極性比較法（相干解調(diào)加碼反變

12、換器方式或相干正交解調(diào)發(fā)）如圖4帶通濾波器××低通濾波器抽樣判決抽樣判決并/串變換正交載波源4PSK輸入yi(t)yB(t)cosctsinctyA(t)zB(t)xA(t)zA(t)xB(t)ab位定時(shí)低通濾波器圖4 4PSK信號(hào)解調(diào)器原理方圖在不考慮噪聲及傳輸畸變時(shí)，接收機(jī)輸入的4PSK信號(hào)碼元可表示為 （2.2.1）表2 抽樣判決器的判決準(zhǔn)則輸入相位的極性的極性判決器輸出+11-+01-00+-10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0.兩路抽樣判決器輸出a、b，經(jīng)并/串變換器就可將并行數(shù)據(jù)恢復(fù)成串行數(shù)據(jù)如表2所示。2.38PSK信號(hào)的調(diào)制與解調(diào)2.

13、3.18PSK信號(hào)的調(diào)制原理2.3.28PSK信號(hào)的解調(diào)原理4.仿真結(jié)果 說(shuō)明：基帶信號(hào)經(jīng)過(guò)調(diào)制系統(tǒng)生成PSK信號(hào)，信道中可能會(huì)有噪音干擾，經(jīng)過(guò)帶通濾波器過(guò)濾出有用信號(hào)。說(shuō)明：信道內(nèi)的PSK信號(hào)經(jīng)過(guò)帶通濾波器過(guò)濾出有用信號(hào)，經(jīng)過(guò)相乘器和載波信號(hào)相乘，所得信號(hào)通過(guò)低通濾波器得到低頻信號(hào)，再經(jīng)抽樣判決得到基帶信號(hào)。5.心得體會(huì)一周的基于MATLAB的數(shù)字調(diào)制信號(hào)仿真分析課程設(shè)計(jì)讓我獲益頗深。更加深入的掌握了MATLAB軟件的使用，了解了數(shù)字調(diào)制的基本原理和主要過(guò)程，進(jìn)一步學(xué)習(xí)了信號(hào)的傳輸?shù)挠嘘P(guān)內(nèi)容。在這一周的時(shí)間內(nèi)我經(jīng)常往返于圖書(shū)館，查閱相關(guān)資料，發(fā)現(xiàn)自己的知識(shí)水平有限，需要學(xué)習(xí)的東西還有很多很多

14、。另外，在這次課程設(shè)計(jì)中，我充分利用了網(wǎng)絡(luò)資源，終于讓其發(fā)揮了有用的一面。設(shè)計(jì)過(guò)程中老師主要鍛煉我們的自主能力，我們查閱資料的同時(shí)，當(dāng)遇到不解的時(shí)候，老師的不吝指導(dǎo)，我的課程設(shè)計(jì)才得以在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)高效完成。通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)，我學(xué)會(huì)了很多，收獲了很多，并且加強(qiáng)了我的自主能力、動(dòng)手能力和獨(dú)立思考、團(tuán)結(jié)協(xié)作的能力。參考文獻(xiàn)：1樊昌信 通信原理 電子工業(yè)出版社2王秉軍等 通信原理 北京：清華大學(xué)出版社3曹志剛等 現(xiàn)代通信原理 北京：清華大學(xué)出版社4劉衛(wèi)國(guó) MATLAB程序設(shè)計(jì)與應(yīng)用（第二版） 高等教育出版社5王嘉梅基于MATLAB的數(shù)字信號(hào)處理與時(shí)間開(kāi)發(fā)西安電子科技大學(xué)出版社附：程序清單 2PSK基

15、于MATLAB的程序代碼：clear all; close all; fs=8e5;%抽樣頻率 fm=20e3;%基帶頻率 n=2*(6*fs/fm); final=(1/fs)*(n-1); fc=2e5; % 載波頻率 t=0:1/fs:(final); Fn=fs/2;%耐奎斯特頻率 %用正弦波產(chǎn)生方波 %= twopi_fc_t=2*pi*fm*t; A=1; phi=0; x = A * cos(twopi_fc_t + phi); % 方波 am=1; x(x>0)=am; x(x<0)=-1; figure(1) subplot(321); plot(t,x); ax

16、is(0 2e-4 -2 2); title('基帶信號(hào)'); grid on car=sin(2*pi*fc*t);%載波 ask=x.*car;%載波調(diào)制 subplot(322); plot(t,ask); axis(0 200e-6 -2 2); title('PSK信號(hào)'); grid on; %= vn=0.1; noise=vn*(randn(size(t);%產(chǎn)生噪音 subplot(323); plot(t,noise); grid on; title('噪音信號(hào)'); axis(0 .2e-3 -1 1); askn=(ask

17、+noise);%調(diào)制后加噪 subplot(324); plot(t,askn); axis(0 200e-6 -2 2); title('加噪后信號(hào)'); grid on; %帶通濾波 %= fBW=40e3; f=0:3e3:4e5; w=2*pi*f/fs; z=exp(w*j); BW=2*pi*fBW/fs; a=.8547;%BW=2(1-a)/sqrt(a) p=(j2*a2); gain=.135; Hz=gain*(z+1).*(z-1)./(z.2-(p); subplot(325); plot(f,abs(Hz); title('帶通濾波器

18、9;); grid on; Hz(Hz=0)=10(8);%avoid log(0) subplot(326); plot(f,20*log10(abs(Hz); grid on; title('Receiver -3dB Filter Response'); axis(1e5 3e5 -3 1); %濾波器系數(shù) a=1 0 0.7305;%1 0 p b=0.135 0 -0.135;%gain*1 0 -1 faskn=filter(b,a,askn); figure(2) subplot(321); plot(t,faskn); axis(0 100e-6 -2 2); title('通過(guò)帶通濾波后輸出'); grid on; cm=faskn.*car;%解調(diào) subplot(322); plot(t,cm); axis(0 100e-6 -2 2); grid on; title('通過(guò)相乘器后輸出'); %低通濾波器 %= p=0.72; gain1=0.14;%gain=(1-p)/2 Hz1=gain1*(z+1)./(z-(p); subplot(323); Hz1(Hz1=