DBPSK调制解调的simulink仿真与性能分析.doc

西南科技大学课 程 设 计 报 告课程名称： 通信系统课程设计 设计名称：DBPSK调制解调的simulink仿真与性能分析 姓 名： 邵麟淞 学 号: 20096081 班 级： 通信0901 指导教师： 侯宝林 起止日期： 2012.6.4-2011.6.18 西南科技大学信息工程学院制课 程 设 计 任 务 书学生班级： 通信0901 学生姓名： 邵麟淞 学号： 20096081 设计名称： DBPSK调制解调的simulink仿真与性能分析 起止日期： 2012.6.4-2011.6.25 指导教师： 侯宝林 设计要求：系统结构如下图所示，要求如下：基带数据率5M，滚降因子0.6，本振频率30M，采样率300M,调制方式QPSK，搭建SIMULINK环境下的仿真模型；对系统进行系统误码率分析，给出误码率曲线、星座图等。课 程 设 计 学 生 日 志时间设计内容6.22查阅资料，确定方案6.23设计总体方案6.24 做课程设计 6.25答辩课 程 设 计 评 语 表指导教师评语： 成绩： 指导教师： 年 月 日DBPSK调制解调的simulink仿真与性能分析一、 设计目的和意义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解调技术一直是人们研究的一个重要方向。一个系统的通信质量, 很大程度上依赖于所采用的调制方式。因此,对调制方式的研究, 将直接决定通信系统质量的好坏 。 DBPSK(Differentially coherent Binary PSK ) 即差分相干二进制相移键控 用这种调制方法可以克服接收时由PSK所造成的倒现象，能够更好的减少接收时的误码率。DBPSK数字调制器是目前电子信息领域常用的调制器，它在数字通信，移动通信中都有应用。它与FSK,ASK等调制器相比有更加可靠的性能，并且误码率相比最低。因此在高速的数据传输时，往往DSPSK是最佳的选择。目前，在话带内以中速传输数据时,DBPSK是CCITT建议选用的一种数字调制方式。比如,在高速的无线通信中，运用DBPSK调试方式能够很好的高速传输数据，减少码元的误码率，提高整个系统的可靠性。 二、 设计原理三、 DBPSK调制器的原理及组成结构基于上节所讨论的BPSK信号中，相位的变化是以未调载波的相位作为参考标准的。由于它是利用载波的相位的绝对数值表示数字信息，所以称之为绝对相移。但BPSK信号的相干解调时，由于载波恢复中相位有0，模糊性，导致解调过程中出现“反向工作”现象，恢复出的数字信号“1”和“0”倒置，所以BPSK方式在实际中很难运用。为了克服这些缺点，提出了二进制差分相移键控（DBPSK）方式。 DBPSK调制方式是利用前后相邻码元的载波相对相位变化传递数字信息的，所以又称为相对相移键控。假设 q为当前码元与前一码元的载波相位差，可定义一种数字信息与q 之间的关系为： +1+11 111 0，表示数字信息“0”q = ，表示数字信息“1” 于是可以将一组二进制的数字信息与其对应的DBPSK信号载波关系示例如下： 二进制数字信息： 1 1 0 1 0 0 1 1 0DBPSK信号相位：（0） 0 0 0 或 （）0 0 0 0 0 0+1+11 111 相应的DBPSK的信号波形可有图2-4表示出。同时数字信息与q之间的关系也可定义为0， 表示数字信息“1”q = ，表示数字信息“0”绝对码元 1 1 0 1 0 0 1 1 0 （参考相位） 0 图2-4 所对应的DBPSK信号波形 由此示例可知，对于相同的基带数字信号序列，由于初始相位不同，DBPSK信号的相位可以不同。也就是说，DBPSK信号的相位并不直接表示基带信号，而前后码元相对相位的差才是唯一决定信息符号。 DBPSK信号的产生方法可以由上图2-4的波形方式得到启示：先对二进制数字基带信号进行差分编码，即把表示数字信息序列的绝对码变换称相对码（差分码），然后再根据所得的相对码进行绝对调相，从而产生二进制差分移相键控信号。图2-5所示为DBPSK信号调制器的原理框图： 开关电路cos(wct) 0 e(t) 移相码变换 S (t) 图2-5 DBPSK信号调制器原理框图 上图中的码变换器的基本原理为： bn= anbn-1 式中：为模2加，bn-1 为bn的前一个码元，最初的bn-1可以任意设定，一般取为0。例如： 绝对码元： 1 1 0 1 0 0 1 1 0 参考相位 ： 0 差分码元： 1 0 0 1 1 1 0 1 1则将所得到的差分码元进行PSK调制就可以得到绝对码元的DBPSK调制波形。DBPSK信号的解调原理及组成结构DBPSK信号有两种解调方法，其中之一是相干解调（极性比较法）加码反变换法。其解调原理是：对DBPSK信号进行相干解调，恢复出相对码，再经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，由于载波相位模糊性的影响，使得解调出的相对码也可能是“1”和“0”倒置，但经差分译性带来的问题。DBPSK相干解调的原理框图可由图2-6所示。 码反变换器低通滤波器抽样判决器带通滤波器相乘器e(t) 输出 cos(wct) 定时脉冲 图2-6 DBPSK相干解调的原理框图 上图中的码反变换器的基本原理为： an = bnbn-1 式中：为模2加，bn为解调后得到相对码元序列，bn-1 为bn的前一个码元，an为所要求的绝对码元。例如： 相对码元： 1 0 0 1 1 1 0 1 1 参考相位：0 绝对码元： 1 1 0 1 0 0 1 1 0 由上面的原理示意图所形成的码反变换器可将相对码元变换成绝对码元 DBPSK信号的另一种解调方法是差分相干解调（相位比较法），其原理框图可由图2-7所示。用这种解调的方法时不需要专门的相干载波，只需由收到的DBPSK信号延时一个码元间隔Ts，然后与DBPSK信号本身相乘。相乘起着相位比较的作用，相乘的结果反映了前后码元的相位差，经低通滤波器后在抽样判决，即可直接恢复出原始数字信息，故解调器中不需要码反变换器。 抽样判决器相乘器低通 滤波器带通滤波器 输出延迟Ts 定时 脉冲 图2-7 DBPSK信号差分相干解调原理框图四、 详细设计步骤4.1 Simulink模块实现的函数模块MATLAB软件在通信方面有着很强大的功能，它不仅提供了用MATLAB语言来编写和仿真各种通信设备，还提供了Simulink模块来实现多种功能的模块器件。在运用Simulink模块时，我们只需要根据自己所需模块的功能设计出模块各个部分所需要的器件，然后在Simulink模块中寻找需要的器件后放到仿真界面中连线后仿真即可，并且还可以通过示波器来观察所输出的波形。在在本次的毕业设计中主要需要码元信号产生模块，正弦波发生模块，多个器件组成的差分编码模块。下面就这三个模块的组成作一个介绍。二进制码元信号产生模块也就是一个信源发生器，在Simulink模块中可以很方便的找到，它的模型及所产生的码元波形如下图4-1和图4-2所示： 图4-1 二进制码元序列发生模块图4-2 由码元发生模块产生的二进制码元波形由图4-2可知，产生的二进制码元序列为 1，0，1，1，0，1，1，1，0，0。 在进行数字调制时，正弦载波是必须需要的，在Simulink模块中也提供了正弦波的发生器，调用这个模块时则可得到正弦载波，同时可以设置不同的相位来改变正弦波的初试相位值，具体的模型和正弦波形如下图4-3和图4-4所示： 图4-3 正弦载波发生模块 图4-4 正弦载波模块所产生的正弦波形 在DBPSK调制部分，最主要的就是通过调用Simulink模块中不同的器件来实现对产生的码元波形进行差分编码，这个模块将包含几个器件，通过观察不同的部分所输出的波形可以判断出不同的器件在整个模块中所起的作用。设定初始相位为0。差分编码模块的模型如图4-5所示，其产生的波形如图4-6所示： 图4-5 由Simulink模块组成的差分编码模型 图4-6 对差分编码模型进行仿真得到的差分码元波形图4-6显示出了原来所产生的二进制码元序列为1，0，1，1，0，1，1，1，0，0，则下面显示的为差分码元波形为0,1,1,0,1,1,0,1,0,0，第一位为起始码元，设定为0.后面码元序列为差分码元波形。从比较中可以得出该差分码发发生器满足要求。4.2 Simulink模块实现的DBPSK调制器由 4.1节所叙述的三个基本模块，再根据BPSK的调制原理框图，则可以实现二进制码元序列的DBPSK调制，在调制过程中，可以运用示波器观察所得到的波形序列。具体的DBPSK的调制器模型和仿真后所得到的波形可由图4-7和图4-8所示： 图4-7 DBPSK调制器模型图 图4-8 仿真DBPSK调制器所得到的波形图4-8分别显示的是调制码元序列，差分码元序列和DBPSK调制波形，由得到的调制波形在各个码元区间内的相位差可以得出该调制波形就是发送码元的DBPSK的数字调制波形，结果满足设计的要求4.3 Simulink模块实现的DBPSK解调器 由于DBPSK信号的解调有两中方法。一种是通过同步载波的相干解调再加上反差分编码，另一种方法是差分相干解调（相位比较法），由于这种方法用模块更好实现，并且解调的效果也很好，所以在运用Simulink模块实现DBPSK解调器时，采用后一种差分相干解调的方法，这种方法的基本原理在2.5节已经具体的叙述过。它的原理框图可由图4-10所示：带通滤波器抽样判决器相乘器低通 滤波器 输入 输出延迟Ts 定时 脉冲 图4-10 DBPSK信号差分相干解调原理框图图4-10中的各个器件都可以由Simulink模块中的具体器件实现，同时为了更好的模拟DBPSK信号在实际信道中的传输，在解调的前面叠加上了实际信道中常有的高斯白噪声，在解调时在通过带通滤波器，可以更形象的表现出整个信号传输的实际过程，同时抽样判决器可以有Simulink模块中的开关选择器和码元波形形成器组成，通过这些器件的合理组合，则可以完成上述的解调过程。其中的高斯白噪声的模块及其波形可有图4-11和图4-12所示： 图4-11 高斯白噪声产生模型 图4-12 高斯白噪声波形在拥有了上面所叙述的三个模块后，通过对这三个基本模块的连接，则可以设计出DBPSK的解调器，其整个的解调器模型如图4-13所示： 图4-13 DBPSK信号的差分相干解调模型图4-13中前面的In1代表输入信号，Out1代表输出信号，其余的器件的具体功能可由下面的名称得知，为了能够测试出该差分相干解调模块的性能，可以将原先产生的DBPSK信号接入后进行仿真，然后观察示波器的波形。接入了DBPSK信号的整个模型可由图4-14所示：图4-14 DBPSK调制和解调模型对上述的DBPSK解调器模型进行仿真后，则可得到相应的解调后的码元序列，但是由于滤波器和信道延时的问题，导致前面的一些码元相应的延迟，后面的一部分码元序列由于示波器显示的限制从而无法显示，但大部分的码元序列都很好地被解调出来，其仿真图由图4-15所示： 图4-15 对DBPSK解调器仿真所得到的仿真波形五设计结果及分析观察上面图4-15可知，解调后的码元序列与发送的码元序列向比较延时了进两个码元时间，以致后面的两个码元无法在示波器中显示出来。但解调后所得到的码元序列与发送码元序列相比有发生码元的失真，从而得出用Simulink模块所设计的DBPSK解调器符合要求，同时DBPSK的调制波形也和发送码元相吻合，证明整个模型工作正常，满足设计的要求。为了能够了解整个解调器模型的各个部分的工作情况，现用多通道滤波器将各个部分的波形显示出来，所得的波形由图4-16所示： 图4-16 DBPSK差分相干解调器各个部分输出波形六体会通过本次的毕业设计，一方面可以更深入的学习通信方面的知识，对一些调制器及其解调器有个全面的掌握。在学习这些知识的时候，还可以由调制及解调方面的知识扩展到整个通信过程中的每个环节，对通信过程中的干扰，编码，解码等问题都可以得到深入的学习。另一方面由于本次的DBPSK调制器的设计是基于MATLAB上的仿真于测试，因此也可以对MATLAB在通信方面上的应用有个深入的学习。在整个的毕业设计的所有环节中，通过不断的学习，设计，仿真可以使自己的学习能力得到一个很大的提到，为以后的学习工作都有很大的帮助。五、 参考文献1张明照 刘政波. 应用MATLAB实现信号分析和处理. 科学出版社 2006 2聂祥飞 王海宝等. MATLAB程序设计及其在信号处理中的应用. 西安交通大学出版社 20053樊昌信 徐炳祥等.通信原理（第5版）. 国防工业出版社 20064（美）普埃克. Fundamentals of C