BPSK調(diào)制解調(diào)

1、一、 主要內(nèi)容1、 簡要闡述BPSK調(diào)制解調(diào)原理2、 用MATLAB進(jìn)行仿真，附上仿真源程序和仿真結(jié)果，對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析。二、 主要原理2.1 BPSK的調(diào)制原理在二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制中，當(dāng)正弦載波的相位隨二進(jìn)制數(shù)字基帶信號(hào)離散變化時(shí)，則產(chǎn)生二進(jìn)制移相鍵控（2PSK）信號(hào)。通常用已調(diào)信號(hào)載波的0度和180度分別表示二進(jìn)制數(shù)字基帶信號(hào)的1和0.二進(jìn)制移相鍵控信號(hào)的時(shí)域表達(dá)式為 （式21）其中，與2ASK和2FSK時(shí)的不同，在2PSK調(diào)制中，應(yīng)選擇雙極性，即當(dāng)發(fā)送概率為P，當(dāng)發(fā)送概率為1-P, 。若是脈寬為、高度為1的矩形脈沖，則有 當(dāng)發(fā)送概率為P時(shí)， （式22）發(fā)送概率為1-P時(shí)， （式23）由（式22

2、）和（式23）可以看出，當(dāng)發(fā)送二進(jìn)制符號(hào)1時(shí)，已調(diào)信號(hào)取0度相位，當(dāng)發(fā)送二進(jìn)制符號(hào)為0時(shí)，取180度相位，則有，其中發(fā)送符號(hào)1，發(fā)送符號(hào)0，。這種以載波的不同相位直接表示相應(yīng)二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制信號(hào)的調(diào)制方式，稱為二進(jìn)制絕對(duì)移向方式。下面為2PSK信號(hào)調(diào)制原理框圖2.1所示：S(t)碼型變換乘法器圖2.1:2PSK信號(hào)的調(diào)制原理圖（模擬調(diào)制方法）00111tsTTS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。圖2.2 BPSK信號(hào)時(shí)間波形示例 2.2 BPSK解調(diào)原理2PSK信號(hào)的解調(diào)通常都采用相干解調(diào)，解調(diào)器原理如圖2.3所示

3、，在相干解調(diào)過程中需要用到和接收的2PSK信號(hào)同頻同相的想干載波。帶通濾波器相乘器低通濾波器抽樣判決器定時(shí)脈 沖 輸出abcde圖2.3：BPSK相干解調(diào)Ts1010 tb1 tt ttt11100adec圖2.4 BPSK解調(diào)各點(diǎn)時(shí)間波形在2PSK相干信號(hào)解調(diào)過程中，當(dāng)回復(fù)的相干載波產(chǎn)生180度倒相時(shí)，解調(diào)出的數(shù)字基帶信號(hào)與將發(fā)送的數(shù)字基帶信號(hào)正好相反，解調(diào)器輸出數(shù)字基帶信號(hào)全部錯(cuò)誤，這通常稱為“倒”現(xiàn)象。為了解決這一問題，提出二進(jìn)制差分相位鍵控2DPSK，2DPSK方式是用前后相鄰碼元的載波相對(duì)相位變化來表示數(shù)字信息的，假設(shè)前后相鄰碼元的載波相位差為，=0，表示數(shù)字信息“0”，當(dāng)，表示數(shù)字

4、信息“1”，也可以當(dāng)，表示數(shù)字信息“0”，=0，表示數(shù)字信息“1”。2DPSK用下面方法實(shí)現(xiàn)：首先對(duì)二進(jìn)制數(shù)字基帶信號(hào)進(jìn)行差分編碼，將絕對(duì)嗎便是成二進(jìn)制信息變換成用相對(duì)碼表示二進(jìn)制信息，然后再進(jìn)行絕對(duì)調(diào)相，從而產(chǎn)生二進(jìn)制差分相位鍵控信號(hào)。調(diào)制原理如圖2.3所示：t180度移相0碼變換S(t ) 圖2.3:2DPSK信號(hào)調(diào)制器原理圖2DPSK相干解調(diào)原理與2PSK相干解調(diào)原理想似，只是在抽樣判決后加了碼反變換器，使回復(fù)的相對(duì)碼，再通過碼反變換器換為絕對(duì)碼，從而恢復(fù)出發(fā)送的二進(jìn)制數(shù)字信息，輸出的絕對(duì)碼不會(huì)發(fā)生任何倒置現(xiàn)象，從而解決載波相位模糊問題。也可采用差分相干解調(diào)，解調(diào)原理是直接比較前后碼元的

5、相位差，從而恢復(fù)出發(fā)送的二進(jìn)制數(shù)字信息，由于解調(diào)的同時(shí)完成碼反變換作用，故解調(diào)器中不需要碼反變換器。三、基于MATLAB的BPSK調(diào)制解調(diào)仿真3.1 仿真輸出各點(diǎn)結(jié)果1）產(chǎn)生隨機(jī)的二進(jìn)制比特序列本程序傳送的信號(hào)是利用隨機(jī)函數(shù)產(chǎn)生隨機(jī)的十比特二進(jìn)制流。實(shí)際通信中不少信道都不能直接傳送基帶信號(hào)，必須用基帶信號(hào)對(duì)載波波形的某些參量進(jìn)行控制，使載波的這些參量隨基帶信號(hào)的變化而變化，即所謂正弦載波調(diào)制。正弦波可以作為數(shù)字模擬調(diào)制系統(tǒng)和數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的載波。輸出框圖如下2）隨機(jī)二進(jìn)制信號(hào)的頻譜 3）產(chǎn)生載波信號(hào) 從原理上來說，受調(diào)載波的波形可以是任意的，只要已調(diào)信號(hào)適合于信道傳輸就可以了。但實(shí)際上，在大多數(shù)

6、數(shù)字通信系統(tǒng)中，都尋則正弦信號(hào)作為載波。這是因?yàn)檎倚盘?hào)形式簡單，便于產(chǎn)生及接收。因?yàn)樾畔⑺俾?400b/s，載頻4800Hz，一個(gè)Ts兩個(gè)載波信號(hào)。4）載波信號(hào)頻譜5）2PSK調(diào)制信號(hào)6）2PSK調(diào)制信號(hào)頻譜7）高斯白噪聲實(shí)際信道處于一個(gè)充滿了各種干擾的環(huán)境中，因此，調(diào)制信號(hào)不可能無干擾的在信道中傳輸。為了逼真的模擬調(diào)制信號(hào)的傳輸環(huán)境，所以在已調(diào)信號(hào)上疊加上高斯白噪聲。在完成調(diào)制后，將形成的調(diào)制信號(hào)送到高斯白噪聲的加性信道中，相當(dāng)于在原信號(hào)的基礎(chǔ)上加入高斯白噪聲。8）高斯白噪聲頻譜9）2psk疊加白噪聲波形10）2PSK疊加白噪聲頻譜11）濾波器的設(shè)計(jì)：當(dāng)信號(hào)接收機(jī)接收到信號(hào)后，該信號(hào)是經(jīng)過

7、調(diào)制和疊加噪聲后的信號(hào)，不能為人們所用，為了使接收到的信號(hào)能為人們所用，只用對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)去濾波和反調(diào)制（即解調(diào)）處理。載波頻率4800b/s，信息速率為2400b/s，因?yàn)槎M(jìn)制所以碼元速率2400B，帶通濾波器設(shè)計(jì)指標(biāo)：通帶上、下界頻率分別為2400Hz,6400Hz,通帶最大衰減為0.5dB,階數(shù)為5。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的是數(shù)字濾波器，MATLAB信號(hào)處理工具提供橢圓濾波器的設(shè)計(jì)函數(shù)有ellipap,ellipord,以及ellip，仿真中利用ellip函數(shù)計(jì)算橢圓模擬濾波器系統(tǒng)函數(shù)向量系數(shù)BB1，AB1。低通濾波器的設(shè)計(jì)與帶通濾波器設(shè)計(jì)方法類似，設(shè)計(jì)指標(biāo)：通帶截止頻率1200Hz, 通帶最大衰

8、減為0.5dB,階數(shù)為5。MATLAB工具箱中filter是一維數(shù)字濾波器，使用方法：Y=filter(B,A,X),輸入X為濾波前序列，Y為濾波后結(jié)果序列，B/A提供濾波器系數(shù)函數(shù)，B為分子，A為分母。設(shè)計(jì)好濾波器后，使用filter函數(shù)使調(diào)制信號(hào)通過帶通濾波器，使調(diào)制信號(hào)與載波相乘進(jìn)行相干解調(diào)后的調(diào)制信號(hào)通過低通濾波器進(jìn)行濾波。12）調(diào)制信號(hào)通過帶通濾波器13）調(diào)制信號(hào)通過帶通濾波器的頻譜14）帶通濾波器單位沖激響應(yīng)15）帶通濾波器頻率響應(yīng)16）調(diào)制信號(hào)與載波相乘進(jìn)行相干解調(diào)17）調(diào)制信號(hào)與載波相乘后信號(hào)頻譜18）低通濾波器單位沖激響應(yīng)19）低通濾波器頻率響應(yīng)20）解調(diào)信號(hào)通過低通濾波器2

9、1）解調(diào)信號(hào)通過低通濾波器后信號(hào)頻譜22）抽樣判決后的信號(hào)23）2PSK相干解調(diào)系統(tǒng)性能Pe=0.5*erfc(sqrt(SNR),SNR為信噪比。24）2DPSK差分相干解調(diào)系統(tǒng)性能通過相干解調(diào)和低通濾波器后的信號(hào)，通過抽樣判決后，原則上能恢復(fù)成系統(tǒng)發(fā)送的二進(jìn)制基帶信號(hào)，但是在實(shí)際的解調(diào)調(diào)制的過程中，BPSK系統(tǒng)往往會(huì)出現(xiàn)“倒相”，因此在抽樣判決的時(shí)候需要注意這個(gè)問題。為解決這個(gè)問題，現(xiàn)在在實(shí)際應(yīng)用中大多數(shù)都采用二進(jìn)制差分相移鍵控（2DPSk）。Pe=0.5*exp(-SNR)25）相干解調(diào)與差分相干解調(diào)誤碼率比較3.2 仿真結(jié)果分析讓隨機(jī)產(chǎn)生的十比特二進(jìn)制流在已知載波頻率的情況下進(jìn)行調(diào)制，

10、獲得的調(diào)制信號(hào)能很好的反應(yīng)出在真實(shí)的通信系統(tǒng)中對(duì)數(shù)字基帶信號(hào)進(jìn)行的調(diào)制效果。不過在真實(shí)的通信系統(tǒng)中，因?yàn)檎{(diào)制的環(huán)境里存在許多電磁干擾，還有因?yàn)閮x器的精密度原因，導(dǎo)致調(diào)制信道達(dá)不到理想的狀態(tài)，會(huì)存在一些失真。但是隨著技術(shù)的不斷發(fā)展進(jìn)步，失真度在慢慢的減小，以至于基本上能達(dá)到理想狀況下的調(diào)制。真實(shí)的傳輸信道都是處于存在多種干擾的大自然中，因此在傳輸信息的時(shí)候會(huì)在已調(diào)信號(hào)上疊加很多噪聲，這些噪聲混雜在一起稱之為白噪聲。為了模擬真實(shí)的傳輸環(huán)境，因此在調(diào)制信號(hào)上疊加了高斯白噪聲。在接收端，把接收到的信號(hào)進(jìn)行相干解調(diào)，解調(diào)后的波形是有一定失真并且存在一定規(guī)律的模擬波形，因此在調(diào)制后會(huì)把調(diào)制信號(hào)通過一個(gè)低通

11、的濾波器，濾掉傳輸波形頻率以外的波形，即噪聲。調(diào)制信號(hào)通過低通濾波器后還不是我們所要的二進(jìn)制波形，是模擬的波形數(shù)據(jù)，因此必須對(duì)改模擬波形進(jìn)行抽樣判決。抽樣判決的條件根據(jù)調(diào)制的時(shí)的“0”“”相位來確定。在本實(shí)驗(yàn)仿真情況下，模擬系統(tǒng)成功的恢復(fù)了發(fā)送的二進(jìn)制基帶信號(hào)。但是在實(shí)際的通信系統(tǒng)中，往往由于系統(tǒng)所在的環(huán)境、儀器的精密度、系統(tǒng)中的各種電磁干擾，導(dǎo)致了調(diào)制解調(diào)都不能百分之百得都正確，存在一定的誤差，這個(gè)誤差稱之為誤碼率。在BPSK信號(hào)中，相位變化是以未調(diào)載波的相位作為參考基準(zhǔn)的。由于它利用載波相位的絕對(duì)數(shù)值表示數(shù)字信息，所以又稱為絕對(duì)相移。在前面已經(jīng)說過，BPSK相干解調(diào)時(shí)，由于載波恢復(fù)中相位有

12、0、的模糊性，導(dǎo)致解調(diào)過程中出現(xiàn)“反相工作”現(xiàn)象，恢復(fù)出的數(shù)字信號(hào)“1”和“0”倒置，從而使BPSK在實(shí)際中難以應(yīng)用。為了克服這個(gè)缺點(diǎn)，人們提出了二進(jìn)制差分相移鍵控（2DPSK）方式。2PSK與2DPSK系統(tǒng)比較：1、從圖看出，差分相干解調(diào)誤碼率比2PSK相干解調(diào)誤碼率大，相同信噪比下，相干解調(diào)2PSK系統(tǒng)的誤碼率小。2、檢測這兩種信號(hào)時(shí)判決器均可工作在最佳門限電平（零電平）。3、2PSK存在反向工作問題，而2DPSK系統(tǒng)不存在。四、源程序Clc;clear%產(chǎn)生比特信號(hào)t=0:0.01:9.99;a=randint(1,10);m=a(ceil(t+0.01);figure(1)plot(t

13、,m)title('產(chǎn)生隨機(jī)十比特二進(jìn)制比特序列');axis(0,10,-2,2);%載波信號(hào)%fc=4800;fs=100000;ts=0:1/fs:(1000-1)/fs;carry=cos(2*pi*fc*ts/2.5); %因?yàn)樾畔⑺俾?400b/s，載頻4800Hz，一個(gè)Ts兩個(gè)載波信號(hào)，不除2.5是五個(gè)載波figure(2)plot(t,carry)title('載波信號(hào)')axis(0,10,-2,2);%2psk調(diào)制%e_2psk=cos(2*pi*fc*ts/2.5+pi*m);figure(3)plot(t,e_2psk)title(

14、9;2psk調(diào)制信號(hào)');axis(0,10,-2,2);%產(chǎn)生高斯白噪聲a=0.1;noise=a*wgn(1,1000,10); %產(chǎn)生1行1000列的高斯白噪聲為10dBWfigure(4)plot(t,noise)title('高斯白噪聲');axis(0,10,-2,2);%調(diào)制信號(hào)疊加高斯白噪聲e2psk=e_2psk+noise;figure(5)plot(t,e2psk)title('2psk疊加白噪聲波形')axis(0,10,-2,2);%帶通濾波器的設(shè)計(jì)%BB1,AB1=ellip(5,0.5,60,2400,6400*2/1000

15、00); %帶通濾波器通帶上、下界頻率分別為2400Hz,6400Hz,通帶最大衰減為0.5dB,階數(shù)為5，計(jì)算帶通濾波器系統(tǒng)函數(shù)分子分母多項(xiàng)式系數(shù)向量BB1和AB1e_2psk1=filter(BB1,AB1,e2psk); %帶通濾波器濾除帶外噪聲figure(6)plot(t,e_2psk1)title('調(diào)制信號(hào)通過帶通濾波器')%相干解調(diào)與載波相乘e_2psk2=e_2psk1.*carry*2;figure(7)plot(t,e_2psk2)title('調(diào)制信號(hào)與載波相乘進(jìn)行相干解調(diào)')axis(0,10,-2,2);%設(shè)計(jì)低通濾波器BB2,AB2

16、=ellip(5,0.5,60,700*2/100000); %通濾波器通帶截止頻率分別為700Hz,通帶最大衰減為0.5dB,階數(shù)為5，計(jì)算低通濾波器系統(tǒng)函數(shù)分子分母多項(xiàng)式系數(shù)向量BB2和AB2e_2psk3=filter(BB2,AB2,e_2psk2);figure(8)plot(t,e_2psk3)title('解調(diào)信號(hào)通過低通濾波器')%抽樣判決for i=0:9 if(e_2psk3(i+1)*100)>0) e_2psk4(i*100+1:(i+1)*100)=zeros(1,100); else e_2psk4(i*100+1:(i+1)*100)=one

17、s(1,100); endendfigure(9)plot(t,e_2psk4)title('抽樣判決后的信號(hào)')axis(0,10,-2,2);%頻譜觀察%隨機(jī)信號(hào)的頻譜T=t(end);df=1/T;N=length(m);f=(-N/2:N/2-1)*df;sf=fftshift(abs(fft(m);figure(10)plot(f,sf)xlabel('頻率/Hz');ylabel('振幅');title('隨機(jī)二進(jìn)制信號(hào)的頻譜')%載波信號(hào)頻譜sfcarry=fftshift(abs(fft(carry);figure

18、(11)plot(f,sfcarry)xlabel('頻率/Hz');ylabel('振幅')title('載波信號(hào)的頻譜')%2psk調(diào)制信號(hào)頻譜sfe_2psk=fftshift(abs(fft(e_2psk);figure(12)plot(f,sfe_2psk)xlabel('頻率/Hz');ylabel('振幅');title('2psk調(diào)制信號(hào)頻譜')%高斯白噪聲的頻譜sfnoise=fftshift(abs(fft(noise);figure(13)plot(f,sfnoise)xlab

19、el('頻率/Hz');ylabel('振幅');title('高斯白噪聲的頻譜')%調(diào)制信號(hào)疊加高斯白噪聲的頻譜sfe2psk=fftshift(abs(fft(e2psk);figure(14)plot(f,sfe2psk)xlabel('頻率/Hz');ylabel('振幅');title('調(diào)制信號(hào)疊加高斯白噪聲的頻譜')%調(diào)制信號(hào)通過帶通濾波器的頻譜sfe_2psk1=fftshift(abs(fft(e_2psk1);figure(15)plot(f,sfe_2psk1)xlabel(&

20、#39;頻率/Hz');ylabel('振幅');title('調(diào)制信號(hào)通過帶通濾波器后的頻譜')%相干解調(diào),調(diào)制信號(hào)與載波相乘的頻譜sfe_2psk2=fftshift(abs(fft(e_2psk2);figure(16)plot(f,sfe_2psk2)xlabel('頻率/Hz');ylabel('振幅');title('調(diào)制信號(hào)與載波相乘的頻譜')%解調(diào)信號(hào)通過低通濾波器后的頻譜sfe_2psk3=fftshift(abs(fft(e_2psk3);figure(17)plot(f,sfe_2ps

21、k3)xlabel('頻率/Hz');ylabel('振幅');title('解調(diào)信號(hào)通過低通濾波器后的頻譜')%抽樣判決后的信號(hào)的頻譜sfe_2psk4=fftshift(abs(fft(e_2psk4);xlabel('頻率/Hz');figure(18)plot(f,sfe_2psk4)xlabel('頻率/Hz');ylabel('振幅');title('抽樣判決后的信號(hào)的頻譜')%濾波器單位沖激響應(yīng)%帶通濾波器單位沖激響應(yīng)figure(18)dimpulse(BB1,AB1

22、)title('帶通濾波器單位沖激響應(yīng)')axis(0,5000,-0.06,0.06);%低通濾波器單位沖激響應(yīng)figure(19)dimpulse(BB2,AB2)axis(0,1000,-0.02,0.02);title('低通濾波器單位沖激響應(yīng)')%濾波器頻率響應(yīng)曲線%帶通濾波器頻率響應(yīng)曲線figure(20)w=0:0.1:2*pi*0.3;freqz(BB1,AB1,w)title('帶通濾波器幅頻相頻曲線')%低通濾波器頻率響應(yīng)曲w=0:0.1:2*pi*0.3;figure(21)freqz(BB2,AB2,w)title(

23、9;低通濾波器幅頻相頻曲線')%10.(-2)-10.(-6)誤碼曲線r=0:1:11;rr=10.(r/10);pe=0.5*(erfc(sqrt(rr);figure(22)semilogy(r,pe)xlabel('r/dB');ylabel('pe');title('相干解調(diào)下，10.(-2)-10.(-6)誤碼曲線')%不同強(qiáng)度白噪聲下誤碼率r=-8:4:16;rr=10.(r/10);pe=0.5*(erfc(sqrt(rr);figure(23)semilogy(r,pe1)xlabel('r/dB');ylabel('pe');title('2PSK相干解調(diào)下誤碼率曲線')pe2=0.5*exp(-rr);figure(24)semilogy(r,pe2)xlabel(