數(shù)字通信系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)

1、三峽大學(xué)數(shù)字通信系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)基于matlab的2psk調(diào)制與解調(diào)系統(tǒng)學(xué) 院： 計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院 學(xué) 號(hào)： 2010156203 班級(jí)序號(hào)： 72 姓 名： 蔡紅亮 指導(dǎo)老師： 夏平 日 期： 2013年1月2日 數(shù)字通信系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)題 目基于matlab的2psk調(diào)制與解調(diào)系統(tǒng)設(shè) 計(jì)目 的1、綜合應(yīng)用信號(hào)與系統(tǒng)、隨機(jī)信號(hào)分析、通信原理等課程知識(shí)，使學(xué)生建立通信系統(tǒng)的整體概念；2、培養(yǎng)學(xué)生系統(tǒng)設(shè)計(jì)與系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的思想；3、培養(yǎng)學(xué)生利用matlab軟件平臺(tái)進(jìn)行通信系統(tǒng)仿真的能力。設(shè) 計(jì)要 求1、每人一組，完成指定設(shè)計(jì)問(wèn)題的系統(tǒng)詳細(xì)功能；2、對(duì)通信系統(tǒng)有整體的較深入的理解，深入理解設(shè)計(jì)系統(tǒng)的基本原

2、理，畫(huà)出組成的每個(gè)通信子系統(tǒng)的原理框圖；3、提出設(shè)計(jì)方案；4、完成仿真軟件的編制；5、在matlab仿真平臺(tái)上，實(shí)現(xiàn)仿真系統(tǒng)正常運(yùn)行；6、提交詳細(xì)的設(shè)計(jì)報(bào)告。主 要設(shè) 備計(jì)算機(jī)1臺(tái)，matlab仿真軟件一套。主要參考文獻(xiàn)1 張輝，曹麗娜等. 現(xiàn)代通信原理與技術(shù)（第三版）.西安電子科技大學(xué)出版社，2009.2 周炯槃等. 通信原理(第三版). 北京郵電大學(xué)出版社，2005. 3 樊昌信. 通信原理（第五版）.國(guó)防工業(yè)出版社，2006.4 曹志剛等.現(xiàn)代通信原理. 清華大學(xué)出版社，1992.5 leon w. couch. digital and analog communication syst

3、ems(影印第5版). 清華大學(xué)出版社，1999 .6 stephen g. wilson. digital modulation and coding（影印版）.電子工業(yè)出版社，1998.課程設(shè)計(jì)進(jìn)度安排（起止時(shí)間、工作內(nèi)容）目 錄一、課程設(shè)計(jì)主要內(nèi)容二、系統(tǒng)設(shè)計(jì)的原理三、課程設(shè)計(jì)思路及過(guò)程四、課程設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果五、課程設(shè)計(jì)結(jié)果分析六、參考文獻(xiàn) 七、附錄1、 課程設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容了解并掌握數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng)2psk的調(diào)制與解調(diào)系統(tǒng)，通過(guò)matlab來(lái)實(shí)現(xiàn)整個(gè)通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，進(jìn)一步加深對(duì)2psk系統(tǒng)的理解，并熟練掌握matlab語(yǔ)言。2、 課程設(shè)計(jì)原理數(shù)字信號(hào)的傳輸方式分為基帶傳輸和帶通傳輸，在實(shí)際

4、應(yīng)用中，大多數(shù)信道具有帶通特性而不能直接傳輸基帶信號(hào)。為了使數(shù)字信號(hào)在帶通信道中傳輸，必須使用數(shù)字基帶信號(hào)對(duì)載波進(jìn)行調(diào)制，以使信號(hào)與信道的特性相匹配。這種用數(shù)字基帶信號(hào)控制載波，把數(shù)字基帶信號(hào)變換為數(shù)字帶通信號(hào)的過(guò)程稱為數(shù)字調(diào)制。數(shù)字調(diào)制技術(shù)的兩種方法：利用模擬調(diào)制的方法去實(shí)現(xiàn)數(shù)字式調(diào)制，即把數(shù)字調(diào)制看成是模擬調(diào)制的一個(gè)特例，把數(shù)字基帶信號(hào)當(dāng)作模擬信號(hào)的特殊情況處理；利用數(shù)字信號(hào)的離散取值特點(diǎn)通過(guò)開(kāi)關(guān)鍵控載波，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)字調(diào)制。這種方法通常稱為鍵控法，比如對(duì)載波的相位進(jìn)行鍵控，便可獲得相移鍵控（psk）基本的調(diào)制方式。 乘法器)(2tspsk雙極性不歸零t0wcos)(tf碼型變換單/雙 圖-

5、1模擬調(diào)制的方法tcwcos)(tf)(2tspsk開(kāi)關(guān)電路移相01800p 圖-2相移鍵控方法調(diào)制過(guò)程：數(shù)字調(diào)相：如果兩個(gè)頻率相同的載波同時(shí)開(kāi)始振蕩，這兩個(gè)頻率同時(shí)達(dá)到正最大值，同時(shí)達(dá)到零值，同時(shí)達(dá)到負(fù)最大值，它們應(yīng)處于同相狀態(tài)；如果其中一個(gè)開(kāi)始得遲了一點(diǎn)，就可能不相同了。如果一個(gè)達(dá)到正最大值時(shí)，另一個(gè)達(dá)到負(fù)最大值，則稱為反相。一般把信號(hào)振蕩一次（一周）作為360度。如果一個(gè)波比另一個(gè)波相差半個(gè)周期，我們說(shuō)兩個(gè)波的相位差180度，也就是反相。當(dāng)傳輸數(shù)字信號(hào)時(shí)，1碼控制發(fā)0度相位，0碼控制發(fā)180度相位。載波的初始相位就有了移動(dòng)，也就帶上了信息。相移鍵控：利用載波的相位變化來(lái)傳遞數(shù)字信息，而振

6、幅和頻率保持不變。在2psk中，通常用初始相位0和分別表示二進(jìn)制“1”和“0”。因此，2psk信號(hào)的時(shí)域表達(dá)式為 (t)=acos其中，表示第n個(gè)符號(hào)的絕對(duì)相位：= 因此，上式可以改寫(xiě)為 當(dāng)碼元寬度和載波周期相等時(shí)，2psk調(diào)制波形如下： 圖-3 2psk調(diào)制波形解調(diào)過(guò)程2psk信號(hào)的解調(diào)方法是相干解調(diào)法。由于psk信號(hào)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(hào)的相位信息來(lái)解調(diào)信號(hào)。下圖2-3中給出了一種2psk信號(hào)相干接收設(shè)備的原理框圖。圖中經(jīng)過(guò)帶通濾波的信號(hào)在相乘器中與本地載波相乘，然后用低通濾波器濾除高頻分量，在進(jìn)行抽樣判決。判決器是按極性來(lái)判決的。即正抽樣值判為1，負(fù)抽樣值判

7、為0.圖-4 2psk相干解調(diào)系統(tǒng)框圖0101sttabcd0tttte00110 圖-5 2psk信號(hào)相干解調(diào)各點(diǎn)時(shí)間波形可見(jiàn)，2psk信號(hào)相干解調(diào)的過(guò)程實(shí)際上是輸入已調(diào)信號(hào)與本地載波信號(hào)進(jìn)行極性比較的過(guò)程，故常稱為極性比較法解調(diào)。 由于2psk信號(hào)實(shí)際上是以一個(gè)固定初相的末調(diào)載波為參考的，因此，解調(diào)時(shí)必須有與此同頻同相的同步載波。如果同步載波的相位發(fā)生變化，如0相位變?yōu)橄辔换蛳辔蛔優(yōu)?相位，則恢復(fù)的數(shù)字信息就會(huì)發(fā)生“0”變“1”或“1”變“0”，從而造成錯(cuò)誤的恢復(fù)。這種因?yàn)楸镜貐⒖驾d波倒相，而在接收端發(fā)生錯(cuò)誤恢復(fù)的現(xiàn)象稱為“倒”現(xiàn)象或“反向工作”現(xiàn)象。絕對(duì)移相的主要缺點(diǎn)是容易產(chǎn)生相位模糊，

8、造成反向工作。這也是它實(shí)際應(yīng)用較少的主要原因。 三、課程設(shè)計(jì)思路及過(guò)程本課題主要是通過(guò)matlab來(lái)實(shí)現(xiàn)整個(gè)2psk系統(tǒng)，在用matlab語(yǔ)言編程的時(shí)候主要分為以下幾個(gè)模塊。模塊一、通過(guò)碼型變換產(chǎn)生雙極性數(shù)字基帶信號(hào)，首先調(diào)用matlab函數(shù)產(chǎn)生一組隨機(jī)序列，然后將離散的隨機(jī)序列變換成單極性的二進(jìn)制數(shù)字基帶信號(hào)，將單極性信號(hào)取反并與上面信號(hào)相減即可得到我們所需要的二進(jìn)制雙極性數(shù)字基帶信號(hào)，生成的二進(jìn)制信號(hào)帶寬為1。模塊二、載波信號(hào)的產(chǎn)生，采用的載頻為10hz，所以基帶信號(hào)周期是載波周期的10倍，載波振幅為1。模塊三、通過(guò)模擬調(diào)制的方法得到2psk信號(hào)：（ 注：在這設(shè)置載波信號(hào)的初相為0）模塊四

9、、已調(diào)信號(hào)通過(guò)信道傳輸，通過(guò)matlab函數(shù)產(chǎn)生一個(gè)隨機(jī)信號(hào)來(lái)模擬高斯白噪聲，并與已調(diào)信號(hào)相加，在這里我們只考慮加性噪聲，不考慮乘型噪聲。模塊五、相干解調(diào)過(guò)程（注：這里沒(méi)有載波提取過(guò)程，而是直接用本地載波去與已調(diào)信號(hào)相乘）模塊六、用matlab來(lái)設(shè)計(jì)理想的巴特沃斯低通濾波器模塊七、根據(jù)位同步信號(hào)進(jìn)行抽樣判決模塊八、2psk信號(hào)的頻譜分析模塊九、采用窗函數(shù)方法對(duì)信號(hào)進(jìn)行功率譜密度分析4、 課程設(shè)計(jì)的試驗(yàn)結(jié)果1、2psk調(diào)制、解調(diào)系統(tǒng)信號(hào)波形圖圖-6二進(jìn)制數(shù)字基帶信號(hào)與載波信號(hào) 圖-7 2psk信號(hào)與接收機(jī)接收到的信號(hào)波形圖-8通過(guò)解調(diào)、低通輸出波形圖-9判決輸出波形將抽樣輸出的基帶信號(hào)波形與原信

10、號(hào)相比較可以發(fā)現(xiàn)兩個(gè)信號(hào)波形完全相同，說(shuō)明整個(gè)2psk的調(diào)制、解調(diào)系統(tǒng)是正確的。五、課程設(shè)計(jì)結(jié)果分析1、2psk調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)頻譜分析數(shù)字基帶信號(hào)為二進(jìn)制非歸零碼，所以它的傅里葉變換應(yīng)該是門(mén)函數(shù)，信號(hào)帶寬為1/ts，其頻譜圖-9。載波信號(hào)為正弦信號(hào)，載頻為10hz，其頻譜如下。圖-9 數(shù)字基帶信號(hào)與載波信號(hào)頻譜2psk信號(hào)的實(shí)質(zhì)為基帶信號(hào)與載波相乘的結(jié)果，所以2psk的信號(hào)頻譜是基帶信號(hào)頻譜的線性搬移，中心頻率為fc.，帶寬為基帶信號(hào)帶寬的兩倍，如圖-10，2psk信號(hào)通過(guò)信道后，加上了高斯白噪聲，其頻譜如下。圖-10 2psk信號(hào)與接收機(jī)接收的信號(hào)頻譜相干解調(diào)實(shí)質(zhì)是將已調(diào)信號(hào)與提取的載波信號(hào)相

11、乘，所以解調(diào)輸出的信號(hào)的頻率成分包括基帶信號(hào)頻率和2倍的載頻信號(hào)和噪聲如圖-11，通過(guò)低通濾波器后，高頻成分被慮掉，剩下基帶信號(hào)和部分噪聲。圖-11 解調(diào)輸出與低通輸出的信號(hào)頻譜圖-12 判決輸出信號(hào)頻譜與基帶信號(hào)頻譜通過(guò)比較判決輸出信號(hào)的頻譜和基帶信號(hào)頻譜，得出結(jié)論，2psk的調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)是正確的。2、 各階段信號(hào)功率譜密度分析 圖-12 2psk功率譜密度3、“倒”現(xiàn)象分析 在相干解調(diào)之前，需要根據(jù)已調(diào)信號(hào)來(lái)提取載波信號(hào)，如果同步載波的相位發(fā)生變化，則恢復(fù)的數(shù)字信息就會(huì)發(fā)生“0”變“1”或“1”變“0”，從而造成錯(cuò)誤的恢復(fù)。這種因?yàn)楸镜貐⒖驾d波倒相。所以在實(shí)際應(yīng)用中多采用2dpsk調(diào)制

12、解調(diào)系統(tǒng)，可以防止“倒”現(xiàn)象的發(fā)生。在matlab程序中，只用將提取的載波加上90度的相位偏移即可看到“倒”現(xiàn)象。 六、參考文獻(xiàn)1 張輝，曹麗娜等. 現(xiàn)代通信原理與技術(shù)（第三版）.西安電子科技大學(xué)出版社，2009.2 周炯槃等. 通信原理(第三版). 北京郵電大學(xué)出版社，2005. 3 樊昌信. 通信原理（第五版）.國(guó)防工業(yè)出版社，2006.4 曹志剛等.現(xiàn)代通信原理. 清華大學(xué)出版社，1992.5 leon w. couch. digital and analog communication systems(影印第5版). 清華大學(xué)出版社，1999 .6 stephen g. wilson.

13、 digital modulation and coding（影印版）.電子工業(yè)出版社，1998. 七、附錄 程序代碼實(shí)現(xiàn)：clear allclose alli=20;j=5000;t=linspace(0,20,5000);%在0到20之間等分成5000個(gè)點(diǎn)% % 功能實(shí)現(xiàn)模塊一：產(chǎn)生隨機(jī)二進(jìn)制數(shù)字基帶信號(hào) %rem=round(rand(1,i);%調(diào)用函數(shù)產(chǎn)生隨機(jī)序列signal1=t;%將離散的的隨機(jī)序列轉(zhuǎn)變成連續(xù)的單極性二進(jìn)制碼元for n=1:20 if rem(n)=1; signal2(k)=0; else signal2(k)=1; endend;signal3=signa

14、l1-signal2;%將兩個(gè)單極性數(shù)字基帶信號(hào)相減即可獲得雙極性二進(jìn)制數(shù)字基帶信號(hào)subplot(312);plot(250*t,signal3);title(雙極性二進(jìn)制數(shù)字基帶信號(hào));axis(0,5000,-2,2);grid on;% 功能實(shí)現(xiàn)模塊二：產(chǎn)生載波信號(hào) % 載波周期與碼元寬度相同且均為1 %fc=10;%載波頻率為10hzs=sin(2*pi*fc*t); subplot(313);plot(s);title(載波信號(hào)波形);axis(0 5000 -1 1);grid on;% 功能實(shí)現(xiàn)模塊三：2psk調(diào)制部分:基帶信號(hào)與載波相乘 %psk=signal3.*s;fig

15、ure(2);subplot(211);plot(t*250,psk);title(已調(diào)信號(hào)波形);axis(0,5000,-2,2);% 功能實(shí)現(xiàn)模塊四：調(diào)制信號(hào)通過(guò)信道傳輸產(chǎn)生加性噪聲 %noise=rand(1,j);y1=psk+noise;%模擬加性噪聲subplot(212);plot(y1);axis(0,5000,-1,2);title(加噪后的波形);% 功能實(shí)現(xiàn)模塊五：相干解調(diào)實(shí)現(xiàn)過(guò)程 %y2=y1.*s;%接收機(jī)收到信號(hào)輸入乘法器與載波信號(hào)相乘figure(3)subplot(211);plot(y2);title(解調(diào)輸出波形);grid;% 功能實(shí)現(xiàn)模塊六：通過(guò)巴特沃

16、斯低通濾波器 %fp=100;fs=200;rp=3;rs=20;fn=10000;%設(shè)計(jì)巴特沃斯低通濾波器的參數(shù) ws=fs/(fn/2); wp=fp/(fn/2);%計(jì)算歸一化角頻率n,wn=buttord(wp,ws,rp,rs);%計(jì)算階數(shù)和截止頻率b,a=butter(n,wn);y3=2*filter(b,a,y2);subplot(212);plot(y3);title(經(jīng)低通濾波器后的輸出信號(hào)波形);grid on;% 功能實(shí)現(xiàn)模塊七：根據(jù)位同步信號(hào)進(jìn)行抽樣判決 %y4=linspace(0,19);y4=0;for n=1:20; if y3(n*250)0; y4(n)=

17、1; else y4(n)=-1; endendfigure(4)subplot(211);stem(y4);axis(0 20 -2 2);title(抽樣后得到的離散采樣值);grid on;xlabel(時(shí)間/s);y5=t;for n=1:20 if y4(n)1; for m=j/i*(n-1)+1:j/i*n y5(m)=-1; end else for m=j/i*(n-1)+1:j/i*n y5(m)=1; end endendsubplot(212);plot(y5);axis(0 5000 -2 2);grid on;title(抽樣判決輸出基帶信號(hào));xlabel(采樣點(diǎn)

18、數(shù));% 功能實(shí)現(xiàn)模塊八：各階段信號(hào)頻譜分析 %fs=250;n=1024; %采樣頻率和數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)n=0:n-1;t=n/fs; %時(shí)間序列y=fft(signal3,n);%對(duì)信號(hào)進(jìn)行快速fourier變換mag=abs(y);%求取fourier變換的振幅f=n*fs/n;figure(5);subplot(211)plot(f(1:n/2),mag(1:n/2);axis(0 50 0 500);xlabel(頻率/hz);ylabel(振幅);title(基帶信號(hào)頻譜（n=1024）);grid on; fs=250;n=1024;n=0:n-1;t=n/fs;y=fft(s,n);%

19、對(duì)信號(hào)進(jìn)行快速fourier變換mag=abs(y);%求取fourier變換的振幅f=n*fs/n;subplot(212)plot(f(1:n/2),mag(1:n/2);axis(0 50 0 500);xlabel(頻率/hz);ylabel(振幅);title(載波信號(hào)頻譜（n=1024);grid on; fs=250;n=1024;n=0:n-1;t=n/fs;y=fft(psk,n);%對(duì)信號(hào)進(jìn)行快速fourier變換mag=abs(y);%求取fourier變換的振幅f=n*fs/n;figure(6)subplot(211)plot(f(1:n/2),mag(1:n/2);

20、axis(0 50 0 500);xlabel(頻率/hz);ylabel(振幅);title(2psk信號(hào)頻譜（n=1024);grid on; fs=250;n=1024;n=0:n-1;t=n/fs;y=fft(y1,n);%對(duì)信號(hào)進(jìn)行快速fourier變換mag=abs(y);%求取fourier變換的振幅f=n*fs/n;subplot(212)plot(f(1:n/2),mag(1:n/2);axis(0 50 0 500);xlabel(頻率/hz);ylabel(振幅);title(接收機(jī)接收到的信號(hào)頻譜（n=1024);grid on; fs=250;n=1024;n=0:n

21、-1;t=n/fs;y=fft(y2,n);%對(duì)信號(hào)進(jìn)行快速fourier變換mag=abs(y);%求取fourier變換的振幅f=n*fs/n;figure(7)subplot(211)plot(f(1:n/2),mag(1:n/2);axis(0 50 0 500);xlabel(頻率/hz);ylabel(振幅);title(解調(diào)輸出信號(hào)頻譜（n=1024);grid on; fs=250;n=1024;n=0:n-1;t=n/fs;y=fft(y3,n);%對(duì)信號(hào)進(jìn)行快速fourier變換mag=abs(y);%求取fourier變換的振幅f=n*fs/n;subplot(212)p

22、lot(f(1:n/2),mag(1:n/2);axis(0 50 0 500);xlabel(頻率/hz);ylabel(振幅);title(低通輸出信號(hào)頻譜（n=1024);grid on; fs=250;n=1024;n=0:n-1;t=n/fs;y=fft(y5,n);%對(duì)信號(hào)進(jìn)行快速fourier變換mag=abs(y);%求取fourier變換的振幅f=n*fs/n;figure(8)subplot(211)plot(f(1:n/2),mag(1:n/2);axis(0 50 0 500);xlabel(頻率/hz);ylabel(振幅);title(抽樣判決輸出信號(hào)頻譜（n=10

23、24);grid on; fs=250;n=1024; %采樣頻率和數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)n=0:n-1;t=n/fs; %時(shí)間序列y=fft(signal3,n);%對(duì)信號(hào)進(jìn)行快速fourier變換mag=abs(y);%求取fourier變換的振幅f=n*fs/n;subplot(212)plot(f(1:n/2),mag(1:n/2);axis(0 50 0 500);xlabel(頻率/hz);ylabel(振幅);title(基帶信號(hào)頻譜（n=1024）);grid on;% 功能實(shí)現(xiàn)模塊九：各階段信號(hào)功率譜密度分析 %fs=1000; n=0:1/fs:1; nfft=1024; window=hamming(100); %海明窗noverlap=20; %數(shù)據(jù)無(wú)重疊 range=half;