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)信號分析處理課程設(shè)計說明書課程設(shè)計任務(wù)書學(xué)生姓名： 專業(yè)班級： 指導(dǎo)教師： 工作單位： 題 目：信號分析處理課程設(shè)計基于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)計工作量及其技術(shù)要求，以及說明書撰寫等具體要求）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、 畫出程序設(shè)計框圖，編寫程序代碼，上機運行調(diào)試程序，記錄實驗結(jié)果（含計算結(jié)果和圖表等），并對實驗結(jié)果進(jìn)行分析和總結(jié)；3、 課程設(shè)計說明書按學(xué)校

2、統(tǒng)一規(guī)范來撰寫，具體包括： 目錄； 理論分析； 程序設(shè)計； 程序運行結(jié)果及圖表分析和總結(jié)； 課程設(shè)計的心得體會（至少800字，必須手寫。）； 參考文獻(xiàn)（不少于5篇）。時間安排：周一、周二查閱資料，了解設(shè)計內(nèi)容； 周三、周四程序設(shè)計，上機調(diào)試程序；周五、整理實驗結(jié)果，撰寫課程設(shè)計說明書。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)計與仿真模型建立62.1設(shè)計與仿真基礎(chǔ)62.2程序設(shè)計實現(xiàn)72.3 Simulink仿真模型建立123 程序運行結(jié)果與仿

3、真結(jié)果193.1程序運行結(jié)果與分析193.2 Simulink仿真結(jié)果與分析204 心得體會22參考文獻(xiàn)241 理論分析1.1基礎(chǔ)知識數(shù)字信號的傳輸方式分為基帶傳輸和帶通傳輸。然而，實際中的大多數(shù)信道（如無線信道）因具有帶通特性而不能直接傳送基帶信號，這是因為數(shù)字基帶信號往往具有豐富的低頻分量。為了使數(shù)字信號在帶通信道中傳輸，必須用數(shù)字基帶信號對載波進(jìn)行調(diào)制，以使信號與信道的特性相匹配。這種用數(shù)字基帶信號控制載波，把數(shù)字基帶信號變換為數(shù)字帶通信號（已調(diào)信號）的過程稱為數(shù)字調(diào)制。在接收端通過解調(diào)器把帶通信號還原成數(shù)字基帶信號的過程稱為數(shù)字解調(diào)。通常把包括調(diào)制和解調(diào)過程的數(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)制的一個特例，把數(shù)字基帶信號當(dāng)做模擬信號的特殊情況處理；利用數(shù)字信號的離散取值特點通過開關(guān)鍵控載波，從而實現(xiàn)數(shù)字調(diào)制。這種方法通常稱為鍵控法，比如對載波的相位進(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信號波形的示例相移鍵控是利用載波的相位變化來傳遞數(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信號的時域表達(dá)式為： e2psk=Acos(c+) （式1.1）其中，表示第n個符

5、號的絕對相位： 0 發(fā)送“0”時 n= （式1.2） 發(fā)送“1”時因此，上式可以改寫為 （式1.3）典型波形如圖1.1.2.由于表示信號的兩種碼元的波形相同，極性相反，故2PSK信號一般可以表述為一個雙極性全占空矩形脈沖序列與一個正弦波的相乘。 圖1.2.2 2PSK信號波形就模擬調(diào)制法而言，與產(chǎn)生2ASK信號的方法比較，只是對基帶信號要求不同，因此2PSK信號可以看作是雙極性基帶信號作用下的DSB調(diào)幅信號。而就鍵控法來說，用數(shù)字基帶信號控制開關(guān)電路，選擇不同相位的載波輸出，這時基帶信號為單極性NRZ或雙極性NRZ脈沖序列信號均可。且 2PSK信號屬于DSB信號，它的解調(diào)不再能采用包絡(luò)檢測的方

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的信號的時域表達(dá)式為2psk(t)=Acos(ct+n)其中，n表示第n個符號的絕對相位： 0 發(fā)送“0”時 n= 發(fā)送“1”時因此，上式可改寫為 Acosct 概率為P2psk(t)= - Acosct 概率為1-P圖 1.3.1 2PSK信號的時間波形由于表示信號的兩種碼元的波形相同，記性相反，鼓2PSK信號一般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的單個矩形脈沖，而an得統(tǒng)計特性為 1 概率為P an= -1 概率為1-P即發(fā)送二進(jìn)制符號“0”時（an取+1），2psk(t)取0相位；發(fā)送二進(jìn)制符號“1”時（an取-1），2psk(t)取相位。1.4二進(jìn)制相移鍵控解調(diào)2PSK信號的解調(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)過程中需要用到與接收的2PSK信號同頻同相的相干載波。2PSK信號相干解調(diào)各點時間波形如圖1.4.2所示，當(dāng)恢復(fù)的相干載波產(chǎn)生180°倒相時，解調(diào)出的數(shù)字基帶信號將與發(fā)送的數(shù)字基帶信號正好是相反，解調(diào)器輸出數(shù)字基帶信

8、號全部出錯。 圖 1.4.12PSK信號的解調(diào)原理圖圖 1.4.22PSK信號相干解調(diào)各點時間波形圖1.4.2是2PSK解調(diào)器在無噪聲情況下能對2PSK信號的正確解調(diào)。（a）是收到的2PSK信號；(b)是本地載波提取電路提取的同頻同相載波信號；（c）是接收的2PSK信號與本地載波相乘得到的波形示意圖，此波形經(jīng)過低通濾波器濾波后得到低通信號；(d)是取樣判決器在位定時信號；（e）是對(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；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)計與仿真模型建立2.1設(shè)計與仿真基礎(chǔ)MATLAB是矩陣實驗室（Matrix Laboratory）的簡稱

9、，是美國MathWorks公司出品的商業(yè)數(shù)學(xué)軟件，用于算法開發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值計算的高級技術(shù)計算語言和交互式環(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來解算問題要比用C，F(xiàn)ORTRAN等語言完成相同的事情簡捷得多，并且MATLAB也吸收了像Maple等軟件的優(yōu)點，使MATLAB成為一個強大的數(shù)學(xué)軟件。在新的版本中也加入了對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用程序?qū)氲組ATLAB函數(shù)庫中方便自己以后調(diào)用，此外許多的MATLAB

10、愛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，Simulink是一個用來對動態(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)過幾年的發(fā)展，已經(jīng)成為學(xué)術(shù)和工業(yè)界用來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)畫模型圖就如同用手在紙上畫模型一樣自如、方便，故用戶只需進(jìn)行簡單的

11、點擊和拖動就能完成建模，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。Simulink模塊庫（或函數(shù)庫）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)運算的Simulink庫模塊（或庫函數(shù)），而且每個子模型庫中包含有相應(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。用戶可以從最高級開始觀看模型，然后用鼠標(biāo)雙擊其中的子系統(tǒng)模塊，來查看其下一級的內(nèi)容，以此類推，從而可以看到整個模型的細(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。在定義完一個模型后，用戶可以通過Simulink的菜單或Matlab的命令窗口鍵入命令來對它進(jìn)行仿真。菜單方式對于交互工作非常方便，而命令行方式對于運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)并再次運行即可觀察到相應(yīng)的結(jié)果，這適用于因果關(guān)系的問題研究。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而獨立工作。2.2程序設(shè)計實現(xiàn)該實現(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信號與產(chǎn)生2ASK信號的方法比較，只是對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。因此2PSK信號可以看作是雙極性基帶信號作用下的DSB調(diào)幅信號。2

14、PSK信號屬于DSB信號，它的解調(diào)，不再能采用包絡(luò)檢測的方法，只能進(jìn)行相干解調(diào)。因此2PSK信號的調(diào)制與解調(diào)原理框圖如下圖。圖2.2.1 2PSK信號的調(diào)制原理框圖圖2.2.2 2PSK信號的解調(diào)原理框圖根據(jù)2PSK信號的調(diào)制與解調(diào)原理框圖進(jìn)行程序設(shè)計，首先對程序進(jìn)行流程圖設(shè)計，下圖是本課程設(shè)計的程序設(shè)計框圖：初始化參數(shù)產(chǎn)生基帶信號2PSK調(diào)制載波信號帶通濾波器通過相乘器通過判決后輸出結(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%figure(1) subplot(321); plot(t,x); axis(0 2e-4 -2 2); title('信源信號'); 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%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'); 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'), axis(0 2e-4

21、-5 5) grid on; xlabel('時間 (s)'), ylabel('幅度(V)')set (gcf, 'num', 'off', 'name', '系統(tǒng)信號解調(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'); grid on;2.3 Simulink仿真模型建立（1）模型庫在MATLAB命令

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

23、中包含了Continous、Discontinus等下一級模型庫Continous模型庫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)計仿真模型在MATLAB子窗口或Simulink模型庫的菜單欄依次選擇“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”啟動仿真進(jìn)程比較這兩種不同的運行方式：菜單方式

24、的優(yōu)點在于交互性，通過設(shè)置示波器或顯示模塊即可在仿真過程中觀察輸出信號。命令行方式啟動模型后，不能觀察仿真進(jìn)程，但仍可通過顯示模塊觀察輸出，適用于批處理方式。（4）2PSK信號調(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 程序運行結(jié)果與仿真結(jié)果3.1程序運行結(jié)果與分析運行程序可得結(jié)果：圖3.1.1 系統(tǒng)信號調(diào)制波形圖3.1.2 系統(tǒng)信號解調(diào)波形圖 3.1.1說明：基帶信號經(jīng)過調(diào)制系統(tǒng)生成PSK信號，信道中可能會有噪音干擾，經(jīng)過帶通濾波器過濾出有用信號。調(diào)制之后信號變?yōu)殡p邊帶信號，加入噪聲之后會干擾原信號。圖 3.1.2說明：信道