数字通信系统课程设计--数字通信系统的设计与实现-精品.doc

I 数字通信系统的设计与实现 摘要 本设计为掌握利用MATLAB来加深对2DPSK数字频带通信系统的理解与掌握 理解运用所学的 知识 我主要是用模块和程序设计出数字通信系统中的信源 信源编码 调制器 噪声 信道 解 调器 信源译码 信宿 通过MATLAB仿真平台 运用所学的理论和方法进行仿真 调试 波形眼图 分析 最终成功实现了2DPSK数字通信系统 关键词 MATLAB 2DPSK 调制 解调 II 目 录 第 1 章 引言 1 1 1 背景 1 1 2 选题的目的和意义 1 1 3 本课程设计的主要内容 2 第 2 章 2DPSK 基本原理 3 2 1 2DPSK 信号的原理 3 2 2 2DPSK 信号的调制原理 3 2 2 1 2DPSK 调制 3 2 2 2 模拟调制法 3 2 2 3 键控法 4 2 3 2DPSK 信号的解调原理 4 2 3 1 2DPSK 解调 4 2 3 2 极性比较法 6 2 3 3 相位比较法 6 第 3 章 2DPSK 系统模块设计仿真 7 3 1 模拟调制法和极性比较法构成的 2DPSK 系统 7 3 2 模拟调制法和相位比较法构成的 2DPSK 系统 7 3 3 键控法和相位比较法构成的 2DPSK 系统 8 3 4 模拟调制法和极性比较法模块分析 8 3 4 1 模拟调制法模块 8 3 4 2 键控法调制模块 9 3 4 3 模拟信道模块 10 3 4 4 极性比较法模块 10 3 4 5 相位比较法模块 11 3 4 6 误码率模块 12 3 4 7 延时器和观测模块 12 III 3 4 8 眼图模块 13 3 5 模块调试 14 3 5 1 模拟调制法极性调解法仿真 14 3 5 2 模拟调制法极性调解法仿真分析 16 第 4 章 2DPSK 系统程序设计仿真 18 4 1 MATLAB 程序 18 4 2 仿真波形 20 4 3 波形分析 21 第 5 章 结束语 22 5 1 综合总结 22 5 2 心得 22 参考文献 23 1 第第 1 1 章章 引言引言 1 1 背景 数字通信是通信技术和计算机技术相结合而产生的一种新的通信方式 要在两地间传输信息 必须有传输信道 根据传输媒体的不同有有线数字通信与无线数据通信之分 但它们都是通过传 输信道将数据终端与计算机联结起来 而使不同地点的数字终端实现软 硬件和信息资源的共享 为使数字信号能在帯通信道中传输 必须用数字信号对载波进行调制 其调制方式与模拟信号调 制类似 根据数字信号控制波 的参量不同也分为调幅 调频 调相三种方式 因数字信号对载波 参数的调制通常采用数字信号的离散值对载波进行键控 故这三种数字调制方式被称为幅移键控 频移键控和相移键控 Matlab是由mathworks公司于1984年推出的一种面向科学与工程的设计的计算机软件 它将 不同的领域的计算用函数的形式提供给给用户 用户在使用时 只需要用这些函数并赋予实际参 数就能解决实际问题 它涉及数值分析 自动控制 数字信号处理 图像处理 小波分析及神经 元网络等十几个领域的计算和图形显示 而且随着新出版的推出 涉及的领域更多 功能强大 MATLAB提供实现动态系统建模和仿真的软件包 它让用户把精力从编程转向模型的构造 为用户省 去了许多重复的代码编写工作 用户只须知道模块的输入 输出以及模块的功能 而不必管模块内 部是怎么实现的 于是留给用户的事情就是如何利用这些模块来建立模型以完成自己的仿真任务 它被广泛的应用在信号仿真中 本课程设计报告主要介绍了用用窗函数法设计一个线性相位FIR低通滤波器和用双线性变化法 设计一个Butterworth低通滤波器 同时还用了matlab软件进行仿真设计 1 2 选题的目的和意义 在传输信号中 2DPSK 与 2PSK 信号和 2ASK 及 2FSK 信号相比 具有较好的误码率性能 但 2FSK 对相位不敏感 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 所以我们进行数字通信系统设计可以让我们在设计中获得科学信息 培养自己的 逻辑能力及个人设计能力 同时我还可以熟悉使用 MATLAB 软件 练习 WORD 文档的用法 及函 数的编译 流程图的设计等等 所以这次课程设计很有意义 2 本设计为掌握利用计算机来加深对所学知识的理解和掌握 通过MATLAB 仿真平台 运用所 学的理论和方法进行仿真 解决问题 1 3 本课程设计的主要内容 设计 2DPSK 数字通信系统分别设计各模块和编写代码程序 进行仿真 调试 分析波形 评价 系统 心得体会 通信系统基本模型如图 1 1 图 1 1 通信系统基本模型 3 第第 2 2 章章 2DPSK2DPSK 基本原理基本原理 2 1 2DPSK 信号的原理 2DPSK 是利用前后相邻码元的载波相对相位变化传递数字信息 载波相邻两码元的相位差定义 为 2 nnn 1 1 分别表示第 n 及 n 1 个码元的载波初相 通常表示数字信息 0 n n 1 n 0 n 通常表示数字信息 1 2 2 2DPSK 信号的调制原理 2DPSK 信号有两种调制方法 分别是模拟调制法和键控法 2 2 1 2DPSK 调制 2DPSK 的基本原理和 2ASK 是一样的 只是把输入的数字信息进行码变换 等于调 2 DPSK St 制信号码变换后的信号乘以载波信号 所以的数学表达式为 S t S tcos2 c f t 2 DPSK St 2 2 cos2 DPSKc StS tf t 2 根据功率谱公式可以算出的功率谱 用来表示 根据频移定理得到信号的功 S t P f S t 率谱 2 2 2 4 DPSKcc ss A PfPffPff 3 其中 为双极性全占空矩形脉冲序列 的功率谱 s Pf S t 4 2 2 2 模拟调制法 模拟调制法如图 2 1 所示 其中码变换过程为将绝对码变换为相对吗 码型变换的过程为将输 入的单极性不归零码转换为双极性不归零码型 乘法器过程是将双极性不归零信号与载波相乘得到 2DPSK 信号 图 2 1 模拟调制法 2 2 3 键控法 键控法如图 2 2 所示 其中差分变换功能同图 1 的码变换 选项开关的作用是输入 0 时接 相位 0 输入 1 时接相位 图 2 2 键控法 2 3 2DPSK 信号的解调原理 2DPSK 信号最常用的解调方法有两种 一种是极性比较法 相干解调法 另一种是相位比较 法 非相干解调法 2 3 1 2DPSK 解调 当采用 2PSK 解调时 设调制采用 1 变 0 不变规则 当发送端 1 时 收到的信2PSK 号为 2 2 cos2 PSKc Sf t 5 4 带通滤波器的输出是信号加窄带噪声 2 cos2 1 cos2 sin2 ciicQc f tn tn tf tntf t 5 上式与相干载波相乘 得cos2 c f t 2 cos2 cos21 cos 2 sin2cos2 cicicQcc f tn tf tn tf tntf tf t 11 1 1 cos4 22 iic n tn tf t 2 sin4cos2 Qcc ntf tf t 6 式 2 6 所示信号经低通滤波器后得 2 1 i x tn t 7 显然 的瞬时值是均值为 1 方差为的高斯随机变量 所以 x t 2 020 2 nPSK n Bn f 的取样值的概率密度函数为 x t 2 2 2 1 2 1 1 2 n x n f xe 8 同理 发端发 0 时 收到的 2PSK 信号为 2 2 cos2 PSKc Sf t 9 带通滤波器的输出是信号加窄带噪声 2 cos2 1 cos2 sin2 ciicQc f tn tn tf tntf t 10 上式与相干载波相乘 得cos2 c f t 2 cos2 cos21 cos 2 sin2cos2 cicicQcc f tn tf tn tf tntf tf t 11 1 1 cos4 22 iic n tn tf t 2 sin4cos2 Qcc ntf tf t 11 式 2 11 所示信号经低通滤波器后得 6 2 1 i x tn t 12 显然 的瞬时值是均值为 1 方差为的高斯随机变量 所以 x t 2 020 2 nPSK n Bn f 的取样值的概率密度函数为 x t 2 13 2 2 1 2 0 1 2 n x n fxe 当 1 0 等概率时 最佳判决门限为 0 发 1 错判成 0 的概率为 2 1 0 1 0 1 2 x Pf x derfcr 14 根据得解调器平均误码率为 0 1 0 1 0 1 e PPPPP 2 11 0 1 22 e PerfcrPPerfcr 15 式中 2 2 2 n a r 2PSK 的反向工作问题 二分频电路恢复的载波有时与发光载波相同 有时反相 当本地载波 反相 变为时 则相乘器以后的输出波形都和载波同频同相时的情况相反 判决 cos 2 c f t 器输出的数字信号全错 与发送数码完全相反 这种情况称为反向工作 2DPSK 只是解决了 2PSK 的反向工作问题 但是在 2DPSK 差分码中有一个出错时会引起两个相邻码元错误 所以 2DPSK 误 码率为 2PSK 误码率的两倍 2 1 2 0 1 2 e PerfcrPPerfcr 16 2 3 2 极性比较法 解调原理 对 2DPSK 信号进行相干解调 恢复出想相对码 再经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 7 图 2 3 极性比较法解调 2 3 3 相位比较法 解调原理 对接收到的 2DPSK 信号延时一个码元间隔 然后与 2DPSK 信号本身相乘 相乘结 s T 果反映了前后码元的相位差 经过低通滤波器后再抽样判决 可直接恢复出原始数字信息 图 2 4 相位比较法解调 第第 3 3 章章 2DPSK2DPSK 系统模块设计仿真系统模块设计仿真 3 1 模拟调制法和极性比较法构成的 2DPSK 系统 如图 3 1 所示 8 图 3 1 模拟调制和极性比较法构成的 2DPSK 系统 3 2 模拟调制法和相位比较法构成的 2DPSK 系统 如图 3 2 所示 图 3 2 模拟调制和相位比较法构成的 2DPSK 系统 3 3 键控法和相位比较法构成的 2DPSK 系统 如图 3 3 所示 9 图 3 3 键控法和相位比较法构成的 2DPSK 系统 3 4 模拟调制法和极性比较法模块分析 3 4 1 模拟调制法模块 如图 3 4 所示 图 3 4 模拟调制法调制模块 模块功能说明 通过伯努利二进制发生器模块 Bernoulli Binary Generator 产生二进制序列 模拟数字基带信号 然后使用 Differential Encoder 模块对该基带信号进行差分编码 Unipolar to Bipolar 模块将前面所得的单极性差分码转换成双极性差分码 之后使用相乘模块 Product 把双极性差分码与 Sine Wave 模块产生的载波信号相乘 输出即是 2DPSK 调整信号 10 参数设置 没提及的都默认 伯努利二进制发生器模块 Bernoulli Binary Generator 抽样时间 Sample time 0 001 Differential Encoder 模块 M arry number 2 Sine Wave 模块 Ferquency 3000 pi 3 4 2 键控法调制模块 如图 3 5 所示 图 3 5 键控法调制模型模块 模块功能 通过伯努利二进制发生器模块 Bernoulli Binary Generator 产生二进制序列模拟 数字基带信号 Transport Delay 模块对 Sine Wave 模块产生的正弦波延时半个周期 相当于将 正弦波反相 Switch 模块为一个逻辑开关 通过接受 Differential Encoder 输出的单极性差分码 的控制 以决定接受正弦波或反相正弦波 完成 2PSK 调制 综合整个过程 最后输出所需要的 2DPSK 调制信号 参数设置 没提及的都默认 伯努利二进制发生器模块 Bernoulli Binary Generator 抽样时间 Sample time 0 001 Differential Encoder 模块 M arry number 2 Sine Wave 模块 Ferquency 3000 pi Transport Delay 模块 Time delay 1 3 3 4 3 模拟信道模块 如图 3 6 所示 11 图 3 6 模拟信道模型 模块功能 通过对 2DPSK 调制信号输出加入一个 Gaussian 噪声信号 可以来模拟信号在信道 中的传输过程 通过加法器模块加入 Gaussian 噪声信号 3 4 4 极性比较法模块 如图 3 7 所示 图 3 7 极性比较法解调模块 模块功能 Analog Filter Design 模块设计为一个带通滤波器 接受信道输出的信号 基本 滤去与所需信号不相关的杂波信号 然后通过相乘器 Product 将带通输出的信号与调制时所用的正 弦波信号进行相乘 是信号波形产生变化 并进行频谱搬移 所得的信号含高频和低频部分 再 经过 Analog Filter Design 模块设计的低通滤波器 将高频信号过滤 同时达到对波形整形的目 的 Pulse Generator Triggered Subsystem 和 Relay 三个模块构成抽样判决器 对低通输出的信 号进行抽样判决 还原出差分变换得到的相对码 最后通过由 Logical Operator 和 Unit Delay 模 块构成的逆差分变换模块组 将判决出的相对码变换出和基带信号相同的绝对码 Data Type 12 Conversion 为一功能模块 作用是对模块输出的数字类型进行转换 使变换成 Simulink 仿真时能 识别的 double 类型 参数设置 没提及的都默认 Anglog Filter Design 带通模块 Filter type Bandpass Lower 8 pi Upper 8000 pi Anglog Filter Design 低通模块 Filter type Lowpass Passban 3000 pi Pulse Generator 模块 Period 0 001 Pulse 5 Logical Operator 模块 Simple time 0 001 Unit Delay 模块 simple time 0 001 Data Type Conversion 模块 Output data type double 3 4 5 相位比较法模块 模块功能 Analog Filter Design 模块设计为一个带通滤波器 接受信道输出的信号 基本 滤去与所需信号不相关的杂波信号 Transport Delay 模块的作用是对带通输出的信号进行延时一 个周期 得到差分波形 然后与延时前的波形相乘 形成差分相干过程 之后通过低通和进行抽样 判决器 将高频信号过滤 同时达到对波形整形的目的 Pulse Generator Triggered Subsystem 和 Relay 三个模块构成抽样判决器 通过相位比较法抽样判决出的码型即为绝对码 无需进行码反 变换过程 如图 3 8 所示 图 3 8 相位比较法解调模块 参数设置 没提及的都默认 Anglog Filter Design 带通模块 Filter type Bandpass Lower 8 pi Upper 8000 pi 13 Anglog Filter Design 低通模块 Filter type Lowpass Passban 3000 pi Pulse Generator 模块 Period 0 001 Pulse 5 Transport Delay 模块 Time delay 0 001 3 4 6 误码率模块 如图 3 9 所示 图 3 9 误码率模块 模块功能 Zero Order Hold 模块对采样时间进行零阶保持 对输入进行固定频率取样 输出 离散信号 Error Rate Calculation 是误码率计算模块 计算的误码率显示在 Display 模块上 3 4 7 延时器和观测模块 如图 3 10 所示 图 3 10 延迟器和观测模块 模块功能 Unit Delay 为延迟器模块 Scope2 为示波器模块 Power Spectral Density 模块 用来观测信号功率在频谱上的分布 14 3 4 8 眼图模块 如图 3 11 所示 图 3 11 眼图模块 模块功能 输出代观测点信号的眼图 参数设置 由最佳观测条件决定 在调试中设置 15 3 5 模块调试 3 5 1 模拟调制法极性调解法仿真 图 3 12 调制过程波形 图 3 13 传输解调过程波形 16 图 3 14 解调过程波形 图 3 15 输入输出波形比较 图 3 16 调制过程功率谱变化 17 图 3 17 解调过程功率谱变化 图 3 18 没失真眼图 图 3 19 有失真眼图 3 5 2 模拟调制法极性调解法仿真分析 图 3 12 波形表示基带信号经过差分编码再经过极性变换然后与载波相乘得到 2DPSK 信号 图 3 13 波形表示 2DPSK 信号经过信道再经过带通滤波器然后与载波相乘得到相乘后的信号 图 3 14 波形表示相乘后的信号经低通滤波器经过判决器后得到解调差分信号再得到解调输出 18 信号 图 3 15 波形是基带信号和系统输出信号的对比 考虑到有延时情况 从波形可以看出系统解 调 出了原基带信号 所以系统设计成功 图 3 16 从左到右分别表示基带信号功率谱 2DPSK 信号功率谱和信道输出信号功率谱 图 3 17 从左到右分别表示信道输出信号经过带通滤波器后的功率谱 低通滤波器输出信号功 率谱 系统解调输出信号功率谱 从功率谱变化可以看出幸好从低频搬移到高频传输然后又从高频搬移到低频 这些完全符合数 字信号的调制解调原理 图 3 18 表示在噪声 Simpletime 为 1 时低通滤波器输出的眼图 图 3 19 表示在噪声 Simpletime 为 0 001 时低通滤波器输出的眼图 19 第第 4 4 章章 2DPSK2DPSK 系统程序设计仿真系统程序设计仿真 4 1 MATLAB 程序 clear close all bit 1000 n 16 p 0 6 signal rand 1 n p 产生n位随机二进制信号Y rand m n receive 0 或 Y rand m n 返回一个m x n的随机矩阵 j 1 while j0 end judge judge bridge end m 0 1 bit n 1 bit judge 1 low pass 0 title 基带原码 xlabel Time sec ylabel 幅值 grid on subplot 4 1 2 stairs m difference r axis 0 n bit 1 5 1 5 title 差分码 xlabel Time sec ylabel 幅值 grid on subplot 4 1 3 stairs m judge r axis 0 n bit 1 5 1 5 title 抽样判决 xlabel Time sec ylabel 幅值 grid on brid for k 2 16 if judge k judge k 1 brid 1 else brid 0 end change change brid end subplot 4 1 4 stairs m change r axis 0 n bit 1 5 1 5 title 解调输出 xlabel Time sec ylabel 幅值 grid on 4 2 仿真波形 图 4 1 调制过程输出波形 22 图 4 2 信道及解调过程输出波形 图 4 3 基带输入波形系统输出波形比较 4 3 波形分析 图4 1波形从上到下分别是基带信号波形 差分码波形和2DPSK信号波形 图4 2波形从上到下分别是信道输出波形 相乘器输出波形和低通滤波器输出波形 图4 3波形从上到下分别是基带信号波形 差分码波形 逆差分码波形和输出波形 同样的有延时情况 该程序成功的实现了2DPSK数字信号的传输 23 第第 5 5 章章 结束语结束语 5 1 综合总结