通信原理课程设计报告(电子)

长 沙 学 院

课程设计说明书

题系

(

部

目 2PSK数字调制技术仿真研究 )

电子信息与电气工程

13电子01班 胡伟涛 2013044102 冯璐、陈威兵、黄飞江 2015.8.31—2015.9.6

专业(班级) 姓学指起

名 号

导止

教日

师 期

长沙学院课程设计鉴定表

目 录

1.概述 ........................................................................................................................ 1 2.二进制数字调制系统设计 .................................................................................... 2 3.系统仿真实现 ........................................................................................................ 7 3.12FSK/2PSK系统仿真 ................................................................................... 7 4.系统仿真结果分析 ................................................................................................ 9 5.结论与心得 .......................................................................................................... 10 6.参考文献 .............................................................................................................. 11

1.概述

为了使数字信号在信道中有效地传播，必须使用数字基带信号的调制与解调，以使得信号与信道的特性相匹配。基于matlab实验平台实现对数字信号的2psk的调制与解调的模拟。本文详细的介绍了PSK波形的产生和仿真过程加深了我们对数字信号调制与解调的认知程度。

调制分为基带调制和带通调制。不过一般狭义的理解调制为带通调制。带通调制通常需要一个正弦波作为载波，把基带信号调制到这个载波上，使这个载波的一个或者几个参量上载有基带数字信号的信息，并且还要使已调信号的频谱倒置适合在给定的带通信道中传输。特别是在无线电通信中，调制是必不可少的，因为要使信号能以电磁波的方式发送出去，信号所占用的频带位置必须足够高，并且信号所占用的频带宽度不能超过天线的的通频带，所以基带信号的频谱必须用一个频率很高的载波调制，使期带信号搬移到足够高的频率上，才能够通过天线发送出去。

主要通过对它们的三个参数进行调制，振幅，角频率，和相位。使这三个参量都按时间变化。所以基带的数字信号调制主要有三种方式：FSK，PSK，ASK。在这三种调制的基础上为了得到更高的效果也出现了很多其它的调制方式，如：DPSK，MASK，MFSK，MPSK，APK。它们其中有的一些是将基本的调制方式用在多进制上或者引入了一些新的方式来解决基本调制的一些问题如相位模糊和无法提取位定时信号，另外一些由是组合多种基本的调制方式来达到更好的效果。

基带信号的调制主要分为线性调制和非线性调制，线性调制是指已调信号的频谱结构与原基带信号的频谱结构基本相同，只是占用的频率位置搬移了。而非线性调制则是指它们的结构完全不同不仅仅是频谱搬移，在接收方会出现很多新的频谱分量。在三种基本的调制中，ASK属于线性调制，而FSK和PSK属于非线性调制。已调信号会在接收方通过各种方式通过解调得到，但是由于噪声和码间串扰，总会有一定的失真。所以人们总是在寻找不同的接收方式来降低误码率，其中的接收方式主要有相干接收和非相干接收。在接收方通过载波的相位信号去检测信号的方法称为相干检测，反之若不利用就称为非相干检测，而对于一些特别的调制有特别的解调方式，如过零检测法。

系统的性能好坏取决于传输信号的误码率，而误码率不仅仅与信道、接收方法有关还和发送端采用的调制方式有很大的关系。我们研究的ASK，FSK，PSK等就主要是发送方的调制方式。本文主要对2PSK信号的原理及其相干解调系统性能进行了分析和仿真，这样能让我们对数字调制方式有一个更清楚的认识。

2.二进制数字调制系统设计

数字信号的传输方式分为基带传输和带通传输，在实际应用中，大多数信道具有带通特性而不能直接传输基带信号。为了使数字信号在带通信道中传输，必须使用数字基带信号对载波进行调制，以使信号与信道的特性相匹配。这种用数字基带信号控制载波，把数字基带信号变换为数字带通信号的过程称为数字调制。

数字调制技术的两种方法：①利用模拟调制的方法去实现数字式调制，即把数字调制看成是模拟调制的一个特例，把数字基带信号当做模拟信号的特殊情况处理；②利用数字信号的离散取值特点通过开关键控载波，从而实现数字调制。这种方法通常称为键控法，比如对载波的相位进行键控，便可获得相移键控（PSK）基本的调制方式。

图2.2.1 相应的信号波形的示例

1 0 1

数字调相：如果两个频率相同的载波同时开始振荡，这两个频率同时达到正最大值，同时达到零值，同时达到负最大值，它们应处于"同相"状态；如果其中一个开始得迟了一点，就可能不相同了。如果一个达到正最大值时，另一个达到负最大值，则称为"反相"。一般把信号振荡一次（一周）作为360度。如果一个波比另一个波相差半个周期，我们说两个波的相位差180度，也就是反相。当传输数字信号时，"1"码控制发0度相位，"0"码控制发180度相位。载波的初始相位就有了移动，也就带上了信息。

相移键控是利用载波的相位变化来传递数字信息，而振幅和频率保持不变。在2PSK中，通常用初始相位0和π分别表示二进制“1”和“0”。因此，2PSK信号的时域表达式为

(t)=Acos其中，

t+

)

表示第n个符号的绝对相位：

=

因此，上式可以改写为

图2.2.2 2PSK信号波形

解调原理

2PSK信号的解调方法是相干解调法。由于PSK信号本身就是利用相位传递信息的，所以在接收端必须利用信号的相位信息来解调信号。下图2-3中给出了一种2PSK信号相干接收设备的原理框图。图中经过带通滤波的信号在相乘器中与本地载波相乘，然后用低通滤波器滤除高频分量，在进行抽样判决。判决器是按极性来判决的。即正抽样值判为1，负抽样值判为0.

2PSK信号相干解调各点时间波形如图 3 所示. 当恢复的相干载波产生180°倒相时,解调出的数字基带信号将与发送的数字基带信号正好是相反,解调器输出数字基带信号全部出错

.

图 2.2.32PSK信号相干解调各点时间波形

这种现象通常称为"倒π"现象.由于在2PSK信号的载波恢复过程中存在着180°的相位模糊,所以2PSK信号的相干解调存在随机的"倒π"现象,从而使得2PSK方式在实际中很少采用。

设计框图

2PSK的基本原理

相移键控是利用载波的相位变化来传递数字信息，而振幅和频率保持不变。在2PSK中，通常用初始相位为0和π表示二进制的“1”和“0”。因此2PSK的信号的时域表达式为

ｅ2psk(t)=Acos(ωct+φn)

其中，φn表示第n个符号的绝对相位： 发送“0”时

φn π 发送“1”时

因此，上式可改写为

Acosωct 概率为P

ｅ2psk - Acosωct 1-P

图 2.3.1 2PSK信号的时间波形

由于表示

信号的两种码元的波形相同，记性相反，鼓2PSK信号一般可以表述为一个双极性全占空矩形脉冲序列与一个正弦载波相乘，即

ｅ2psk(t)=s(t)cosωct

其中

s(t)= ∑ang(t-nTs)

这里，g(t)是脉宽为Ts的单个矩形脉冲，而an得统计特性为

概率为P

an=概率为1-P

即发送二进制符号“0”时（an取+1），ｅ2psk(t)取0相位；发送二进制符号“1”时（an取-1），ｅ2psk(t)取π相位。

2PSK相干解调系统

但是由于2PSK信号的载波回复过程中存在着180°的相位模糊，即恢复的本地载波与所需相干载波可能相同，也可能相反，这种相位关系的不确定性将会造成解调出的数字基带信号与发送的基带信号正好相反，即“1”变成“0”吗“0”变成“1”，判决器输出数字信号全部出错。这种现象称为2PSK方式的“倒π”现象或“反相工作”。

a

b

c

d

e

图 2.3.2 2PSK信号的解调器波形图

2PSK信号在一个码元的持续时间Ts内可以表示为

1T(t) 发送“1”时 SToT(t)=- u1T(t) 发送“0”时

期中 Acosωc u1T其他

设发送端发出的信号如上式所示，则接收端带通滤波器输出波形y(t)为

c(t)]cosωct-ns(t)sinωct 发送“1”时 c(t)]cosωct-ns(t)sinωct 发送“0”时

y(t)经过想干解调（相乘—低通）后，送入抽样判决器的输入波形为

c(t) 发送“1”时 c(t) 发送“0”时

由于nc(t)是均值为0，方差为σ2的高斯噪声，所以x(t)的一维概率密度函数为

1

f1

1”时

2 2σn

1 f2发送“0”时

由最佳判决门限分析可知，在发送“1”和“0”概率相等时，即P(1)=P(0)时，最佳门限b*=0.此时，发“1”而错判为“0”的概率为

P(0/1)=P(x≦0)=∫-∞f1(x)dx=1/2erfc(式中：r=a/2σ

2

2n

r

)

同理，发“0而错判为“1”的概率为P(1/0)=P(x＞0)=∫-∞f0(x)dx=1/2erfc(

2PSK相干解调系统性能原理框图 如图3.2.3

r

)

图 3.2.3 2PSK相干解调系统性能原理方框图

由最佳判决门限分析可知，在发送“1”符号和发送“0”符号概率相等时，最佳判决门限b* = 0。此时，发“1”而错判为“0”的概率为

P(0/1)P(x0)





f1(x)dx



1

erfc2

r

r

同理，发送“0”而错判为“1”的概率为

P(1/0)P(x0)





f0(x)dx

1

erfc2



故2PSK信号相干解调时系统的总误码率为

1

PeP(1)P(0/1)P(0)P(0/1)erfc

2

12r

er

r

在大信噪比条件下，上式可近似为

Pe

3.系统仿真实现

3.1 2PSK系统仿真

2PSK程序：

clc clear

x1=round(rand(1,100)); T=100;

t=0:0.01:9.99; for i=1:10

if x1(i)==1

for g=1:100

A(100*(i-1)+g)=1; end else

for g=1:100

A(100*(i-1)+g)=0; end end end

subplot(4,2,1);plot(t,A,'r');title('二进制序列'); y=cos(5*pi*t); subplot(4,2,2);

plot(t,y); title('载波'); s=-A.*y;

s=s+not(A).*y; subplot(4,2,3);

plot(t,s);title('PSK信号'); nosie=rand(1,1000); s=s+nosie; subplot(4,2,4);

plot(t,s);title('加入噪声'); z=s.*y;

z3=abs(fft(s,512)); subplot(4,2,8); plot(z3);

axis([0, 500,-1, 300]); title('频谱'); grid on

subplot(4,2,5);

plot(t,z);title('相乘后信号');

[n,Wn] = buttord(0.01,0.1,0.5,40); %临界频率采用角频率表示 [b,a]=butter(n,Wn); y1=filter(b,a,z); subplot(4,2,6);

plot(t,y1); title('滤波后信号'); for i=0:9

if y1(i*100+50)>0.2 for j=1:100

out(100*i+j)=0; end else

for j=1:100

out(100*i+j)=1; end end end

subplot(4,2,7);

plot(t,out);title('抽样判决');

4.系统仿真结果分析

5.结论与心得

本次课程设计是基于本学期所学习的通信原理方面的知识，是一次比较全面的应用，也是一次多方面的学习。在设计中，除了对通信原理方面已经学习过的知识进行了复习和应用以外，最大的收获是学习了MATLAB仿真软件的操作使用方法。设计要求运用MATLAB编程实现2ASK,2FSK,2PSK调制/解调过程，并输出其调制后的波形，画出频谱、功率谱密度图，比较各种调制的误码率情况。

一周的基于MATLAB的数字调制信号仿真分析课程设计让我获益颇深。更加深入的掌握了MATLAB软件的使用，了解了数字调制的基本原理和主要过程，进一步学习了信号的传输的有关内容。

设计过程中老师主要锻炼我们的自主能力，我们查阅资料的同时，当遇到不解的时候，老师的不吝指导，我的课程设计才得以在规定的时间内高效完成。

通过这次课程设计，我学会了很多，收获了很多，并且加强了我的自主能力、动手能力和独立思考、团结协作的能力。

这次课程设计也使我认识到自己在理论知识方面的不足，以至于一度停滞必须回头去复习课本的知识，也只有真正动手了才能发现自己的不足和存在的问题，但是在同学的帮助下，我还是顺利完成了设计。虽然这次设计是以个人为单位，还是能够看到团队合作的力量。

6.参考文献

[1] 江国强.EDA技术与应用[M].电子工业出版社,2007：80-85. [2] 程佩青.数字信号处理教程[M]..清华大学出版社,2008：89-98. [3] 潘松，黄继业.VHDL技术应用教程[M].科学出版社,2002：147-168. [4] 樊昌信.通信原理[M].中国矿业大学出版社,2006：39-54.

[5] 王兴亮，通信技术[M].西安电子科技大学出版社,2009：272-281. [6]曹志刚等 , 现代通信原理 .北京：清华大学出版社

[7]刘卫国 , MATLAB程序设计与应用（第二版).高等教育出版社