基于MATLAB數(shù)字信號2PSK調(diào)制與解調(diào)及其仿真

福 建 師 范 大 學(xué) 應(yīng) 用 科 技 學(xué) 院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)基于MATLAB數(shù)字信號2PSK調(diào)制與解調(diào)及其仿真 學(xué) 院：應(yīng)用科技學(xué)院專 業(yè)：電子信息工程學(xué) 號：120352010050姓 名：廖丹丹指導(dǎo)教師：吳淑蓮職 稱：講師目 錄1. 引言32. 設(shè)計(jì)依據(jù)及框圖42.1 設(shè)計(jì)任務(wù)42.2設(shè)計(jì)平臺42.3 設(shè)計(jì)原理43. 基于MATLAB的2PSK系統(tǒng)仿真73.1 MATLAB仿真代碼73.2仿真波形圖104. 結(jié)論135. 心得體會13致謝13參考文獻(xiàn)13基于MATLAB數(shù)字信號2PSK調(diào)制與解調(diào)及其仿真 應(yīng)用科技學(xué)院 2010級 電子信息工程專業(yè) 120352010050 廖丹丹 指導(dǎo)教師 吳淑蓮【摘 要】本論文將對2PSK(二進(jìn)制移相鍵控)波形的產(chǎn)生和仿真過程進(jìn)行詳細(xì)的介紹。利用MATLAB實(shí)驗(yàn)平臺實(shí)現(xiàn)對數(shù)字信號二進(jìn)制移相鍵控(2PSK)的調(diào)制與解調(diào)的模擬。具體是使用鍵控法來產(chǎn)生信號的調(diào)制和解調(diào)。這對2PSK信號波形的調(diào)制可以有一個(gè)更好的理解。同時(shí)也將會加深對數(shù)字信號調(diào)制與解調(diào)的認(rèn)知。【關(guān)鍵字】2PSK,調(diào)制與解調(diào),MATLAB1. 引言隨著社會經(jīng)濟(jì)的進(jìn)步電子技術(shù)產(chǎn)業(yè)有了飛快的發(fā)展，同時(shí)通信技術(shù)也從原先的模擬通信朝向數(shù)字化、寬帶化、網(wǎng)絡(luò)化、和智能化的方向發(fā)展；隨著高科技的研發(fā)電子產(chǎn)品的不斷更新，人們在對各種通信的要求將會變得更高，也會有越來越多的新技術(shù)將不斷地運(yùn)用到通信領(lǐng)域之中，一些更先進(jìn)的通信業(yè)務(wù)將會不斷地被開發(fā)出來1。 在數(shù)字基帶的傳輸系統(tǒng)中，由于數(shù)字基帶信號不能夠在帶通傳輸信道正常傳輸，為了讓數(shù)字基帶信號可以在信道中有效的傳輸，所以信道傳輸特性應(yīng)該為低通形式。但在實(shí)際的信道傳輸中，絕大部分的信道有著帶通傳輸特性。而在帶通傳輸特性的信道中數(shù)字基帶信號不可以直接傳輸。為了能夠得到信號同信道相匹配的特性，數(shù)字基帶信號要對載波信號進(jìn)行相關(guān)的調(diào)制。2利用數(shù)字基帶信號來控制信號的載波，數(shù)字調(diào)制過程是：把數(shù)字基帶信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字帶通信號。而數(shù)字解調(diào)的過程是：在信號接收端，利用解調(diào)器把帶通信號恢復(fù)成數(shù)字基帶信號3。一般情況下人們把調(diào)制與解調(diào)過程的數(shù)字的傳輸系統(tǒng)稱之為數(shù)字頻帶的傳輸系統(tǒng)。頻帶傳輸也稱為帶通傳輸（band-pass transmission）、載波傳輸（carrier transmission）1。其中數(shù)字調(diào)制的基本結(jié)構(gòu)如下圖：圖1-1數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)圖1數(shù)字和模擬調(diào)制有著一樣的原理，通常數(shù)字調(diào)制信號可以利用模擬的調(diào)制方法來實(shí)現(xiàn)。利用數(shù)字鍵控法來實(shí)現(xiàn)數(shù)字的調(diào)制信號稱之為鍵控法?？梢詫d波信號的相位、振幅還有頻率進(jìn)行鍵控。可獲得振幅鍵控（Amplitude shift keying ,ASK）、頻移鍵控（Frequency shift keying ,FSK）和相移鍵控（Phase shift keying ,PSK）4。數(shù)字調(diào)制的方法有兩種，一種是多進(jìn)制調(diào)制法；另一種是二進(jìn)制調(diào)制法。在二進(jìn)制調(diào)制中，信號參量取值僅僅只有兩個(gè)可能性，分別代表二進(jìn)制數(shù)中的0和15。本文采用二進(jìn)制調(diào)制即對2PSK信號的主要原理與及2PSK相干解調(diào)系統(tǒng)的性能進(jìn)行了仿真和分析，因此我們可以更清晰的認(rèn)識數(shù)字調(diào)制的方式。2. 設(shè)計(jì)依據(jù)及框圖2.1 設(shè)計(jì)任務(wù)利用MATLAB編程實(shí)現(xiàn)2PSK調(diào)制與解調(diào)過程，輸出其調(diào)制及解調(diào)過程中的波形，與及加入噪聲后的波形，討論其調(diào)制和解調(diào)效果。2.2設(shè)計(jì)平臺Matlab是由美國MATH WORKS公司推出的一款以科學(xué)計(jì)算和工程仿真的軟件，它的名稱源自矩陣實(shí)驗(yàn)室（Matrix Laboratory），是一款專門以矩陣的形式處理數(shù)據(jù)的軟件6。MATLAB把高性能的編程、科學(xué)計(jì)算和結(jié)果可視化集中在一個(gè)容易操作的環(huán)境當(dāng)中，還提供了許多內(nèi)置函數(shù)，具有著強(qiáng)大的繪圖功能和矩陣計(jì)算，對信息處理、科學(xué)計(jì)算、控制系統(tǒng)等領(lǐng)域的分析、仿真和設(shè)計(jì)工作非常的適用7。目前，世界范圍內(nèi)的科研工作者、工程技術(shù)人員和院校師生都有著廣泛的應(yīng)用8。它主要包括MATLAB和Simulink兩大部分。其中矩陣是MATLAB基本的數(shù)據(jù)單位，數(shù)學(xué)、工程中常用的形式和它的指令表達(dá)式非常類似，和C，F(xiàn)ORTRAN等語言來比利用MATLAB來完成相同的事情要來得方便很多9。目前版本的MATLAB軟件可以直接進(jìn)行調(diào)用,用戶可以把自己編寫好的實(shí)用程序?qū)氲組atlab函數(shù)庫中為自己日后的調(diào)用提供方便，除此之外也有很多的Matlab喜好者已經(jīng)寫好了許多經(jīng)典程序，用戶要用時(shí)可以直接對其進(jìn)行下載10。2.3 設(shè)計(jì)原理數(shù)字信號傳輸方式有兩種，分別是基帶傳輸與帶通傳輸.利用數(shù)字傳輸基帶信號來控制載波，把數(shù)字傳輸基帶的信號變成數(shù)字傳輸帶通信號的過程叫數(shù)字調(diào)制11。數(shù)字調(diào)制技術(shù)的方法有兩種：其中一種是用模擬信號調(diào)制的方法來實(shí)現(xiàn)數(shù)字基帶信號的調(diào)制。而另一種方法是由于數(shù)字信號具有離散的取值特點(diǎn)，從而利用數(shù)字信號的這個(gè)特點(diǎn)通過開關(guān)鍵來控制載波，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)字調(diào)制。通常叫這種方法鍵控法，比如說對載波的相位進(jìn)行鍵控，就能夠得到相移鍵控的基本調(diào)制方式12。2PSK的基本原理：相移鍵控是信號振幅和頻率保持不變，而利用載波的相位發(fā)生的變化來傳遞數(shù)字信號信息13。在二進(jìn)制移相鍵控中，一般是利用初始相位和0來表示二進(jìn)制“0”和“1”。因此，2PSK信號的時(shí)域表達(dá)式為 (2.3 - 1)其中，n 表示第n個(gè)符號的絕對相位： (2.3 - 2)因此，式(2.3 - 1)也可寫為 (2.3 - 3)典型的2PSK時(shí)間波形如圖2-1所示。因?yàn)樾盘柎a元的兩種表示為相同的波形，相反的極性，所以二進(jìn)制移相鍵控信號可以看作是一個(gè)雙極性全占空矩形脈沖序列與一個(gè)正弦載波信號的積，即 (2.3 - 4)其中 脈寬為Ts的單位矩形脈沖為g(t)，而an的統(tǒng)計(jì)特性表示為 (2.3-5)圖2-1 2PSK信號的時(shí)間波形 142PSK信號的主要產(chǎn)生方法有兩種如22圖。第一種方法是相乘法也叫模擬調(diào)制方法，只要數(shù)字基帶信號為雙極性，并不含直流分量，就可以用這種方法產(chǎn)生；第二種方法是方法是相位選擇法（開關(guān)選通法、鍵控法）。用基帶信號所代表的數(shù)值來選擇這些相位，也可以利用被控制的延遲提供所需載波相移量，再由基帶信號通過開關(guān)陣列去控制相移量大小15。 （a） 模擬調(diào)制方法 （b）鍵控法 圖22 2PSK信號鍵控法調(diào)制原理框圖14 2PSK信號是DSB信號，它的解調(diào)不能采用包絡(luò)檢測法，通常只能采用相干解調(diào)法，解調(diào)器原理如圖2 3所示：圖2 3 2PSK信號的解調(diào)14二進(jìn)制移相鍵控（2PSK）信號解調(diào)簡要的工作原理分析如下。在不考慮噪聲的情況下，帶通濾波器的輸出表達(dá)式為： (2.3 -6 )式中：n為2PSK信號其中之一碼元的初相。n=0時(shí)，即看作是數(shù)字“0”； n=時(shí)，即看作是數(shù)字“1”。與同步載波信號cosct相乘后，輸出為： (2.3 - 7)信號通過低通濾波器過濾高頻分量之后，得到解調(diào)器的輸出為： （2.3 - 8）根據(jù)發(fā)送端產(chǎn)生2PSK信號時(shí)n（0或）看作是數(shù)字信息（“1”或“0”）的規(guī)定，以及接收端x(t)與n的關(guān)系的特性，抽樣判決器的判決準(zhǔn)則為： (2.3 - 9)其中x為x(t)在抽樣時(shí)刻的值。二進(jìn)制移相鍵控（2PSK）信號中的相干解調(diào)各點(diǎn)的時(shí)間波形如2 4圖。假設(shè)相干載波的基準(zhǔn)相位與二進(jìn)制移相鍵控（2PSK）信號的基準(zhǔn)相同。因?yàn)槎M(jìn)制移相鍵控信號的載波恢復(fù)過程中存在著180的模糊相位，恢復(fù)的本地載波信號與所要求的相干載波信號相同或相反，這樣的相位關(guān)系中不確定性將導(dǎo)致解調(diào)出的數(shù)字基帶信號與發(fā)送端的基帶信號相反，從而把“1”轉(zhuǎn)換成了“0”，把“0”轉(zhuǎn)換成了“1”，通過判決器輸出的數(shù)字基帶信號也全部出錯(cuò)。通常把這種現(xiàn)象叫作二進(jìn)制移相鍵控（2PSK）方式的“反相工作”或“倒”現(xiàn)象14。這也是致使二進(jìn)制移相鍵控（2PSK）在實(shí)際生活中較為少使用的最質(zhì)要的原因。圖2 4 2PSK信號相干解調(diào)各點(diǎn)的時(shí)間波形143. 基于MATLAB的2PSK系統(tǒng)仿真3.1 MATLAB仿真代碼clear all; close all;clc;max=20g=zeros(1,max);g=randint(1,max);%長度為max的隨機(jī)二進(jìn)制序列f=6;t=0:2*pi/99:2*pi; %初始定義 cp=;mod=;bit=;for n=1:length(g); %調(diào)制過程 if g(n)=0; cp1=ones(1,100); bit1=zeros(1,100); else g(n)=1; cp1=-ones(1,100); bit1=ones(1,100); end c=sin(f*t); cp=cp cp1; mod=mod c; bit=bit bit1;endpsk=cp.*mod; figure(1)subplot(1,1,1); plot(bit,Linewidth,1.5); %線型繪制 grid on; %顯示坐標(biāo)網(wǎng)格 title(二進(jìn)制信號序列); %標(biāo)題顯示Xlabel(時(shí)間/S);Ylabel(幅度/V);axis(0 100*length(g) -2 2);figure(2)subplot(1,1,1); plot(psk,Linewidth,1.5); %線型繪制 grid on; %顯示坐標(biāo)網(wǎng)格 title(2PSK調(diào)制信號); %標(biāo)題顯示Xlabel(時(shí)間/S);Ylabel(幅度/V);axis(0 25*length(g) -2 2);%帶有高斯白噪聲的信道tz=awgn(psk,16);%信號psk中加入白噪聲，信噪比為16figure(3);subplot(1,1,1);plot(tz,Linewidth,1.5);grid onaxis(0 25*length(g) -2 2);title(信號通過高斯白噪聲信道后的波形);Xlabel(時(shí)間/S);Ylabel(幅度/V);demod=2*mod.*tz;%psk同步解調(diào)figure(4);subplot(1,1,1);plot(demod,Linewidth,1.5);grid onaxis(0 25*length(g) -2 2);title(相乘后信號波形)Xlabel(時(shí)間/S);Ylabel(幅度/V);%低通濾波器%Fp=600; %通帶截止頻率Fs=1300; %阻帶起始頻率Rp=3; %通帶內(nèi)波動(dòng)（dB）即通帶內(nèi)所允許的最大衰減Rs=20; %阻帶內(nèi)最小衰減（dB）Fn=11025;%采樣率Ws=Fs/(Fn/2); %阻帶起始角頻率Wp=Fp/(Fn/2); %通帶截止角頻率（rad/s） 計(jì)算歸一化角頻率n,wn=buttord(Wp,Ws,Rp,Rs);%計(jì)算階數(shù)和截止頻率b,a=butter(n,wn);%計(jì)算H(z）dmod=filter(b,a,demod); %一維濾波器figure(5);subplot(1,1,1);plot(dmod,Linewidth,1.5);grid onaxis(0 100*length(g) -2 2);title(信號通過低通濾波器后的波形)Xlabel(時(shí)間/S);Ylabel(幅度/V);%抽樣判決%for m=1:100*length(g); if dmod(m)=0; dmod(m)=0; endendfigure(6);subplot(1,1,1);plot(dmod,Linewidth,1.5);grid onaxis(0 100*length(g) -2 2);title(2PSK解調(diào)波形)Xlabel(時(shí)間/S);Ylabel(幅度/V);3.2仿真波形圖圖3-1 二進(jìn)制信號序列圖 3-2 2PSK調(diào)制信號圖3-2說明：信號通過隨機(jī)函數(shù)產(chǎn)生隨機(jī)的20比特二進(jìn)制流。從圖中2PSK調(diào)制信號波形可以看出載波信號頻率為碼元速率的六倍，也就是說碼元周期是載波周期的六倍，一個(gè)碼元周期里有六個(gè)周期的載波信號。圖3-3 通過高斯白噪聲信道后的信號圖 3-4 相乘后信號波形從圖3-3、圖3-4 可以知道信道內(nèi)的PSK信號經(jīng)過高斯白噪聲信道后的信號其信噪比為16，由PSK載波信號經(jīng)過高斯白噪聲信道后的信號再經(jīng)過相乘器和載波信號相乘，得到的信號。圖 3-5 信號通過低通濾波器后信號的波形圖 3-6 2PSK解調(diào)波形圖 3-6為2PSK的解調(diào)波形，它是調(diào)制的逆過程，信號通過高斯白噪聲信道，相乘器再通過低通濾波器將信號還原成二進(jìn)制系列信號從而實(shí)現(xiàn)解調(diào)過程。4. 結(jié)論小結(jié)：信號通過隨機(jī)函數(shù)產(chǎn)生隨機(jī)的20比特二進(jìn)制流。從圖中2PSK調(diào)制信號波形可以看出載波信號頻率為碼元速率的六倍，也就是說碼元周期是載波周期的六倍，一個(gè)碼元周期里有六個(gè)周期的載波信號，實(shí)現(xiàn)調(diào)制過程。信號再經(jīng)過高斯白噪聲信道其信噪比為16，由PSK載波信號經(jīng)過高斯白噪聲信道后的信號再經(jīng)過相乘器和載波信號相乘，最后通過低通濾波器將信號還原成二進(jìn)制系列信號從而實(shí)現(xiàn)解調(diào)過程。5. 心得體會通過近兩個(gè)月的基于MATLAB數(shù)字信號2PSK調(diào)制與解調(diào)及其仿真的畢業(yè)設(shè)計(jì)讓我從中學(xué)到了很多。對MATLAB的基本使用有了進(jìn)一步的理解，懂得了數(shù)字信號調(diào)制解調(diào)的主要過程和基本原理，同時(shí)也更深入的學(xué)習(xí)了信號傳輸?shù)南嚓P(guān)內(nèi)容。剛拿到這個(gè)課題的時(shí)候，根本不知道該怎么做，要從何下手，也不知道要用什么軟件。后來問了老師才知道用MATLAB這個(gè)軟件，初聞這個(gè)軟件還真不知道，它該怎么用。老師讓我們把這次的設(shè)計(jì)當(dāng)成是自學(xué)一個(gè)軟件的過程。后來在同學(xué)的幫助下裝了這個(gè)軟件，初次接觸這個(gè)軟件，腦袋一片空白。在圖書館借了大量的資料，看了關(guān)于MATLAB軟件的應(yīng)用，總算是有些明白了。看了好些2PSK的調(diào)制及解調(diào)的原理，搞清楚了它的調(diào)制與解調(diào)的過程卻不知道該怎么用MATLAB程序?qū)崿F(xiàn)。好不容易把2PSK的調(diào)制程序?qū)懗鰜韰s又卡在了2PSK的解調(diào)程序。在網(wǎng)上查閱了2PSK調(diào)制解調(diào)的相關(guān)資料，還有在老師和同學(xué)的幫助下，原本十分迷惑的問題解決了。確定了2PSK調(diào)制解調(diào)的程序，然后就是對頻率、信噪比等參數(shù)的設(shè)置仿真觀察其波形。剛開始我把信噪比設(shè)置的太高了，得到的那個(gè)通過高斯白噪聲的波形和調(diào)制波形一樣的?？吹侥莻€(gè)波形就覺得通過高斯白噪聲的那個(gè)程序有問題，又不知道問題具體出在哪？問老師之后才知道原來是參數(shù)設(shè)置問題，然后我就去運(yùn)行改參數(shù)，最后確定信噪比為16。在這個(gè)畢業(yè)設(shè)計(jì)中，我學(xué)會了很多，收獲了也不少，同時(shí)也加強(qiáng)了我的自主學(xué)習(xí)的能力、動(dòng)手操作的能力和獨(dú)立思考的能力。致謝在這次畢業(yè)設(shè)計(jì)中，非常感謝我們的吳老師，從一開始的大框架的搭建，以及相關(guān)選題的決定在做設(shè)計(jì)報(bào)告過程中的指導(dǎo)。同時(shí)也得感謝我們組的同學(xué)，他們在我的這次設(shè)計(jì)過程中也給了我很大的幫助。參考文獻(xiàn)1 龍光利 主編，通信原理M，北京：清華大學(xué)出版，20122馬海武 劉毓 達(dá)新宇 編著，通信原理M，北京：北京郵電大學(xué)出版社，20043王建平 張寶劍 王軍濤 編著，通信原理，北京：人民郵電出版社，20074李曉峰 周寧 周亮等 編著,通信原理M,北京：清華大學(xué)出版社，20085樊昌信、宮錦文、劉忠成 編著，通信原理及系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)M，北京：電子工業(yè)出版社,20076趙靜 張瑾 高新科 編著,基于MATLAB的通信系統(tǒng)仿真M,北京：北京航空航天大學(xué)出版社,20077許明遠(yuǎn) 邵玉斌 編著，MATLAB仿真在通信與電子工程中的應(yīng)用M，西安：西安電子科技大學(xué)出版社，20058鄧華 編著，MATLAB通信仿真及應(yīng)用實(shí)例詳解M，北京：人民郵電出版社，20039張水英 徐偉強(qiáng) 編著,通信原理及MATLAB/Simulink仿真M,北京：人民郵電出版社,201210李明明 主編,電子信息類專業(yè)MATLAB實(shí)驗(yàn)教程M,北京：北京大學(xué)出版社,201111樊昌信 編著，通信原理教程M，北京：電子工業(yè)出版社，200412別志松 別紅霞 編著，信息與通信系統(tǒng)仿真M，北京：北京郵電大學(xué)出版社，201013唐向宏 岳恒立 鄭雪峰 編著，MATLAB及在電子信息類課程中的應(yīng)用M，北京：電子工業(yè)出版社，200614樊昌信 曹麗娜 編著，通信原理（第6版）M，北京：國防工業(yè)出版社,201215薛商請 楊平先 主編 文宇橋等 副主編，現(xiàn)代通信技術(shù)基礎(chǔ)M，北京：國防工業(yè)出版社，2005Digital signal based on MATLAB 2 PSK modulation and demodulation and its S