【本科优秀毕业设计】数字通信系统的设计与实现

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；解调目录第1章引言111背景112选题的目的和意义113本课程设计的主要内容2第2章2DPSK基本原理3212DPSK信号的原理3222DPSK信号的调制原理32212DPSK调制3222模拟调制法3223键控法4232DPSK信号的解调原理42312DPSK解调4232极性比较法6233相位比较法6第3章2DPSK系统模块设计仿真731模拟调制法和极性比较法构成的2DPSK系统732模拟调制法和相位比较法构成的2DPSK系统733键控法和相位比较法构成的2DPSK系统834模拟调制法和极性比较法模块分析8341模拟调制法模块8342键控法调制模块9343模拟信道模块10344极性比较法模块10345相位比较法模块11346误码率模块12347延时器和观测模块12348眼图模块1335模块调试14351模拟调制法极性调解法仿真14352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1841MATLAB程序1842仿真波形2043波形分析21第5章结束语2251综合总结2252心得22参考文献23第1章引言11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。12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。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。13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11图11通信系统基本模型第2章2DPSK基本原理212DPSK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（2NN11）、分别表示第N及N1个码元的载波初相。通常表示数字信息“0”，N10通常表示数字信息“1”。222DPSK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。2212DPSK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2DPSKT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STSTCOS2CFT2DPSKT（22SDPSKCTF2）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STFST率谱（2224DPSKCCSSAFFPF3）其中，为双极性全占空矩形脉冲序列的功率谱。SPFT222模拟调制法模拟调制法如图21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21模拟调制法223键控法键控法如图22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22键控法232DPSK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）。2312DPSK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（22COSPSKCFT4）带通滤波器的输出是信号加窄带噪声（2COS21COS2SIN2CIICQCFTNTFTFT5）上式与相干载波相乘，得CFT2COS2OS21COSSIN2COSCIICQCFTNNTFTFTFT14IIC（2S4CS2QCTFTFT6）式（26）所示信号经低通滤波器后得（21IXTNT7）显然，的瞬时值是均值为1、方差为的高斯随机变量。所以，XT2002NPSKBF的取样值的概率密度函数为T（2211NXFXE8）同理，发端发“0”时，收到的2PSK信号为（22COSPSKCFT9）带通滤波器的输出是信号加窄带噪声（2COS1CS2SIN2CIICQCFTNTFTFT10）上式与相干载波相乘，得2CFT2COSOS1COSSIN2COSCIICQCFTNNTFTFTFT42IIC（2S4CSQCTFTFT11）式（211）所示信号经低通滤波器后得（21IXTNT12）显然，的瞬时值是均值为1、方差为的高斯随机变量。所以，XT2002NPSKBNF的取样值的概率密度函数为T（213）210NXFXE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（2/12XPFDRFC14）根据得解调器平均误码率为0/0/EP（211022ERFCPERFC15）式中，。2NAR2PSK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COS2CFT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（21201EPRFCPERFC16）232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。图23极性比较法解调233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ST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24相位比较法解调第3章2DPSK系统模块设计仿真31模拟调制法和极性比较法构成的2DPSK系统如图31所示。图31模拟调制和极性比较法构成的2DPSK系统32模拟调制法和相位比较法构成的2DPSK系统如图32所示。图32模拟调制和相位比较法构成的2DPSK系统33键控法和相位比较法构成的2DPSK系统如图33所示。图33键控法和相位比较法构成的2DPSK系统34模拟调制法和极性比较法模块分析341模拟调制法模块如图34所示。图34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BERNOULLIBINARYGENERATOR产生二进制序列模拟数字基带信号，然后使用DIFFERENTIALENCODER模块对该基带信号进行差分编码，UNIPOLARTOBIPOLAR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SINEWAVE模块产生的载波信号相乘，输出即是2DPSK调整信号。参数设置（没提及的都默认）伯努利二进制发生器模块BERNOULLIBINARYGENERATOR抽样时间SAMPLETIME0001DIFFERENTIALENCODER模块MARRYNUMBER2SINEWAVE模块FERQUENCY3000PI342键控法调制模块如图35所示。图35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BERNOULLIBINARYGENERATOR产生二进制序列模拟数字基带信号，TRANSPORTDELAY模块对SINEWAVE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DIFFERENTIALENCODER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BERNOULLIBINARYGENERATOR抽样时间SAMPLETIME0001DIFFERENTIALENCODER模块MARRYNUMBER2SINEWAVE模块FERQUENCY3000PITRANSPORTDELAY模块TIMEDELAY1/3343模拟信道模块如图36所示。图36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。344极性比较法模块如图37所示。图37极性比较法解调模块模块功能ANALOGFILTERDESIGN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ANALOGFILTERDESIGN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。PULSEGENERATOR,TRIGGEREDSUBSYSTEM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LOGICALOPERATOR和UNITDELAY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。DATATYPECONVERSION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）ANGLOGFILTERDESIGN带通模块FILTERTYPEBANDPASSLOWER8PIUPPER8000PIANGLOGFILTERDESIGN低通模块FILTERTYPELOWPASSPASSBAN3000PIPULSEGENERATOR模块PERIOD0001PULSE5LOGICALOPERATOR模块SIMPLETIME0001UNITDELAY模块SIMPLETIME0001DATATYPECONVERSION模块OUTPUTDATATYPEDOUBLE345相位比较法模块模块功能ANALOGFILTERDESIGN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，TRANSPORTDELAY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。PULSEGENERATOR,TRIGGEREDSUBSYSTEM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38所示。图38相位比较法解调模块参数设置（没提及的都默认）ANGLOGFILTERDESIGN带通模块FILTERTYPEBANDPASSLOWER8PIUPPER8000PIANGLOGFILTERDESIGN低通模块FILTERTYPELOWPASSPASSBAN3000PIPULSEGENERATOR模块PERIOD0001PULSE5TRANSPORTDELAY模块TIMEDELAY0001346误码率模块如图39所示。图39误码率模块模块功能ZEROORDERHOLD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。ERRORRATECALCULATION是误码率计算模块，计算的误码率显示在DISPLAY模块上。347延时器和观测模块如图310所示。图310延迟器和观测模块模块功能UNITDELAY为延迟器模块，SCOPE2为示波器模块，POWERSPECTRALDENSITY模块用来观测信号功率在频谱上的分布。348眼图模块如图311所示。图311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。35模块调试351模拟调制法极性调解法仿真图312调制过程波形图313传输解调过程波形图314解调过程波形图315输入输出波形比较图316调制过程功率谱变化图317解调过程功率谱变化图318没失真眼图图319有失真眼图352模拟调制法极性调解法仿真分析图312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313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314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信号。图315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316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317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318表示在噪声SIMPLETIME为1时低通滤波器输出的眼图。图319表示在噪声SIMPLETIME为0001时低通滤波器输出的眼图。第4章2DPSK系统程序设计仿真41MATLAB程序CLEAR,CLOSEALLBIT1000N16P06SIGNALRAND1,N0ENDJUDGEJUDGEBRIDGEENDM01/BITN1/BITJUDGE1LOWPASS0TITLE基带原码,XLABELTIME/SEC,YLABEL幅值GRIDONSUBPLOT4,1,2STAIRSM,DIFFERENCE,RAXIS0,N/BIT,15,15TITLE差分码,XLABELTIME/SEC,YLABEL幅值GRIDONSUBPLOT4,1,3STAIRSM,JUDGE,RAXIS0,N/BIT,15,15TITLE抽样判决,XLABELTIME/SEC,YLABEL幅值GRIDONBRIDFORK216IFJUDGEKJUDGEK1BRID1ELSEBRID0ENDCHANGECHANGEBRIDENDSUBPLOT4,1,4STAIRSM,CHANGE,RAXIS0,N/BIT,15,15TITLE解调输出,XLABELTIME/SEC,YLABEL幅值GRIDON42仿真波形图41调制过程输出波形图42信道及解调过程输出波形图43基带输入波形系统输出波形比较43波形分析图41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42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43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。第5章结束语51综合总结用模块建模的方法和编写程序的方法都实现了2DPSK数字通信系统在两个系统中都有延时情况，在实际系统中这是一定会出现的，因为调制、传输和解调过程会延时一定的时间。通信系统的可靠性和有效