1、三峽大學數字通信系統課程設計基于MATLAB的2PSK調制與解調系統學 院： 計算機與信息學院 學 號： 班級序號： 72 姓 名： 蔡紅亮 指導老師： 夏平 日 期： 2013年1月2日 數字通信系統課程設計任務書題 目基于MATLAB的2PSK調制與解調系統設 計目 的1、綜合應用信號與系統、隨機信號分析、通信原理等課程知識，使學生建立通信系統的整體概念；2、培養學生系統設計與系統開發的思想；3、培養學生利用Matlab軟件平臺進行通信系統仿真的能力。設 計要 求1、每人一組，完成指定設計問題的系統詳細功能；2、對通信系統有整體的較深入的理解，深入理解設計系統的基本原理，畫出組成的每個通信

2、子系統的原理框圖；3、提出設計方案；4、完成仿真軟件的編制；5、在Matlab仿真平臺上，實現仿真系統正常運行；6、提交詳細的設計報告。主 要設 備計算機1臺，Matlab仿真軟件一套。主要參考文獻1 張輝，曹麗娜等. 現代通信原理與技術（第三版）.西安電子科技大學出版社，2009.2 周炯槃等. 通信原理(第三版). 北京郵電大學出版社，2005. 3 樊昌信. 通信原理（第五版）.國防工業出版社，2006.4 曹志剛等.現代通信原理. 清華大學出版社，1992.5 Leon W. Couch. Digital and Analog Communication Systems(影印第5版).

3、 清華大學出版社，1999 .6 Stephen G. Wilson. Digital Modulation and Coding（影印版）.電子工業出版社，1998.課程設計進度安排（起止時間、工作內容）框架三層，局部為二層鋼構。本工程外腳手架采用落地式鋼管腳手架,外架隨主體結構上升，同步搭設，比操作面高出一步，確保主體及外裝修的正常安全施工。19目 錄一、課程設計主要內容二、系統設計的原理三、課程設計思路及過程四、課程設計實驗結果五、課程設計結果分析六、參考文獻 七、附錄1、 課程設計的主要內容了解并掌握數字頻帶傳輸系統2PSK的調制與解調系統，通過MATLAB來實現整個通信系統的設計，進

4、一步加深對2PSK系統的理解，并熟練掌握MATLAB語言。2、 課程設計原理數字信號的傳輸方式分為基帶傳輸和帶通傳輸，在實際應用中，大多數信道具有帶通特性而不能直接傳輸基帶信號。為了使數字信號在帶通信道中傳輸，必須使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。數字調制技術的兩種方法：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；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，比如對載波的相位進行

5、鍵控，便可獲得相移鍵控（PSK）基本的調制方式。 乘法器)(2tSPSK雙極性不歸零t0wcos)(tf碼型變換單/雙 圖-1模擬調制的方法tcwcos)(tf)(2tSPSK開關電路移相01800p 圖-2相移鍵控方法調制過程：數字調相：如果兩個頻率相同的載波同時開始振蕩，這兩個頻率同時達到正最大值，同時達到零值，同時達到負最大值，它們應處于"同相"狀態；如果其中一個開始得遲了一點，就可能不相同了。如果一個達到正最大值時，另一個達到負最大值，則稱為"反相"。一般把信號振蕩一次（一周）作為360度。如果一個波比另一個波相差半個周期，我們說兩個波的相位差1

6、80度，也就是反相。當傳輸數字信號時，"1"碼控制發0度相位，"0"碼控制發180度相位。載波的初始相位就有了移動，也就帶上了信息。相移鍵控：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。在2PSK中，通常用初始相位0和分別表示二進制“1”和“0”。因此，2PSK信號的時域表達式為 (t)=Acos其中，表示第n個符號的絕對相位：= 因此，上式可以改寫為 當碼元寬度和載波周期相等時，2PSK調制波形如下： 圖-3 2PSK調制波形解調過程2PSK信號的解調方法是相干解調法。由于PSK信號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的相位

7、信息來解調信號。下圖2-3中給出了一種2PSK信號相干接收設備的原理框圖。圖中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.圖-4 2PSK相干解調系統框圖0101sTtabcd0tttte00110 圖-5 2PSK信號相干解調各點時間波形可見，2PSK信號相干解調的過程實際上是輸入已調信號與本地載波信號進行極性比較的過程，故常稱為極性比較法解調。 由于2PSK信號實際上是以一個固定初相的末調載波為參考的，因此，解調時必須有與此同頻同相的同步載波。如果同步載波的相位發生變化，如0相位變為相位

8、或相位變為0相位，則恢復的數字信息就會發生“0”變“1”或“1”變“0”，從而造成錯誤的恢復。這種因為本地參考載波倒相，而在接收端發生錯誤恢復的現象稱為“倒”現象或“反向工作”現象。絕對移相的主要缺點是容易產生相位模糊，造成反向工作。這也是它實際應用較少的主要原因。 三、課程設計思路及過程本課題主要是通過MATLAB來實現整個2PSK系統，在用MATLAB語言編程的時候主要分為以下幾個模塊。模塊一、通過碼型變換產生雙極性數字基帶信號，首先調用MATLAB函數產生一組隨機序列，然后將離散的隨機序列變換成單極性的二進制數字基帶信號，將單極性信號取反并與上面信號相減即可得到我們所需要的二進制雙極性數

9、字基帶信號，生成的二進制信號帶寬為1。模塊二、載波信號的產生，采用的載頻為10hz，所以基帶信號周期是載波周期的10倍，載波振幅為1。模塊三、通過模擬調制的方法得到2PSK信號：（ 注：在這設置載波信號的初相為0）模塊四、已調信號通過信道傳輸，通過MATLAB函數產生一個隨機信號來模擬高斯白噪聲，并與已調信號相加，在這里我們只考慮加性噪聲，不考慮乘型噪聲。模塊五、相干解調過程（注：這里沒有載波提取過程，而是直接用本地載波去與已調信號相乘）模塊六、用matlab來設計理想的巴特沃斯低通濾波器模塊七、根據位同步信號進行抽樣判決模塊八、2PSK信號的頻譜分析模塊九、采用窗函數方法對信號進行功率譜密度

10、分析4、 課程設計的試驗結果1、2PSK調制、解調系統信號波形圖圖-6二進制數字基帶信號與載波信號 圖-7 2PSK信號與接收機接收到的信號波形圖-8通過解調、低通輸出波形圖-9判決輸出波形將抽樣輸出的基帶信號波形與原信號相比較可以發現兩個信號波形完全相同，說明整個2PSK的調制、解調系統是正確的。五、課程設計結果分析1、2PSK調制解調系統頻譜分析數字基帶信號為二進制非歸零碼，所以它的傅里葉變換應該是門函數，信號帶寬為1/TS，其頻譜圖-9。載波信號為正弦信號，載頻為10hz，其頻譜如下。圖-9 數字基帶信號與載波信號頻譜2PSK信號的實質為基帶信號與載波相乘的結果，所以2PSK的信號頻譜是

11、基帶信號頻譜的線性搬移，中心頻率為fc.，帶寬為基帶信號帶寬的兩倍，如圖-10，2PSK信號通過信道后，加上了高斯白噪聲，其頻譜如下。圖-10 2PSK信號與接收機接收的信號頻譜相干解調實質是將已調信號與提取的載波信號相乘，所以解調輸出的信號的頻率成分包括基帶信號頻率和2倍的載頻信號和噪聲如圖-11，通過低通濾波器后，高頻成分被慮掉，剩下基帶信號和部分噪聲。圖-11 解調輸出與低通輸出的信號頻譜圖-12 判決輸出信號頻譜與基帶信號頻譜通過比較判決輸出信號的頻譜和基帶信號頻譜，得出結論，2PSK的調制解調系統設計是正確的。2、 各階段信號功率譜密度分析 圖-12 2PSK功率譜密度3、“倒”現象

12、分析 在相干解調之前，需要根據已調信號來提取載波信號，如果同步載波的相位發生變化，則恢復的數字信息就會發生“0”變“1”或“1”變“0”，從而造成錯誤的恢復。這種因為本地參考載波倒相。所以在實際應用中多采用2DPSK調制解調系統，可以防止“倒”現象的發生。在MATLAB程序中，只用將提取的載波加上90度的相位偏移即可看到“倒”現象。 六、參考文獻1 張輝，曹麗娜等. 現代通信原理與技術（第三版）.西安電子科技大學出版社，2009.2 周炯槃等. 通信原理(第三版). 北京郵電大學出版社，2005. 3 樊昌信. 通信原理（第五版）.國防工業出版社，2006.4 曹志剛等.現代通信原理. 清華大

13、學出版社，1992.5 Leon W. Couch. Digital and Analog Communication Systems(影印第5版). 清華大學出版社，1999 .6 Stephen G. Wilson. Digital Modulation and Coding（影印版）.電子工業出版社，1998. 七、附錄 程序代碼實現：clear allclose alli=20;j=5000;t=linspace(0,20,5000);%在0到20之間等分成5000個點% % 功能實現模塊一：產生隨機二進制數字基帶信號 %rem=round(rand(1,i);%調用函數產生隨機序列s

14、ignal1=t;%將離散的的隨機序列轉變成連續的單極性二進制碼元for n=1:20 if rem(n)<1; for m=j/i*(n-1)+1:j/i*n signal1(m)=0; end else for m=j/i*(n-1)+1:j/i*n signal1(m)=1; end endendfigure(1);subplot(311);plot(250*t,signal1);title('單極性二進制數字信號');axis(0,5000,-1,2);grid on;%將上面產生的二進制數字信號進行取反，因為2psk的數字基帶信號應該是雙極性碼signal2=t

15、; for k=1:j; if signal1(k)>=1; signal2(k)=0; else signal2(k)=1; endend;signal3=signal1-signal2;%將兩個單極性數字基帶信號相減即可獲得雙極性二進制數字基帶信號subplot(312);plot(250*t,signal3);title('雙極性二進制數字基帶信號');axis(0,5000,-2,2);grid on;% 功能實現模塊二：產生載波信號 % 載波周期與碼元寬度相同且均為1 %fc=10;%載波頻率為10hzs=sin(2*pi*fc*t); subplot(313)

16、;plot(s);title('載波信號波形');axis(0 5000 -1 1);grid on;% 功能實現模塊三：2psk調制部分:基帶信號與載波相乘 %psk=signal3.*s;figure(2);subplot(211);plot(t*250,psk);title('已調信號波形');axis(0,5000,-2,2);% 功能實現模塊四：調制信號通過信道傳輸產生加性噪聲 %noise=rand(1,j);y1=psk+noise;%模擬加性噪聲subplot(212);plot(y1);axis(0,5000,-1,2);title('

17、加噪后的波形');% 功能實現模塊五：相干解調實現過程 %y2=y1.*s;%接收機收到信號輸入乘法器與載波信號相乘figure(3)subplot(211);plot(y2);title('解調輸出波形');grid;% 功能實現模塊六：通過巴特沃斯低通濾波器 %fp=100;fs=200;rp=3;rs=20;fn=10000;%設計巴特沃斯低通濾波器的參數 ws=fs/(fn/2); wp=fp/(fn/2);%計算歸一化角頻率n,wn=buttord(wp,ws,rp,rs);%計算階數和截止頻率b,a=butter(n,wn);y3=2*filter(b,a,

18、y2);subplot(212);plot(y3);title('經低通濾波器后的輸出信號波形');grid on;% 功能實現模塊七：根據位同步信號進行抽樣判決 %y4=linspace(0,19);y4=0;for n=1:20; if y3(n*250)>0; y4(n)=1; else y4(n)=-1; endendfigure(4)subplot(211);stem(y4);axis(0 20 -2 2);title('抽樣后得到的離散采樣值');grid on;xlabel('時間/s');y5=t;for n=1:20 if

19、 y4(n)<1; for m=j/i*(n-1)+1:j/i*n y5(m)=-1; end else for m=j/i*(n-1)+1:j/i*n y5(m)=1; end endendsubplot(212);plot(y5);axis(0 5000 -2 2);grid on;title('抽樣判決輸出基帶信號');xlabel('采樣點數');% 功能實現模塊八：各階段信號頻譜分析 %fs=250;N=1024; %采樣頻率和數據點數n=0:N-1;t=n/fs; %時間序列y=fft(signal3,N);%對信號進行快速Fourier變換m

20、ag=abs(y);%求取Fourier變換的振幅f=n*fs/N;figure(5);subplot(211)plot(f(1:N/2),mag(1:N/2);axis(0 50 0 500);xlabel('頻率/Hz');ylabel('振幅');title('基帶信號頻譜（N=1024）');grid on; fs=250;N=1024;n=0:N-1;t=n/fs;y=fft(s,N);%對信號進行快速Fourier變換mag=abs(y);%求取Fourier變換的振幅f=n*fs/N;subplot(212)plot(f(1:N/2

21、),mag(1:N/2);axis(0 50 0 500);xlabel('頻率/Hz');ylabel('振幅');title('載波信號頻譜（N=1024)');grid on; fs=250;N=1024;n=0:N-1;t=n/fs;y=fft(psk,N);%對信號進行快速Fourier變換mag=abs(y);%求取Fourier變換的振幅f=n*fs/N;figure(6)subplot(211)plot(f(1:N/2),mag(1:N/2);axis(0 50 0 500);xlabel('頻率/Hz');yla

22、bel('振幅');title('2PSK信號頻譜（N=1024)');grid on; fs=250;N=1024;n=0:N-1;t=n/fs;y=fft(y1,N);%對信號進行快速Fourier變換mag=abs(y);%求取Fourier變換的振幅f=n*fs/N;subplot(212)plot(f(1:N/2),mag(1:N/2);axis(0 50 0 500);xlabel('頻率/Hz');ylabel('振幅');title('接收機接收到的信號頻譜（N=1024)');grid on; f

23、s=250;N=1024;n=0:N-1;t=n/fs;y=fft(y2,N);%對信號進行快速Fourier變換mag=abs(y);%求取Fourier變換的振幅f=n*fs/N;figure(7)subplot(211)plot(f(1:N/2),mag(1:N/2);axis(0 50 0 500);xlabel('頻率/Hz');ylabel('振幅');title('解調輸出信號頻譜（N=1024)');grid on; fs=250;N=1024;n=0:N-1;t=n/fs;y=fft(y3,N);%對信號進行快速Fourier變

24、換mag=abs(y);%求取Fourier變換的振幅f=n*fs/N;subplot(212)plot(f(1:N/2),mag(1:N/2);axis(0 50 0 500);xlabel('頻率/Hz');ylabel('振幅');title('低通輸出信號頻譜（N=1024)');grid on; fs=250;N=1024;n=0:N-1;t=n/fs;y=fft(y5,N);%對信號進行快速Fourier變換mag=abs(y);%求取Fourier變換的振幅f=n*fs/N;figure(8)subplot(211)plot(f(1

25、:N/2),mag(1:N/2);axis(0 50 0 500);xlabel('頻率/Hz');ylabel('振幅');title('抽樣判決輸出信號頻譜（N=1024)');grid on; fs=250;N=1024; %采樣頻率和數據點數n=0:N-1;t=n/fs; %時間序列y=fft(signal3,N);%對信號進行快速Fourier變換mag=abs(y);%求取Fourier變換的振幅f=n*fs/N;subplot(212)plot(f(1:N/2),mag(1:N/2);axis(0 50 0 500);xlabel('頻率/Hz');ylabel('振幅');title('基帶信號頻譜（N=1024）');grid on;% 功能實現模塊九：各階段信號功率譜密度分析 %Fs=1000; n=0:1/Fs:1; nfft=1024; window=hamming(100); %海明窗noverlap=20; %數據無重疊