武漢理工大學(xué)基于MATLAB的二進(jìn)制移相鍵控(2PSK)調(diào)制與解調(diào)

1、武漢理工大學(xué)信號(hào)分析處理課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)課程設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)學(xué)生姓名： 專業(yè)班級(jí)： 指導(dǎo)教師： 工作單位： 題 目：信號(hào)分析處理課程設(shè)計(jì)基于MATLAB的二進(jìn)制移相鍵控（2PSK）調(diào)制與解調(diào)分析初始條件：1. Matlab6.5以上版本軟件；2. 先修課程：通信原理等；要求完成的主要任務(wù)：（包括課程設(shè)計(jì)工作量及其技術(shù)要求，以及說(shuō)明書(shū)撰寫等具體要求）1、 利用MATLAB中的simulink工具箱中的模塊進(jìn)行二進(jìn)制移相鍵控（2PSK）調(diào)制與解調(diào)，觀察波形變化；2、 畫(huà)出程序設(shè)計(jì)框圖，編寫程序代碼，上機(jī)運(yùn)行調(diào)試程序，記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果（含計(jì)算結(jié)果和圖表等），并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析和總結(jié)；3、 課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)按學(xué)校

2、統(tǒng)一規(guī)范來(lái)撰寫，具體包括： 目錄； 理論分析； 程序設(shè)計(jì)； 程序運(yùn)行結(jié)果及圖表分析和總結(jié)； 課程設(shè)計(jì)的心得體會(huì)（至少800字，必須手寫。）； 參考文獻(xiàn)（不少于5篇）。時(shí)間安排：周一、周二查閱資料，了解設(shè)計(jì)內(nèi)容； 周三、周四程序設(shè)計(jì)，上機(jī)調(diào)試程序；周五、整理實(shí)驗(yàn)結(jié)果，撰寫課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)。指導(dǎo)教師簽名： 年 月 日系主任（或責(zé)任教師）簽名： 年 月 日25目錄1 理論分析11.1基礎(chǔ)知識(shí)11.2二進(jìn)制相移鍵控基本原理11.3二進(jìn)制相移鍵控調(diào)制21.4二進(jìn)制相移鍵控解調(diào)42 程序設(shè)計(jì)與仿真模型建立62.1設(shè)計(jì)與仿真基礎(chǔ)62.2程序設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)72.3 Simulink仿真模型建立123 程序運(yùn)行結(jié)果與仿

3、真結(jié)果193.1程序運(yùn)行結(jié)果與分析193.2 Simulink仿真結(jié)果與分析204 心得體會(huì)22參考文獻(xiàn)241 理論分析1.1基礎(chǔ)知識(shí)數(shù)字信號(hào)的傳輸方式分為基帶傳輸和帶通傳輸。然而，實(shí)際中的大多數(shù)信道（如無(wú)線信道）因具有帶通特性而不能直接傳送基帶信號(hào)，這是因?yàn)閿?shù)字基帶信號(hào)往往具有豐富的低頻分量。為了使數(shù)字信號(hào)在帶通信道中傳輸，必須用數(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)（已調(diào)信號(hào)）的過(guò)程稱為數(shù)字調(diào)制。在接收端通過(guò)解調(diào)器把帶通信號(hào)還原成數(shù)字基帶信號(hào)的過(guò)程稱為數(shù)字解調(diào)。通常把包括調(diào)制和解調(diào)過(guò)程的數(shù)字傳輸系統(tǒng)叫做數(shù)字帶通傳

4、輸系統(tǒng)。1.2二進(jìn)制相移鍵控基本原理數(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)做模擬信號(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。1 0 1圖1.2.1 PSK信號(hào)波形的示例相移鍵控是利用載波的相位變化來(lái)傳遞數(shù)字信息，而振幅和頻率保持不變。在2PSK中，通常利用初始相位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： e2psk=Acos(c+) （式1.1）其中，表示第n個(gè)符

5、號(hào)的絕對(duì)相位： 0 發(fā)送“0”時(shí) n= （式1.2） 發(fā)送“1”時(shí)因此，上式可以改寫為 （式1.3）典型波形如圖1.1.2.由于表示信號(hào)的兩種碼元的波形相同，極性相反，故2PSK信號(hào)一般可以表述為一個(gè)雙極性全占空矩形脈沖序列與一個(gè)正弦波的相乘。 圖1.2.2 2PSK信號(hào)波形就模擬調(diào)制法而言，與產(chǎn)生2ASK信號(hào)的方法比較，只是對(duì)基帶信號(hào)要求不同，因此2PSK信號(hào)可以看作是雙極性基帶信號(hào)作用下的DSB調(diào)幅信號(hào)。而就鍵控法來(lái)說(shuō)，用數(shù)字基帶信號(hào)控制開(kāi)關(guān)電路，選擇不同相位的載波輸出，這時(shí)基帶信號(hào)為單極性NRZ或雙極性NRZ脈沖序列信號(hào)均可。且 2PSK信號(hào)屬于DSB信號(hào)，它的解調(diào)不再能采用包絡(luò)檢測(cè)的方

6、法，只能進(jìn)行相干解調(diào)。1.3二進(jìn)制相移鍵控調(diào)制相移鍵控是利用載波的相位變化來(lái)傳遞數(shù)字信息，而振幅和頻率保持不變。在2PSK中，通常用初始相位為0和表示二進(jìn)制的“1”和“0”。因此2PSK的信號(hào)的時(shí)域表達(dá)式為2psk(t)=Acos(ct+n)其中，n表示第n個(gè)符號(hào)的絕對(duì)相位： 0 發(fā)送“0”時(shí) n= 發(fā)送“1”時(shí)因此，上式可改寫為 Acosct 概率為P2psk(t)= - Acosct 概率為1-P圖 1.3.1 2PSK信號(hào)的時(shí)間波形由于表示信號(hào)的兩種碼元的波形相同，記性相反，鼓2PSK信號(hào)一般可以表述為一個(gè)雙極性全占空矩形脈沖序列與一個(gè)正弦載波相乘，即 2psk(t)=s(t)cosct

7、 其中 s(t)= ang(t-nTs)這里，g(t)是脈寬為Ts的單個(gè)矩形脈沖，而an得統(tǒng)計(jì)特性為 1 概率為P an= -1 概率為1-P即發(fā)送二進(jìn)制符號(hào)“0”時(shí)（an取+1），2psk(t)取0相位；發(fā)送二進(jìn)制符號(hào)“1”時(shí)（an取-1），2psk(t)取相位。1.4二進(jìn)制相移鍵控解調(diào)2PSK信號(hào)的解調(diào)通常都是采用相干解調(diào), 解調(diào)器原理圖如圖1.4.1所示。在相干解調(diào)過(guò)程中需要用到與接收的2PSK信號(hào)同頻同相的相干載波。2PSK信號(hào)相干解調(diào)各點(diǎn)時(shí)間波形如圖1.4.2所示，當(dāng)恢復(fù)的相干載波產(chǎn)生180°倒相時(shí)，解調(diào)出的數(shù)字基帶信號(hào)將與發(fā)送的數(shù)字基帶信號(hào)正好是相反，解調(diào)器輸出數(shù)字基帶信

8、號(hào)全部出錯(cuò)。 圖 1.4.12PSK信號(hào)的解調(diào)原理圖圖 1.4.22PSK信號(hào)相干解調(diào)各點(diǎn)時(shí)間波形圖1.4.2是2PSK解調(diào)器在無(wú)噪聲情況下能對(duì)2PSK信號(hào)的正確解調(diào)。（a）是收到的2PSK信號(hào)；(b)是本地載波提取電路提取的同頻同相載波信號(hào)；（c）是接收的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(guò)低通濾波器濾波后得到低通信號(hào)；(d)是取樣判決器在位定時(shí)信號(hào)；（e）是對(duì)(d)波形取樣，再與門限進(jìn)行比較，做出相應(yīng)的判決得到恢復(fù)的信號(hào)；需要注意的是判決規(guī)則應(yīng)與調(diào)制規(guī)則一致。2 程序設(shè)計(jì)與仿真模型建立2.1設(shè)計(jì)與仿真基礎(chǔ)MATLAB是矩陣實(shí)驗(yàn)室（Matrix Laboratory）的簡(jiǎn)稱

9、，是美國(guó)MathWorks公司出品的商業(yè)數(shù)學(xué)軟件，用于算法開(kāi)發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值計(jì)算的高級(jí)技術(shù)計(jì)算語(yǔ)言和交互式環(huán)境，主要包括MATLAB和Simulink兩大部分。MATLAB的基本數(shù)據(jù)單位是矩陣，它的指令表達(dá)式與數(shù)學(xué)、工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB來(lái)解算問(wèn)題要比用C，F(xiàn)ORTRAN等語(yǔ)言完成相同的事情簡(jiǎn)捷得多，并且MATLAB也吸收了像Maple等軟件的優(yōu)點(diǎn)，使MATLAB成為一個(gè)強(qiáng)大的數(shù)學(xué)軟件。在新的版本中也加入了對(duì)C，F(xiàn)ORTRAN，C+，JAVA的支持。可以直接調(diào)用,用戶也可以將自己編寫的實(shí)用程序?qū)氲組ATLAB函數(shù)庫(kù)中方便自己以后調(diào)用，此外許多的MATLAB

10、愛(ài)好者都編寫了一些經(jīng)典的程序，用戶可以直接進(jìn)行下載就可以用。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(shuō)，Simulink是一個(gè)用來(lái)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(guò)幾年的發(fā)展，已經(jīng)成為學(xué)術(shù)和工業(yè)界用來(lái)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(huà)模型圖就如同用手在紙上畫(huà)模型一樣自如、方便，故用戶只需進(jìn)行簡(jiǎn)單的

11、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(kù)（或函數(shù)庫(kù)）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(kù)模塊（或庫(kù)函數(shù)），而且每個(gè)子模型庫(kù)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創(chuàng)建的

12、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(kāi)始觀看模型，然后用鼠標(biāo)雙擊其中的子系統(tǒng)模塊，來(lái)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(guò)Simulink的菜單或Matlab的命令窗口鍵入命令來(lái)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(wèn)題研究。仿真的結(jié)果還可以存放到Matl

13、ab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。2.2程序設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)該實(shí)現(xiàn)方法是利用matlab的M文件，編寫程序并利用窗口顯示出結(jié)果的方法。2PSK信號(hào)與產(chǎn)生2ASK信號(hào)的方法比較，只是對(duì)s(t)要求不同，在2ASK中s(t)是單極性的，而在2PSK 中s(t)是雙極性的基帶信號(hào)。因此2PSK信號(hào)可以看作是雙極性基帶信號(hào)作用下的DSB調(diào)幅信號(hào)。2

14、PSK信號(hào)屬于DSB信號(hào)，它的解調(diào)，不再能采用包絡(luò)檢測(cè)的方法，只能進(jìn)行相干解調(diào)。因此2PSK信號(hào)的調(diào)制與解調(diào)原理框圖如下圖。圖2.2.1 2PSK信號(hào)的調(diào)制原理框圖圖2.2.2 2PSK信號(hào)的解調(diào)原理框圖根據(jù)2PSK信號(hào)的調(diào)制與解調(diào)原理框圖進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，首先對(duì)程序進(jìn)行流程圖設(shè)計(jì)，下圖是本課程設(shè)計(jì)的程序設(shè)計(jì)框圖：初始化參數(shù)產(chǎn)生基帶信號(hào)2PSK調(diào)制載波信號(hào)帶通濾波器通過(guò)相乘器通過(guò)判決后輸出結(jié)束然后根據(jù)程序流程圖編寫代碼，代碼分為各個(gè)功能模塊，以下是程序的代碼：% 初始化參數(shù) %clc;clear all; close all; fs=8e5;%抽樣頻率 fm=20e3;%基帶頻率 n=2*(6*f

15、s/fm); final=(1/fs)*(n-1); fc=2e5; % 載波頻率 t=0:1/fs:(final); Fn=fs/2;%耐奎斯特頻率 % 信源信號(hào)%figure(1) subplot(321); plot(t,x); axis(0 2e-4 -2 2); title('信源信號(hào)'); grid on % 用正弦波產(chǎn)生方波 %twopi_fc_t=2*pi*fm*t; A=1; phi=0; x = A * cos(twopi_fc_t + phi); % 方波 am=1; x(x>0)=am; x(x<0)=-1; % PSK調(diào)制信號(hào)%car=si

16、n(2*pi*fc*t);%載波 ask=x.*car;%載波調(diào)制 subplot(322); plot(t,ask); axis(0 200e-6 -2 2); title('PSK信號(hào)'); grid on; % 帶通濾波器 %fBW=40e3; f=0:3e3:4e5; w=2*pi*f/fs; z=exp(w*j); BW=2*pi*fBW/fs; a=.8547;%BW=2(1-a)/sqrt(a) p=(j2*a2); gain=.135; Hz=gain*(z+1).*(z-1)./(z.2-(p); subplot(325); hh=abs(Hz);plot(f

17、,hh); title('帶通濾波器'); grid on; Hz(Hz=0)=10(8);%avoid log(0) subplot(326); hhb=20*log10(hh);plot(f,hhb); grid on; title('Receiver -3dB Filter Response'); axis(1e5 3e5 -3 1); set (gcf, 'num', 'off', 'name', '系統(tǒng)信號(hào)調(diào)制波形'. blanks(10); % 帶通濾波后輸出%a=1 0 0.7305;

18、%1 0 p b=0.135 0 -0.135;%gain*1 0 -1 faskn=filter(b,a,askn); figure(2) subplot(321); plot(t,faskn); axis(0 100e-6 -2 2); title('通過(guò)帶通濾波后輸出'); grid on; cm=faskn.*car;%解調(diào) subplot(322); plot(t,cm); axis(0 100e-6 -2 2); grid on; title('通過(guò)相乘器后輸出'); % 低通濾波器 %p=0.72; gain1=0.14;%gain=(1-p)/2

19、 Hz1=gain1*(z+1)./(z-(p); subplot(323); Hz1(Hz1=0)=10(-8);%avoid log(0) plot(f,20*log10(abs(Hz1); grid on; title('LPF -3dB response'); axis(0 5e4 -3 1); % 濾波器系數(shù) %a1=1 -0.72;%(z-(p) b1=0.14 0.14;%gain*1 1 so=filter(b1,a1,cm); so=so*10;%add gain so=so-mean(so);%removes DC component subplot(324

20、); plot(t,so); axis(0 8e-4 -3.5 3.5); title('通過(guò)低通濾波器后輸出'); grid on; %Comparator % 判定并輸出波形%High=2.5; Low=-2.5; vt=0;%設(shè)立比較標(biāo)準(zhǔn) error=0; len1=length(so); for ii=1:len1 if so(ii) >= vt Vs(ii)=High; else Vs(ii)=Low; end end Vo=Vs; subplot(325); plot (t,Vo), title('解調(diào)后輸出信號(hào)'), axis(0 2e-4

21、-5 5) grid on; xlabel('時(shí)間 (s)'), ylabel('幅度(V)')set (gcf, 'num', 'off', 'name', '系統(tǒng)信號(hào)解調(diào)波形'. blanks(10);% 調(diào)制后加噪% askn=(ask+noise);%調(diào)制后加噪 subplot(324); plot(t,askn); axis(0 200e-6 -2 2); title('加噪后調(diào)制信號(hào)'); grid on;2.3 Simulink仿真模型建立（1）模型庫(kù)在MATLAB命令

22、窗口輸入“simulink”并回車，就可進(jìn)入Simulink模型庫(kù)，單擊工具欄上的按鈕也可進(jìn)入。Simulik模塊庫(kù)按功能進(jìn)行分為以下8類子庫(kù)：Continuous（連續(xù)模塊）Discrete（離散模塊）Function&Tables（函數(shù)和平臺(tái)模塊）Math（數(shù)學(xué)模塊）Nonlinear（非線性模塊）Signals&Systems（信號(hào)和系統(tǒng)模塊）Sinks（接收器模塊）Sources（輸入源模塊）用戶可以根據(jù)需要混合使用歌庫(kù)中的模塊來(lái)組合系統(tǒng)，也可以封裝自己的模塊，自定義模塊庫(kù)、從而實(shí)現(xiàn)全圖形化仿真。Simulink模型庫(kù)中的仿真模塊組織成三級(jí)樹(shù)結(jié)構(gòu)Simulink子模型庫(kù)

23、中包含了Continous、Discontinus等下一級(jí)模型庫(kù)Continous模型庫(kù)中又包含了若干模塊，可直接加入仿真模型。圖2.3.1 Simulink工具箱（2）設(shè)計(jì)仿真模型在MATLAB子窗口或Simulink模型庫(kù)的菜單欄依次選擇“File” | “New” | “Model”，即可生成空白仿真模型窗口圖2.3.2 新建仿真模型窗口（3）運(yùn)行仿真兩種方式分別是菜單方式和命令行方式，菜單方式：在菜單欄中依次選擇"Simulation" | "Start" 或在工具欄上單擊。命令行方式：輸入“sim”啟動(dòng)仿真進(jìn)程比較這兩種不同的運(yùn)行方式：菜單方式

24、的優(yōu)點(diǎn)在于交互性，通過(guò)設(shè)置示波器或顯示模塊即可在仿真過(guò)程中觀察輸出信號(hào)。命令行方式啟動(dòng)模型后，不能觀察仿真進(jìn)程，但仍可通過(guò)顯示模塊觀察輸出，適用于批處理方式。（4）2PSK信號(hào)調(diào)制與解調(diào)模型仿真建立simulink模型方框圖如下：圖 2.3.3 系統(tǒng)總框圖 其中Bernoulli Binary Generator為伯努利二進(jìn)制隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生器，Sine Wave為載波模塊，Unipolar to Bipolar Converter為極性變換模塊，Power Spectral Density是頻譜儀Product為乘法器模塊，Analog Filter Design為濾波器模塊，Quantizing

25、Encoder為量化編碼器模塊，Scope為示波器，Power Spectral Density1為頻譜分析模塊。參數(shù)設(shè)置如下：圖2.3.4 載波參數(shù)設(shè)置圖2.3.5 基帶信號(hào)參數(shù)設(shè)置圖2.3.6 極性變換模塊參數(shù)設(shè)置圖2.3.7 乘法器模塊參數(shù)設(shè)置圖2.3.8 頻譜分析模塊參數(shù)設(shè)置圖2.3.9 帶通濾波器模塊參數(shù)設(shè)置圖2.3.10 低通濾波器模塊參數(shù)設(shè)置圖2.3.11量化編碼模塊參數(shù)設(shè)置3 程序運(yùn)行結(jié)果與仿真結(jié)果3.1程序運(yùn)行結(jié)果與分析運(yùn)行程序可得結(jié)果：圖3.1.1 系統(tǒng)信號(hào)調(diào)制波形圖3.1.2 系統(tǒng)信號(hào)解調(diào)波形圖 3.1.1說(shuō)明：基帶信號(hào)經(jīng)過(guò)調(diào)制系統(tǒng)生成PSK信號(hào)，信道中可能會(huì)有噪音干擾，經(jīng)過(guò)帶通濾波器過(guò)濾出有用信號(hào)。調(diào)制之后信號(hào)變?yōu)殡p邊帶信號(hào)，加入噪聲之后會(huì)干擾原信號(hào)。圖 3.1.2說(shuō)明：信道