毕业设计-2dpsk调制解调仿真系统设计

论文题目2DPSK调制解调仿真系统设计专业通信技术学号0807040211学生苏瑜签名指导教师张鸣签名摘要二进制差分相移键控简称二相相对调相，记作2DPSK。它是数据通信中最常用的一种调制方式，这种方式的优点是简单，易于实现。与2PSK的波形不同，2DPSK波形的同一相位并不对应相同的数字信息符号，而前后码元的相对相位才唯一确定信息符号。为了使数字信号在带通信道中传输，必须用数字基带信号对载波进行调制，以使信号与信道特性相匹配。调制解调技术是实现现代通信的重要手段，研究数字通信调制解调理论，提供有效的调制方式，有着重要意义。MATLAB中的通信工具箱可以用来进行通信领域的研究、开发、系统设计和仿真。本文主要研究了利用MATLABSIMULINK软件对2DPSK调制解调系统的设计。首先介绍了2DPSK调制解调的基本原理和MATLABSIMULINK仿真软件。然后根据2DPSK的调制原理及解调原理进行了仿真模型搭建，并分析了仿真结果。最后利用MATLABSIMULINK中的DBPSKMODULATORBASEBAND和DBPSKDEMODULATORBASEBAND模块实现了2DPSK调制解调系统设计。【关键词】MATLABSIMULINK2DPSK调制解调【论文类型】设计型TITLE2DPSKOFMODULATIONANDDEMODULATIONSIMULATIONSYSTEMDESIGNMAJORCOMMUNICATIONTECHNOLOGYNUMBER0807040211NAMESUYUSIGNATURESUPERVISORZHANGMINGSIGNATUREABSTRACTBINARYDIFFERENTIALPHASESHIFTKEYINGMODULATIONISRELATIVELYSHORTTWOPHASE,DENOTEDBY2DPSKITISONEOFTHEMOSTCOMMONLYUSEDMODULATIONINDATACOMMUNICATIONS,THISAPPROACHHASTHEADVANTAGEOFSIMPLE,EASYTOIMPLEMENT2DPSKWAVEFORMISDIFFERENTFROM2PSKWAVEFORM2DPSKWAVEFORMDOESNOTCORRESPONDTOTHESAMEPHASEOFTHESAMENUMBEROFINFORMATIONSYMBOLS,ANDTHERELATIVEPHASEOFTHEBEFOREANDAFTERSYMBOLDETERMINETHEONLYINFORMATIONSYMBOLSINORDERTOMAKETHEDIGITALSIGNALTRANSMITTEDINACOMMUNICATIONCHANNEL,WEMUSTUSEDIGITALBASEBANDSIGNALTOMODULATETHECARRIERT,WHICHCANMAKETHESIGNALMATCHTHECHANNELCHARACTERISTICSMODULATIONANDDEMODULATIONTECHNOLOGYISANIMPORTANTMEANSTOACHIEVEMODERNCOMMUNICATIONS,MODULATIONANDDEMODULATIONOFDIGITALCOMMUNICATIONSTHEORY,ANDITCANPROVIDEANEFFECTIVEWAYOFGREATSIGNIFICANCEMATLABTOOLBOXOFCOMMUNICATIONINTHEFIELDOFCOMMUNICATIONSCANBEUSEDFORRESEARCH,DEVELOPMENT,SYSTEMDESIGNANDSIMULATIONTHISPAPERSTUDIESTHEUSEOFMATLABSIMULINKSOFTWARETODESIGN2DPSKMODEMSYSTEMFIRSTITINTRODUCESTHEBASICPRINCIPLESOF2DPSKMODULATIONANDDEMODULATIONANDMATLABSIMULINKSIMULATIONSOFTWARETHENACCORDINGTOTHEPRINCIPLEOF2DPSKMODULATIONANDDEMODULATION,ITBUILDSTHESIMULATIONMODELANDANALYSISOFSIMULATIONRESULTSFINALLY,INTHE2DPSKMODULATORAND2DPSKDEMODULATORMODULEOFMATLABSIMULINK,ITIMPLEMENTSTHEDESIGNOF2DPSKMODEMSYSTEM【KEYWORDS】MATLABSIMULINK2DPSKMODULATEDEMODULATE【TYPEOFTHESIS】DESIGN前言本文主要是熟悉MATLAB的运用，了解2DPSK的原理及其原理图，利用MATLAB/SIMULINK仿真软件，设计一个2DPSK调制与解调系统，并得出调制后的信号，用示波器对调制前与解调后的波形进行比较，最后进行性能分析。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。SIMULINK是基于MATLAB的框图设计环境，可以用来对各种动态系统进行建模、分析和仿真，它的建模范围广泛，可以针对任何能够用数学来描述的系统进行建模，例如航空航天动力学系统、卫星控制制导系统、通讯系统、船舶及汽车等等，其中了包括连续、离散，条件执行，事件驱动，单速率、多速率和混杂系统等等。SIMULINK提供了利用鼠标拖放的方法建立系统框图模型的图形界面，而且SIMULINK还提供了丰富的功能块以及不同的专业模块集合，利用SIMULINK几乎可以做到不书写一行代码完成整个动态系统的建模工作。目录1绪论211课题研究背景及意义212MATLABSIMULINK软件简介213本文的主要内容322DPSK信号的调制解调原理521调制原理5211键控法6212模拟调相法622解调原理6221极性比较码变换法7222差分检测法723本章小结83基于MATLABSIMULINK的2DPSK系统设计9312DPSK调制系统设计9322DPSK解调系统设计12321极性比较码变换法系统设计12322差分检测法系统设计15332DPSK调制解调系统设计19331仿真模型19332参数设置20333仿真结果及分析2434本章小结254结论2641工作总结2642工作展望26致谢27参考文献281绪论11课题研究背景及意义二进制差分相移键控简称二相相对调相，记作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指本码元初相与前一码元初相之差。2DPSK信号的解调有两种方式，一种是差分相干解调，另一种是相干解调码变换法，后者又称为极性比较码变换法。与2PSK的波形不同，2DPSK波形的同一相位并不对应相同的数字信息符号，而前后码元的相对相位才唯一确定信息符号。这说明解调2DPSK信号时，并不依赖于某一固定的载波相位参考值，只要前后码元的相对相位关系不破坏，则鉴别这个相位关系就可正确恢复数字信息。这就避免了2PSK方式中的“倒”现象发生。为了使数字信号在带通信道中传输，必须用数字基带信号对载波进行调制，以使信号与信道特性相匹配。调制解调技术是实现现代通信的重要手段，研究数字通信调制解调理论，提供有效的调制方式，有着重要意义。MATLAB语言由于其语法的简洁性，代码接近于自然数学描述方式，以及具有丰富的专业函数库等诸多优点，吸引了众多科学研究工作者，越来越成为科学研究、数值计算、建模仿真，以及学术交流的事实标准。SIMULINK作为MATLAB语言上的一个可视化建模仿真平台，起源于对自动控制系统的仿真需求，它采用方框图建模的形式，更加贴近于工程习惯。目前，MATLAB/SIMULINK的应用已经远远超越了数值计算和控制系统仿真等传统领域，在几乎所有理工学科中形成了为数众多的专业工具库和函数库，已成为科学研究和工程设计中日常计算和仿真试验的工具。随着MATLAB/SIMULINK通信、信号处理专业函数库和专业工具箱的成熟，它们逐渐为广大通信技术领域的专家学者和工程师所熟悉，在通信理论研究、算法设计、系统设计、建模仿真和性能分析验证等方面的应用也更加广泛。SIMULINK可视化仿真工具能够以非常直观的方框图方式形象地对通信系统进行建模，并以“实时”和动画的方式来将模型仿真结果（如波形、频谱、数据曲线等）显示出来，更便于对通信系统的物理概念和运行过程的直观理解，所以近年来在通信工程专业中得到了广大师生的重视和广泛应用，在理论教学、课程实践环节以及理论和技术前沿的研究中发挥了重要作用。12MATLABSIMULINK软件简介SIMULINK是MATLAB最重要的组件之一，它提供一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境。在该环境中，无需大量书写程序，而只需要通过简单直观的鼠标操作，就可构造出复杂的系统。SIMULINK具有适应面广、结构和流程清晰及仿真精细、贴近实际、效率高、灵活等优点，并基于以上优点SIMULINK已被广泛应用于控制理论和数字信号处理的复杂仿真和设计。同时有大量的第三方软件和硬件可应用于或被要求应用于SIMULINK。SIMULINK是MATLAB中的一种可视化仿真工具，是一种基于MATLAB的框图设计环境，是实现动态系统建模、仿真和分析的一个软件包，被广泛应用于线性系统、非线性系统、数字控制及数字信号处理的建模和仿真中。SIMULINK可以用连续采样时间、离散采样时间或两种混合的采样时间进行建模，它也支持多速率系统，也就是系统中的不同部分具有不同的采样速率。为了创建动态系统模型，SIMULINK提供了一个建立模型方块图的图形用户接口GUI，这个创建过程只需单击和拖动鼠标操作就能完成，它提供了一种更快捷、直接明了的方式，而且用户可以立即看到系统的仿真结果。SIMULINK的功能SIMULINK是用于动态系统和嵌入式系统的多领域仿真和基于模型的设计工具。对各种时变系统，包括通讯、控制、信号处理、视频处理和图像处理系统，SIMULINK提供了交互式图形化环境和可定制模块库来对其进行设计、仿真、执行和测试。构架在SIMULINK基础之上的其他产品扩展了SIMULINK多领域建模功能，也提供了用于设计、执行、验证和确认任务的相应工具。SIMULINK与MATLABREG紧密集成，可以直接访问MATLAB大量的工具来进行算法研发、仿真的分析和可视化、批处理脚本的创建、建模环境的定制以及信号参数和测试数据的定义。SIMULINK的特点丰富的可扩充的预定义模块库，交互式的图形编辑器来组合和管理直观的模块图，以设计功能的层次性来分割模型，实现对复杂设计的管理。通过MODELEXPLORER导航、创建、配置、搜索模型中的任意信号、参数、属性，生成模型代码。提供API用于与其他仿真程序的连接或与手写代码集成。使用EMBEDDEDMATLAB模块在SIMULINK和嵌入式系统执行中调用MATLAB算法，使用定步长或变步长运行仿真，根据仿真模式，NORMAL,ACCELERATOR,RAPIDACCELERATOR来决定以解释性的方式运行或以编译C代码的形式来运行模型。图形化的调试器和剖析器来检查仿真结果，诊断设计的性能和异常行为，可访问MATLAB从而对结果进行分析与可视化，定制建模环境，定义信号参数和测试数据，模型分析和诊断工具来保证模型的一致性，确定模型中的错误。13本文的主要内容本文主要是利用MATLAB/SIMULINK软件实现了2DPSK的调制解调系统的设计。首先介绍了2DPSK的调制与解调的基本原理，2DPSK的调制有两种一是相移键控法调制，二是模拟相位法调制。2DPSK的解调有两种一是相干解调（极性比较法），二是差分相干解调法（相位比较法）。然后简介了MATLAB/SIMULINK仿真软件，最后利用MATLAB/SIMULINK软件完成2DPSK的调制解调系统设计，并对仿真结果进行分析。本设计中主要内容安排如下第一章是对MATLAB/SIMULINK软件简介；并且介绍了2DPSK调制解调仿真系统设计的研究背景及意义。第二章是介绍2DPSK信号的调制解调原理。其中2DPSK信号的调制有两种键控法和模拟调相法。2DPSK信号的解调有两种极性比较码变换法和差分检测法。第三章是在MATLAB/SIMULINK的环境下进行2DPSK的调制解调系统的设计。调制会用模拟调相法，解调会用两种方式，各仿真会给出各主要模块参数，示波器输出波形，并且会比较前后的波形变化。最后进行2DPSK的调制解调系统仿真设计，给出仿真模型，参数设置和仿真结果及分析。第四章对整个设计过程进行总结和展望。22DPSK信号的调制解调原理21调制原理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。一般说来，2DPSK有两种调制方法，即模拟调相法和移相键控法。2DPSK方式即是利用前后相邻码元的相对载波相位值去表示数字信息的一种方式。例如，假设相位值用相位偏移表示（定义为本码元初相与前一码元初相只差），并设数字信息10数字信息0则数字信息序列与2DPSK信号的码元相位关系可举例表示如如下数字信息00111001012DPSK信号相位000000或00000画出的2PSK及DPSK信号的波形如图21所示。图212PSK及2DPSK信号的波形211键控法移相键控是指载波的相位受数字信号的控制而改变，通常用相位0来表示“1”，用相位来表示“0”。二相相对移相键控2DPSK的查考相位不是未调波的相位，而是相邻的前一码元的载波相位。2DPSK信号的键控调制法原理框图如图22所示。其中码变换的过程将输入的基带信号差分，即变为它的相对码。选相开关的作用是当输入数字信息“0”时接相位0，当输入数字信息为“1”时接。基带信号差分变换反相器载波输入选相开关已调信号图222DPSK信号的键控调制法原理框图212模拟调相法模拟调相法码变换器（即差分编码器）是用来完成绝对码波形到相对码波形变换的，去掉码变换器，则可进行2PSK信号的调制。与产生2ASK信号的方法比较，2PSK信号只是对基带信号波形极性要求不同，可以看作是双极性基带信号作用的调幅信号。图23是模拟调相法的最基本原理框图。STT0图23模拟调相法的基本原理框图22解调原理码变换相乘载波221极性比较码变换法极性比较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180象，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。图24是2DPSK的相干解调的原理图图242DPSK信号的相干解调法原理框图图25是2DPSK的相干解调的波形输出图252DPSK信号的相干解调的波形222差分检测法差分相干解调法的解调原理是2DPSK信号先经过带通滤波器去除调制信号频带以外的在信道中混入的噪声，此后该信号分为两路，一路延时一个码元的时间后与另一路的信号相乘，再经过低通滤波器去除高频成分，得到包含基带信号的低频信号，将其送入抽样判决器中进行抽样判决，抽样判决器的输出即为原基带信号。图26是2DPSK信号的差分相干解调法的原理框图2DPSK已调信号带通滤波器相乘器低通滤波器抽样判决器解调信号延迟T图262DPSK信号的差分相干解调法的原理框图23本章小结本章主要是介绍2DPSK的调制解调基本原理。它用前后码元的相对载波相位值传送数字信息。其中2DPSK信号的调制有两种键控法和模拟调相法。2DPSK信号的解调有两种极性比较码变换法和差分检测法。3基于MATLABSIMULINK的2DPSK系统设计312DPSK调制系统设计根据第二章中的2DPSK的模拟调相法的原理，并且利用SIMULINK实现2DPSK信号模拟调相法调制仿真系统，图31是2DPSK模拟调相法的系统仿真,主要模块有，BERNOULLIBINARYGENERATOR,SIGNAL,PRODUCT图312DPSK模拟调相法的系统仿真图对主要各模块参数进行设置，图32是BERNOULLIBINARYGENERATOR的参数设置，其中采样时间是1等。图32BERNOULLIBINARYGENERATOR的参数图33是SIGNALGENEEATOR的参数设置，其中幅度为1，频率为2HZ。图33SIGNALGENEEATOR的参数图34是PRODUCT的参数设置。图34PRODUCT的参数图35是调制后输出的波形，第一条波形为原始的方波信号，第二条波形为经过差分编码后的信号，第三条是一个正弦信号，第四条是调制后2DPSK的信号。由图可以看出0码的时候为原波形，1码的时候为波形，则符合调制原理。图35调制后输出的波形322DPSK解调系统设计321极性比较码变换法系统设计按照图23的原理用相干解调法即极性比较法来进行2DPSK信号的解调。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。图36就是用极性比较法进行的2DPSK解调系统仿真设计，主要模块有PULSEGENERATOR,SWITCH,GAIN,TRANSPORTDELAY。图36用极性比较法进行的2DPSK解调系统仿真设计对主要各模块参数进行设置，图37是PULSEGENERATOR模块的参数设置，幅度为1，周期为1图37PULSEGENERATOR模块的参数图38是SWITCH模块的参数设置，其中临界值为05，取样时间为1。图38SWITCH模块的参数图39是TRANSPORTDELAY模块的参数设置。图39TRANSPORTDELAY模块的参数图310是GAIN模块的参数设置，其中增益为1，取样时间为1。图310GAIN模块的参数图311是解调后输出的波形，第一条为原始的基带信号，第二条为差分编码其后的波形，第三条为原始的正弦信号，第四条为2DPSK信号的波形，第五条为解调后信号的波形。并且可以由图看出第一条和第五条的波形相同，说明解调后的波形为真确的。图311解调后输出的波形322差分检测法系统设计按照图25的原理用差分相干解调法即差分检测法来进行2DPSK信号的解调。图312就是用差分检测法进行的2DPSK解调系统仿真设计。主要的模块有PULSEGENERATOR，GAIN，SWITCH，ANALOGFILTERDESIGN。312差分检测法进行的2DPSK解调系统仿真设计图313是PULSEGENERATOR模块的参数设置，其中幅度是1，周期为2。图313PULSEGENERATOR模块的参数图314是GAIN模块的参数设置，其中增益为1，取样时间为1。图314GAIN模块的参数图315是SWITCH模块的参数设置，临界值为05，取样时间为1。图315SWITCH模块的参数图316是ANALOGFILTERDESIGN的参数设置。通频带的边缘频率为5HZ。图316ANALOGFILTERDESIGN的参数图317是解调后输出的波形，第一条为原始的基带信号，第二条经过滤波器后的波形，第三条为2DPSK信号的波形，第四条为原始的正弦信号，第五条为解调后信号的波形。并且可以由图看出第一条和第五条的波形相同，说明解调后的波形为正确的。图317是解调后输出的波形332DPSK调制解调系统设计331仿真模型2DPSK的各参数设置与2PSK的原理基本基本相同，只是选用的调制解调模块不同，2DPSK的调制解调用2DPSKMODULATOR和2DPSKDEMODULATOR模块。图318就是2DPSK调制解调的系统仿真设计。其中主要模块有图3182DPSK调制解调的系统仿真设计332参数设置图319是RANDOMINTEGERGENERATOR模块的参数设置，其中取样时间为02，原始参数为0，取样频率为1。图319RANDOMINTEGERGENERATOR模块的参数图320是DBPSKMODULATORBASEBAND的模块参数设置，其中取样频率为1，相移为0RAD。图320DBPSKMODULATORBASEBAND的模块参数图321是AWGNCHANNEL1的模块的参数设置，原始参数为67。图321AWGNCHANNEL1的模块的参数图322是DBPSKDEMODULATORBASEBAND的模块参数设置，其中取样频率为1，相移为0RAD。图322DBPSKDEMODULATORBASEBAND的模块参数图323是SINEWAVE的模块的参数设置，通过离散的采样模式，其幅度为1，频率为10HZ，相移为0RAD。图323SINEWAVE的模块的参数图324是PRODUCT的模块参数设置，输入数据为2，采样时间为1。图324PRODUCT的模块参数图325是SPECTRUMSCOPE的模块参数设置，缓冲大小为1024，FFT长度为1024，平均频谱数为64。图325SPECTRUMSCOPE的模块参数图326是SPECTRUMSCOPE的模块参数设置，频率单位为HZ，频率范围在0到FS之间Y限的最大值为1,43，最小值为6981。图326SPECTRUMSCOPE的模块参数333仿真结果及分析图327是由图318得出的2DPSK调制解调的信号的波形，第一条是原始的基带信号，第二条为2DPSK信号的波形，第三条为通过滤波器后的信号的波形，第四条为解调后的波形。可以看出第一条和第四条的波形相同，说明了仿真正确。图327输出的波形图328是2DPSK调制信号加载波后用频谱仪测得频谱图图3282DPSK调制信号加载波后的频谱图34本章小结本章主要是在熟悉MATLABSIMULINK和2DPSK信号的仿真原理的基础上对2DPSK的调制解调进行系统建模与仿真分析，并且根据需要做出参数的设置，给出输出波形，对前后波形进行比较，最后的系统仿真给出仿真模型，给出了参数设置，得出结果并且进行分析。4结论41工作总结本文主要是利用MATLAB/SIMULINK软件实现了2DPSK的调制解调系统的设计。通过本文能够比较系统的了解理论知识，掌握了2DPSK调制解调的基本原理及2DPSK调制解调系统的工作过程，使用仿真软件MATLAB，并通过应用软件仿真来实现系统的设计，对以后的工作和学习会起到一定的作用，且加强动手能力和学业技能。本文首先是对MATLABSIMULINK软件简介；并且介绍了2DPSK调制解调仿真系统设计的研究背景及意义；其次是介绍2DPSK信号的调制解调原理，其中2DPSK信号的调制有两种键控法和模拟调相法。2DPSK信号的解调有两种极性比较码变换法和差分检测法；最后是在MATLAB/SIMULINK的环境下进行2DPSK的调制解调系统的设计。调制会用模拟调相法，解调会用两种方式，各仿真会给出各主要模块参数，示波器输出波形，并且会比较前后的波形变化。最后进行2DPSK的调制解调系统仿真设计，给出仿真模型，参数设置和仿真结果及分析。42工作展望本论文主要是熟悉MATLAB的运用，了解2DPSK的原理及其原理图，利用MATLAB/SIMULINK仿真软件，设计一个2DPSK调制与解调系统，并得出调制后的信号，用示波器对调制前与解调后的波形进行比较，最后进行性能分析。2DPSK信号的调制有两种键控法和模拟调相法，在进行系统仿真是只进行了模拟调相法，而并没有进行键控法的系统仿真设计。在解调中系统的设计比较简单，没有加入噪声的影响。在每一个图进行说明时比较简单，不是很充分。毕业设计是我在大学学习阶段的最后一个环节，是对所学基础知识和专业知识的一种综合应用，是一种综合的再学习、再提高的过程，这一过程有助于培养我的学习能力和独立工作能力。通过本次毕业设计，我感到自己应用基础知识及专业知识解决问题的能力有了很大的提高，并且这次毕业设计的选题，是一个实际的在设计仿真，因此，是在我即将升入本科之前，它是一次重要演练。我想，通过这次毕业设计，到了本科后，我将能够更快的适应学习本科的科学文化知识。我对自己充满信心。由于个人能力有限，在论文中可能存在不足之处，希望各位老师予以指出，谢谢致谢这一时间我们的主要任务是毕业设计，在完成该毕业论文的过程中，我一直很幸运地得到了许多人的关心和帮助，我衷心地感谢他们，没有他们我的论文可能就不会这么顺利的完成。首先，我要感谢的是我的导师张鸣老师，本系统的设计与论文的撰写是在我的导师张老师的悉心指导下完成的，虽然毕业设计的时间很短，但在论文的完成过程中，张老师给予我极大的鼓舞和帮助，尤其是老师热情渊博的知识，敏捷的思维，认真的指导。在此向她表示崇高的敬意和衷心的感谢。经过几个月的