通信原理課程設計說明書 基于Matlab的2PSK系統設計 學 院： 電氣與信息工程學院 學生姓名： 指導教師： 職稱 副教授 專 業： 通信工程 班 級： 通信1302班 學 號： 完成時間： 2016年5月 學院：電氣與信息工程學院 專業：通信工程指導教師學生姓名課題名稱基于MATLAB的2PSK系統設計內容及任務一、設計任務 利用MATLAB設計一個2PSK系統。二、設計內容 2PSK系統中包括調制、加噪濾噪與解調部分，具體內容如下： （1）產生基帶信號；（2）產生已調信號；（3）已調信號通過高斯白噪聲信道；（4）對信號輸出端的混合信號中的噪聲進行濾除；（5）信號的解調；（6）抽樣判決碼元再生。三、設計要求 設計出一個2PSK系統，對2PSK系統進行仿真分析，并編寫設計說明書。主要參考資料1 樊昌信,曹麗娜.通信原理M.北京:國防工業出版社,2015.2 劉曉東,董辰輝.MATLAB從入門到精通M.北京:人民郵電出版社,2010.3 常華,袁剛,常敏嘉.仿真軟件教程.北京:清華大學出版社,2006.4 /view/17338d1733687e21af45a9c8?Pcf=2#6,2015-12-145 朱陽燕.基于MATLAB的2PSK系統仿真J.科技信息,2008(17):82.教研室意見 教研室主任： 年 月 日摘 要現代通信系統是一個十分復雜的工程系統，通信系統設計研究也是一項十分復雜的技術。由于技術的復雜性，在現代通信技術中，越來越重視采用計算機仿真技術來進行系統分析和設計。隨著電子信息技術的發展，已經從仿真研究和設計輔助工具，發展成為今天的軟件無線電技術，這就使通信系統的仿真研究具有更重要和更實用的意義。課程設計首先介紹了課題的研究背景及意義和課題的研究內容，其次描寫了2PSK系統的相關知識理論，著重講解了2PSK系統的兩種調制方式：模擬調制法和鍵控法，和它的解調方式，相干解調。然后在掌握了2PSK系統原理的基礎上利用MATLAB軟件對數字調制方式2PSK進行了編程仿真實現，MATLAB是一個用于電路與通信系統設計、仿真的動態系統分析工具，可用于信號處理、濾波器設計及復雜的通信系統數學模型的建立等。在MATLAB平臺上建立2PSK調制和解調技術的仿真模型，并在建立模型過程中加入一個加噪濾噪的過程。構思好2PSK系統設計的流程后即可在MATLAB仿真平臺上進行2PSK系統的調制與解調，加噪和濾噪，并對仿真模型進行分析，得出仿真系統的波形圖，能夠更直觀的了解其系統的工作流程，得出更好的結論。通過2PSK系統的仿真過程進一步學習了MATLAB編程軟件，將MATLAB與通信系統中數字調制解調知識聯系起來，從理論學習的軌道逐步引向實際應用，為以后在通信領域學習和研究打下基礎。 關鍵詞：數字調制和解調；MATLAB；2PSK目 錄1 緒論11.1 課題的研究背景與意義11.2 課題的研究內容12 2PSK系統相關知識理論22.1 2PSK系統的基本介紹22.2 2PSK系統的基本原理22.2.1 2PSK系統的調制32.2.2 2PSK系統的解調42.3 本章小結53 基于MATLAB的2PSK系統設計63.1 系統仿真平臺簡介63.2 2PSK系統結構搭建63.3 2PSK系統參數設置及調用函數83.4 本章小結104 2PSK系統仿真及分析114.1 已調信號的產生114.2 已調信號的解調134.3 仿真結果分析144.4 本章小結14結束語15參考文獻16致 謝17附錄 程序清單181 緒論1.1 課題的研究背景與意義通信的主要任務就是可靠并有效地實現信息的傳輸，實際的通信系統是復雜的大規模系統，在噪聲和各種隨機因素的影響下，要完成實際設計的通信系統的實驗研究比較困難，有時要改變系統的某一兩個參數就可能意味著整個系統需要重做。利用MATLAB進行系統仿真，具有經濟可靠簡便等特點，在工程領域中得到了廣泛應用。 近年來數字通信因為其抗干擾能力強、便于進行各種數字信號處理、易于實現集成化、經濟效益正趕上或超過模擬通信等優點在近20年來得到了迅速的發展。進入20世紀以來，隨著晶體管、集成電路的出現與普及、無線通信迅速發展。特別是在20世紀后半葉，隨著人造地球衛星的發射，大規模集成電路、電子計算機和光導纖維等現代技術成果的問世，基于PSK的數字通信技術在以下幾個不同方向都取得了巨大的成功。 （1）微波中繼通信使長距離、大容量的通信成為了現實。 （2）超聲波水下通信編碼，解決了載人潛水器之類的水下運動工具的通信問題，使國內外開始深入研究水下通信問題。（3）基于PSK技術的電力線通信由于具有投資少、無需重新布線、覆蓋范圍廣、維護成本低等優點,得到廣泛的應用。2PSK在數字通信中應用十分廣泛，2PSK是相移鍵控的最簡單的一種形式，它用兩個初相相隔為180的載波來傳遞二進制信息。由于2PSK具有良好的抗干擾性和頻帶利用率，因此在中高速數字通信中得到了廣泛的應用。課程設計利用MATLAB進行系統設計仿真，其優點是便于實現，減少了設計和開發的時間成本。1.2 課題的研究內容課題主要對2PSK信號的原理及其相干解調系統性能進行了分析和仿真。這樣可以對數字調制方式有一個更清楚的認識。通過MATLAB軟件，仿真2PSK調制與解調的具體過程，加深對2PSK調制與解調技術的掌握。2 2PSK系統相關知識理論2.1 2PSK系統的基本介紹數字信號的傳輸方式分為基帶傳輸和帶通傳輸。然而，實際中的大多數信道因具有帶通特性而不能直接傳送基帶信號，這是因為數字基帶信號往往具有豐富的低頻分量。這使數字信號在帶通信道中傳輸，必須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。在接收端通過解調器把帶通信號還原成數字基帶信號的過程稱為數字解調。通常把包括調制和解調過程的數字傳輸系統叫做數字帶通傳輸系統。一般來說，數字調制與模擬調制的基本原理相同，但是數字信號有離散取值的特點。 因此數字調制技術有兩種方法： （1）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，把數字基帶信號當作模擬信號的特殊情況處理； （2）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，比如對載波的振幅、頻率和相位進行鍵控，便可獲得振幅鍵控、頻移鍵控和相移鍵控三種基本的數字調制方式。2.2 2PSK系統的基本原理2PSK，二進制移相鍵控方式，是鍵控的載波相位按基帶脈沖序列的規律而改變的一種數字調制方式。就是根據數字基帶信號的兩個電平(或符號)使載波相位在兩個不同的數值之間切換的一種相位調制方法。兩個載波相位通常相差180度，此時稱為反向鍵控(PSK),也稱為絕對相移方式。相移鍵控是利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。2PSK信號碼元的“0”和“1”分別用兩個不同的初始相位“0”和“”來表示，而其振幅和頻率保持不變.因此，2PSK信號的時域表達式為: （1）其中，表示第n個符號的絕對相位： （2)因此，上式可以改寫為: （3）這種以載波的不同相位直接表示相應二進制數字信號的調制方式,稱為二進制移相鍵控方式。二進制移相鍵控信號的典型時間波形如圖1所示。圖1 移相鍵控波形圖2.2.1 2PSK系統的調制2PSK信號的產生方法通常有兩種：模擬調制法和鍵控法。一般的模擬幅度調制的方法，用乘法器實現；數字鍵控法的開關電路受s（t）控制。2PSK信號基本的解調方法是相干解調。在二進制數字調制中，當正弦載波的相位隨二進制數字基帶信號離散變化時，則產生二進制移相鍵控（2PSK）信號。2PSK信號調制有兩種方法，即模擬調制方法和鍵控法。通常用已調信號載波的0和180分別表示二進制數字基帶信號的1和0。就模擬調制法而言，與產生2ASK信號的方法比較，只是對s（t）要求不同，因此2PSK信號可以看作是雙極性基帶信號作用下的DSB調幅信號。模擬調制法用兩個反相的載波信號進行調制。2PSK以載波的相位變化作為參考基準的當基帶信號為0時相位相對于初始相位為0，當基帶信號為1時相對于初始相位為180。模擬調制法原理圖如圖2所示。雙極性不歸零碼型變換乘法器圖2 模擬調制法原理圖而就鍵控法來說，用數字基帶信號s（t）控制開關電路，選擇不同相位的載波輸出，這時s（t）為單極性NRZ或雙極性NRZ脈沖序列信號均可。鍵控法是用載波的相位來攜帶二進制信息的調制方式。通常用0和180來分別代表0和1。其時域表達式為： （4）2PSK的調制中必須為雙極性碼，鍵控法原理圖如圖3所示。開關電路0180移相圖3 鍵控法調制原理圖2.2.2 2PSK系統的解調2PSK信號屬于DSB信號,且2PSK的幅度是恒定的它的解調,不再能采用包絡檢測的方法,只能進行相干解調。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。2PSK信號的相干解調原理圖如圖4所示，各點的波形圖如圖5所示。圖4 2PSK的相干解調原理圖圖5 2PSK信號相干解調時各點時間波形 由于2PSK信號的載波回復過程中存在著180的相位模糊，即恢復的本地載波與所需相干載波可能相同，也可能相反，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送的基帶信號正好相反，即“1”變成“0”，“0”變成“1”，判決器輸出數字信號全部出錯。這種現象稱為2PSK方式的“倒”現象或“反相工作”。2.3 本章小結 本章主要介紹了2PSK系統和他的基本原理，就2PSK系統的兩種調制方式：模擬調制法和鍵控法，還有2PSK系統的相干解調進行了介紹，并分析了這兩種調制方式和相干解調，讓后續的2PSK系統設計更為順利。3 基于MATLAB的2PSK系統設計3.1 系統仿真平臺簡介MATLAB是美國MathWorks公司出品的商業數學軟件，用于算法開發、數據可視化、數據分析以及數值計算的高級技術計算語言和交互式環境，主要包括MATLAB和Simulink兩大部分。MATLAB和Mathematica、Maple并稱為三大數學軟件。它在數學類科技應用軟件中在數值計算方面首屈一指。MATLAB可以進行矩陣運算、繪制函數和數據、實現算法、創建用戶界面、連接其他編程語言的程序等，主要應用于工程計算、控制設計、信號處理與通訊、圖像處理、信號檢測、金融建模設計與分析等領域。MATLAB 的應用范圍非常廣，包括信號和圖像處理、通訊、控制系統設計、測試和測量、財務建模和分析以及計算生物學等眾多應用領域。附加的工具箱（單獨提供的專用MATLAB函數集）擴展了MATLAB 環境，以解決這些應用領域內特定類型的問題。MATLAB的基本數據單位是矩陣，它的指令表達式與數學、工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB來解算問題要比用C，FORTRAN等語言完成相同的事情簡捷得多，并且MATLAB也吸收了像Maple等軟件的優點，使MATLAB成為一個強大的數學軟件。在新的版本中也加入了對C，FORTRAN，C+，JAVA的支持。MATLAB由一系列工具組成。這些工具方便用戶使用MATLAB的函數和文件，其中許多工具采用的是圖形用戶界面。包括MATLAB桌面和命令窗口、歷史命令窗口、編輯器和調試器、路徑搜索和用于用戶瀏覽幫助、工作空間、文件的瀏覽器。隨著MATLAB的商業化以及軟件本身的不斷升級，MATLAB的用戶界面也越來越精致，更加接近Windows的標準界面，人機交互性更強，操作更簡單。而且新版本的MATLAB提供了完整的聯機查詢、幫助系統，極大的方便了用戶的使用。簡單的編程環境提供了比較完備的調試系統，程序不必經過編譯就可以直接運行，而且能夠及時地報告出現的錯誤及進行出錯原因分析。MATLAB開發環境是一套方便用戶使用的MATLAB函數和文件工具集，其中許多工具是圖形化用戶接口。它是一個集成的用戶工作空間，允許用戶輸入輸出數據，并提供了M文件的集成編譯和調試環境，包括MATLAB桌面、命令窗口、M文件編輯調試器、MATLAB工作空間和在線幫助文檔。3.2 2PSK系統結構搭建2PSK系統的產生可以有模擬調制方法和數字鍵控法。就模擬調制方法而言，2PSK信號可以看作是雙極性基帶信號作用下的DSB調幅信號。而就鍵控法來說，用數字基帶信號s(t)控制開關電路，選擇不同相位的載波輸出，這時s(t)為單極性NRZ或雙極性NRZ脈沖序列信號均可。因為2PSK信號的產生方法與2ASK相比較只是對s(t)的要求不同，在2ASK中s(t)是單極性的，而在2PSK中s(t)是雙極性的基帶信號。所以在產生了基帶信號后，在基帶信號的基礎上產生一個基帶信號反碼再兩兩相減得到需要的雙極性基帶信號。由式(1)可知要得到一個2PSK信號需要在雙極性基帶信號的基礎上乘上一個載波信號，所以利用相關函數在MATLAB上生成一個正弦載波信號。然后在現有信號的基礎上進行加噪聲、濾波及抽樣判決。可總結為如圖6所示：圖6 2PSK系統設計流程3.3 2PSK系統參數設置及調用函數 首先，在產生數字基帶信號時，可設置一些參數來調整基帶信號的形狀，在程序中，設置如下參數：每碼元采樣點數Fn=5000；碼元數i=10；載波頻率fc=5；碼元速率Fm=i/5；程序實現為：i=10； j=5000； fc=5； fm=i/5； B=2*fm； 隨后在數字基帶信號的基礎上產生已調信號，在已調信號上加入一個高斯白噪聲，此處可以加一個加性高斯白噪聲，也可以加一個乘性高斯白噪聲。乘性高斯白噪聲的效果加入更好，但是因為專業知識有限，加入乘性高斯白噪聲的話不能保證有效的濾除。所以還是加一個隨機的高斯白噪聲，即可設置如下參數：noise=rand（1，j）； 程序實現為： noise=rand(1，j)； psk=e_psk+noise；加過噪聲后，對信號輸出端的混合信號中的噪聲進行濾除，在使用低通濾波器濾除噪聲之前，必須設置低通濾波器的參數，可設置如下參數：通帶波紋Rp=0.1；阻帶衰減Rs=50；通帶截止頻率Wp=5/100；阻帶截止頻率Ws=10/100；程序實現為：Rp=0.1；Rs=50；Wp=5/100；Ws=10/100； n，Wn=ellipord(Wp，Ws，Rp，Rs)； b，a=ellip(n，Rp，Rs，Wn)； X1=filter(b，a，psk)；隨后便可進行解調和抽樣判決碼元的再生。在2PSK系統的設計中，因為用到的程序實現，所以在變成過程中，經常會用到很多函數，除了基礎函數外，也用到了許多特殊函數。（1）范圍設定函數：linspace是MATLAB中的一個指令，用于產生指定范圍內的指定數量點數，相鄰數據跨度相同，并返回一個行向量。用于產生x1，x2之間的N點行矢量，相鄰數據跨度相同。其中x1、x2、N分別為起始值、終止值、元素個數。若缺省N，默認點數為100。 設計中用linspace(0，5，j)產生了一個從0到5之間的j點行矢量。 （2）基帶信號產生函數rand用于產生一個隨機序列，如x=rand（m，n）產生m行n列的位于（0，1）區間的隨機數。設計中用a=round(rand(1,i)及相關函數產生一個值為0或1的基帶信號。得到的基帶信號是單極性的，需經過相應處理使其變為一個雙極性的基帶信號。 （3）繪圖相關函數 igure用figure可以控制窗口的數量，即每次只顯示一個窗口。在程序中，一共設置了5個窗口用來顯示仿真出的波形。 subplotsubplot是MATLAB中的函數，是將多個圖畫到一個平面上的工具。如subplot（m,n,p）m表示是圖排成m行，n表示圖排成n列，也就是整個figure中有n個圖是排成一行的，一共m行，如果m=2就是表示2行圖。p表示圖所在的位置，p=1表示從左到右從上到下的第一個位置。在程序中，為了清晰的顯示仿真出來的波形，設置每一個窗口只顯示兩個圖形，這樣不僅圖片清晰，而且不會太大。 plotplot是MATLAB中二維線畫圖函數。如plot(x,y)中若y和x為同維向量，則以x為橫坐標,y為縱坐標繪制連線圖。若x是向量，y是行數或列數與x長度相等的矩陣，則繪制多條不同色彩的連線圖，x被作為這些曲線的共同橫坐標。若x和y為同型矩陣，則以x,y對應元素分別繪制曲線，曲線條數等于矩陣列數。在程序中，每一個波形圖的編程過程中，x和y的設置都不一樣，所以每一個圖形都需要單獨說明。 titletitle 就是給已經畫出的圖加一個標題，title () 括號內單引號里面的內容就是圖片標題的名稱。在程序中，必須在每一個圖形顯示的下面加上title語句，來為每一個圖形命名。 axisaxis是MATLAB中坐標系的設置函數。axis(xmin xmax ymin ymax) 用來標注輸出的圖線的最大值最小值，xmin xmax ymin ymax用來表示需要顯示坐標的范圍，xmin、xmax、ymin、ymax分別表示X、Y軸坐標最小和最大值。 (4)濾波器相關函數filter是一維數字濾波器,如Y=filter(B,A,X)，輸入X為濾波前序列，Y為濾波結果序列，B/A提供濾波器系數，B為分子，A為分母。3.4 本章小結 本章首先介紹了2PSK系統的仿真平臺MATLAB平臺，然后講解了課程設計中設計這個2PSK系統的思路，如何搭建2PSK系統的每一個模塊，每一個模塊的參數如何設計，并對在設計編程中使用到的函數進行了介紹。4 2PSK系統仿真及分析4.1 已調信號的產生 在2PSK系統的設計過程中，首先需要一個已調信號，而已調信號的產生都是在數字基帶信號的基礎上，所以，首先需要生成一個基帶信號，然后再在基帶信號的基礎上一步一步的生成已調信號。 （1）基帶信號：圖7 基帶信號仿真圖基帶信號仿真圖如圖7所示，通過相關程序生成一個單極性的基帶信號st1。由于在2ASK中s(t)是單極性的，而在2PSK中s(t)是雙極性的基帶信號。所以在產生了基帶信號后，下一步需要在基帶信號的基礎上產生一個基帶信號反碼。（2）基帶信號反碼：圖8 基帶信號反碼仿真圖將圖7中的單極性基帶信號取反，由于在2ASK中s(t)是單極性的，而在2PSK中s(t)是雙極性的基帶信號。所以在單極性信號的基礎上取反來得到基帶信號反碼后。需要與基帶信號一起構成雙極性碼。基帶信號反碼st2如圖8所示。（3）雙極性基帶信號：圖9 雙極性基帶信號仿真圖在基帶信號的基礎上產生一個基帶信號反碼再兩兩相減即可得到需要的雙極性基帶信號。將單極性基帶信號st1與st2相減，得到如圖9所示的需要的雙極性基帶信號。 （4）載波信號：圖10 載波信號仿真圖為了產生一個已調信號，在雙極性基帶信號已有的情況下，還需要一個載波信號與之相乘才能生成一條信號，所以此處利用了相關函數生成了一個如圖10所示的正弦載波信號。 （5）2PSK信號：圖11 2PSK信號仿真將載波信號s1與雙極性基帶信號相乘則可得到所需的已調信號，已調信號2PSK如圖11所示。4.2 已調信號的解調 （1）已調信號通過高斯白噪聲信道： 因為在現實生活中會存在不可避免的噪聲，為了模擬現實，設計中加入隨機噪聲后使設計更具真實性。此處加入的是一個簡單加性高斯白噪聲，因為加性高斯白噪聲比較好濾除，也可以加入乘性高斯白噪聲，但是專業知識有限，無法保證能有效的濾除乘性高斯白噪聲，所以加入一個加性高斯白噪聲。加噪后的波形如圖12所示。圖12 加噪后信號的仿真 （2）與載波相乘后的波形：圖13 與載波相乘后的波形實現相干解調的關鍵是接收端要恢復出一個與調制載波嚴格同步的相干載波。在信號的解調過程中，為了會付出一個與調制載波嚴格同步的相干載波，所以在加噪后的已調信號上乘上之前生成的載波信號，如圖13所示。（3）通過低通濾波后的波形：為了去掉噪聲造成的諧波成分，也就是對信號輸出端的混合信號中的噪聲進行濾除，需要加入低通濾波器，在第三章已經設置過了低通濾波器的參數，所以可以實現用低通濾波器將噪聲濾除，獲得如圖14所示的波形。圖14 低通濾波后的波形（4）抽樣判決后的波形：圖15 抽樣判決后波形抽樣判決的作用是通過采樣的形式將原來的基帶信號恢復，恢復后波形如圖15所示。4.3 仿真結果分析由圖可以看出，產生的數字隨機信號為0001001110，通過比較圖9和圖15，可看出最開始生成的基帶信號與最后抽樣判決后產生的基帶信號一致。因為在解調過程中，加入的是最簡單的加性高斯白噪聲，濾除掉這個加性高斯白噪聲也比較簡單，所以總體上沒有什么誤差，最后得到的基帶信號也與原基帶信號一致。因此達到課程設計的目的。4.4 本章小結本章主要展示了2PSK系統中調制、加噪濾噪和解調的每一個步驟的仿真結果，并在仿真完畢后對仿真結果進行了分析，并成功設計出了2PSK系統。結束語歷經十多天，從課程設計公布到課程設計完成，課程設計終于結束了。值得一說的是，沒有同學們的幫助和老師的指導，要完成課程設計也不是那么容易的，通過課程設計，讓我對2PSK系統有了進一步的認識。在設計2PSK系統時，要有一個明確的思路，要考慮多種因素在選擇合適的設計參數，經過反復仿真確認2PSK系統的設計是否能成功。通過這次設計我和我的同學們獨自解決問題的能力也有多提高，在整個課程設計過程中，查閱了許多相關書籍及文獻，取其相關知識要點應用到課設中，不過在后面低通濾波時用的是直接的參數。總而言之，課程設計結束了。感謝老師！感謝同學！參考文獻1 樊昌信,曹麗娜.通信原理M.北京:國防工業出版社,2015.2 劉曉東,董辰輝.MATLAB從入門到精通M.北京:人民郵電出版社,2010.3 常華,袁剛,常敏嘉.仿真軟件教程.北京:清華大學出版社,2006.4 /view/17338d1733687e21af45a9c8?Pcf=2#6,2015-12-145 朱陽燕.基于MATLAB的2PSK系統仿真J.科技信息,2008(17):82.致 謝歷經十幾天，在團隊的協作下，終于完成了課程設計。在這里，首先我要感謝我的父母，父母總是我動力的源泉，父母也是我迷茫路上的指明燈。然后我要感謝我的指導老師，如果不是指導老師在課堂上的耐心講解和課堂外的悉心指導，相比這次課程設計也不會完成的這么快。而且老師的講解和指導也是變相的鞏固了我們的基礎知識，讓我們在今后的日子里能夠更加熟練的運用我們學到的知識。最后，要特別感謝我們組的其他兩位組員，如果不是他們，我自己也不可能完成這次任務，所以他們是我很重要的伙伴，在課程