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

1、 通信原理課程設(shè)計(jì)報(bào)告題 目 數(shù)字調(diào)制2PSK的實(shí)現(xiàn)及SIMULINK的模型建立和仿真 學(xué)院(部) 專 業(yè) 學(xué)生姓名 學(xué) 號(hào) 年級(jí) 指導(dǎo)教師 職稱 二O一0年 十二 目錄第一章 課程設(shè)計(jì)的任務(wù)說明21.1 課程設(shè)計(jì)的目的21.2 課程設(shè)計(jì)的要求2第二章 MATLAB/SIMULINK簡介3第三章 通信技術(shù)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(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢5第四章 2PSK的基本原理和實(shí)現(xiàn)64.1 2PSK的產(chǎn)生64.2 2PSK信號(hào)的功率譜示意圖如圖所示：74.3 2PSK信號(hào)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(shè)置115.3 波形仿真圖165.4 不同信噪比下的誤碼率18總結(jié)19參考文獻(xiàn)20附錄21第一章 課程設(shè)計(jì)的任務(wù)說明1.1 課程設(shè)計(jì)的目的（1）通過利用matlab simulink，熟悉matlab simulink仿真工具。（2）通過課程設(shè)計(jì)來更好的掌握課本相關(guān)知識(shí)，熟悉2PSK的調(diào)制與解調(diào)。（3）更好的了解通信原理的相關(guān)知識(shí)，磨練自己分析問題、查閱資料、鞏固知識(shí)、創(chuàng)新等各方面能力。1.2 課程設(shè)計(jì)的要求（1）掌握課程設(shè)計(jì)涉汲到的相關(guān)知識(shí)，相關(guān)概念、原理清晰，明了。（2）仿真圖設(shè)計(jì)合理、能夠正確運(yùn)行。（3）按照要求撰寫課程設(shè)計(jì)報(bào)告。第二章 MATLAB/SIMUL

3、INK簡介美國Mathworks公司于1967年推出了矩陣實(shí)驗(yàn)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(xué)校的老師和學(xué)生更好的授課和學(xué)習(xí)。從Matlab誕生開始，由于其高度的集成性及應(yīng)用的方便性，在高校中受到了極大的歡迎。由于它使用方便，能非常快的實(shí)現(xiàn)科研人員的設(shè)想，極大的節(jié)約了科研人員的時(shí)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(qiáng)大的計(jì)算、仿真、繪圖等功能。由于它使用簡單，擴(kuò)充方便，尤其是世界上有成千上萬的不同領(lǐng)域的科研工作者不停的在自己的科研

4、過程中擴(kuò)充Matlab的功能，使其成為了巨大的知識(shí)寶庫?？梢院敛豢鋸埖恼f，哪怕是你真正理解了一個(gè)工具箱，那么就是理解了一門非常重要的科學(xué)知識(shí)。科研工作者通?？梢酝ㄟ^Matlab來學(xué)習(xí)某個(gè)領(lǐng)域的科學(xué)知識(shí)，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(shè)計(jì)漂亮的界面，它可以像VB等語言一樣設(shè)計(jì)漂亮的用戶接口，同時(shí)因?yàn)橛凶钬S富的函數(shù)庫（工具箱），所以計(jì)算的功能實(shí)現(xiàn)也很簡單，進(jìn)一步受到了科研工作者的歡迎。另外，,Matlab和其他高級(jí)語言也具有良好的接口，可以方便的實(shí)現(xiàn)與其他語言的混合編程，進(jìn)一步拓寬了Matlab的應(yīng)用潛力?？梢哉f，Matlab已經(jīng)也很有必要成為大

5、學(xué)生的必修課之一，掌握這門工具對(duì)學(xué)習(xí)各門學(xué)科有非常重要的推進(jìn)作用。Simulink是MATLAB中的一種可視化仿真工具，也是目前在動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的建模和仿真等方面應(yīng)用最廣泛的工具之一 。確切的說，Simulink是一個(gè)用來對(duì)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)進(jìn)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(shí)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(jìn)程的。Simulink工作環(huán)境進(jìn)過幾年的發(fā)展，已經(jīng)成為學(xué)術(shù)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(jìn)行建模的圖形接口，采用這種結(jié)構(gòu)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(jìn)行

6、簡單的點(diǎn)擊和拖動(dòng)就能完成建模，并可直接進(jìn)行系統(tǒng)的仿真，快速的得到仿真結(jié)果。它的主要特點(diǎn)在于：1、建模方便、快捷；2、易于進(jìn)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(diǎn)。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(yùn)算的Simulink庫模塊（或庫函數(shù)），而且每個(gè)子模型庫中包含有相應(yīng)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(jié)構(gòu)，因此用戶可以采用從上到下或從下到上的結(jié)構(gòu)創(chuàng)建模型。用戶可以從最高級(jí)開始觀看模型，然后用鼠標(biāo)雙擊其中的子系統(tǒng)模塊，來查看其下一級(jí)的內(nèi)容，以此類推，從而可以看到整個(gè)模型的細(xì)節(jié)，幫助用戶理解模型的結(jié)構(gòu)和各模塊之間的相互關(guān)系。在定義完一個(gè)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(duì)它進(jìn)行仿真。菜單方式對(duì)于交互工作非常方便，而命令行方式對(duì)于運(yùn)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(jìn)行的同時(shí)就可立即觀看到仿真結(jié)果，若改變模塊的參數(shù)并再次運(yùn)行即可觀察到相應(yīng)的結(jié)果，這適用于因果關(guān)系的問題研究。仿真的結(jié)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(yīng)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(duì)自己的模型進(jìn)行仿真、分析和修改模型。但是Simulink不能脫離MATLAB而獨(dú)立工作。 第三章 通信技術(shù)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(hào)（通常簡稱為信號(hào)）后才能在通信系統(tǒng)中傳輸。所以，信號(hào)（Signal）是傳輸消息的手段，信號(hào)是消息的物質(zhì)載體。相應(yīng)的信號(hào)可分為模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)，模擬信號(hào)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(jī)、電視攝像機(jī)輸出的信號(hào)就是模擬信號(hào)。數(shù)字信號(hào)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(jī)、計(jì)算機(jī)等各種數(shù)字終端設(shè)備輸出的信號(hào)就是數(shù)字信號(hào)。通信的目的是傳遞消息，但對(duì)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(shù)，特別是數(shù)字通信技術(shù)近年來發(fā)展非常迅速，

10、它的應(yīng)用越來越廣泛。通信從本質(zhì)上來講就是實(shí)現(xiàn)信息傳遞功能的一門科學(xué)技術(shù)，它要將大量有用的信息無失真，高效率地進(jìn)行傳輸，同時(shí)還要在傳輸過程中將無用信息和有害信息抑制掉。當(dāng)今的通信不僅要有效地傳遞信息，而且還有儲(chǔ)存、處理、采集及顯示等功能，通信已成為信息科學(xué)技術(shù)的一個(gè)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(shù)設(shè)備和傳輸媒質(zhì)的總和，包括信息源、發(fā)送設(shè)備、信道、接收設(shè)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(hào)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(hào)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(qiáng)、便于加密、易于實(shí)現(xiàn)集成化、便于與計(jì)算機(jī)連接等優(yōu)點(diǎn)。因而，數(shù)字通信更能適應(yīng)對(duì)通信技術(shù)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(gè)通信領(lǐng)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(dāng)代通信系統(tǒng)的主流。3.2 通信的發(fā)展史簡介遠(yuǎn)古時(shí)代,遠(yuǎn)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(shí)間長的缺點(diǎn)。為了在盡量短的時(shí)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(shù)手段。1837年發(fā)明的莫爾斯電磁式

12、電報(bào)機(jī)標(biāo)志著電通信的開始,之后，利用電進(jìn)行通信的研究取得了長足的進(jìn)步。1866年利用海底電纜實(shí)現(xiàn)了跨大西洋的越洋電報(bào)通信。1876年貝爾發(fā)明了電話,利用電信號(hào)實(shí)現(xiàn)了語音信號(hào)的有線傳遞，使信息的傳遞變的既迅速又準(zhǔn)確，這標(biāo)志著模擬通信的開始，由于它比電報(bào)更便于交流使用，所以直到20世紀(jì)前半葉這種采用模擬技術(shù)的電話通信技術(shù)比電報(bào)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(biāo)志數(shù)字通信的開始。20世紀(jì)60年代以后集成電路、電子計(jì)算機(jī)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(dòng)電話在90年代中期被數(shù)字移動(dòng)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(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢進(jìn)入20世紀(jì)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(jì)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(jì)算機(jī)和光導(dǎo)纖維等現(xiàn)代技術(shù)成果的問世，通信技術(shù)在以下幾個(gè)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(shí)。（2）移動(dòng)通信和衛(wèi)星通信的出現(xiàn)，使人們隨時(shí)隨地可通信的愿望可以實(shí)現(xiàn)。（3）光導(dǎo)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(jì)算機(jī)的出現(xiàn)將通信技術(shù)推上了更高的層次，借助現(xiàn)代電信網(wǎng)和計(jì)算機(jī)的融合，人們將世界變成了地球村。（5

14、）微電子技術(shù)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(dòng)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(jì)數(shù)據(jù)，到2005年底移動(dòng)電話用戶近4億。隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的發(fā)展，通信技術(shù)正向著數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化和寬帶化的方向發(fā)展。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，人們對(duì)通信的要求越來越高，各種技術(shù)會(huì)不斷地應(yīng)用于通信領(lǐng)域，各種新的通信業(yè)務(wù)將不斷地被開發(fā)出來。到那時(shí)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(shí)現(xiàn) 4.1 2PSK的產(chǎn)生 二進(jìn)制相位調(diào)制就是用二進(jìn)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(jìn)制數(shù)字信息的變化而變化。二進(jìn)制絕對(duì)調(diào)

15、相就是用數(shù)字信息直接控制載波的相位。例如，當(dāng)數(shù)字信息為1時(shí)，使載波反相；當(dāng)數(shù)字信息為0時(shí)，載波相位不變。圖4.1.1為2PSK波形圖（為方便作圖，在一個(gè)碼元周期內(nèi)畫兩個(gè)周期的載波）。圖4.1.1 2PSK信號(hào)波形圖從圖中可以看出，2PSK信號(hào)可以看成是雙極性基帶信號(hào)乘以載波而產(chǎn)生的。 必須強(qiáng)調(diào)的是：2PSK波形相位是相對(duì)于載波相位而言的。因此，畫2PSK波形時(shí)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(duì)應(yīng)關(guān)系，畫出2PSK波形。 下面介紹產(chǎn)生2PSK信號(hào)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(shí)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(hào)，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(hào)，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(shè)計(jì)中采用1變0不變的準(zhǔn)則。4.2 2PSK信號(hào)的功率譜示意圖如圖所示： 圖 4.2.1 2PSK 信號(hào)的功率譜由圖可知，2PSK信號(hào)的功率譜是基帶信號(hào)功率譜的線性搬移其頻譜的主要帶寬是二進(jìn)制基帶信號(hào)頻譜主瓣寬度的兩倍，即 4.3 2PSK信號(hào)的解調(diào)及抗噪聲性能的分析 由于2PSK信號(hào)的頻譜中無載波分量，所以2PSK信號(hào)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(hào)的相干解調(diào)2PSK信號(hào)解調(diào)過程中的波形如圖: 圖4.3.2 2PSK相干解調(diào)各點(diǎn)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(duì)2PSK信號(hào)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(hào)；（d）是接受2PSK信號(hào)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(hào)(e),取樣判決器在位定時(shí)信號(hào)（f）的控制下對(duì)(e)波形取樣，在與門限進(jìn)行比較，做出相應(yīng)的判決得到恢復(fù)的信息（g）。需要注意的是判決規(guī)則應(yīng)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(shí)判為0，當(dāng)取樣值小于門限值時(shí)判為1。但在實(shí)際通信系統(tǒng)中往往存在噪聲，噪聲會(huì)對(duì)判決值產(chǎn)生影響，即會(huì)產(chǎn)生誤碼率，一般假設(shè)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(shí)受到的2PSK信號(hào)為帶通濾波器的輸出時(shí)信號(hào)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(shí)，收到的2PSK信號(hào)：帶通濾波器的輸出時(shí)信號(hào)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(dāng)P(0)=P

19、(1)時(shí)，最佳門限應(yīng)選在兩條曲線的交點(diǎn)處。即從圖可看出最佳判決門效應(yīng)為0.所以發(fā)1錯(cuò)判0概率為： 發(fā)0錯(cuò)判1的概率等于發(fā)1錯(cuò)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(hào)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(biāo)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(shè)置建立好模型之后就要設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)，以達(dá)到系統(tǒng)的最佳仿真。正弦載波參數(shù)設(shè)置：圖5.2.1正弦波：4HZ，幅度+2設(shè)置依據(jù)：載波頻率本來應(yīng)該很高，但是為了波形觀察方便，故頻率設(shè)為4HZ。與載波反相正弦波參數(shù)設(shè)置

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

21、濾波器參數(shù)：帶通范圍為27HZ設(shè)置依據(jù)：載波頻率為4HZ，而基帶號(hào)帶寬為1HZ，考濾到濾波器的邊沿緩降，故設(shè)置為27HZ。低通濾波器參數(shù)設(shè)置： 圖5.2.7低通濾波器參數(shù)設(shè)置：截止頻率為1HZ設(shè)置依據(jù)：二進(jìn)制序列的帶寬為1HZ，故取1HZ。取樣判決器參數(shù)設(shè)置：圖5.2.8取樣判決器參數(shù)設(shè)置：門限值取為0.5，取樣時(shí)間為1設(shè)置依據(jù)：當(dāng)大于0.5時(shí)輸出0，當(dāng)小于0.5時(shí)輸出1，能達(dá)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(shè)為90:圖5.4.1此時(shí)誤碼率為:2）當(dāng)信噪比設(shè)為60時(shí)：圖5.4.2此時(shí)誤碼率為：結(jié)果分析：由此可見，隨著信噪比的降低，誤碼率是急劇上升的?？偨Y(jié)通過理論指導(dǎo)，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(huì)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(guān)，當(dāng)信噪比提高時(shí)。誤碼率下