最新课程设计基于MATLAB的BPSK调制解调研究 免费下载.doc

东 北 石 油 大 学 课 程 设 计 2012 年 3 月 9 日 课 程 通信综合课程设计 题 目 基于 MATLAB 的 BPSK 调制解调研 究 院 系 XXXXXXXXXXXX 专业班级 XXXXXXX 学生姓名 XXXXXXXXXXX 学生学号 XXXXXXXXXXXXX 指导教师 XXXXXXXXXXXXXXXXXX 东北石油大学课程设计任务书 课程 通信综合课程设计 题目 基于 MATLAB 的 BPSK 调制解调研究 专业 XXXXXXX 姓名 XXX 学号 XXXXXXXXX 主要内容 1 简要阐述了 BPSK 的调制与解调原理 2 利用 MATLAB 进行仿真 附上仿真程序和仿真结果 并对仿真结果进行分析 基本要求 掌握数字带通 BPSK 调制解调相关知识 学习 MATLAB 软件 掌握相关调制解 调的 MATLAB 函数的使用 运用 MATLAB 进行编程实现 BPSK 的调制解调过程 并 且仿真输出调制前的基带信号 调制后的 BPSK 信号和叠加噪声后的 2PSK 信号波形 解调器在接收到信号后解调的各点的信号波形 并对仿真结果进行分析 主要参考资料 1 樊昌信 曹丽娜 通信原理 M 国防工业出版社 2010 205 212 2 章宜华 精通 MATLAB5 M 清华大学出版社 1999 136 140 3 沈兰芬 李治群 调制解调的数字实现 J 电信科学 1993 6 27 31 完成期限 2012 2 20 2012 3 9 指导教师 专业负责人 2012 年 2 月 20 日 目 录 1 设计要求 1 2 设计原理 1 2 1 BPSK 的调制原理 1 2 2 BPSK 的解调原理 3 3 基于 MATLAB 的 BPSK 调制解调仿真 4 3 1 仿真框图 4 3 2 仿真源程序 4 3 3 仿真输出结果 6 3 4 仿真结果分析 9 4 总结 10 参考文献 10 通信综合课程设计 报告 1 1 设计要求 根据题目 查阅相关资料 掌握数字带通的 BPSK 调制解调相关知识 并且 学习 MATLAB 软件 掌握 MATLAB 各种函数的使用 在此基础上 运用 MAT LAB 进行编程实现 BPSK 的调制解调过程 并且输出调制前的基带信号 调制后 的 BPSK 信号和叠加噪声后的 2PSK 信号波形 解调器在接收到信号后解调的各 点的信号波形 2 设计原理 数字信号的传输方式分为基带传输和带通传输 在实际应用中 大多数信道 具有带通特性而不能直接传输基带信号 为了使数字信号在带通信道中传输 必 须使用数字基带信号对载波进行调制 以使信号与信道的特性相匹配 这种用数 字基带信号控制载波 把数字基带信号变换为数字带通信号的过程称为数字调制 数字调制技术的两种方法 利用模拟调制的方法去实现数字式调制 即把 数字调制看成是模拟调制的一个特例 把数字基带信号当做模拟信号的特殊情况 处理 利用数字信号的离散取值特点通过开关键控载波 从而实现数字调制 这种方法通常称为键控法 比如对载波的相位进行键控 便可获得相移键控 PS K 基本的调制方式 图 1 BPSK 信号时间波形示例 2 1 BPSK 的调制原理 如果两个频率相同的载波同时开始振荡 这两个频率同时达到正最大值 同 时达到零值 同时达到负最大值 它们应处于 同相 状态 如果其中一个开始得 迟了一点 就可能不相同了 如果一个达到正最大值时 另一个达到负最大值 则称为 反相 一般把信号振荡一次 一周 作为 360 度 如果一个波比另一个 波相差半个周期 我们说两个波的相位差 180 度 也就是反相 当传输数字信号 00111 t TS 通信综合课程设计 报告 2 时 1 码控制发 0 度相位 0 码控制发 180 度相位 载波的初始相位就有了移 动 也就带上了信息 相移键控是利用载波的相位变化来传递数字信息 而振幅和频率保持不变 在 2PSK 中 通常用初始相位 0 和 分别表示二进制 1 和 0 因此 2PS K 信号的时域表达式为 cos A 2PSKnct te 1 式中 n表示第 n 个符号的绝对相位 时发送 时发送 1 00 n 2 因此 上式可以改写为 Pt Pt te c c 1 cosA cosA 2PSK 概率为 概率为 3 由于两种码元的波形相同 极性相反 故 BPSK 信号可以表述为一个双极性 全占空矩形脉冲序列与一个正弦载波的相乘 ttste c cos 2PSK 4 式中 n sn nTtgats 5 这里 s t 为双极性全占空 非归零 矩形脉冲序列 g t 是脉宽为 Ts的单个矩形 脉冲 而 an的统计特性为 P P an 1 1 1 概率为 概率为 6 BPSK 信号的调制原理框图如图 2 2 所示 与 2ASK 信号的产生方法相比较 只是对是 S t 的要求不同 在 2ASK 中 S t 是单极性的 而在 BPSK 中 S t 是双极 性的基带信号 开关电路 S t e2psk t 1800移相 coswct 0 通信综合课程设计 报告 3 图 2 BPSK 信号的调制原理框 2 2 BPSK 的解调原理 2PSK 信号的解调方法是相干解调法 由于 PSK 信号本身就是利用相位传递信 息的 所以在接收端必须利用信号的相位信息来解调信号 下图 2 3 中给出了一 种 2PSK 信号相干接收设备的原理框图 图中经过带通滤波的信号在相乘器中与 本地载波相乘 然后用低通滤波器滤除高频分量 在进行抽样判决 判决器是按 极性来判决的 即正抽样值判为 1 负抽样值判为 0 图 3 BPSK 的相干接收机原理框图 BPSK 信号的相干解调各点时间波形如图 2 4 所示 图 4 BPSK 各点时间波形 波形图中 假设相干载波的基准相位与 BPSK 信号的调制载波的基准相位一 Coswct b e2psk t e 输出 d c a 带通 滤波器 相乘器 低通 滤波器 抽样 判决器 定时 脉冲 Ts 1010 t b 1 t t t t t 11100 a d e c 通信综合课程设计 报告 4 致 通常默认为 0 相位 但是 由于在 BPSK 信号的载波恢复过程中存在着的 相位模糊 即恢复的本地载波与所需的相干载波可能同相 也可能反相 这种相 位关系的不确定性将会造成解调出的数字基带信号与发送的数字基带信号正好相 反 即 1 变为 0 0 变为 1 判决器输出数字信号全部出错 这种现 象称为 BPSK 方式的 倒 现象 或 反相工作 这导致了 BPSK 方式在实际 中很少采用 另外 在随机信号码元序列中 信号波形有可能出现长时间连续的 正弦波形 致使在接收端无法辨认信号码元的起止时刻 为了克服 BPSK 这一缺 点 在实际使用中常采用 DPSK 即差分相移键控 3 基于 MATLAB 的 BPSK 调制解调仿真 3 1 仿真框图 在发送端 通过随机函数随即产生八比特二进制比特序列 然后把这八比特 序列在频率 fc 4000HZ 的载波上进行传输 并且采样频率 fs 8000HZ 经过调制 后 调制信号就可以在信道上传输 但是在实际的信道中传输时 会叠加很多噪 声 因此 程序模拟在实际信道上传输 产生噪声 叠加到已调信号上 在接收端 通过相干解调的方法 把接收到的叠加有噪声的信号进行解调 但是解调后的信号还不是最先发送的二进制比特流 需要对解调得到的信号进行 抽样判决 才能得到发送的二进制比特流 即发送信号 软件的仿真流程图如 3 1 所示 图 5 基于 MATLAB 的 BPSK 调制解调仿真框图 3 2 仿真源程序 本程序传送的信号是利用随机函数产生随机的八比特二进制流 在已知在已 知载波频率 fc 4000HZ 采样频率 fs 8000HZ 的情况下 进行的调制 在传输信 道上对已调信号叠加白噪声 在接收端进行相干调制解调 然后在进行抽样判决 得到发送信号 产生比特信号 信道 产生随机 基带信号 调制解调 抽样判决 码元再生 高斯白噪声 通信综合课程设计 报告 5 t 0 0 01 7 99 a randint 1 8 figure 1 m a ceil t 0 01 figure 1 plot t m title 产生随机八比特二进制比特序列 axis 0 8 1 5 1 5 调制 fc 4000 载波频率 fs 80000 采样频率 ts 0 1 fs 800 1 fs ts1 0 1 fs 100 1 fs tzxh1 cos 2 pi fc ts tzxh2 cos 2 pi fc1 ts 2PSK 调制 psk cos 2 pi fc ts pi m figure 2 plot t psk title 2PSK 调制波形 axis 0 8 1 5 1 5 叠加噪声 e 2psk awgn psk 10 figure 3 plot t e 2psk title 2PSK 调制信号叠加噪声波形 2PSK 相干解调 b11 a11 ellip 5 0 5 60 2000 6000 2 80000 带通椭圆滤波器设计 b12 a12 ellip 5 0 5 60 1000 2 80000 低通滤波器设计 e psk1 filter b11 a11 e 2psk 通过带通滤波器滤除带外噪声 e psk1 1 e psk1 tzxh1 2 相干解调 psk xgjt filter b12 a12 e psk1 1 相干解调后 抽样判决前的结果 figure 4 plot t psk xgjt 通信综合课程设计 报告 6 title 2PSK 调制信号相干解调后通过低通滤波器 抽样判决前的信号 axis 0 8 1 5 1 5 2PSK 的相干解调法的抽样判决结果与原数据比较 for i 0 7 if psk xgjt i 1 100 0 5 psk hyjt i 100 1 i 1 100 zeros 1 100 else psk hyjt i 100 1 i 1 100 ones 1 100 end end figure 5 plot t psk hyjt title 2PSK 调制信号相干解调 抽样判决后的信号 axis 0 8 1 5 1 5 3 3 仿真输出结果 在实际传输中 我我们需要传输的就是二进制基带信号 因此通过随机函数 随机产生八位二进制比特流 即基带信号 图 4 1 随机产生的二进制基带信号 实际通信中不少信道都不能直接传送基带信号 必须用基带信号对载波波形 的某些参量进行控制 使载波的这些参量随基带信号的变化而变化 即所谓正弦 载波调制 正弦波可以作为数字模拟调制系统和数字调制系统的载波 通信综合课程设计 报告 7 从原理上来说 受调载波的波形可以是任意的 只要已调信号适合于信道传 输就可以了 但实际上 在大多数数字通信系统中 都寻则正弦信号作为载波 这是因为正弦信号形式简单 便于产生及接收 和模拟调制一样 数字调制业余 调幅 调频和调相三种基本形式 并可以派生出多种其他形式 数字调制与模拟 调制相比 其原理并没有什么区别 不过模拟调制时对载波信号的参量进行连续 调制 在接收端则对载波信号的调制参量连续地进行估值 而数字调制都是用载 波信号的默写离散状态来表征所传送的信息 在接受算也只要对载波信号的离散 调制参量进行检测 数字调制信号 在二进制时有振幅键控 ASK 移频键控 FSK 和移相键控 PSK 三种基本信号形式 移相键控 PSK 相对于振幅键控 ASK 和频移键控 FSK 来说 具有 抗加性高斯白噪声能力强 频带利用率高 对信道变化不明感 性能好的优点 因此采用 BPSK 对基带信号进行调制 图 4 2 BPSK 调制波形 实际信道处于一个充满了各种干扰的环境中 因此 调制信号不可能无干扰 的在信道中传输 为了逼真的模拟调制信号的传输环境 所以在已调信号上叠加 上高斯白噪声 通信综合课程设计 报告 8 图 4 3 调制信号叠加噪声的波形图 当信号接收机接收到信号后 该信号是经过调制和叠加噪声后的信号 不能 为人们所用 为了使接收到的信号能为人们所用 只用对接收到的信号进去滤波 和反调制 即解调 处理 在相同的信噪比条件下 相比 2ASK 系统和 2FSK 系 统 相干解调的 2PSK 系统的误码率 Pe最小 因此解调方法用相干解调的 2PSK 再将解调信号通过低通滤波器进行低通滤波 图 4 4 BPSK 调制信号相干解调后的波形图 通过相干解调和低通滤波器后的信号 通过抽样判决后 原则上能恢复成系 统发送的二进制基带信号 但是在实际的解调和调制的过程中 BPSK 系统往往 通信综合课程设计 报告 9 会出现 倒相 因此在抽样判决的时候需要注意这个问题 为了解决这个问题 现在在实际应用中大多数都采用二进制差分相移键控 2DPSk 图 4 5 相干解调 经过抽样判决的信号 3 4 仿真结果分析 让随机产生的八比特二进制流在已知载波频率的情况下进行调制 获得的调 制信号能很好的反应出在真实的通信系统中对数字基带信号进行的调制效果 不 过在真实的通信系统中 因为调制的环境里存在许多电磁干扰 还有因为仪器的 精密度原因 导致调制信达不到理想的状态 会存在一些失真 但是随着技术的 不断发展进步 失真度在慢慢的减小 以至于基本上能达到理想状况下的调制 真实的传输信道都是处于存在多种干扰的大自然中 因此在传输信息的时候 会在已调信号上叠加很多噪声 这些噪声混杂在一起称之为白噪声 为了模拟真 实的传输环境 因此在调制信号上叠加了高斯白噪声 在接收端 把接收到的信号进行相干解调 解调后的波形是有一定失真并且 存在一定规律的模拟波形 因此在调制后会把调制信号通过一个低通的滤波器 滤掉传输波形频率以外的波形 即噪声 调制信号通过低通滤波器后还不是我们所要的二进制波形 是模拟的波形数 据 因此必须对改模拟波形进行抽样判决 抽样判决的条件根据调制的时的 0 相位来确定 在本实验仿真情况下 模拟系统成功的恢复了发送的二进制 基带信号 但是在实际的通信系统中 往往由于系统所在的环境 仪器的精密度 系统中的各种电磁干扰 导致了调制解调都不能百分之百得都正确 存在一定的 通信综合课程设计 报告 10 误差 这个误差称之为误码率 在 BPSK 信号中 相位变化是以未调载波的相位作为参考基准的 由于它利 用载波相位的绝对数值表示数字信息 所以又称为绝对相移 在前面已经说过 BPSK 相干解调时 由于载波恢复中相位有 0 的模糊性 导致解调过程中出 现 反相工作 现象 恢复出的数字信号 1 和 0 倒置 从而使 BPSK 在实 际中难以应用 为了克服这个缺点 人们提出了二进制差分相移键控 2DPSK 方式 4 总结 在这次的课程设计过程中 我发现自己的基础知识和应用能力都很差 刚接 过课题 按照设计步骤走的时候 在数字基带信号的产生和加载载波上就卡住了 通信原理的知识忘记了很多 以至于在设计开始时必须得先复习一下相关的基础 知识 随着实验的进行 发现自己的通信原理课程学得远远不够 不能根据要求 设计出最佳效果的 2PSK 系统 然而 通过这次设计 看了一遍通信原理课程关 于 2PSK 系统的内容 再通过利用参考文献与网络 最终完成了用 Matlab 进行 2PSK 系统的课程设计 加深了对课堂抽象概念的理解 巩固了课堂上所学的理论 知识 并能很好地理解与掌握通信原理课程中的