《专业课程设计2（通信原理）》课程设计-基于systemview和matlab的2DPSK.docx

武汉理工大学专业课程设计2（通信原理）课程设计说明书目录1 技术要求12基本原理12.1 2dpsk信号原理12.2 2dpsk信号的调制原理22.2.1模拟调制法22.2.2键控调制法22.3 2dpsk信号的解调原理32.3.1 2dpsk相干解调（极性比较法）加码反换法32.3.2 2dpsk差分相干解调法（相位比较法）33建立模型描述43.1 system view仿真43.1.1差分和逆差分变换模型43.1.2 信号调制模型43.1.3 信道模型43.1.4带通滤波器和低通滤波器的模型43.1.5 抽样判决器模型53.2 matlab simulink仿真63.2.1差分和逆差分变换模型63.2.2 信号调制模型63.2.3 信道模型73.2.4带通滤波器和低通滤波器的模型73.2.5 抽样判决器模型73.3 matlab程序仿真83.3.1基带信号产生83.3.2 差分和逆差分变换模型83.3.3信号调制模型83.3.4 信道模型83.3.5带通滤波器和低通滤波器的模型83.3.6 抽样判决器模型94模块功能分析或源程序代码94.1 system view仿真94.1.1调制模块94.1.2 解调模块94.2 matlab simulink仿真114.2.1调制模块114.2.2解调模块134.3 matlab 程序仿真175调试过程及结论225.1 systen view仿真调试225.1.1 系统搭建225.1.2 仿真波形235.1.3 系统分析255.2 matlab simulink仿真调试265.2.1系统搭建265.2.2 仿真波形265.2.2 系统分析275.3 matlab 程序调试295.4 总结306心得体会317 参考文献31二进制数字频带传输系统设计2dpsk系统1 技术要求设计一个2dpsk数字调制系统，要求：（1）设计出规定的数字通信系统的结构； （2）根据通信原理，设计出各个模块的参数（例如码速率，滤波器的截止频率等）； （3）用matlab或systemview 实现该数字通信系统； （4）观察仿真并进行波形分析； （5）系统的性能评价。2基本原理2.1 2dpsk信号原理2dpsk方式即是利用前后相邻码元的相对相位值去表示数字信息的一种方式。现假设用表示本码元初相与前一码元初相之差，并规定：0表示0码，表示1码。在这种绝对移相方式中，发送端是采用某一个相位作为基准，所以在系统接收端也必须采用相同的基准相位。如果基准相位发生变化，则在接收端回复的信号将与发送的数字信息完全相反。所以在实际过程中一般不采用绝对移相方式，而采用相对移相方式。定义df为本码元初相与前一码元初相之差，假设：df=0数字信息“0”；df=p数字信息“1”；则数字信息序列与2dpsk信号的码元相位关系可举例表示如下：数字信息： 0 0 1 1 1 0 0 1dpsk信号相位：0 0 0 0 0或： 0 0 0 0 差分码可取传号差分码或空号差分码。其中，传号差分码的编码规则为：式中：为模二加：为的前一码元，最初的可任意设定。差分编码（码反变换），即把绝对码变换为相对吗；其逆过程成为差分译码（码反变换），即。2psk及dpsk信号的波形如图2.1.1所示：图2.1.1 2psk及dpsk信号的波形2.2 2dpsk信号的调制原理 一般来说，2dpsk信号有两种调试方法，即模拟调制法和键控调制法。2.2.1模拟调制法码变换相乘载波s(t)eo(t)2dpsk信号的的模拟调制法框图如图2.2.1所示，其中码变换的过程为将输入的单极性不归零码转换为双极性不归零码。图2.2.1 模拟调制法2.2.2键控调制法2dpsk信号的的键控调制法框图如图2.2.2所示，其中码变换的过程为将输入的基带信号差分，即变为它的相对码。选相开关作用为当输入为数字信息“0” 时接相位0，当输入数字信息为“1”时接。图2.2.2 键控法调制原理图2.3 2dpsk信号的解调原理2dpsk信号最常用的解调方法有两种，一种是相干解调（极性比较法）加码反换法，另一种是差分相干解调法（相位比较法）。2.3.1 2dpsk相干解调（极性比较法）加码反换法带通滤波器相乘器低通滤波器抽样判决器逆码变换本地载波e2dpsk2dpsk相干解调（极性比较法）加码反换法的原理是2dpsk信号先经过带通滤波器，去除调制信号频带以外的在信道中混入的噪声，再与本地载波相乘，去掉调制信号中的载波成分，再经过低通滤波器去除高频成分，得到包含基带信号的低频信号，将其送入抽样判决器中进行抽样判决的到基带信号的差分码，再经过逆差分器，就得到了基带信号。它的原理框图如图2.3.1所示。输出图2.3.1 2dpsk相干解调（极性比较法）加码反换法2.3.2 2dpsk差分相干解调法（相位比较法）相乘器低通滤波器抽样判决器带通滤波器e2dpsk2dpsk差分相干解调法（相位比较法）的原理是2dpsk信号先经过带通滤波器，去除调制信号频带以外的在信道中混入的噪声，此后该信号分为两路，一路延时一个码元的时间后与另一路的信号相乘，再经过低通滤波器去除高频成分，得到包含基带信号的低频信号，将其送入抽样判决器中进行抽样判决，抽样判决器的输出即为原基带信号。它的原理框图如图2.3.2所示。延时ts输出图2.3.2 2dpsk差分相干解调法（相位比较法）3建立模型描述3.1 system view仿真3.1.1差分和逆差分变换模型差分变换模型的功能是将输入的基带信号变为它的差分码，异或逻辑门一路输入为基带信号，另一路输入为延时一个码元时间的基带信号，输出则为差分编码信号，其原理图如图3.1.1所示。图3.1.1 差分变换模型 图3.1.2 逆差分变换模型逆差分变换模型的功能是将输入的抽样判决后的信号变为基带信号，异或逻辑门一路输入为抽样判决后的信号，另一路输入为延时一个码元时间的抽样判决后的信号，输出则为逆差分变换后的基带信号，其原理图如图3.1.2所示。3.1.2 信号调制模型本次system view仿真信号调制模型采用键控调制法，模型原理图如图3.1.3，选相开关作用为当输入为数字信息“0” 时接相位0，当输入数字信息为“1”时接。图3.1.3 调制模型 图3.1.4 高斯白噪声信道模型3.1.3 信道模型信道中不存在的不需要的电信号统称为噪声，通信系统中的噪声是叠加在信号上的，没有穿徐信号时通信系统中也有噪声，噪声永远存在于通信系统中。噪声可以看成信道中的一种干扰，也称加型干扰，本次仿真在信道中加入了高斯白噪声，其模型图如图3.1.4。3.1.4带通滤波器和低通滤波器的模型带通滤波器模型的作用是只允许通过（fl，fh）范围内的频率分量、但将其他范围的频率分量衰减到极低水平。低通滤波器模型的作用是只允许通过（0，fh）范围内的频率分量，并且将其他范围的频率分量衰减到极低水平。本次仿真采用了巴特沃斯无限冲激响应滤波器，带通滤波器模型如图3.1.5所示，低通模型如图3.1.6所示。图3.1.5 带通滤波器模型 图3.1.6 低通滤波器模型3.1.5 抽样判决器模型在数字基带信号传输的过程中，信号是在信道里面传输的。信号在传输的时候必须要有一定的波形，最容易想到的就是矩形脉冲波形，但是这样的话有一定的问题，那就是其频谱是很宽的，不利于传输，因此，必须要选择其它样式的波形进行传输，即对矩形脉冲进行码型变换和波形变换，变成一种适合在信道中传输的形式，比如正弦波，这样是可以在信道里面进行传输的。在接收端对原来的信号进行恢复时，就要对信号进行“抽样”，得到在不同的时刻的一些离散的值，但是，由于在信号的传输过程中有各种干扰（噪声和码间串扰），不同时刻的值跟原先实际的不一定相同，比如在第一个时刻抽样得到的是0.9，这时进行“判决”，假设判决电压是0，真时输出为1，反之则为0，可以发现此时的值大于0，此时的信号的值就当做1，从而得到1，同样在其它的时候得到不同的抽样值根据情况判断此处原来的值到底是0还是1，利用这种方式就可以将原来的基带信号恢复或者再生。本次仿真，抽样判决器由脉冲发生器和比较器组成，其模型原理图如图3.1.7所示。图3.1.7 抽样判决器模型3.2 matlab simulink仿真3.2.1差分和逆差分变换模型异或逻辑门一路输入为基带信号，另一路输入为延时一个码元时间的基带信号，输出则为差分编码信号，再把差分信号通过一个数据类型转换模块，其模型原理图如图3.2.1所示。图3.2.1差分变换模型逆差分变换模型的功能是将输入的抽样判决后的信号变为基带信号，异或逻辑门一路输入为抽样判决后的信号，另一路输入为延时一个码元时间的抽样判决后的信号，输出则为逆差分变换后的基带信号，其原理图如图3.2.2所示。图3.2.2 逆差分变换模型3.2.2 信号调制模型调制采用模拟调制法。调制电路的主要模块是码型变换模块，将双极性归零信号与载波一起通过相乘器，就完成了调制过程。其中要注意的是在进行差分编码之后再进行极性变换之前要有一个数据类型转换的单元，前后数据类型一致才不会出错。其调制模型如图3.2.3所示。图3.2.3 调制模型3.2.3 信道模型本次仿真在信道中加入了高斯白噪声，其模型图如图3.2.4。图3.2.4 高斯白噪声信道模型3.2.4带通滤波器和低通滤波器的模型带通滤波器模型的作用是只允许通过（fl，fh）范围内的频率分量、但将其他范围的频率分量衰减到极低水平。低通滤波器模型的作用是只允许通过（0，fh）范围内的频率分量，并且将其他范围的频率分量衰减到极低水平。本次仿真采用了巴特沃斯无限冲激响应滤波器，带通滤波器模型如图3.2.5所示，低通模型如图3.2.6所示。图3.2.5带通滤波器模型 图3.2.6 低通滤波器模型3.2.5 抽样判决器模型抽样判决器的功能是根据位同步信号和设置的判决电平来还原基带信号。其模型原理图如图3.2.7所示。图3.2.7 抽样判决器模型3.3 matlab程序仿真3.3.1基带信号产生利用均匀分布伪随机编号公式产生随机二进制数列，公式为base= rand(m,n)，m为数字大小上限，n为数字个数。3.3.2 差分和逆差分变换模型 运用循环语句，将基带信号和延迟一个码元时间的基带信号进行比较，相同取“0”，不同则去“1”。3.3.3信号调制模型 先将单极性归零差分信号转化为双极性归零信号，再利用公式y = linspace(a,b,n)将每个码元切若干个片段，再利用公式b = repmat(a,m,n)将基带信号复制m行，然后利用公式b = reshape(a,m,n)将列向量转变为行向量，最后与载波正弦信号进行点乘运算，完成调制。3.3.4 信道模型 利用公式y = awgn(x,snr)向调制信号里加入高斯白噪声，snr为信噪比，模拟高斯信道。3.3.5带通滤波器和低通滤波器的模型在matlab下，设计巴特沃斯iir滤波器可使用butter函数。butter函数可设计低通、高通、带通和带阻的数字和模拟iir滤波器，其特性为使通带内的幅度响应最大限度地平坦，但同时损失截止频率处的下降斜度。在期望通带平滑的情况下，可使用butter函数。butter函数的用法为：b,a=butter(n,wn,/ftype/)，其中n代表滤波器阶数，wn代表滤波器的截止频率，这两个参数可使用buttord函数来确定。buttord函数可在给定滤波器性能的情况下，求出巴特沃斯滤波器的最小阶数n，同时给出对应的截止频率wn。buttord函数的用法为：n,wn= buttord(wp,ws,rp,rs)，其中wp和ws分别是通带和阻带的拐角频率（截止频率），其取值范围为0至1之间。当其值为1时代表采样频率的一半。rp和rs分别是通带和阻带区的波纹系数。不同类型（高通、低通、带通和带阻）滤波器对应的wp和ws值遵循以下规则：1高通滤波器：wp和ws为一元矢量且wpws；2低通滤波器：wp和ws为一元矢量且wpws；3带通滤波器：wp和ws为二元矢量且wpws，如wp=0.1,0.8,ws=0.2,0.7。3.3.6 抽样判决器模型 利用按位与的的方法进行编程完成判决。4模块功能分析或源程序代码4.1 system view仿真4.1.1调制模块systemview仿真调制信号的方法采用键控调制法，其原理图如图4.1.1所示。图4.1.1 信号调制模块各模块的功能、参数如下：token 0：pn码源，参数为amp1v、offset0v、rate100hz、no.of levels2；token 1, 4,13,19为analysis观察窗；token 2：异或逻辑门电路；token 7：正弦载波信号源，参数为amp1v、frquency1000hz、phase=0deg；token17：延时器，参数为delay=10e-3 sec；token18：单刀双掷开关；token19：反相器。调制模块把基带信号转变为差分信号，在将差分信号通过键控发调制成为分相移的正弦信号。4.1.2 解调模块4.1.2.1相干解调模块相干解调模块的功能是将调制信号利用相干法进行解调，还原基带信号，其原理图如图4.1.2所示。模块原理是调制信号与本地载波相乘，去掉调制信号中的载波成分，再经过低通滤波器去除高频成分，得到包含基带信号的低频信号，将其送入抽样判决器中进行抽样判决的到基带信号的差分码，再经过逆差分器，得到基带信号。图4.1.2 相干解调模块各模块的功能、参数如下：token21，23,24,25为analysis观察窗；token10：乘法器；token11：保持器；token 9：低通滤波器，截止频率为90 hz；token14：比较器，ab；token13：门限，值为0v；token14：异或逻辑电路；token15：延迟器，daley=10e-3 sec。token12和token13两个器件构成判决，当大于0v时输出为1v，小于等于0v时输出为0v。4.1.2.2差分解调模块差分解调模块的功能是将调制信号利用差分法进行解调，还原基带信号，其原理图如图4.1.3所示。模块原理是信号先经过带通滤波器，去除调制信号频带以外的在信道中混入的噪声，此后该信号分为两路，一路延时一个码元的时间后与另一路的信号相乘，再经过低通滤波器去除高频成分，得到包含基带信号的低频信号，将其送入抽样判决器中进行抽样判决，抽样判决器的输出即为原基带信号。图4.1.3 差分解调模块各模块的功能、参数如下：token14，15，16，20为analysis观察窗；token 8：乘法器；token 6：带通滤波器，上限频率为1100 hz，下限频率为900 hz；token10：低通滤波器，截止频率为60 hz；token24：比较器，ab；token25：门限，值为0.05v；token23：保持器；token 9：延迟器，daley=10e-3 sec。token24和token25两个器件构成判决，当大于0.5v时输出为-1v，小于等于0v时输出为1v。4.2 matlab simulink仿真4.2.1调制模块simulink仿真调制信号的方法采用模拟调制法，其原理图如图4.2.1所示。模块原理是异或逻辑门一路输入基带信号，另一路输入延时一个码元时间的基带信号，将输出的差分码信号输入类型转换模块，再将差分信号输入一个单极双极转换模块，单极性归零信号转换成双极性归零信号，然后将双极性归零信号与载波一起通过相乘器，就完成了调制过程。图4.2.1 模拟调制模块信号源模块参数如图4.2.2，异或逻辑算符参数如图4.2.3，载波正弦信号参数如图4.2.4，延迟器参数如图4.2.5。图4.2.2基带信号由信号源模块参数 图4.2.3异或逻辑算符参数图4.2.4 载波正弦信号参数图 4.2.5 延迟器参数4.2.2解调模块4.2.2.1相干解调模块相干解调模块的功能是将调制信号利用相干法进行解调，还原基带信号，其原理图如图4.2.6所示。模块原理是调制信号信号先经过带通滤波器，去除调制信号频带以外的在信道中混入的噪声，再与本地载波相乘，去掉调制信号中的载波成分，再经过低通滤波器去除高频成分，得到包含基带信号的低频信号，将其送入抽样判决器中进行抽样判决的到基带信号的差分码，再经过逆差分器，得到基带信号。图4.2.6相干解调模块相干波参数如图4.2.7，定时脉冲参数如图4.2.8，带通滤波器参数如图4.2.9，低通滤波器参数如图4.2.10，替代器参数如图4.2.11。图4.2.7 相干波参数 图4.2.8 定时脉冲参数图4.2.9 带通滤波器参数图4.2.10 低通滤波器参数图4.2.11 替代器参数4.2.2.2差分解调模块差分解调模块的功能是将调制信号利用差分法进行解调，还原基带信号，其原理图如图4.2.12所示。模块原理是信号先经过带通滤波器，去除调制信号频带以外的在信道中混入的噪声，此后该信号分为两路，一路延时一个码元的时间后与另一路的信号相乘，再经过低通滤波器去除高频成分，得到包含基带信号的低频信号，将其送入抽样判决器中进行抽样判决，抽样判决器的输出即为原基带信号。图4.2.12 差分解调模块带通滤波器参数如图4.2.13，低通滤波器如图4.2.14，延迟装置参数如图4.2.14，定时脉冲参数如图4.2.15，替代器参数如图4.2.16，相乘器参数如图4.2.17。图4.2.13 带通滤波器参数图 图4.2.14 低通滤波器参数图4.2.15 延迟装置参数图4.2.15 定时脉冲参数图4.2.16 替代器参数图4.2.17 相乘器参数324.3 matlab 程序仿真 仿真程序如下：%-% 2dpsk 调制与解调%-% 基带信号% clear;close all;bit=1000;n=16;p=0.5;base=rand(1,n)差分信号%different=0;j=1;while j调制部分信道相干波相乘低通滤波部分抽样判决0); end judge=judge bridge;endm=0:1/bit:(n-1)/bit;subplot(5,1,4);stairs(m,judge)axis(0,n/bit,-1.5,1.5);title(抽样判决);xlabel(time/sec);ylabel(幅值);grid on%-%逆差分变换%initial=0;b=;for r=2:16 if judge(r)=judge(r-1); b=1; else b=0; end initial=initial b;endsubplot(5,1,5);stairs(m,initial);axis(0,n/bit,-1.5,1.5);title(解调信号);xlabel(time/sec);ylabel(幅值);grid on5调试过程及结论5.1 systen view仿真调试5.1.1 系统搭建键控调制相干解调系统搭建图如图5.1.1，系统定时设置如图5.1.2。图5.1.1 键控调制相干解调系统搭建图5.1.2 键控调制相干解调系统定时设置5.1.2 仿真波形运行系统进行仿真，基带信号波形如图5.1.3，差分编码波形如图5.1.4，调制波形如图5.1.5，带通输出波形如图5.1.6，相乘输出波形如图5.1.7，低通输出波形如图5.1.8，比较抽样判决后的数据输出波形如图5.1.9，逆差分变换后的输出波形如图5.1.10。图5.1.3 基带信号波形图5.1.4 差分信号波形图5.1.5 调制信号波形图5.1.6 带通输出波形图5.1.7 相乘输出波形图5.1.8 低通输出波形图5.1.9 抽样判决输出波形图5.1.10 逆差分后解调输出波形经观察调制与解调过程中各阶段波形正确，解调出的波形恢复到了调制前形状。说明调制与解调电路正确。5.1.3 系统分析基带信号与解调信号的频谱如图5.1.11，解调信号的频谱如图5.1.12，相乘器输出信号频谱与低通输出波形频谱如图5.1.12，低通输出波形眼图如图5.1.13，误码率如图5.1.14。图5.1.11 基带信号与解调信号的频谱图5.1.12 解调信号的频谱图5.1.13 相乘器输出信号频谱与低通输出波形频谱图5.1.14 低通输出波形眼图 图5.1.15 误码率 由图观察可知，调制前后信号的功率谱密度相差不大，信号与相干波相乘后，频率包含了低频和高频部分，然后再进过低通滤波器后滤去高频部分。由眼图可知，信号存在高斯噪声，误码率反应了系统的可靠性。5.2 matlab simulink仿真调试5.2.1系统搭建系统搭建图如图5.2.1图 5.1.1 系统搭建5.2.2 仿真波形各点仿真输出信号波形如图5.2.2所示。图5.2.2 各点仿真输出信号波形经观察调制与解调过程中各阶段波形正确，解调出的波形恢复到了调制前形状。说明调制与解调电路正确。5.2.2 系统分析基带信号的功率谱如图5.2.3，解调信号的功率谱如图5.2.4，经观察调制前后信号的功率谱密度相差不大。图5.2.3 基带信号功率谱图5.2.4 解调信号功率谱信号与相干波相乘后的信号的功率谱如图5.2.5所示，信号进过低通滤波器后的信号功率谱如图5.2.7所示。经观察，信号与相干波相乘后，在高频段和低频段都有信号，经过低通滤波器后滤去了高频部分，留下了低频部分。图5.2.5 相乘器输出信号功率谱图5.2.6 低通输出信号功率谱低通滤波器输出信号眼图如图5.2.7所示，可以看出传输系统中存在高斯白噪声，还有码间干扰，要减少码间干扰的影响可以用一个余弦降滚符合奈奎斯特第一准则的低通滤波器实现。图5.2.7 低通滤波器输出信号眼图误码个数和误码率如图5.2.8所示，它反映了系统的可靠性。实际误码率信噪比关系曲线如图5.2.9所示，理论误码率信噪比关系曲线如图5.2.10所示。图5.2.8 误码个数和误码率图5.2.9 实际误码率信噪比关系曲线 图5.2.10 理论误码率信噪比关系曲线5.3 matlab 程序调试运行matlab程序可以得出相应的信号波形图，基带信号和差分信号波形如图5.3.1所示，差分信号和调制信号波形如图5.3.2所示，解调部分各点波形如图5.3.3所示，信号比较如图5.3.4所示。图5.3.1 基带信号和差分信号波形图 图5.3.2 差分信号和调制信号波形 图5.3.3 解调部分各点波形图5.3.4 信号比较经观察调制与解调过程中各阶段波形正确，解调出的波形恢复到了调制前形状。说明调制与解调电路正确。5.4 总结由前讨论可知，2dpsk信号就波形本身而言，它可以等效成双极性基带信号作用下的调幅信号，无非是一对倒相信号的序列，进而有以下结论：（1）2dpsk与2psk信号有相同的功率谱；（2）2dpsk与2psk信号带宽相同，是基带信号带宽的两倍；（3）2dp