通信原理課程設計報告BPSK調制及解調

1、-. z.摘要 數字通信系統是當代通信領域的主流，在社會生活各個方面占據重要地位。BPSK作為數字通信系統中的一種簡單根底的調制解調方法，抗干擾能力強，容易仿真實現。本文通過BPSK的仿真，希望學習到數字通信的根底知識，為以后的學習打下根底。本文介紹了數字化調制解調技術的現狀開展及其應用，通信系統仿真軟件MATLAB中的一種可視化仿真工具Simulink；然后介紹了BPSK數字調制解調的理論根底，包括數字帶通傳輸分類以及重點分析了BPSK數字調制和解調的原理。本文在深刻理解通信系統理論的根底上，利用MATLAB強大的仿真功能,在Simulink仿真環(huán)境下設計了BPSK調制解調系統仿真模型，給出

2、各路觀察波形，證實了解調算法的可行性。關鍵詞：BPSK；調制解調器；MATLAB；蒙特卡洛分析；目錄TOC o 1-3 h u HYPERLINK l _Toc19078 一、課程設計目的及容 PAGEREF _Toc19078 3 HYPERLINK l _Toc31516 1.1、課程設計的目的 PAGEREF _Toc31516 3 HYPERLINK l _Toc19146 1.2課程設計的容 PAGEREF _Toc19146 3 HYPERLINK l _Toc27931 二、BPSK仿真設計思路 PAGEREF _Toc27931 4 HYPERLINK l _Toc28937

3、2.1 相移鍵控系統概述 PAGEREF _Toc28937 4 HYPERLINK l _Toc2001 2.2數字帶通傳輸分類 PAGEREF _Toc2001 4 HYPERLINK l _Toc29233 2.3 BPSK信號調制/解調原理 PAGEREF _Toc29233 4 HYPERLINK l _Toc9113 2.3.1 BPSK信號調制原理 PAGEREF _Toc9113 4 HYPERLINK l _Toc1973 2.3.2 BPSK 信號解調原理 PAGEREF _Toc1973 6 HYPERLINK l _Toc21656 三、Matlab軟件簡介8 HYPE

4、RLINK l _Toc7097 四、BPSK調制解調的MATLAB仿真 PAGEREF _Toc7097 9 HYPERLINK l _Toc12458 4.1 BPSK調制的數學模型 PAGEREF _Toc12458 9 HYPERLINK l _Toc6090 4.2 BPSK解調的原理 PAGEREF _Toc6090 9 HYPERLINK l _Toc451 4.3 實驗程序 PAGEREF _Toc451 9 HYPERLINK l _Toc29247 4.4 仿真波形圖： PAGEREF _Toc29247 15 HYPERLINK l _Toc12356 五、 總體系能分析

5、 PAGEREF _Toc12356 19 HYPERLINK l _Toc14260 六、設計總結20 HYPERLINK l _Toc19738 七、參考文獻 PAGEREF _Toc19738 21 HYPERLINK l _Toc31033 致 PAGEREF _Toc31033 22一、課程設計目的及容1.1、課程設計的目的通過本課程的學習我們不僅能加深理解和穩(wěn)固理論課上所學的有關 PCM編碼和解碼的根本概念、根本理論和根本方法，而且能鍛煉我們分析問題和解決問題的能力；同時對我們進展良好的獨立工作習慣和科學素質的培養(yǎng)，為今后參加科學工作打下良好的根底。本課程設計主要研究8PSK信號的

6、調制解調原理性能分析。通過完本錢課題的設計，擬到達以下目的：1學習如何利用計算機仿真方法和技術對通信系統的理論知識進展驗證，并學會搭建簡單的系統模型；2掌握MATLAB7.0的根底知識，熟悉MATLAB進展通信系統仿真中各個常用模塊的使用方法；3通過系統仿真加深對通信課程理論知識的理解。通過該課題的設計與仿真，可以提高學生綜合應用所學根底知識的能力和計算機編程的能力，為今后的學習和工作積累經歷。1.2課程設計的容根據題目要求，查閱相關資料，掌握數字帶通的 BPSK 調制解調的相關知識。學習 MATLAB軟件，掌握 MATLAB各種函數的使用。在此根底上，完成以下實驗要求：設計系統整體框圖及數學

7、模型。運用 MATLAB進展編程，實現 BPSK 的調制解調過程的仿真。其中包括信源、BPSK信號的產生，信道噪聲的參加，BPSK信號的載波提取和相干解調。系統性能的分析包括信號帶寬，波形比照以及誤碼率的計算。二、BPSK仿真設計思路2.1 相移鍵控系統概述相移鍵控是目前擴頻系統量使用的調制方式，也是和擴頻技術結合最成熟的調制技術，原則上看是一種線性調制。從基帶變換到中頻以及射頻，中間的頻譜搬移和信號放大需要一個要求較高的線性信道，因而，設計要求較高。相移鍵控系統中，有待傳輸的基帶數字脈沖控制著載波相位的變化，從而形成振幅與頻率不變，而相位取離散值變化的已調波。2.2數字帶通傳輸分類數字信號的

8、傳輸方式分為基帶傳輸和帶通傳輸，在實際應用中，大多數信道具有帶通特性而不能直接傳輸基帶信號。為了使數字信號在帶通信道中傳輸，必須使用數字基帶信號對載波進展調制，以使信號與信道的特性相匹配。這種用數字基帶信號控制載波，把數字基帶信號變換為數字帶通信號的過程稱為數字調制。數字帶通傳輸中一般利用數字信號的離散取值特點通過開關鍵控載波，從而實現數字調制，比方對載波的振幅、頻率和相位進展鍵控可獲得振幅鍵控ASK、頻移鍵控FSK和相移鍵控PSK。這三種數字調制方式在抗干擾噪聲能力和信號頻譜利用率等方面，以相干PSK的性能最好，目前已在中、高速傳輸數據時得到廣泛的應用。2.3 BPSK信號調制/解調原理2.

9、3.1 BPSK信號調制原理二進制相移鍵控 BPSKBinary Phase Shift Keying方式一般是鍵控的載波相位按基帶脈沖序列的規(guī)律而改變的數字調制方式，也就是說，二進制的數字基帶信號 0 與 1 分別用相干調制的載波的 0 與相位的波形來表示。其表達式由公式1-1給出：1-1其中為雙極性的二進制數字序列，的取值為 1，為二進制的符號間隔，基帶的發(fā)送成形濾波器的沖激響應，通常具有升余弦特性；是調制載波的頻率，是調制載波的初始相位。用 BPSK 調制方式時，因為發(fā)送端以*一個相位作為基準，所以在接收端也一定有這樣一個固定的基準相位作為參考。假設參考相位發(fā)生變化了，則接收端恢復的信息

10、也會出錯，也就是存在倒現象。因此需要在接收端使用載波同步，才能夠正確恢復出基帶的信號。BPSK信號的調制原理框圖如圖2-1所示，典型波形如圖2-2所示。圖2-1 BPSK調制原理圖圖圖2-2 發(fā)送碼元為1 0 0 1 1的BPSK波形BPSK信號的頻譜如圖2-3所示，可以計算頻譜效率，所謂頻譜效率是指信號傳輸速率與所占帶寬之比。在BPSK中，信元為，故信號傳輸速率為，以頻譜的主瓣寬度為傳輸帶寬，忽略旁瓣的影響，則射頻帶寬為2/，頻譜效率為：每赫 即每赫茲帶寬傳輸0.5b/s。注意，這里是以射頻帶寬計算的，假設以基帶帶寬來計算，那就是每赫茲1 b/s。圖2-3 BPSK的頻譜BPSK的調制器非常

11、簡單，只要把數字信號與載波相乘即可。不過這里數字信號的0要用-1來表示在數字通信中，符號1用+1來表示，0則用-1來表示。由圖2-3可見，BPSK波形與信息代碼之間的關系是異變同不變，即：假設本碼元與前一碼元相異，則本碼元BPSK信號的初相相對于前一碼元BPSK信號末相變化180；否則不變。2.3.2 BPSK 信號解調原理因為BPSK信號的幅度與基帶信號無關，故不能用包絡檢波法而只能用相干解調法解調BPSK信號，在相干解調過程中需要用到與接收的BPSK信號同頻同相的相干載波,相干接收機模型如圖2-4所示：圖2-4 BPSK相干接收機模型具體的BPSK信號解調原理框圖如圖2-5所示。帶通濾波器

12、相乘器 低通濾波器抽樣判決圖2-5 BPSK解調原理框圖如圖2-5給出了一種BPSK信號相干解調原理框圖，圖中經過帶通濾波的信號在相乘器與本地載波相乘，在相干解調中，如何得到與接收的BPSK信號同頻同相的相干載波是關鍵，然后用低通濾波器去除高頻分量，再進展積分采樣判決，判決器是按極性進展判決，得到最終的二進制信息。假設相干載波的基準相位于BPSK信號的調制載波的基準相位一致。但是，由于在BPSK信號的載波恢復過程中存在的相位迷糊phase ambiguity，即恢復的本地載波與所需的相干載波可能同相，也可能反相，這種相位關系的不確定性將會造成解調出數字基帶信號與發(fā)送的數字基帶信號正好相反，即1

13、變?yōu)?，0變?yōu)?，判決器輸出數字信號全部出錯。這種現象稱為BPSK方式的倒現象。載波同步器從BPSK信號中提取的相干載波可能與接收信號的載波同相，也可能反相，稱此為相干載波的相位模糊現象。如果收到的信號與載波信號同相，則相乘為正值，積分采樣后必為一大于0的值，即可判決為1。如果收到的信號與參考信號相反，則相乘之后必為負值，積分采樣后判決為0，因此解調完成。具體波形如圖2-6所示。圖2-6 BPSK解調信號示意圖三、MATLAB簡介 MATLAB軟件是美國Math works公司的產品，MATLAB是英文MATRI*LABORAT -ORY(矩陣實驗室)的縮寫。MATLAB軟件系列產品是一套高效

14、強大的工程技術數值運算和系統仿真軟件，廣泛應用于當今的航空航天、汽車制造、半導體制造、電子通信、醫(yī)學研究、財經研究和高等教育等領域，被譽為巨人肩膀上的工具。研發(fā)人員借助MATLAB軟件能迅速測試設想設想，綜合評測系統性能，快速設計更好方案來確保更高技術要求。同時MATLAB也是國家教委重點提倡的一種計算工具。 MATLAB主要由C語言編寫而成，采用LAPACK 為底層支持軟件包。 MATLAB的編程非常簡單，它有著比其他任何計算機高級語言更高的編程效率、更好的代碼可讀性和移植性，以致被譽為第四代計算機語言，MATLAB是所有MATHWORKS公司產品的數值分析和圖形根底環(huán)境。此外MATLAB

15、還擁有強大的2D和3D甚至動態(tài)圖形的繪制功能，這樣用戶可以更直觀、更迅速的進展多種算法的比擬，從中找出最好的方案。從通信系統分析與設計、濾波器設計、信號處理、小波分析、神經網絡到控制系統、模糊控制等方面來看，MATLAB提供了大量的面向專業(yè)領域的工具箱。通過工具箱，以往需要復雜編程的算法開發(fā)任務往往只需一個函數就能實現，而且工具箱是開放的可擴展集，用戶可以查看或修改其中的算法，甚至開發(fā)自己的算法。目前， MATLAB已經廣泛地應用于工程設計的各個領域，如電子、通信等領域；它已成為國際上最流行的計算機仿真軟件設計工具?，F在的MATLAB不再僅僅是一個矩陣實驗室，而是一種實用的、功能強大的、不斷更

16、新的高級計算機編程語言?，F在從電子通信、自動控制圖形分析處理到航天工業(yè)、汽車工業(yè)，甚至是財務工程。MATLAB都憑借其強大的功能獲得了極大的用武之地。廣闊學生可以使用MATLAB來幫助進展信號處理、通信原理、線性系統、自動控制等課程的學習；科研工作者可以使用MATLAB進展理論研究和算法開發(fā)；工程師可以使用MATLAB進展系統級的設計與仿真。四、BPSK調制解調的MATLAB仿真4.1 BPSK調制的數學模型由于BPSK的兩種碼元的波形一樣，極性相反，故BPSK信號可以表述為一個雙極性全占空矩形脈沖序列與一個正弦載波的相乘： 其中，即s(t)為雙極性全占空(非歸零)矩形脈沖序列。4.2 BPS

17、K解調的原理由于PSK信號本身就是利用相位傳遞信息的，所以在接收端必須利用信號的相位信息采用相干解調法來解調信號。4.3 實驗程序clear allclose allclcnum=10; %碼元個數tnum=200;%碼元長度N=num*tnum;%10個碼元整體長度a=randint(1,num,2); %產生1行num列的矩陣，矩陣0和1隨機出現fc=0.5; %載波頻率為0.5t=0:0.05:9.99;%t從0到9.99，間隔為0.05s=;c=;for i=1:num %i從1到10循環(huán) if(a(i)=0) A=zeros(1,tnum); %i=0時，產生一個碼元長度為tnum2

18、00的0碼元 else A=ones(1,tnum); %i=1時，產生一個碼元長度為tnum200的1碼元 end s=s A; %s為隨機基帶信號 cs=sin(2*pi*fc*t); c=c cs; %c為載波信號end%采用模擬調制方法得到調制信號s_NRZ=;for i=1:num %i從1到num10循環(huán) if(a(i)=0) A=ones(1,tnum); %i=0時，產生一個碼元長度為tnum200的1碼元 else A=-1*ones(1,tnum); %i非0時，產生一個碼元長度為tnum200的-1碼元 end s_NRZ=s_NRZ,A; %s_NRZ為雙極性非歸零碼e

19、nde=s_NRZ.*c; %e為BPSK調制信號figure(1); %圖1subplot(3,2,1); %圖1分為32局部的第一局部plot(s); %作s基帶信號的波形圖grid on;a*is(0 N -2 2); %橫軸長度為0到N，縱軸圍為-2到+2*label(基帶信號s(t); %*軸的注釋ylabel(基帶信號幅值); %y軸的注釋subplot(323);plot(c);grid on;a*is(0 N -2 2);*label(BPSK載波信號);ylabel(BPSK載波信號幅值); %作cBPSK載波信號的波形圖subplot(325);plot(e);grid o

20、n;a*is(0 N -2 2);*label(BPSK調制信號);ylabel(BPSK調制信號幅值); %作eBPSK調制信號的波形圖%信號的頻譜Fs=200; %采樣頻率n=length(s); %基帶信號長度f=0:Fs/n:Fs-Fs/n-Fs/2; %修正頻率f的圍S=fft(s); %基帶信號s的快速傅里葉變換E=fft(e); %基帶信號e的快速傅里葉變換C=fft(c); %基帶信號c的快速傅里葉變換subplot(322);plot(f,abs(fftshift(S); %基帶信號的頻譜title(基帶信號頻譜);*label(f/hz);ylabel(S(w); grid

21、 on;subplot(324);plot(f,abs(fftshift(C); %載波信號的頻譜title(載波信號頻譜);*label(f/hz);ylabel(C(w); grid on;subplot(326);plot(f,abs(fftshift(E); %調制信號的頻譜title(調制信號頻譜);*label(f/hz);ylabel(E(w); grid on;%加高斯噪聲am=0.7; %輸入信號經信道后振幅由1衰減為0.7SNR=5; %輸入信噪比snr=10(SNR/10);N0=(am*am)/2/snr; %計算噪聲功率N0_db=10*log10(N0); %將噪聲

22、功率轉換為dBWni=wgn(1,N,N0_db); % 產生1行N列的高斯噪聲yi=e+ni; %BSK已調信號中參加白噪聲，輸入信噪比為SNRfigure(2);subplot(2,1,1);plot(yi);grid on;*label(參加高斯白噪聲的已調信號yi(t);%帶通濾波器b1,a1 = butter(3,2*pi*0.0001,2*pi*0.01); %計算帶通濾波器的H(z)系數y=filter(b1,a1,yi); %對信號yi進展濾波，得到信號yfigure(2);subplot(2,1,2);plot(y);grid on;*label(經帶通濾波器后信號);%與恢

23、復載波相乘*1=2*c.*y;figure(3);subplot(2,1,1);plot(*1);grid on*label(與恢復載波相乘后的信號*1(t);%低通濾波器b2,a2=butter(2,0.005); %計算H(z)系數 ，頻率為(1/200)*=filter(b2,a2,*1); %對信號*1濾波，得到信號*figure(3);subplot(2,1,2);plot(*);grid ona*is(0 N -2 2);*label(經低通濾波器后信號波形)%抽樣判決*=fun_panjue(*);%調用函數，進展抽樣判決figure(4);subplot(2,1,1);plot

24、(*);grid on;*label(加噪后解調信號*(t);a*is(0 N -2 2);%消除延遲*=fun_yanc(*); %調用函數，進展消除延遲figure(4);subplot(2,1,2);plot(*);grid on;*label(加噪后去掉延遲的解調信號*(t);a*is(0 N -2 2);%誤碼率計算Err1=length(find(*=s) %計算解調信號中錯誤碼元個數Pe_test1=Err1/N %計算實際誤碼率Pe1=(1/2)*erfc(sqrt(snr) %計算系統理論誤碼率% 理論誤碼率曲線Pe=;for SNR=1:10 am=0.7; %輸入信號經信

25、道后振幅由1衰減為0.7E=am*am/2; snr=10(SNR/10); N0=(am*am)/(2*snr); no=N0/(2*200); %計算噪聲功率 N0_db=10*log10(N0);%將噪聲功率轉換為dBW ni=wgn(1,N,N0_db);% 產生1行N列的高斯噪聲yi=e+ni; %BSK已調信號中參加白噪聲，輸入信噪比為SNR y=filter(b1,a1,yi);%對yi進展濾波(帶通濾波器)，得到信號y *1=2*c.*y; %與恢復載波相乘 *=filter(b2,a2,*1); %經低通濾波器濾波 *=fun_panjue(*);%抽樣判決 *=fun_ya

26、nc(*); %消除延遲 snr=10(SNR/10); Pe=Pe,(1/2)*erfc(sqrt(snr); %計算理論誤碼率endPe;figure;SNR=1:10;semilogy(SNR,Pe,b-);hold on %以log10(Pe)為縱坐標畫圖grid on子程序一：抽樣判決由于存在倒pi現象，故以0為基準進展判決，大于0，判為0；小于0，判為1function w=fun_panjue(w)N=length(w);if w(100)0 w(1:100)=0;else w(1:100)=1;endfor i=101:N if w(i)0;w(i)=0; else w(i)=

27、1; endend子函數二：消除延遲由于抽樣判決后會產生延遲，故認為對解調信號進展時移，以減小甚至消除延遲，便于與基帶信號進展比擬，計算實際誤碼率function m=fun_yanc(m)N=length(m);leng=0;if m(1)=0 for i=1:N if m(i)=1leng=i; break; end endelse for i=1:N if m(i)=0 leng=i; break; end endendleng1=leng-(floor(leng/200)*200;for i=1:(N-leng1)m(i)=m(i+leng1);endfor i=(N-leng1):N

28、 m(i)=m(N-200+10);end4.4仿真波形圖：圖7 基帶信號、載波信號和調制信號時域及頻域波形圖圖8 參加白噪聲及帶通濾波后的波形圖9 圖10圖11 誤碼率曲線Err1 = 1910Pe_test1 = 0.9550Pe1 = 0.0060總體系能分析 信道噪聲對系統性能的主要影響是在接收信號中引入了比特過失。在二進制系統中,比特過失率表現為將符號1誤認為0,或將符號0誤認為符號1。很明顯比特過失的頻率越高,接收機的輸出信號與原始信息之間的差異就越大。在存在信道噪聲的情況下,可以用平均符號過失概率來衡量二進制信息傳輸的逼真度。平均符號過失概率的定義為,接收機輸出的重構符號與所傳輸

29、的二進制不一樣的平均概率。在原始二進制波形中的所有比特均具有一樣重要性的條件下,平均符號過失概率又稱為誤比特率(BER)。但是,在重構原始消息信號的模擬波形時,不同的符號過失可能需要區(qū)別對待。例如碼字(表示消息信號的量化抽樣值) 中重要的比特發(fā)生的錯誤要比不重要的比特發(fā)生的錯誤有害得多。六、設計總結 BPSK，把模擬信號轉換成數據值的轉換方式之一，利用偏離相位的復數波浪組合來表現信息鍵控移相方式。BPSK使用了基準的正弦波和相位反轉的波浪，使一方為0，另一方為1，從而可以同時傳送承受2值得信息。由于最單純的鍵控移相方式雖抗噪較強但傳送效率差，所以常常使用利用4個相位的QPSK和利用8個相位的8PSK。 總體來說這次實驗的原理比擬困難，但是轉換為編程還是費了不少時間和精力的，特別是里邊的一些算法，在C語言中要通過假設干行代碼才能實現，在MATLAB中一個函數就實現了，我為此還請教了同學，MATLAB的真的是又實用又方便，具有巨大的魅力，以后還要努力學習，爭取連考試過了，然后再好好學習MATLAB，爭取在MATLAB上取得一些成績。 通信原理是通信專業(yè)的一門主干技術根底課，通過該門課程的學習，使我們掌握確定信號調制解調原理的特性，信號的傳輸的特性，確定信號的發(fā)送與接收的根本方法以及*些典型系統引出的一些重要的根本概念。 本設計要求采用Matlab實現對