（完整版）数字通信系统课程设计

1、本word文档可编辑可修改成都学院（成都大学）课程设计报告数字通信系统 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I 成都学院（成都大学）课程设计报告目录第 1章引言 .11.1背景 .1121.2选题 的目 的和意义 .1.3本课程设计 的主要内容.

2、第 2章 2DPSK基本原理 . .32.1 2DPSK信号 的原理 .2.2 2DPSK信号 的调制原理 . .2.2.1 2DPSK调制 . .2.2.2模拟调制法 . .2.2.3键控法 . .2.3 2DPSK信号 的解调原理 . .2.3.1 2DPSK解调 . .2.3.2极性比较法 . .2.3.3相位比较法 . .333344466第 3章 2DPSK系统模块设计仿真 .73.1模拟调制法和极性比较法构成 的3.2模拟调制法和相位比较法构成 的3.3键控法和相位比较法构成 的2DPSK系统 .772DPSK系统 .2DPSK系统 .83.4模拟调制法和极性比较法模块分析.83.

3、4.1模拟调制法模块 .3.4.2键控法调制模块 .3.4.3模拟信道模块 . .3.4.4极性比较法模块 .3.4.5相位比较法模块 .3.4.6误码率模块 . .3.4.7延时器和观测模块 .891010111212II 成都学院（成都大学）课程设计报告3.4.8眼图模块 . .3.5模块调试 .131414163.5.1模拟调制法极性调解法仿真.3.5.2模拟调制法极性调解法仿真分析.第 4章 2DPSK系统程序设计仿真 .184.1 MATLAB程序 .4.2仿真波形 .4.3波形分析 .182021第 5章结束语 .225.1综合总结 .5.2心得 .2222参考文献 .23III

4、成都学院（成都大学）课程设计报告第 1 章引言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。但它们都是通过传硬件和信息资源 的共享。其调制方式与模拟信号调输信道将数据终端与计算机联结起来，为使数字信号能在帯通信道中传输，而使不同地点 的数字终端实现软、必须用数字信号对载波进行调制，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，频移键控和相移键控。故这三种数字调制方式被称为幅移键控Mat

5、lab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

6、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

7、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。1 成都学院（成都大学）课程设计报告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，通过学 的理论和方法进行仿真、解决问题。MATLAB仿真平台，运用所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2 成都学院（成都大学）课程设计报告第 2章

8、 2DPSK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（2-1）nnn-1、分别表示第 n及 n-1个码元 的载波初相。0通常表示数字信息“ 0”，nn-1nn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，S2DPSK (t)等于调制信号 S(t)码变换后 的信号 S(t)乘以载波信号cos2 f t。所以cS2 DPSK(t) 的数

9、学表达式为S2DPSK (t) S(t) cos2 f ct（2-2）根据功率谱公式可以算出 S(t)S(t) 的功率谱，用P( f )来表示。根据频移定理得到信号 的功率谱A2P2DPSK( f )P f f cP f fcs（2-3）s4S(t) 的功率谱。其中， P f为双极性全占空矩形脉冲序列s2.2.2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。3 成都学院（成都大学）课程设计报告图 2-1模拟调制法2.2.3键控法键控法如图

10、2-2所示，其中差分变换功能同图位 0，输入“ 1”时接相位。1 的码变换；选项开关 的作用是输入“ 0”时接相图 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 2PSK信号为S2PSKcos2 fct（2-4）（2-5）带通滤波器 的输出是信号加窄带噪声cos2 f t n (t)1 n (t) cos2 f t n (t)sin2 fcti c Qcicos2 f t

11、相乘，得c上式与相干载波21 n (t) cos 2 f t n (t)sin2 f tcos2 fcti c Q ccos2 f t n (t) cos2 fctci4 成都学院（成都大学）课程设计报告12121 n (t )i1 n (t) cos4 f ctinQ(t)sin 4 f t cos2 f ct（2-6）（2-7）c式（ 2-6）所示信号经低通滤波器后得x(t) 1 n (t)i2n显然， x(t) 的瞬时值是均值为 -1、方差为n0B2PSK 2n f 的高斯随机变量。所以， x(t) 的0取样值 的概率密度函数为( x 1)2122f1(x)en（2-8）2n同理，发端发

12、“ 0”时，收到 的 2PSK信号为S2PSK cos2 fct（2-9）带通滤波器 的输出是信号加窄带噪声cos2 f t n (t) 1 n (t) cos2 f t n (t)sin2 f ct（2-10）ciicQ上式与相干载波 cos2f ct相乘，得2cos2 f t n (t) cos2 f t 1 n (t) cos 2 f t n (t)sin 2 f t cos2 f ctcicicQc12121 n (t)i1 n (t) cos4 fctin (t)sin 4 f t cos2 fct（ 2-11）（2-12）Qc式（ 2-11）所示信号经低通滤波器后得x(t) 1 n

13、 (t)i2显然， x(t) 的瞬时值是均值为 1、方差为n0B2 PSK 2n f 的高斯随机变量。所以， x(t) 的0n取样值 的概率密度函数为( x 1)2122f 0(x)en（2-13）（2-14）2n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1P(0 /1)f1(x)dxerfc( r )02Pe P(0)P(1/ 0) P(1)P(0/1)得解调器平均误码率为根据112Peerfc( r ) P(0) P(1)erfc( r )（2-15）25 成都学院（成都大学）课程设计报告2a 2式中， r。2n2PSK 的反向工作问题：二分频电路恢复

14、 的载波有时与发光载波相同，有时反相。当本地载波cos 2 f ct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1Pe 2erfc( r ) P(0) P(1) erfc ( r )（2-16）22.3.2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。图 2-3极性

15、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 Ts，然后与 2DPSK信号本身相乘，相乘结果反映了前后码元 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6 成都学院（成都大学）课程设计报告第 3章 2DPSK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。图 3-1模拟调制和极性比较法构成 的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。2DPSK系统图 3-2模拟调制和相位比较法构成 的2DPSK系统7 成都学院（成都大学）课程设计报告3.3键控法和

16、相位比较法构成 的 2DPSK系统如图 3-3所示。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8 成都学院（成都大学）课程设计报告模拟数字基带信号，然后使用 DifferentialEncoder模块对该基带信号进行差分编码，Unipolar toBipolar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 W

17、ave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(Bernoulli Binary Generator)-抽样时间 Sample time:0.001Differential Encoder模块 -M-arry number:2Sine Wave模块 -Ferquency:3000*pi3.4.2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(Bernoulli Binary Generator)模块功能：通过伯努利二进制发生器模块产生二进制序列模拟数字基带信号， TransportDelay模块对 Sine Wav

18、e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，通过接受控制，以决定接受正弦波或反相正弦波，完成调制信号。Differential Encoder 输出 的单极性差分码 的2PSK调制，综合整个过程，最后输出所需要 的2DPSK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)-模块 -M-arry number:2抽样时间 Sample time:0.001Differential EncoderSine Wave模块 -Ferquency:3000*piTransport Delay 模块 -

19、Time delay:1/39 成都学院（成都大学）课程设计报告3.4.3模拟信道模块如图 3-6所示。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

20、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。 PulseGenerator,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10 成都学院（成都大学）课程设计报告判决，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Data Type Conversion为一差分变换模块组，将判决出 的相对码变换出和基带信号相同 的绝对码。功能模块，作用是对模块输出 的数字类型进行转换

21、，使变换成型。Simulink仿真时能识别 的 double类参数设置（没提及 的都默认）：Anglog Filter DesignAnglog Filter DesignPulse Generator带通模块 -Filter type:Bandpass Lower:8*pi Upper:8000*pi低通模块 -Filter type:Lowpass Passban:3000*pi模块 -Period：0.001 Pulse:5模块 -Simple time:0.001Logical OperatorUnit Delay模块 -simple time:0.001Data Type Conve

22、rsion模块 -Output data type:double3.4.5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

23、反变换过程。如图 3-8所示。图 3-8相位比较法解调模块11 成都学院（成都大学）课程设计报告参数设置（没提及 的都默认）：Anglog Filter DesignAnglog Filter DesignPulse Generator带通模块 -Filter type:Bandpass Lower:8*pi Upper:8000*pi低通模块 -Filter type:Lowpass Passban:3000*pi模块 -Period：0.001 Pulse:5模块 -Time delay:0.001Transport Delay3.4.6误码率模块如图 3-9所示。图 3-9误码率模块模块

24、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。12 成都学院（成都大学）课程设计报告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

25、，在调试中设置。13 成都学院（成都大学）课程设计报告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14 成都学院（成都大学）课程设计报告图 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15 成都学院（成都大学）课程设计报告图 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

26、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16 成都学院（成都大学）课程设计报告信号。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 Si

27、mpletime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。17 成都学院（成都大学）课程设计报告第 4章 2DPSK系统程序设计仿真4.1 MATLAB程序clear,closeallbit=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;j=1;%或 Y = rand(m n)返回一个 m x n 的随机矩阵whilej0);endjudge=judge bridge;endm=0:1/bit:(n-1)/bit;%judg

28、e=1*low-pass0);%&绘制输入输出码型图以比较&figuer(3)subplot(4,1,1)19 成都学院（成都大学）课程设计报告stairs(m,signal,r ).axis(0,n/bit,-1.5,1.5);title(grid基带原码 ),xlabel(Time/sec),ylabel(幅值 );onsubplot(4,1,2)stairs(m,difference,r ).axis(0,n/bit,-1.5,1.5);title(grid差分码 ),xlabel(Time/sec),ylabel(幅值 );onsubplot(4,1,3)stairs(m,judge,

29、r ).axis(0,n/bit,-1.5,1.5);Time/sectitle(grid抽样判决 ),xlabel(),ylabel(幅值 );on%&码型差分逆变换 &change=0;brid=;for k=2:16if judge(k)=judge(k-1);brid=1;elsebrid=0;endchange=change brid;endsubplot(4,1,4)stairs(m,change,r).axis(0,n/bit,-1.5,1.5);title(grid解调输出 ),xlabel(Time/sec),ylabel(幅值 );on4.2仿真波形图 4-1调制过程输出波形20 成都学院（成都大学）课程设计报告图 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。21 成都学院（成