2PSK数字传输系统设计与仿真

1、通信系统设计与仿真实践课程设计实验报告课题名称： 2PSK数字传输系统设计与仿真 专业班级： 姓 名： 学 号： 起止时间： 浙江科技学院信息与电子工程学院目 录一、课题内容.1二、设计目的.1三、设计要求.1四、实验条件.2五、系统设计.21.通信系统的基本原理.22.所设计子系统的原理.4六、详细设计与编码.51. 设计方案.52. 编程工具的选择.73. 编码与测试.84. 编码与调试过程.135. 运行结果及分析.14七、设计心得.21八、参考文献.21一、 课题内容使用Matlab进行2PSK的调制解调系统设计与仿真，能输出调制前的基带信号、调制后的2PSK信号和叠加噪声后的2PSK

2、信号波形、解调器在接收到信号后解调的各点的信号波形以及眼图和星座图，并对仿真结果进行分析。二、 设计目的1、综合应用Matlab原理及应用、信号与系统、通信原理等多门课程知识，使学生建立通信系统的整体概念；2、培养学生系统设计与系统开发的思想；3、培养学生利用软件进行通信仿真的能力。三、设计要求1、每2人一组，组内成员进行各自分工，分别完成不同子系统的详细功能；2、对通信系统有整体的较深入的理解，深入理解自己仿真部分的原理的基础，画出对应的通信子系统的原理框图；3、提出仿真方案；4、完成仿真软件的编制；5、仿真软件的演示；6、提交详细的设计报告。四、实验条件计算机、Matlab软件五、系统设计

3、1通信系统的原理通信系统的一般模型 图1 通信系统的一般模型信息源：消息的生成者或来源；发送设备：将信源输出的信号变为适合信道传输的发射信号，且发送信号包含了原始信号的一切信息；信道：传输信号的通道，可以是有线的，也可以是无线的；噪声源：在信道中传输，噪声是绝不可避免的，噪声又可为加性噪声（线性的噪声）和乘性噪声（非线性的噪声），一般我们只考虑加性噪声；接收设备：从接收信号中提取我们所希望的信号，并将其转换成适合输出传感器的形式；受信者：消息接收者。在通信系统中，按信号参量的取值方式不同可把信号分为两类，即模拟信号和数字信号，再按照信道中传输信号的特征，来分为模拟通信系统和数字通信系统。下面分

4、别来介绍模拟通信系统与数字通信系统：模拟通信系统模型信息源调制器信道解调器受信者噪声源模拟通信系统图2模拟通信系统模型调制器:将原始电信号变换成其频带适合信道传输的信号；解调器:在接收端将信道中传输的信号还原成原始的电信号。数字通信系统模型信息源信道编码器基带脉冲生成器数字调制器信道数字解调器采样判决器信道译码器信源译码器受信者数字通信系统噪声源信源编码器 图3数字通信系统模型信源编码/译码：主要完成A/D变换、数据压缩、加密等三部分功能；信道编码/译码：数据扩张，增加保镖，提高抗干扰能力等；基带脉冲生成器/抽样判决器：数字基带传输系统的重要部分；数字调制器/解调器： (1) 将数字基带信号的

5、频谱搬移到信道的频带之内，以便于在信道中传输；(2) 便于对信道进行频分复用，从而有效地利用信道的频率资源。数字解调是数字调制的反过程。模拟通信系统与数字通信系统的比较模拟通信系统和数字通信系统各有自己的一些特点，但相对于模拟通信系统，数字通信系统有许多独特的优点，例如：数字通信系统抗噪能力强、便于加密、易复用也易压缩、易于集成化、便于用计算机处理数字信号、更适合多种数字业务，容易实现多网合一等。相应地，数字通信系统也有自己的缺点：它需要更宽的传输带宽和较复杂的同步系统等。2所设计子系统的原理本小组所设计的子系统是数字通信系统，内容是研究不同信道条件下不同的调制解调方法。数字调制技术的两种方法

6、：(1)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；(2)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，比如对载波的相位进行键控，便可获得相移键控（PSK）基本的调制方式。信道调制解调抽样判决码元再生高斯白噪声产生随机基带信号 图4 2PSK通信系统调制解调模型数字通信的主要特点：a.抗干扰能力强b.易加密通信c.差错可控d.适应飞速发展的计算机通信的要求六、详细设计与编码1设计方案本次仿真用2PSK对信号进行调制解调。 2PSK的调制原理如果两个频率相同的载波同时开始振荡，这两个频

7、率同时达到正最大值，同时达到零值，同时达到负最大值，它们应处于同相状态；如果其中一个开始得迟了一点，就可能不相同了。如果一个达到正最大值时，另一个达到负最大值，则称为反相。一般把信号振荡一次（一周）作为360度。如果一个波比另一个波相差半个周期，我们说两个波的相位差180度，也就是反相。当传输数字信号时，1码控制发0度相位，0码控制发180度相位。载波的初始相位就有了移动，也就带上了信息。相移键控是利用载波的相位变化来传递数字信息，而振幅和频率保持不变。在2PSK中，通常用初始相位0和分别表示二进制“1”和“0”。因此，2PSK信号的时域表达式为 （1）式中，jn表示第n个符号的绝对相位： （

8、2）因此，上式可以改写为 （3）由于两种码元的波形相同，极性相反，故BPSK信号可以表述为一个双极性全占空矩形脉冲序列与一个正弦载波的相乘： （4）式中 （5）这里s(t)为双极性全占空(非归零)矩形脉冲序列，g(t)是脉宽为Ts的单个矩形脉冲，而an的统计特性为 （6）开关电路S(t)e2psk(t)1800移相coswctp0BPSK信号的调制原理框图如图2所示。与2ASK信号的产生方法相比较，只是对是S(t)的要求不同。在2ASK中S(t)是单极性的，而在BPSK中S(t)是双极性的基带信号。图5 2PSK信号的调制原理框 2PSK的解调原理 2PSK信号的解调方法是相干解调法。由于PS

9、K信号本身就是利用相位传递信息的，所以在接收端必须利用信号的相位信息来解调信号。下图3中给出了一种2PSK信号相干接收设备的原理框图。图中经过带通滤波的信号在相乘器中与本地载波相乘，然后用低通滤波器滤除高频分量，在进行抽样判决。判决器是按极性来判决的。即正抽样值判为1，负抽样值判为0。coswct be2psk(t)e输出dca带通滤波器相乘器低通滤波器抽样判决器 图6 2PSK的相干接收机原理框图 2PSK的仿真框图信道产生随机基带信号调制解调抽样判决码元再生高斯白噪声 图7 基于MATLAB的2PSK调制解调仿真框图2编程工具的选择本仿真所用的工具软件是MATLAB.2011b。该软件的功

10、能强大，最擅长矩阵处理，并在系统仿真、数字信号处理、图形图像分析、数理统计、通信及自动控制领域得到广泛应用，同时MATLAB内部有许多与通信有关的函数，这样程序编写方便，也便于观察波形特征。3编码与测试2PSK主函数main.m:%-2PSK通信系统仿真主函数-clear all; close all;clc;max=64;g=randint(1,max);%长度为max的随机二进制序列比特率a1=;b1=;f=1000; %载波频率1kHzt=0:2*pi/1999:2*pi; %采样频率2kHzfor n=1:length(g); if g(n)=0; A=zeros(1,2000);%每

11、个值2000个点 else g(n)=1; A=ones(1,2000); end a1=a1 A; %s(t),码元宽度2000 c=cos(2*pi*f*t);%载波信号 b1=b1 c;%与s(t)等长的载波信号,变为矩阵形式endfigure(1);subplot(3,2,1);plot(a1);grid on;axis(0 2000*length(g) -2 2);title(二进制信号序列);a2=;b2=;for n=1:length(g); if g(n)=0; B=ones(1,2000);%每个值2000个点 c=cos(2*pi*f*t); %载波信号 else g(n)

12、=1; B=ones(1,2000); c=cos(2*pi*f*t+pi); %载波信号 end a2=a2 B; %s(t),码元宽度2000 b2=b2 c; %与s(t)等长的载波信号endtiaoz=a2.*b2;%e(t)调制figure(1);subplot(3,2,2);plot(tiaoz);grid on;axis(0 2000*length(g) -2 2);title(2PSK调制信号);figure(2);subplot(3,2,1);plot(abs(fft(a1);axis(0 2000*length(g) 0 400);title(原始信号频谱);figure(

13、2);subplot(3,2,2);plot(abs(fft(tiaoz);axis(0 2000*length(g) 0 400);title(2PSK信号频谱);%-带有高斯白噪声的信道-tz=awgn(tiaoz,10);%信号tiaoz中加入白噪声，信噪比为10figure(1);subplot(3,2,3);plot(tz);grid onaxis(0 2000*length(g) -2 2);title(通过高斯白噪声信道后的信号);figure(2);subplot(3,2,3);plot(abs(fft(tz);axis(0 2000*length(g) 0 400);titl

14、e(加入白噪声的2PSK信号频谱);jiet=2*b1.*tz;%同步解调figure(1);subplot(3,2,4);plot(jiet);grid onaxis(0 2000*length(g) -2 2);title(相乘后信号波形)figure(2);subplot(3,2,4);plot(abs(fft(jiet);axis(0 2000*length(g) 0 400);title(相乘后信号频谱);%-低通滤波器-fp=500;fs=700;rp=3;rs=20;fn=11025;ws=fs/(fn/2); wp=fp/(fn/2);%计算归一化角频率n,wn=buttord

15、(wp,ws,rp,rs);%计算阶数和截止频率b,a=butter(n,wn);%计算H(z）figure(3);freqz(b,a,1000,11025);subplot(2,1,1);axis(0 40000 -100 3 )title(LPF幅相频图);jt=filter(b,a,jiet);figure(1);subplot(3,2,5);plot(jt);grid onaxis(0 2000*length(g) -2 2);title(经低通滤波器后信号波形)figure(2);subplot(3,2,5);plot(abs(fft(jt);axis(0 2000*length(g

16、) 0 400);title(经低通滤波器后信号频谱);%-抽样判决-for m=1:2000*length(g); if jt(m)=0; jt(m)=0; endendfigure(1);subplot(3,2,6);plot(jt);grid onaxis(0 2000*length(g) -2 2);title(经抽样判决后信号s(t)波形)figure(2);subplot(3,2,6);plot(abs(fft(jt);axis(0 2000*length(g) 0 400);title(经抽样判决后信号频谱);2PSK性能分析snr_ber.m:%-2PSK误码率仿真snr.be

17、r.m-clc;clear all;close all; snrdB_min=-10;snrdB_max=10;snrdB=snrdB_min:1:snrdB_max;Nsymbols=64;snr=10.(snrdB/10);h=waitbar(0,SNR Iteration);len_snr=length(snrdB);for j=1:len_snr waitbar(j/len_snr); sigma=sqrt(1/(2*snr(j); error_count=0; for k=1:Nsymbols d=round(rand(1); %随机数据 x_d=2*d-1; %0，1分别转化为-1

18、，1 n_d=sigma*randn(1); %加噪 y_d=x_d+n_d; %加噪后接收 if y_d0 d_est=1; else d_est=0; end if(d_est =d) error_count=error_count+1; %error counter end end %simulation loop ends errors(j)=error_count;endber_sim=errors/Nsymbols; %BER estimateber_theor=(erfc(sqrt(snr).*(1-0.5*erfc(sqrt(snr); %theoretical BER 相干2

19、dpsksemilogy(snrdB,ber_theor,-,snrdB,ber_sim,o);axis(snrdB_min snrdB_max 0.0001 1);xlabel(信噪比);ylabel(误码率);title(2PSK信噪比误码率关系图);legend(理论值,实际值);2PSK眼图星座图eye_star.m:M=2;k=log2(M);n=2000; %比特序列长度samp=1; %过采样率x=randint(n,1); %生成随机二进制比特流stem(x(1:50),filled); %画出相应的二进制比特流信号title(二进制随机比特流);xlabel(比特序列);yl

20、abel(信号幅度);x4=reshape(x,k,length(x)/k); %将原始的二进制比特序列每一个一组分组，并排列成k行length(x)/k列的矩阵xsym=bi2de(x4.,left-msb); %将矩阵转化为相应的2进制信号序列figure;stem(xsym(1:50); %画出相应的2进制信号序列xlabel(信号序列);ylabel(信号幅度);y=modulate(modem.pskmod(M),xsym); %用2PSK调制器对信号进行调制scatterplot(y); %画出2PSK信号的星座图text(real(y)+0.1,imag(y),dec2bin(x

21、sym);axis(-5 5 -5 5);EbNo=15; %假设Eb/No=15dbsnr=EbNo+10*log10(k)-10*log10(samp); %信噪比yn=awgn(y,snr,measured); % 加入高斯白噪声h=scatterplot(yn,samp,0,b.); %经过信道后接收到的含白噪声的信号星座图eyediagram(yn,2); %眼图 yd=demodulate(modem.pskdemod(M),yn);%此时解调出来的是2进制信号z=de2bi(yd,left-msb); %转化为对应的二进制比特流z=reshape(z.,numel(z),1);n

22、umber_of_errors,bit_error_rate=biterr(x,z) %计算误码率4编码与调试过程由于通过查阅参考书及网上资料，我所编写的这种程序基本上不存在语法上的错误，只是要求对程序进行仔细阅读及理解，并在一些地方进行必要改写，且加入我自己的思想，使这种程序更容易理解。通过查阅资料，我了解了以下一些有用的与通信有关的名词及关键的MATLAB函数：randint():是产生二进制随机数，默认为0和1;awgn():在某一信号中加入高斯白噪声; fft():快速傅里叶函数;freqz():计算滤波器频率响应;filter():实现滤波功能; modulate():调制信号;sc

23、atterplot():画星座图;eyediagram():画眼图;biterr():计算误比特数、误比特率;5运行结果及分析编完程序经检查无误后，运行程序得结果如下：在实际传输中，我我们需要传输的就是二进制基带信号。因此通过随机函数随机产生二进制比特流，即基带信号。调制解调信号图图8 随机产生的二进制基带信号实际通信中不少信道都不能直接传送基带信号，必须用基带信号对载波波形的某些参量进行控制，使载波的这些参量随基带信号的变化而变化，即所谓正弦载波调制。正弦波可以作为数字模拟调制系统和数字调制系统的载波。从原理上来说，受调载波的波形可以是任意的，只要已调信号适合于信道传输就可以了。但实际上，在

24、大多数数字通信系统中，都寻则正弦信号作为载波。这是因为正弦信号形式简单，便于产生及接收。和模拟调制一样，数字调制业余调幅、调频和调相三种基本形式，并可以派生出多种其他形式。数字调制与模拟调制相比，其原理并没有什么区别。不过模拟调制时对载波信号的参量进行连续调制，在接收端则对载波信号的调制参量连续地进行估值；而数字调制都是用载波信号的默写离散状态来表征所传送的信息，在接受算也只要对载波信号的离散调制参量进行检测。数字调制信号，在二进制时有振幅键控（ASK）、移频键控（FSK）和移相键控（PSK）三种基本信号形式。移相键控（PSK）相对于振幅键控（ASK）和频移键控（FSK）来说，具有抗加性高斯白

25、噪声能力强，频带利用率高，对信道变化不明感，性能好的优点，因此采用BPSK对基带信号进行调制。图9 2PSK调制波形实际信道处于一个充满了各种干扰的环境中，因此，调制信号不可能无干扰的在信道中传输。为了逼真的模拟调制信号的传输环境，所以在已调信号上叠加上高斯白噪声。图10 调制信号叠加噪声的波形图当信号接收机接收到信号后，该信号是经过调制和叠加噪声后的信号，不能为人们所用，为了使接收到的信号能为人们所用，只用对接收到的信号进去滤波和反调制（即解调）处理。在相同的信噪比条件下，相比2ASK系统和2FSK系统，相干解调的2PSK系统的误码率Pe最小。因此解调方法用相干解调的2PSK。再将解调信号通过低通滤波器进行低通滤波。 图11 基带信号与带高斯白噪声的载波信号相乘图 图12低通滤波器后的波形图通过相干解调和低通滤波器后的信号，通过抽样判决后，原则上能恢复成系统发送的二进制基带信号，但是在实际的解调和调制的过程中，BPSK系统往往会出现“倒相”，因此在抽样判决的时候需要注意这个问题。为了解决这个问题，现在在实际应用中大多数都采用二进制差分相移键控（2DPSK）。图13经过抽样判决