數(shù)字調(diào)制2PSK的實現(xiàn)及SIMULINK的模型建立和仿真

1、 通信原理課程設計報告題 目 數(shù)字調(diào)制2PSK的實現(xiàn)及SIMULINK的模型建立和仿真 學院(部) 專 業(yè) 學生姓名 學 號 年級 指導教師 職稱 二O一0年 十二 目錄第一章 課程設計的任務說明21.1 課程設計的目的21.2 課程設計的要求2第二章 MATLAB/SIMULINK簡介3第三章 通信技術的歷史和發(fā)展43.1通信的概念43.2 通信的發(fā)展史簡介53.3通信技術的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢5第四章 2PSK的基本原理和實現(xiàn)64.1 2PSK的產(chǎn)生64.2 2PSK信號的功率譜示意圖如圖所示：74.3 2PSK信號的解調(diào)及抗噪聲性能的分析7第五章 Smulink的模型建立和仿真115.1 建立

2、模型方框圖115.2 參數(shù)設置115.3 波形仿真圖165.4 不同信噪比下的誤碼率18總結19參考文獻20附錄21第一章 課程設計的任務說明1.1 課程設計的目的（1）通過利用matlab simulink，熟悉matlab simulink仿真工具。（2）通過課程設計來更好的掌握課本相關知識，熟悉2PSK的調(diào)制與解調(diào)。（3）更好的了解通信原理的相關知識，磨練自己分析問題、查閱資料、鞏固知識、創(chuàng)新等各方面能力。1.2 課程設計的要求（1）掌握課程設計涉汲到的相關知識，相關概念、原理清晰，明了。（2）仿真圖設計合理、能夠正確運行。（3）按照要求撰寫課程設計報告。第二章 MATLAB/SIMUL

3、INK簡介美國Mathworks公司于1967年推出了矩陣實驗室“Matrix Laboratory”（縮寫為Matlab）這就是Matlab最早的雛形。開發(fā)的最早的目的是幫助學校的老師和學生更好的授課和學習。從Matlab誕生開始，由于其高度的集成性及應用的方便性，在高校中受到了極大的歡迎。由于它使用方便，能非?？斓膶崿F(xiàn)科研人員的設想，極大的節(jié)約了科研人員的時間，受到了大多數(shù)科研人員的支持，經(jīng)過一代代人的努力，目前已發(fā)展到了7.X版本。 Matlab是一種解釋性執(zhí)行語言，具有強大的計算、仿真、繪圖等功能。由于它使用簡單，擴充方便，尤其是世界上有成千上萬的不同領域的科研工作者不停的在自己的科研

4、過程中擴充Matlab的功能，使其成為了巨大的知識寶庫?？梢院敛豢鋸埖恼f，哪怕是你真正理解了一個工具箱，那么就是理解了一門非常重要的科學知識?？蒲泄ぷ髡咄ǔ？梢酝ㄟ^Matlab來學習某個領域的科學知識，這就是Matlab真正在全世界推廣開來的原因。目前的Matlab版本已經(jīng)可以方便的設計漂亮的界面，它可以像VB等語言一樣設計漂亮的用戶接口，同時因為有最豐富的函數(shù)庫（工具箱），所以計算的功能實現(xiàn)也很簡單，進一步受到了科研工作者的歡迎。另外，,Matlab和其他高級語言也具有良好的接口，可以方便的實現(xiàn)與其他語言的混合編程，進一步拓寬了Matlab的應用潛力?？梢哉f，Matlab已經(jīng)也很有必要成為大

5、學生的必修課之一，掌握這門工具對學習各門學科有非常重要的推進作用。Simulink是MATLAB中的一種可視化仿真工具，也是目前在動態(tài)系統(tǒng)的建模和仿真等方面應用最廣泛的工具之一 。確切的說，Simulink是一個用來對動態(tài)系統(tǒng)進行建模、仿真和分析的軟件包，它支持線性和非線性系統(tǒng)，連續(xù)、離散時間模型，或者是兩者的混合。系統(tǒng)還可以使多種采樣頻率的系統(tǒng)，而且系統(tǒng)可以是多進程的。Simulink工作環(huán)境進過幾年的發(fā)展，已經(jīng)成為學術和工業(yè)界用來建模和仿真的主流工具包。在Simulink環(huán)境中，它為用戶提供了方框圖進行建模的圖形接口，采用這種結構畫模型圖就如同用手在紙上畫模型一樣自如、方便，故用戶只需進行

6、簡單的點擊和拖動就能完成建模，并可直接進行系統(tǒng)的仿真，快速的得到仿真結果。它的主要特點在于：1、建模方便、快捷；2、易于進行模型分析；3、優(yōu)越的仿真性能。它與傳統(tǒng)的仿真軟件包微分方程和差分方程建模相比，具有更直觀、方便、靈活的優(yōu)點。Simulink模塊庫（或函數(shù)庫）包含有Sinks（輸出方式）、Sources（輸入源）、Linear（線性環(huán)節(jié)）、Nonlinear（非線性環(huán)節(jié)）、Connection（連接與接口）和Extra（其他環(huán)節(jié)）等具有不同功能或函數(shù)運算的Simulink庫模塊（或庫函數(shù)），而且每個子模型庫中包含有相應的功能模塊，用戶還可以根據(jù)需要定制和創(chuàng)建自己的模塊。用Simulink

7、創(chuàng)建的模型可以具有遞階結構，因此用戶可以采用從上到下或從下到上的結構創(chuàng)建模型。用戶可以從最高級開始觀看模型，然后用鼠標雙擊其中的子系統(tǒng)模塊，來查看其下一級的內(nèi)容，以此類推，從而可以看到整個模型的細節(jié)，幫助用戶理解模型的結構和各模塊之間的相互關系。在定義完一個模型后，用戶可以通過Simulink的菜單或MATLAB的命令窗口鍵入命令來對它進行仿真。菜單方式對于交互工作非常方便，而命令行方式對于運行仿真的批處理非常有用。采用Scope模塊和其他的顯示模塊，可以在仿真進行的同時就可立即觀看到仿真結果，若改變模塊的參數(shù)并再次運行即可觀察到相應的結果，這適用于因果關系的問題研究。仿真的結果還可以存放到M

8、ATLAB的工作空間里做事后處理。模型分析工具包括線性化和整理工具，MATLAB的所有工具及Simulink本身的應用工具箱都包含這些工具。由于MATLAB和SIMULINK的集成在一起的，因此用戶可以在這兩種環(huán)境下對自己的模型進行仿真、分析和修改模型。但是Simulink不能脫離MATLAB而獨立工作。 第三章 通信技術的歷史和發(fā)展3.1通信的概念通信就是克服距離上的障礙，從一地向另一地傳遞和交換消息。消息是信息源所產(chǎn)生的，是信息的物理表現(xiàn)，例如，語音、文字、數(shù)據(jù)、圖形和圖像等都是消息(Message)。消息有模擬消息（如語音、圖像等）以及數(shù)字消息（如數(shù)據(jù)、文字等）之分。所有消息必須在轉(zhuǎn)換成

9、電信號（通常簡稱為信號）后才能在通信系統(tǒng)中傳輸。所以，信號（Signal）是傳輸消息的手段，信號是消息的物質(zhì)載體。相應的信號可分為模擬信號和數(shù)字信號，模擬信號的自變量可以是連續(xù)的或離散的，但幅度是連續(xù)的，如電話機、電視攝像機輸出的信號就是模擬信號。數(shù)字信號的自變量可以是連續(xù)的或離散的，但幅度是離散的，如電船傳機、計算機等各種數(shù)字終端設備輸出的信號就是數(shù)字信號。通信的目的是傳遞消息，但對受信者有用的是消息中包含的有效內(nèi)容，也即信息(Information) 。消息是具體的、表面的，而信息是抽象的、本質(zhì)的，且消息中包含的信息的多少可以用信息量來度量。通信技術，特別是數(shù)字通信技術近年來發(fā)展非常迅速，

10、它的應用越來越廣泛。通信從本質(zhì)上來講就是實現(xiàn)信息傳遞功能的一門科學技術，它要將大量有用的信息無失真，高效率地進行傳輸，同時還要在傳輸過程中將無用信息和有害信息抑制掉。當今的通信不僅要有效地傳遞信息，而且還有儲存、處理、采集及顯示等功能，通信已成為信息科學技術的一個重要組成部分。通信系統(tǒng)就是傳遞信息所需要的一切技術設備和傳輸媒質(zhì)的總和，包括信息源、發(fā)送設備、信道、接收設備和信宿(受信者) ，它的一般模型如圖3-1-2所示。圖3.1.1通信系統(tǒng)一般模型通信系統(tǒng)可分為數(shù)字通信系統(tǒng)和模擬通信系統(tǒng)。數(shù)字通信系統(tǒng)是利用數(shù)字信號來傳遞消息的通信系統(tǒng)，其模型如圖3-1-2所示， 圖3.1.2 數(shù)字通信系統(tǒng)模型

11、模擬通信系統(tǒng)是利用模擬信號來傳遞消息的通信系統(tǒng)，其模型如圖3-1-3所示。圖3.1.3 模擬通信系統(tǒng)模型數(shù)字通信系統(tǒng)較模擬通信系統(tǒng)而言，具有抗干擾能力強、便于加密、易于實現(xiàn)集成化、便于與計算機連接等優(yōu)點。因而，數(shù)字通信更能適應對通信技術的越來越高的要求。近二十年來，數(shù)字通信發(fā)展十分迅速，在整個通信領域中所占比重日益增長，在大多數(shù)通信系統(tǒng)中已代替模擬通信，成為當代通信系統(tǒng)的主流。3.2 通信的發(fā)展史簡介遠古時代,遠距離的傳遞消息是以書信的形式來完成的,這種通信方式明顯具有傳遞時間長的缺點。為了在盡量短的時間內(nèi)傳遞盡量多的消息,人們不斷地嘗試所能找到的各種最新技術手段。1837年發(fā)明的莫爾斯電磁式

12、電報機標志著電通信的開始,之后，利用電進行通信的研究取得了長足的進步。1866年利用海底電纜實現(xiàn)了跨大西洋的越洋電報通信。1876年貝爾發(fā)明了電話,利用電信號實現(xiàn)了語音信號的有線傳遞，使信息的傳遞變的既迅速又準確，這標志著模擬通信的開始，由于它比電報更便于交流使用，所以直到20世紀前半葉這種采用模擬技術的電話通信技術比電報的到了更為迅速和廣泛的發(fā)展。1937年瑞威斯發(fā)明的脈沖編碼調(diào)制標志數(shù)字通信的開始。20世紀60年代以后集成電路、電子計算機的出現(xiàn)，使得數(shù)字通信迅速發(fā)展。在70年代末在全球發(fā)展起來的模擬移動電話在90年代中期被數(shù)字移動電話所代替，現(xiàn)有的模擬電視也正在被數(shù)字電視所代替。數(shù)字通信的

13、高速率和大容量等各方面的優(yōu)越性也使人們看到了它的發(fā)展前途。3.3通信技術的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢進入20世紀以來，隨著晶體管、集成電路的出現(xiàn)與普及、無線通信迅速發(fā)展。特別是在20世紀后半葉，隨著人造地球衛(wèi)星的發(fā)射，大規(guī)模集成電路、電子計算機和光導纖維等現(xiàn)代技術成果的問世，通信技術在以下幾個不同方向都取得了巨大的成功。（1）微波中繼通信使長距離、大容量的通信成為了現(xiàn)實。（2）移動通信和衛(wèi)星通信的出現(xiàn)，使人們隨時隨地可通信的愿望可以實現(xiàn)。（3）光導纖維的出現(xiàn)更是將通信容量提高到了以前無法想象的地步。（4）電子計算機的出現(xiàn)將通信技術推上了更高的層次，借助現(xiàn)代電信網(wǎng)和計算機的融合，人們將世界變成了地球村。（5

14、）微電子技術的發(fā)展，使通信終端的體積越來越小，成本越來越低，范圍越來越廣。例如，2003年我國的移動電話用戶首次超過了固定電話用戶。根據(jù)國家信息產(chǎn)業(yè)部的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，到2005年底移動電話用戶近4億。隨著現(xiàn)代電子技術的發(fā)展，通信技術正向著數(shù)字化、網(wǎng)絡化、智能化和寬帶化的方向發(fā)展。隨著科學技術的進步，人們對通信的要求越來越高，各種技術會不斷地應用于通信領域，各種新的通信業(yè)務將不斷地被開發(fā)出來。到那時人們的生活將越來越離不開通信。 第四章 2PSK的基本原理和實現(xiàn) 4.1 2PSK的產(chǎn)生 二進制相位調(diào)制就是用二進制數(shù)字信息控制正弦載波的相位，使正弦載波的相位隨著二進制數(shù)字信息的變化而變化。二進制絕對調(diào)

15、相就是用數(shù)字信息直接控制載波的相位。例如，當數(shù)字信息為1時，使載波反相；當數(shù)字信息為0時，載波相位不變。圖4.1.1為2PSK波形圖（為方便作圖，在一個碼元周期內(nèi)畫兩個周期的載波）。圖4.1.1 2PSK信號波形圖從圖中可以看出，2PSK信號可以看成是雙極性基帶信號乘以載波而產(chǎn)生的。 必須強調(diào)的是：2PSK波形相位是相對于載波相位而言的。因此，畫2PSK波形時必須先把載波畫好，然后根據(jù)數(shù)字信息與載波相位的對應關系，畫出2PSK波形。 下面介紹產(chǎn)生2PSK信號的部件，即2PSK調(diào)制器。由以上分析可知，2PSK可以采用相乘器來實現(xiàn)，其框圖如下; 圖 4.1.2 2PSK調(diào)制器 電平變換器的作用是將

16、輸入的數(shù)字信息變成雙極性全占空數(shù)字基帶信號，需注意的是相同的數(shù)字信息可以變換成兩種極性相反的全占空數(shù)自己帶信號，至于采用哪一種完全由調(diào)制規(guī)則決定如圖4.1.3電平變換器輸入輸出波形（a）采用1變0不變 (b)采用0變1不變。在本次課程設計中采用1變0不變的準則。4.2 2PSK信號的功率譜示意圖如圖所示： 圖 4.2.1 2PSK 信號的功率譜由圖可知，2PSK信號的功率譜是基帶信號功率譜的線性搬移其頻譜的主要帶寬是二進制基帶信號頻譜主瓣寬度的兩倍，即 4.3 2PSK信號的解調(diào)及抗噪聲性能的分析 由于2PSK信號的頻譜中無載波分量，所以2PSK信號的解調(diào)只有相干解調(diào)，這種相干解調(diào)又稱極性比較

17、法。2PSK解調(diào)框圖為： 圖4.3.1 2PSK信號的相干解調(diào)2PSK信號解調(diào)過程中的波形如圖: 圖4.3.2 2PSK相干解調(diào)各點波形示意圖圖4.2.3說明此2PSK解調(diào)器在無噪聲情況下能對2PSK信號正確解調(diào)。（b）是受到的2PSK;(C)是本地載波提取電路提取的同頻同相載波信號；（d）是接受2PSK信號與本地載波相乘得到的波形示意圖，此波形經(jīng)過低通濾波器濾波后得到低通信號(e),取樣判決器在位定時信號（f）的控制下對(e)波形取樣，在與門限進行比較，做出相應的判決得到恢復的信息（g）。需要注意的是判決規(guī)則應與調(diào)制規(guī)則一致。本次采用的調(diào)制規(guī)則為1變0不變所以解調(diào)規(guī)則也用1變0不變。即為取樣

18、值大于門限時判為0，當取樣值小于門限值時判為1。但在實際通信系統(tǒng)中往往存在噪聲，噪聲會對判決值產(chǎn)生影響，即會產(chǎn)生誤碼率，一般假設信道的噪聲為高斯白噪聲，下面討論2PSK解調(diào)器在高斯白噪聲干擾下的誤碼率：（1） 發(fā)端發(fā)1時受到的2PSK信號為帶通濾波器的輸出時信號加窄帶噪聲：上式與本地載波相乘后： 經(jīng)低通濾波后：所以x(t)的取樣判決值的概率密度函數(shù)為：（2） 發(fā)端發(fā)0時，收到的2PSK信號：帶通濾波器的輸出時信號加窄帶噪聲： 上式與本地載波相乘后： 經(jīng)低通濾波后： 所以x(t)的取樣判決值的概率密度函數(shù)為： 綜上所述可畫出概率密度函數(shù)曲線： 圖4.3.3 取樣值概率密度函數(shù)示意圖當P(0)=P

19、(1)時，最佳門限應選在兩條曲線的交點處。即從圖可看出最佳判決門效應為0.所以發(fā)1錯判0概率為： 發(fā)0錯判1的概率等于發(fā)1錯判0概率根據(jù)圖4-3-3及上式可得2PSK相干解調(diào)器的誤碼率公式為式中 第五章 Smulink的模型建立和仿真5.1 建立模型方框圖2PSK信號調(diào)制與解調(diào)的模型方框圖如下所示，各模塊的名稱已標注在圖上。上半部分為調(diào)制部分，下半部分為解調(diào)部分。 圖5.1.15.2 參數(shù)設置建立好模型之后就要設置系統(tǒng)參數(shù)，以達到系統(tǒng)的最佳仿真。正弦載波參數(shù)設置：圖5.2.1正弦波：4HZ，幅度+2設置依據(jù)：載波頻率本來應該很高，但是為了波形觀察方便，故頻率設為4HZ。與載波反相正弦波參數(shù)設置

20、：圖5.2.2反相正弦波：4HZ，幅度-2設置依據(jù)：載波頻率本來應該很高，但是為了波形觀察方便，故頻率設為4HZ;又要求與載波反相，故幅度設為-2.伯努利二進制隨機序列產(chǎn)生器： 圖5.2.3 Bernoulli Random Binary Generator(伯努利二進制隨機數(shù)產(chǎn)生器)是基于采樣的，其幅度設置為2，周期為3，占1比為2/3。碼型變化器參數(shù)設置： 圖5.2.4設置依據(jù)：采用1變0不變調(diào)制，故極性設為“Negative”.多路選擇器參數(shù)設置： 圖5.2.5參數(shù)設置依據(jù)：當二進制序列大于0時，輸出第一路信號；當二進制序列小于0時，輸出第二路信號。帶通濾波器參數(shù)設置： 圖5.2.6帶通

21、濾波器參數(shù)：帶通范圍為27HZ設置依據(jù)：載波頻率為4HZ，而基帶號帶寬為1HZ，考濾到濾波器的邊沿緩降，故設置為27HZ。低通濾波器參數(shù)設置： 圖5.2.7低通濾波器參數(shù)設置：截止頻率為1HZ設置依據(jù)：二進制序列的帶寬為1HZ，故取1HZ。取樣判決器參數(shù)設置：圖5.2.8取樣判決器參數(shù)設置：門限值取為0.5，取樣時間為1設置依據(jù)：當大于0.5時輸出0，當小于0.5時輸出1，能達到在1變0不變的取樣規(guī)則下正確解碼的目的。5.3 波形仿真圖調(diào)制部分 圖5.3.1 解調(diào)部分 圖5.3.25.4 不同信噪比下的誤碼率1) 信噪比設為90:圖5.4.1此時誤碼率為:2）當信噪比設為60時：圖5.4.2此時誤碼率為：結果分析：由此可見，隨著信噪比的降低，誤碼率是急劇上升的。總結通過理論指導，從仿真中可以看出在2PSK調(diào)制系統(tǒng)中由于存在信道干擾和碼間干擾，會影響調(diào)制系統(tǒng)的性能，及存在一定的誤碼率，誤碼率與信噪比相關，當信噪比提高時。誤碼率下