数字调制2PSK的实现及SIMULINK的模型建立和仿真

1、 数字通信课程设计报告 题 目 数字调制2PSK的实现及SIMULINK的模型建立和仿真 学院(部) 湖南高速铁路职业技术学院 专 业 通信技术 学生姓名 尹衡、王漫兰、石汝佳、彭海燕、郑思思 班 级 通信1001 指导教师 蒋晟 二O一一年十二月一十七日 目录第一章 引言1第二章 课程设计的任务说明21.1 课程设计的目的21.2 课程设计的要求2第三章 MATLAB/SIMULINK简介3第四章 通信技术的历史和发展43.1通信的概念43.2 通信的发展史简介53.3通信技术的发展现状和趋势5第五章 2PSK的基本原理和实现64.1 2PSK的产生64.2 2PSK信号的功率谱示意图如图所

2、示：74.3 2PSK信号的解调及抗噪声性能的分析7第六章 Smulink的模型建立和仿真115.1 建立模型方框图115.2 参数设置115.3 波形仿真图165.4 不同信噪比下的误码率18总结19参考文献20附录21第一章 引言本课程设计主要是运用MATLAB集成环境下的Simulink仿真平台设计一个2PSK数字信号调制解调系统。为了使数字信号在带通信道中传输，必须使用数字基带信号对载波进行调制，以使信号与信道的特性相匹配。这种用数字基带信号控制载波，把数字基带信号变换为数字带通信号的过程称为数字调制。数字调制技术的两种方法，利用模拟调制的方法去实现数字式调制，即把数字调制看成是模拟调

3、制的一个特例，把数字基带信号当做模拟信号的特殊情况处理；利用数字信号的离散取值特点通过开关键控载波，从而实现数字调制。这种方法通常称为键控法。本课程设计采用的是键控法进行调制。The curriculum design is the use of MATLAB integrated environment Simulink simulation platform for the design of a 2PSK digital signal modulation and demodulation system. In order to make the digital signal is tr

4、ansmitted with a communication channel, you must use the digital baseband signal to modulate a carrier, to allow the signal to match the characteristics of the channel. The digital baseband signal control carrier, the digital baseband signal conversion to digital bandpass signal is called digital mo

5、dulation.Digital modulation technique of two kinds of methods, using analog modulation methods to realize the digital modulation digital modulation, which is regarded as a special case of analog modulation, the digital baseband signal as an analog signal processing special cases; uses the digital si

6、gnal the discrete value characteristic through the on-off keying carrier, which realizes the digital modulation. This method is often referred to as the key control method. This course is designed with keying modulation.关键词 MATLAB；Simulink；2PSK；调制；键控法第二章 课程设计的任务说明1.1 课程设计的目的（1）通过利用matlab simulink，熟悉

7、matlab simulink仿真工具。（2）通过课程设计来更好的掌握课本相关知识，熟悉2PSK的调制与解调。（3）更好的了解通信原理的相关知识，磨练自己分析问题、查阅资料、巩固知识、创新等各方面能力。1.2 课程设计的要求（1）掌握课程设计涉汲到的相关知识，相关概念、原理清晰，明了。（2）仿真图设计合理、能够正确运行。（3）按照要求撰写课程设计报告。第三章 MATLAB/SIMULINK简介美国Mathworks公司于1967年推出了矩阵实验室“Matrix Laboratory”（缩写为Matlab）这就是Matlab最早的雏形。开发的最早的目的是帮助学校的老师和学生更好的授课和学习。从M

8、atlab诞生开始，由于其高度的集成性及应用的方便性，在高校中受到了极大的欢迎。由于它使用方便，能非常快的实现科研人员的设想，极大的节约了科研人员的时间，受到了大多数科研人员的支持，经过一代代人的努力，目前已发展到了7.X版本。 Matlab是一种解释性执行语言，具有强大的计算、仿真、绘图等功能。由于它使用简单，扩充方便，尤其是世界上有成千上万的不同领域的科研工作者不停的在自己的科研过程中扩充Matlab的功能，使其成为了巨大的知识宝库。可以毫不夸张的说，哪怕是你真正理解了一个工具箱，那么就是理解了一门非常重要的科学知识。科研工作者通常可以通过Matlab来学习某个领域的科学知识，这就是Mat

9、lab真正在全世界推广开来的原因。目前的Matlab版本已经可以方便的设计漂亮的界面，它可以像VB等语言一样设计漂亮的用户接口，同时因为有最丰富的函数库（工具箱），所以计算的功能实现也很简单，进一步受到了科研工作者的欢迎。另外，,Matlab和其他高级语言也具有良好的接口，可以方便的实现与其他语言的混合编程，进一步拓宽了Matlab的应用潜力。可以说，Matlab已经也很有必要成为大学生的必修课之一，掌握这门工具对学习各门学科有非常重要的推进作用。Simulink是MATLAB中的一种可视化仿真工具，也是目前在动态系统的建模和仿真等方面应用最广泛的工具之一 。确切的说，Simulink是一个用

10、来对动态系统进行建模、仿真和分析的软件包，它支持线性和非线性系统，连续、离散时间模型，或者是两者的混合。系统还可以使多种采样频率的系统，而且系统可以是多进程的。Simulink工作环境进过几年的发展，已经成为学术和工业界用来建模和仿真的主流工具包。在Simulink环境中，它为用户提供了方框图进行建模的图形接口，采用这种结构画模型图就如同用手在纸上画模型一样自如、方便，故用户只需进行简单的点击和拖动就能完成建模，并可直接进行系统的仿真，快速的得到仿真结果。它的主要特点在于：1、建模方便、快捷；2、易于进行模型分析；3、优越的仿真性能。它与传统的仿真软件包微分方程和差分方程建模相比，具有更直观、

11、方便、灵活的优点。Simulink模块库（或函数库）包含有Sinks（输出方式）、Sources（输入源）、Linear（线性环节）、Nonlinear（非线性环节）、Connection（连接与接口）和Extra（其他环节）等具有不同功能或函数运算的Simulink库模块（或库函数），而且每个子模型库中包含有相应的功能模块，用户还可以根据需要定制和创建自己的模块。用Simulink创建的模型可以具有递阶结构，因此用户可以采用从上到下或从下到上的结构创建模型。用户可以从最高级开始观看模型，然后用鼠标双击其中的子系统模块，来查看其下一级的内容，以此类推，从而可以看到整个模型的细节，帮助用户理解模

12、型的结构和各模块之间的相互关系。在定义完一个模型后，用户可以通过Simulink的菜单或MATLAB的命令窗口键入命令来对它进行仿真。菜单方式对于交互工作非常方便，而命令行方式对于运行仿真的批处理非常有用。采用Scope模块和其他的显示模块，可以在仿真进行的同时就可立即观看到仿真结果，若改变模块的参数并再次运行即可观察到相应的结果，这适用于因果关系的问题研究。仿真的结果还可以存放到MATLAB的工作空间里做事后处理。模型分析工具包括线性化和整理工具，MATLAB的所有工具及Simulink本身的应用工具箱都包含这些工具。由于MATLAB和SIMULINK的集成在一起的，因此用户可以在这两种环境

13、下对自己的模型进行仿真、分析和修改模型。但是Simulink不能脱离MATLAB而独立工作。 第四章 通信技术的历史和发展3.1通信的概念通信就是克服距离上的障碍，从一地向另一地传递和交换消息。消息是信息源所产生的，是信息的物理表现，例如，语音、文字、数据、图形和图像等都是消息(Message)。消息有模拟消息（如语音、图像等）以及数字消息（如数据、文字等）之分。所有消息必须在转换成电信号（通常简称为信号）后才能在通信系统中传输。所以，信号（Signal）是传输消息的手段，信号是消息的物质载体。相应的信号可分为模拟信号和数字信号，模拟信号的自变量可以是连续的或离散的，但幅度是连续的，如电话机、

14、电视摄像机输出的信号就是模拟信号。数字信号的自变量可以是连续的或离散的，但幅度是离散的，如电船传机、计算机等各种数字终端设备输出的信号就是数字信号。通信的目的是传递消息，但对受信者有用的是消息中包含的有效内容，也即信息(Information) 。消息是具体的、表面的，而信息是抽象的、本质的，且消息中包含的信息的多少可以用信息量来度量。通信技术，特别是数字通信技术近年来发展非常迅速，它的应用越来越广泛。通信从本质上来讲就是实现信息传递功能的一门科学技术，它要将大量有用的信息无失真，高效率地进行传输，同时还要在传输过程中将无用信息和有害信息抑制掉。当今的通信不仅要有效地传递信息，而且还有储存、处

15、理、采集及显示等功能，通信已成为信息科学技术的一个重要组成部分。通信系统就是传递信息所需要的一切技术设备和传输媒质的总和，包括信息源、发送设备、信道、接收设备和信宿(受信者) ，它的一般模型如图3-1-2所示。图3.1.1通信系统一般模型通信系统可分为数字通信系统和模拟通信系统。数字通信系统是利用数字信号来传递消息的通信系统，其模型如图3-1-2所示， 图3.1.2 数字通信系统模型模拟通信系统是利用模拟信号来传递消息的通信系统，其模型如图3-1-3所示。图3.1.3 模拟通信系统模型数字通信系统较模拟通信系统而言，具有抗干扰能力强、便于加密、易于实现集成化、便于与计算机连接等优点。因而，数字

16、通信更能适应对通信技术的越来越高的要求。近二十年来，数字通信发展十分迅速，在整个通信领域中所占比重日益增长，在大多数通信系统中已代替模拟通信，成为当代通信系统的主流。3.2 通信的发展史简介远古时代,远距离的传递消息是以书信的形式来完成的,这种通信方式明显具有传递时间长的缺点。为了在尽量短的时间内传递尽量多的消息,人们不断地尝试所能找到的各种最新技术手段。1837年发明的莫尔斯电磁式电报机标志着电通信的开始,之后，利用电进行通信的研究取得了长足的进步。1866年利用海底电缆实现了跨大西洋的越洋电报通信。1876年贝尔发明了电话,利用电信号实现了语音信号的有线传递，使信息的传递变的既迅速又准确，

17、这标志着模拟通信的开始，由于它比电报更便于交流使用，所以直到20世纪前半叶这种采用模拟技术的电话通信技术比电报的到了更为迅速和广泛的发展。1937年瑞威斯发明的脉冲编码调制标志数字通信的开始。20世纪60年代以后集成电路、电子计算机的出现，使得数字通信迅速发展。在70年代末在全球发展起来的模拟移动电话在90年代中期被数字移动电话所代替，现有的模拟电视也正在被数字电视所代替。数字通信的高速率和大容量等各方面的优越性也使人们看到了它的发展前途。3.3通信技术的发展现状和趋势进入20世纪以来，随着晶体管、集成电路的出现与普及、无线通信迅速发展。特别是在20世纪后半叶，随着人造地球卫星的发射，大规模集

18、成电路、电子计算机和光导纤维等现代技术成果的问世，通信技术在以下几个不同方向都取得了巨大的成功。（1）微波中继通信使长距离、大容量的通信成为了现实。（2）移动通信和卫星通信的出现，使人们随时随地可通信的愿望可以实现。（3）光导纤维的出现更是将通信容量提高到了以前无法想象的地步。（4）电子计算机的出现将通信技术推上了更高的层次，借助现代电信网和计算机的融合，人们将世界变成了地球村。（5）微电子技术的发展，使通信终端的体积越来越小，成本越来越低，范围越来越广。例如，2003年我国的移动电话用户首次超过了固定电话用户。根据国家信息产业部的统计数据，到2005年底移动电话用户近4亿。随着现代电子技术的

19、发展，通信技术正向着数字化、网络化、智能化和宽带化的方向发展。随着科学技术的进步，人们对通信的要求越来越高，各种技术会不断地应用于通信领域，各种新的通信业务将不断地被开发出来。到那时人们的生活将越来越离不开通信。 第四章 2PSK的基本原理和实现 4.1 2PSK的产生 二进制相位调制就是用二进制数字信息控制正弦载波的相位，使正弦载波的相位随着二进制数字信息的变化而变化。二进制绝对调相就是用数字信息直接控制载波的相位。例如，当数字信息为1时，使载波反相；当数字信息为0时，载波相位不变。图4.1.1为2PSK波形图（为方便作图，在一个码元周期内画两个周期的载波）。图4.1.1 2PSK信号波形图

20、从图中可以看出，2PSK信号可以看成是双极性基带信号乘以载波而产生的。 必须强调的是：2PSK波形相位是相对于载波相位而言的。因此，画2PSK波形时必须先把载波画好，然后根据数字信息与载波相位的对应关系，画出2PSK波形。 下面介绍产生2PSK信号的部件，即2PSK调制器。由以上分析可知，2PSK可以采用相乘器来实现，其框图如下; 图 4.1.2 2PSK调制器 电平变换器的作用是将输入的数字信息变成双极性全占空数字基带信号，需注意的是相同的数字信息可以变换成两种极性相反的全占空数自己带信号，至于采用哪一种完全由调制规则决定如图4.1.3电平变换器输入输出波形（a）采用1变0不变 (b)采用0

21、变1不变。在本次课程设计中采用1变0不变的准则。4.2 2PSK信号的功率谱示意图如图所示： 图 4.2.1 2PSK 信号的功率谱由图可知，2PSK信号的功率谱是基带信号功率谱的线性搬移其频谱的主要带宽是二进制基带信号频谱主瓣宽度的两倍，即 4.3 2PSK信号的解调及抗噪声性能的分析 由于2PSK信号的频谱中无载波分量，所以2PSK信号的解调只有相干解调，这种相干解调又称极性比较法。2PSK解调框图为： 图4.3.1 2PSK信号的相干解调2PSK信号解调过程中的波形如图: 图4.3.2 2PSK相干解调各点波形示意图图4.2.3说明此2PSK解调器在无噪声情况下能对2PSK信号正确解调。

22、（b）是受到的2PSK;(C)是本地载波提取电路提取的同频同相载波信号；（d）是接受2PSK信号与本地载波相乘得到的波形示意图，此波形经过低通滤波器滤波后得到低通信号(e),取样判决器在位定时信号（f）的控制下对(e)波形取样，在与门限进行比较，做出相应的判决得到恢复的信息（g）。需要注意的是判决规则应与调制规则一致。本次采用的调制规则为1变0不变所以解调规则也用1变0不变。即为取样值大于门限时判为0，当取样值小于门限值时判为1。但在实际通信系统中往往存在噪声，噪声会对判决值产生影响，即会产生误码率，一般假设信道的噪声为高斯白噪声，下面讨论2PSK解调器在高斯白噪声干扰下的误码率：（1） 发端

23、发1时受到的2PSK信号为带通滤波器的输出时信号加窄带噪声：上式与本地载波相乘后： 经低通滤波后：所以x(t)的取样判决值的概率密度函数为：（2） 发端发0时，收到的2PSK信号：带通滤波器的输出时信号加窄带噪声： 上式与本地载波相乘后： 经低通滤波后： 所以x(t)的取样判决值的概率密度函数为： 综上所述可画出概率密度函数曲线： 图4.3.3 取样值概率密度函数示意图当P(0)=P(1)时，最佳门限应选在两条曲线的交点处。即从图可看出最佳判决门效应为0.所以发1错判0概率为： 发0错判1的概率等于发1错判0概率根据图4-3-3及上式可得2PSK相干解调器的误码率公式为式中 第五章 Smuli

24、nk的模型建立和仿真5.1 建立模型方框图2PSK信号调制与解调的模型方框图如下所示，各模块的名称已标注在图上。上半部分为调制部分，下半部分为解调部分。 图5.1.15.2 参数设置建立好模型之后就要设置系统参数，以达到系统的最佳仿真。正弦载波参数设置：图5.2.1正弦波：4HZ，幅度+2设置依据：载波频率本来应该很高，但是为了波形观察方便，故频率设为4HZ。与载波反相正弦波参数设置：图5.2.2反相正弦波：4HZ，幅度-2设置依据：载波频率本来应该很高，但是为了波形观察方便，故频率设为4HZ;又要求与载波反相，故幅度设为-2.伯努利二进制随机序列产生器： 图5.2.3 Bernoulli R

25、andom Binary Generator(伯努利二进制随机数产生器)是基于采样的，其幅度设置为2，周期为3，占1比为2/3。码型变化器参数设置： 图5.2.4设置依据：采用1变0不变调制，故极性设为“Negative”.多路选择器参数设置： 图5.2.5参数设置依据：当二进制序列大于0时，输出第一路信号；当二进制序列小于0时，输出第二路信号。带通滤波器参数设置： 图5.2.6带通滤波器参数：带通范围为27HZ设置依据：载波频率为4HZ，而基带号带宽为1HZ，考滤到滤波器的边沿缓降，故设置为27HZ。低通滤波器参数设置： 图5.2.7低通滤波器参数设置：截止频率为1HZ设置依据：二进制序列的带宽为1HZ，故取1HZ。取样判决器参数设置：图5.2.8取样判决器参数设置：门限值取为0.5，取样时间为1设置依据：当大于0.5时输出0，当小于0.5时输出1，能达到在1变0不变的取样规则下正确解码的目的。5.3 波形仿真图调制部分 图5.3.1 解调部分 图5.3.25.4 不同信噪比下的误码率1) 信噪比设为10:图5.4.1此时误码率为:2）当信噪比设为50时：图5.4.2此时误码率为：结果分析：由此可见，随着信噪比的降低，误码率是急剧上升的。总结通