實(shí)驗(yàn)四-基于simulink的2PSK、2DPSK數(shù)字調(diào)制與解調(diào)的仿真

河北北方學(xué)院信息科學(xué)與工程學(xué)院2023-2023第一學(xué)期《數(shù)據(jù)通信原理》實(shí)驗(yàn)報(bào)告設(shè)計(jì)題目：基于simulink的2PSK/2DPSK數(shù)字調(diào)制與解調(diào)仿真專業(yè)班級(jí)：信息工程2班姓名學(xué)號(hào)：趙星敏351李明陽(yáng)300指導(dǎo)教師：劉鈺實(shí)驗(yàn)四基于simulink的2PSK/2DPSK數(shù)字調(diào)制與解調(diào)仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖煜?PSK、2DPSK系統(tǒng)的調(diào)制、解調(diào)原理進(jìn)一步熟悉MATLAB環(huán)境下的Simulink仿真平臺(tái)鍛煉學(xué)生分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力實(shí)驗(yàn)原理1.12PSK調(diào)制原理數(shù)字調(diào)相：如果兩個(gè)頻率相同的載波同時(shí)開始振蕩，這兩個(gè)頻率同時(shí)到達(dá)正最大值，同時(shí)到達(dá)零值，同時(shí)到達(dá)負(fù)最大值，它們應(yīng)處于"同相"狀態(tài)；如果其中一個(gè)開始得遲了一點(diǎn)，就可能不相同了。如果一個(gè)到達(dá)正最大值時(shí)，另一個(gè)到達(dá)負(fù)最大值，那么稱為"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0和π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QUOTE(t)=AcosQUOTEt+QUOTE)其中，QUOTE表示第n個(gè)符號(hào)的絕對(duì)相位：QUOTE=QUOTE因此，上式可以改寫為QUOTE2PSK信號(hào)波形為2PSK調(diào)制方法主要有兩種：模擬調(diào)相法和鍵控法〔相位選擇法〕。模擬調(diào)相法原理方框圖如下列圖所示，極性變器將輸入的二進(jìn)制單極性碼轉(zhuǎn)換成雙極性不歸零碼，然后與載波直接相乘，以實(shí)現(xiàn)2PSK模擬調(diào)相法鍵控法原理方框圖如下列圖所示，用數(shù)字基帶信號(hào)s〔t〕控制開關(guān)電路，以選擇不同相位的載波輸出。此時(shí)s〔t〕通常是單極性的，當(dāng)s〔t〕=0時(shí)，輸出e2PSK〔t〕=cosωct；當(dāng)s〔t〕=1時(shí)，輸出e2PSK〔t〕=-cosωct。鍵控法1.22PSK解調(diào)原理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)。下列圖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)抽樣值判為0.2PSK信號(hào)相干解調(diào)各點(diǎn)時(shí)間波形如圖2-14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)字基帶信號(hào)全部出錯(cuò).圖2-32PSK信號(hào)相干解調(diào)各點(diǎn)時(shí)間波形這種現(xiàn)象通常稱為"倒π"現(xiàn)象.由于在2PSK信號(hào)的載波恢復(fù)過(guò)程中存在著180°的相位模糊,所以2PSK信號(hào)的相干解調(diào)存在隨機(jī)的"倒π"現(xiàn)象,從而使得2PSK方式在實(shí)際中很少采用.2PSK信號(hào)的解調(diào)原理方框圖如下帶通濾波相乘帶通濾波相乘低通濾波抽樣判決本地載波提取V〔t〕定時(shí)脈沖cosωt2PSK解調(diào)器2PSK信號(hào)的解調(diào)原理框圖2.12DPSK的調(diào)制原理眾所周知2PSK調(diào)制是將傳輸?shù)臄?shù)字碼元“1〞用初始相位為180°的正弦波表示，而數(shù)字碼元“0〞用初始相位為0°的正弦波表示。假設(shè)設(shè)是傳輸數(shù)字碼元的絕對(duì)碼，那么2PSK已調(diào)信號(hào)在任一個(gè)碼元時(shí)間內(nèi)的表達(dá)式為〔1〕假設(shè)將傳輸數(shù)字碼元的絕對(duì)碼先進(jìn)行差分編碼得相對(duì)碼，其差分編譯碼如下：差分編碼為〔2〕差分譯碼為〔3〕再將相對(duì)碼進(jìn)行2PSK調(diào)制，那么所得到的即是2DPSK已調(diào)信號(hào)，其在任一碼元時(shí)間內(nèi)的表達(dá)式為〔4〕差分編碼移相2DPSK在數(shù)字通信系統(tǒng)中是一種重要的調(diào)制方式，其抗噪性能和信道頻帶利用率均優(yōu)于移幅鍵控(ASK)和移頻鍵控(FSK)，因而在實(shí)際的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。2DPSK調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)的原理框圖如圖低通濾波調(diào)相帶通濾波相乘抽樣判決差分解碼分頻晶振+數(shù)字信號(hào)輸入數(shù)字信號(hào)輸出噪聲2DPSK調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)原理框圖2DPSK調(diào)制原理是指載波的相位受數(shù)字信號(hào)的控制而改變，通常用相位0°來(lái)表示“1〞，而用180°來(lái)表示“0〞。差分移相鍵控2DPSK信號(hào)的參考相位不是未調(diào)波的相位，而是相鄰的前一位碼元的載波相位。2DPSK信號(hào)的產(chǎn)生只需要在2PSK調(diào)制前加一套相對(duì)碼變換電路就可以實(shí)現(xiàn)，2DPSK的調(diào)制方框圖見圖載波移相載波移相差分編碼器開關(guān)Eo(t)S(t)鍵控法2.22DPSK的解調(diào)原理基于DFT的2DPSK解調(diào)算法：實(shí)際中接收到的2DPSK信號(hào)在經(jīng)過(guò)帶通濾波后，由于碼元跳變處的高頻分量被過(guò)濾掉，濾波后的2DPSK信號(hào)波形分為穩(wěn)定區(qū)和過(guò)渡區(qū)，碼元中間局部是穩(wěn)定區(qū)，前、后局部為過(guò)渡區(qū)。穩(wěn)定區(qū)內(nèi)的信號(hào)根本無(wú)損失，波形近似為正弦波，而過(guò)渡區(qū)內(nèi)的波形那么不是正弦波，并且幅度明顯降低。調(diào)制信息根本上只存在于碼元穩(wěn)定區(qū)。從上述分析出發(fā)，可以得到基于DFT的數(shù)字解調(diào)方案。具體解調(diào)方法：對(duì)每個(gè)碼元穩(wěn)定區(qū)內(nèi)的采樣點(diǎn)按照公式〔5〕做DFT：〔5〕其中，代表每個(gè)載波周期的采樣點(diǎn)個(gè)數(shù)，代表做DFT時(shí)使用的穩(wěn)定區(qū)內(nèi)的采樣點(diǎn)個(gè)數(shù)(通常取多個(gè)載波整周期)。然后，提取出前后碼元的相位跳變信息來(lái)進(jìn)行解調(diào)判決：計(jì)算，并根據(jù)和的正負(fù)情況確定的取值范圍。把本碼元的相位記為，前一碼元的相位記為，那么〔6〕其中是進(jìn)行了位同步點(diǎn)調(diào)整時(shí)附加的相位。可見，在每個(gè)碼元周期只需要計(jì)算一次相位值即本碼元的相位，然后相減得到跳變相位，就可以依據(jù)判決條件恢復(fù)原始數(shù)據(jù)，而不需要像文獻(xiàn)中所提到的對(duì)每個(gè)碼元要隨著窗函數(shù)的移動(dòng)屢次計(jì)算譜值，因而大大減輕了計(jì)算量，非常適合于軟件無(wú)線電的數(shù)字化實(shí)時(shí)解調(diào)。當(dāng)調(diào)頻信號(hào)不包括載波分量時(shí)，必須采用相干解調(diào)，2DPSK的解調(diào)可采用兩種方法。其一是極性比擬法，然后再用碼變換器變?yōu)榻^對(duì)碼。另外還有一種實(shí)用的方法叫做差分相干解調(diào)法，二者的原理框圖分別如下：帶通帶通濾波器本地振蕩乘法器抽樣判決器低通濾波器差分譯碼器2DPSK數(shù)據(jù)輸出極性比擬法解調(diào)帶通帶通濾波器抽樣判決器乘法器低通濾波器碼元延遲2DPSK數(shù)據(jù)輸出差分相干解調(diào)法相干解調(diào)：信號(hào)可以采用相干解調(diào)方式(極性比擬法)，其原理框圖見圖2.4。其解調(diào)原理是：對(duì)2DPSK信號(hào)進(jìn)行相干解調(diào)，恢復(fù)出相對(duì)碼，再通過(guò)碼反變換器變換為絕對(duì)碼，從而恢復(fù)出發(fā)送的二進(jìn)制數(shù)字信息。在解調(diào)過(guò)程中，假設(shè)相干載波產(chǎn)生180°相位模糊，解調(diào)出的相對(duì)碼將產(chǎn)生倒置現(xiàn)象，但是經(jīng)過(guò)碼反變換器后，輸出的絕對(duì)碼不會(huì)發(fā)生任何倒置現(xiàn)象，從而解決了載波相位模糊度的問(wèn)題。差分相干解調(diào)：2DPSK信號(hào)也可以采用差分相干解調(diào)方式(相位比擬法)，其原理框圖見圖2.5。其解調(diào)原理是：直接比擬前、后碼元的相位差，從而恢復(fù)發(fā)送的二進(jìn)制數(shù)字信息。由于解調(diào)的同時(shí)完成了碼反變換作用，故解調(diào)器中不需要碼反變換器。由于差分相干解調(diào)方式不需要專門的相干載波，因此是一種非相干解調(diào)方法。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1.12PSK數(shù)字調(diào)制與解調(diào)仿真設(shè)計(jì)框圖1.2參數(shù)設(shè)置正弦波：4HZ，幅度+2設(shè)置依據(jù)：載波頻率本來(lái)應(yīng)該很高，但是為了波形觀察方便，故頻率設(shè)為4HZ。反相正弦波：4HZ，幅度-2設(shè)置依據(jù)：載波頻率本來(lái)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：碼型變化器參數(shù)設(shè)置：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：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)。高斯噪聲的設(shè)置：信噪比90帶通濾波器參數(shù)：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2~7HZ。低通濾波器參數(shù)設(shè)置：截止頻率為1HZ，二進(jìn)制序列的帶寬為1HZ，故取1HZ。延時(shí)器設(shè)置：1.3結(jié)果分析仿真波形：調(diào)制局部通過(guò)仿真分析結(jié)果可以看出，雙極性基帶脈沖信號(hào)與相干載波相乘后，得到2PSK波形。從圖中波形可以看出傳送“1〞和“0〞時(shí)，周期沒有改變，幅度沒有改變，只是相位相差了180度。該圖充分證實(shí)了2PSK的調(diào)制原理以及2PSK的產(chǎn)生過(guò)程，通過(guò)分析該圖能夠清楚的分析出，基帶信號(hào)和載波的關(guān)系，基帶信號(hào)只是用于改變信號(hào)的相位，最終2PSK波形形狀取決于相干載波。解調(diào)局部從2PSK的解調(diào)仿真分析結(jié)果可以看出，帶通濾波器后的波形與2PSK的波形一樣，帶通濾波器的作用只是濾除噪聲。沒有噪聲的情況下，原圖保持不變。經(jīng)過(guò)相干載波，相位沒有發(fā)生變化，只是向后延遲了半個(gè)周期，周期，幅度和相位都沒有發(fā)生變化。這個(gè)波形完全符合2PSK的解調(diào)原理。經(jīng)過(guò)低通濾波器，圖形發(fā)生了變化，類似于整流器的作用。如果頻率越高，經(jīng)過(guò)低通濾波器的波形越接近矩形。最終經(jīng)過(guò)判決器，圖形從雙極性波形變?yōu)榱藛螛O性波形，恢復(fù)成了完全的矩形基帶信號(hào)。與解調(diào)原理完全一致。1.22DPSK數(shù)字調(diào)制與解調(diào)仿真設(shè)計(jì)框圖2.2參數(shù)設(shè)置載波的頻率參數(shù)設(shè)置基帶信號(hào)參數(shù)設(shè)置UnipolartoBipolarConverter參數(shù)設(shè)置乘法器參數(shù)設(shè)置LogicalOperator參數(shù)設(shè)置UnitDelay參數(shù)設(shè)置DataTypeConversion參數(shù)設(shè)置2.3結(jié)果分析參加高斯噪聲后的2DPSK仿真波形根據(jù)上面波形可知高斯噪聲對(duì)信道產(chǎn)生了一定的影響，小局部產(chǎn)生了譯碼錯(cuò)誤試驗(yàn)總結(jié)通過(guò)這次科研訓(xùn)練，充分的了解了有關(guān)2PSK和2DPSK的調(diào)制與解調(diào)，而且加深了該過(guò)程的理解程度，同時(shí)對(duì)于Simulink的使用方法有了一定的知識(shí)概念。并為以后的學(xué)習(xí)奠定了根底。對(duì)于我來(lái)說(shuō)，收獲最大的是方法和能力；那些分析和解決問(wèn)題的能力。在整個(gè)課程設(shè)計(jì)的過(guò)程中，我發(fā)現(xiàn)我們