通信原理课程设计报告.doc

通信原理 课程设计报告 题 目 基于 Matlab 的 2PSK 2DPSK 仿真 学 院 电子信息工程学院 专 业 通信工程 学生姓名 学 号 年级 指导教师 职称 讲师 2013 年 12 月 20 日 设设计计报报告告成成绩绩 按按照照优优 良良 中中 及及格格 不不及及格格评评定定 指指导导教教师师评评语语 指指导导教教师师 签名 签名 年年 月月 日日 说明 指导教师评分后 设计报告交院实验室保存 说明 指导教师评分后 设计报告交院实验室保存 基于 Matlab 的 2PSK 2DPSK 仿真 专 业 通信工程 学 号 学 生 指导教师 摘要 现代通信系统要求通信距离远 通信容量大 传输质量好 作为其关键技术之一的调制技术 一直是研究的一个重要方向 数字通信技术与 MATLAB 的结合更是现代通信系统发展的一个必然趋 势 本次课程设计是基于 MATLAB 的 2PSK 仿真 通过系统分析 步骤来完成本次设计任务 通过课 程设计从理论学习的轨道逐步引向实际应用 把理论上熟悉的定性分析 定量计算逐步和工程估算 实验调整等手段结合起来 掌握工程设计的步骤和方法 了解科学实验的程序和实施方法 为以后 毕业设计和从事信息处理技术的实际工作打下基础 关键词 MATLAB 2PSK 2DPSK 仿真 目 录 第 1 章 MATLAB 简介 1 第 2 章 二进制相移键控 2 2 1 2PSK 调制原理 2 2 2 2PSK 解调原理 3 2 3 仿真结果及分析 4 2 3 1 2PSK 仿真图 4 2 3 2 2PSK 模块的参数设置 5 2 4 2PSK 仿真结果 6 第 3 章 二进制差分相移键控 8 3 1 DPSK 调制原理 8 3 2 DPSK 解调原理 9 3 3 仿真结果及分析 10 3 3 1 2DPSK 仿真图 10 3 3 2 2DPSK 模块的参数设置 11 3 4 2DPSK 仿真结果 15 第 4 章 总结 16 参考文献 17 致谢 18 成都学院 成都大学 课程设计报告 1 第 1 章 Matlab 简介 美国 Mathworks 公司于 1967 年推出了矩阵实验室 Matrix Laboratory 缩写为 Matlab 这就是 Matlab 最早的雏形 开发的最早的目的是帮助学校的老师和学生更好 的授课和学习 Matlab 是一种解释性执行语言 具有强大的计算 仿真 绘图等功能 Simulink 是 MATLAB 中的一种可视化仿真工具 也是目前在动态系统的建模和仿真等 方面应用最广泛的工具之一 确切的说 Simulink 是一个用来对动态系统进行建模 仿真和分析的软件包 它支持线性和非线性系统 连续 离散时间模型 或者是两者 的混合 系统还可以使多种采样频率的系统 而且系统可以是多进程的 在 Simulink 环境中 它为用户提供了方框图进行建模的图形接口 采用这种结构画模型图就如同 用手在纸上画模型一样自如 方便 故用户只需进行简单的点击和拖动就能完成建模 并可直接进行系统的仿真 快速的得到仿真结果 但是 Simulink 不能脱离 MATLAB 而独立工作 Matlab 将高性能的数值计算和可视化集成在一起 并提供了大量的内置函数 从 而被广泛地应用于科学计算 控制系统 信息处理等领域的分析 仿真和设计工作 而且利用 Matlab 产品的开放式结构 可以非常容易地对 Matlab 的功能进行扩充 从而 在不断深化对问题认识的同时 不断完善 Matlab 产品以提高产品自身的竞争能力 利用 M 语言还开发了相应的 Matlab 专业工具箱函数供用户直接使用 这些工具箱 应用的算法是开放的可扩展的 用户不仅可以查看其中的算法 还可以针对一些算法 进行修改 甚至允许开发自己的算法扩充工具箱的功能 目前 Matlab 产品的工具箱有 四十多个 分别涵盖了数据获取 科学计算 控制系统设计与分析 数字信号处理 数字图像处理 金融财务分析以及生物遗传工程等专业领域 成都学院 成都大学 课程设计报告 2 第 2 章 二进制相移键控 二进制移相键控 简记为 2PSK 或 BPSK 2PSK 信号码元的 0 和 1 分别用两 个不同的初始相位 0 和 来表示 而其振幅和频率保持不变 因此 2PSK 信号 的时域表达式为 t Acost 2 1 其中 表示第 n 个符号的绝对相位 2 2 因此 上式可以改写为 2 3 这种以载波的不同相位直接表示相应二进制数字信号的调制方式 称为二进制移相 键控方式 二进制移相键控信号的典型时间波形如图 2 1 图 2 1 二进制相移键控信号的时间波形 2 1 2PSK 调制原理 在二进制数字调制中 当正弦载波的相位随二进制数字基带信号离散变化时 则 产生二进制移相键控 2PSK 信号 2PSK 信号调制有两种方法 即模拟调制法和键控法 1101 t 0 s T 成都学院 成都大学 课程设计报告 3 通常用已调信号载波的 0 和 180 分别表示二进制数字基带信号的 1 和 0 模拟调制 法用两个反相的载波信号进行调制 2PSK 以载波的相位变化作为参考基准的 当基带 信号为 0 时相位相对于初始相位为 0 当基带信号为 1 时相对于初始相位为 180 键控法 是用载波的相位来携带二进制信息的调制方式 通常用 0 和 180 来分别 代表 0 和 1 其时域表达式为 2 4 tnTtgae c n snPSK cos 2 其中 2PSK 的调制中 an 必须为双极性码 本次设计中采用模拟调制法 两种方 法原理图分别如图 2 2 和图 2 3 所示 图 2 2 模拟调制法原理图 图 2 3 键控法原理图 2 2 2PSK 解调原理 由于 2PSK 的幅度是恒定的 必须进行相干解调 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 2PSK 信号的相干解调原理图如 图 2 4 所示 各点的波形如图 2 5 所示 由于 2PSK 信号的载波回复过程中存在着 180 的相位模糊 即恢复的本地载波与 所需相干载波可能相同 也可能相反 这种相位关系的不确定性将会造成解调出的数 成都学院 成都大学 课程设计报告 4 字基带信号与发送的基带信号正好相反 即 1 变成 0 吗 0 变成 1 判决器输出数字 信号全部出错 这种现象称为 2PSK 方式的 倒 现象或 反相工作 但在本次仿真中 是直接给其同频同相的载波信号 所以不存在此问题 带通 滤波器 相乘器 低通 滤波器 抽样 判决器 定时 脉冲 输出 2 te PSK t c cos a b cde 图 2 4 2PSK 的相干解调原理图 1010 s T t a b c d 1 t t t t e 11100 图 2 5 相干解调中各点波形图 2 3 仿真结果及分析 2 3 1 2PSK 仿真图 用MATLAB搭建好的2PSK仿真图如下 成都学院 成都大学 课程设计报告 5 图 2 6 PSK 仿真图 2 3 2 2PSK 模块的参数设置 1 相乘模块 图 2 7 相乘器参数设置 2 低通滤波器模块 成都学院 成都大学 课程设计报告 6 图 2 8 滤波器其参数设置 3 抽样判决模块 图 2 9 pulse generator 参数设置 2 4 2PSK 仿真结果 成都学院 成都大学 课程设计报告 7 图 2 10 2PSK 电路仿真波形 成都学院 成都大学 课程设计报告 8 第 3 章 二进制差分相移键控 二进制差分相移键控常简称为二相相对调相 记为 2DPSK 它不是利用载波相位的 绝对数值传送数字信息 而是用前后码元的相对载波相位值传送数字信息 所谓相对 载波相位是只本码元初相与前一码元初相之差 传输系统中要保证信息的有效传输就必须要有较高的传输速率和很低的误码率 在传输信号中 2PSK 信号和 2ASK 及 2FSK 信号相比 具有较好的误码率性能 但是 在 2PSK 信号传输系统中存在相位不确定性 并将造成接收码元 0 和 1 的颠倒 产生误码 为了保证 2PSK 的优点 又不会产生误码 将 2PSK 体制改进为二进制差分 相移键控 2DPSK 及相对相移键控 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 则数字信息序列与 2DPSK 信号的码元相位关系可举例表示如 2PSK 信号是用载波 的不同相位直接去表示相应的数字信号而得出的 在接收端只能采用相干解调 它的 时域波形图见图 3 1 图 3 1 2DPSK 信号波形图 3 1 DPSK 调制原理 二进制差分相移键控 2DPSK 方式是用前后相邻码元的载波相对相位变化来表示 数字信息 假设前后相邻码元的载波相位差为 可定义一种数字信息与之间的 关系为 3 1 00 数字信息 数字信息 1 a 绝对码 b 相对码 t 1010 101 1 100 2DPSKc 参考 成都学院 成都大学 课程设计报告 9 为前一码元的相位 实现二进制差分相移键控的最常用的方法是 先对二进制数字基带信号进行差分 编码 然后对变换出的差分码进行绝对调相即可 2DPSK 调制原理图如图 3 2 延时Ts 波形变换 Cn S2dpsk t Coswc t 相对码Bn 绝对码Dn 图 3 2 2DPSK 调制原理框图 3 2 DPSK 解调原理 2DPSK 信号解调有相干解调方式和差分相干解调 用差分相干解调这种方法解调 时不需要恢复本地载波 只要将 DPSK 信号精确地延迟一个码元时间间隔 然后与 DPSK 信号相乘 相乘的结果就反映了前后码元的相对相位关系 经低通滤波后直接 抽样判决即可恢复出原始的数字信息 而不需要在进行差分解码 相干解调码变换法及相干解调法的解调原理是 先对 2DPSK 信号进行相干解调 恢复出相对码 再通过码反变换器变换为绝对码 从而恢复出发送的二进制数字信息 在解调过程中 若相干载波产生相位模糊 解调出的相对码将产生倒置现象 180 但是经过码反变换器后 输出的绝对码不会发生任何倒置现象 从而解决了载波相位 模糊的问题 本次设计采用相干解调 两种解调方式的原理图如图 3 3 和图 3 4 所示 2DPSK 相干解调各点波形图如图 3 5 所示 图 3 3 2DPSK 差分相干解调原理图 成都学院 成都大学 课程设计报告 10 图 3 4 2DPSK 相干解调原理图 图 3 5 2DPSK 相干解调各点波形图 3 3 仿真结果及分析 3 3 1 2DPSK 仿真图 用 MATLAB 搭建好的 2DPSK 仿真图如下 成都学院 成都大学 课程设计报告 11 图 3 6 2DPSK 仿真图 3 3 2 2DPSK 模块的参数设置 1 载波模块 图 3 7 载波参数设置 2 乘法器模块 成都学院 成都大学 课程设计报告 12 图 3 8 乘法器参数设置 3 基带模块 图 3 9 基带信号参数设置 4 Unipolar to Bipolar Converte 模块 成都学院 成都大学 课程设计报告 13 图3 10 Unipolar to Bipolar Converter参数设置 5 码变换模块 图3 11 Logical Operator参数设置 图3 12 Unit Delay参数设置 成都学院 成都大学 课程设计报告 14 图3 13 Data Type Conversion参数设置 6 滤波器模块 图3 14 带通滤波器参数设置 成都学院 成都大学 课程设计报告 15 图3 15 低通滤波器参数设置 3 4 2DPSK 仿真结果 图 3 16 2DPSK 电路仿真波形 成都学院 成都大学 课程设计报告 16 第 4 章 总结 通过在本次设计中的实践明白了自己知识上的误区 例如 在低通滤波的过程中 主要目的是滤去高频分量 滤去载波成分 所以对于低通滤波器的截止频率的设置较 为关键 而在 2PSK 的调制与解调中所用信号为双极性的信号 因此要将在本次设计中 产生的单极性信号经过码的变化形成双极性码来传输 本次设计只是按理论上的知识 结构进行简单地系统构建 目的是明确数字基带传输的原理及过程 而对于具体问题 例如 实际中信道噪声一般为高斯白噪声 本次设计为简便并未采用而是用 rand 函数 产生了随机噪声信号 此外 还有在 2PSK 实际传输系统中 在恢复载波的过程中会出 现 倒 现象 即相位模糊现象 但是在本次设计中直接在解调时给其同频同相的 载波 所以不会出现此种现象 因为不必考虑 这是自己第一次利用 Matlab 编程功能实现通信原理中基础知识系统地构建 以前 都是利用 Matlab 中 Simulink 模块搭建系统来实现 通过自己亲自去动手和调试我明 白了实践的重要性 尤其是对程序的调试 更需要大量的时间反复上机运行 发现错 误并改正 这样也就加强了自己对程序分析的能力 更深刻地明白了通信原理中的知 识内