基于MATLAB实现的PSK和DPSK信号系统仿真设计.doc

1、武汉理工大学MATLAB课程设计目录摘要1Abstract21.设计目的与要求32.方案的选择42.1调制部分42.2解调部分43.单元电路原理和设计63.1PCM编码原理及设计63.1.1PCM编码原理63.1.2用matlab实现PCM编码93.2PSK调制解调电路123.2.1PSK调制解调原理123.2.2用matlab实现PSK系统的调制解调153.3DPSK调制解调电路193.3.1DPSK的调制解调的原理193.3.2用matlab实现DPSK系统的调制解调214.仿真分析265收获与体会33参考文献34致谢35摘要PSK调制和DPSK调制是通信系统中最为重要的环节之一，同时PS

2、K调制技术的改进也是通信系统性能提高的重要途径。本文是基于PCM编码的PSK和DPSK信号的MATLAB仿真。本文先分析了PSK和DPSK系统的基本调制解调方法，用PCM编码将模拟信号转换为离散的数字信号，然后运用MATLAB来仿真得到相应波形。通过仿真，观察了调制解调过程中各个环节时域和频域的波形，并结合调制原理，跟踪分析比较了各种调制方法的性能，并通过比较仿真与理论计算的性能，证明了仿真的可靠性。通过这次的课程设计让我们加深了对课本知识的深入理解，而且也让我们更加熟练地运用MATLAB仿真软件。关键词：PCM编码，PSK，DPSK，MATLABAbstractAs we all known

3、 ,PSK modulation and DPSK modulation are the most important part in modern communication system.Also,the technology of improving PSK modulation is the most essensial approach to improve the function of modern communication system.This paper is based on the PCM coding and MATLAB to ahieve PSK and DPS

4、K modulation .In this paper ,the method of PSK modulation and DPSK modulation are introduced firstly，and PCM coding is used to transfer the analog signal to digital signal.Then the M-document in MATLAB is used to simulate.Through observing the results of simulation,the factors that affect the capabi

5、lity of the PSK and DPSK modulation system and the reliability of the simulation models are analyzed.By this curriculum design ,we not only make a comprehensive understanding of the knowledge in the books,but also being skilled in using the MATLAB simulation software.Key words :PCM coding,PSK,DPSK,M

6、ATLAB1.设计目的与要求本课程设计是用MATLAB来实现PSK和DPSK信号系统仿真。了解和掌握PSK与DPSK系统的工作原理及仿真的具体过程，以及它在MATLAB在的实现方法。利用自主的设计过程来锻炼自己独立思考，提高自己分析和解决问题的能力，为今后的自主学习研究提供具有实用性的经验。本课程设计要求用300HZ的正弦信号作为模拟信号输入，并经过律的PCM编码，用100KHZ的载波频率来实现PSK和DPSK的调制和解调。并用MATLAB来对其进行仿真，画出调制信号，已调信号，解调信号的波形，频谱以及误码率与输入信噪比的关系曲线。对仿真结果进行分析，对数据进行性能测试，分析是否满足设计要求。

7、独立完成课程设计的全部内容，并按要求完成课程设计的报告。2.方案的选择2.1调制部分PSK,DPSK调制有两种方法。一是模拟调制法，其原理框图如图2-1.码型变换乘法器极性归零coswcte2psk(t)S(t)图2-1 PSK信号调制原理框图二是键控法,其原理框图如图2-2.移相0S(t)图2-2 PSK信号调制原理框图由于本课程设计的条件为300HZ正弦信号，用PCM编码，故选择方案一。2.2解调部分PSK通常用相干解调法，而DPSK有两种解调方法。一是相干解调加码反变换法。其原理框图如图2-3所示。带通滤波器相乘器低通滤波器抽样判决器码反变换器定时脉 冲输出acdefb图2-3 DPSK

8、相干解调加码反变换法二是差分相干解调法，其原理框图如图2-4所示。带通滤波器相乘器低通滤波器抽样判决器输出定时脉 冲abcde延迟Ts图2-4 DPSK差分相干解调法方案的比较，由原理框图可以看出方法一就是在PSK解调的基础上增加了一个码反变换器，而方法二是没有用码反变换器，在前面加了一个延迟。因为前面已经做了PSK的调制解调，为了方便，故选择方案一。3.单元电路原理和设计3.1PCM编码原理及设计3.1.1PCM编码原理通常把从模拟信号抽样，量化，直到变换成为二进制符号的基本过程称为脉冲编码调制（PCM）。其原理框图如图3-1所示。模拟信号输入抽样保持量化器编码器PCM信号输出冲激脉冲图3-

9、1 PCM编码原理框图（1）抽样模拟信号通常是在时间上连续的信号，一在系列离散的点上，对这种信号抽取样值称为抽样。在理论上，抽样过程可以看作是用周期性单位冲激脉冲和此模拟信号相乘。抽样结果得到的是一系列周期性的冲激脉冲，其面积和模拟信号的取值成正比。均匀抽样定理：设一个连续模拟信号m(t)中的最高频率Iw,ci =1Is=128)&(Q(i)32)&(Q(i)=512)&(Q(i)=16)&(Q(i)=64)&(Q(i)=256)&(Q(i)=1024)&(Q(i)0 code(i,1)=1; elseif z(i)0 code(i,1)=0; end %符号位的判断end3.2PSK调制解调

10、电路3.2.1PSK调制解调原理（1）PSK调制过程分析相移键控（PSK）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和分别表示二进制的“1”和“0”。因此，2PSK信号的时域表达式为 （公式3-3）其中，表示第n个符号的绝对相位：=0（发送“0”时，概率为P），=（发送“1”时,概率为1P）因此，公式3-3可以改写为 （公式3-4）由于表示信号的两种码元的波形相同极性相反，故2PSK信号一般可以表述为一个双极性全占空比矩形脉冲序列与一个正弦载波的相乘，即 （公式3-5）其中， （公式3-6）这里，g(t)是脉宽为的单个矩形脉冲，而an的统计特性为an

11、=1(概率为P),an=0(概率为1-P).即 发送二进制符号”0”时,取0 相位,发送二进制符号”1”时,取相位.这种以载波的不同相位直接去表示相应二进制数字信号的调制方式,称为绝对相移方式。其调制原理框图如图2-2所示。（2）PSK解调过程分析解调原理框图如图3-4所示。.带通滤波器相乘器低通滤波器抽样判决器acdebcosWctepsk(t)定时脉冲输出图3-4 PSK解调原理框图带通滤波器的意义是让有用信号（已调信号）通过，滤除一部分噪声，所以有用信号在a处得到信号为 (公式3-7)假设相干载波的基准相位与2PSK信号的调制载波的基准相位一致（通常默认为0相位）。所以得到下式 (公式3

12、-8)通过低通滤波器后 （公式3-9）最后通过抽样判决器恢复出数字信号。但是，由于在信号的载波恢复过程中存在着的相位模糊，即恢复的本地载波与所需的相干载波可能同相，也可能反相，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数字基带信号正好相反，即“1”变为“0”，“0”变为“1”，判决器输出数字信号全部出错。这种现象称为 方式的“倒”现象或“反相工作”。这也是2PSK方式在实际中很少采用的主要原因。另外，在随机信号码元序列中，信号波形有可能出现长时间连续的正弦波形，致使在接收端无法辨认信号码元的起止时刻。（3）PSK相干解调系统性能分析 PSK相干解调方式又称为极性比较法，其性能分

13、析模型如图3-5所示。发送端信道带通滤波器相乘器低通滤波器抽样判决器定时脉冲y(t)x(t)输出图3-5PSK信号相干解调系统性能分析模型当信号经过信道传输时会受到噪声的影响，这是不可避免的。而通信系统中常见的热噪声近似为高斯白噪声，且符合加性。根据设计要求考虑不同信噪比的高斯白噪声对系统的影响。在此过程中，我用函数来添加噪声，此函数功能为向信号中添加噪声功率为其方差的高斯白噪声。设接收端带通滤波器输出波形y(t)为：（公式3-10）经过相干解调后，送入抽样判决器的输入波形为： （公式3-11）由于是均值为0，方差为的高斯噪声，所以x(t)的一维概率密度函数为（公式3-12）（公式3-13）由

14、最佳判决门限分析可知，在发送“1”和发送“0”的概率相等时，最佳判决门限b*=0.此时，发“1”而错判为“0”的概率为（公式3-14）同理，发送“0”而错判为“1”的概率为 （公式3-15）故2PSK信号相干解调时系统的总误码率为 （公式3-16）在大信噪比条件下，上式可近似为（公式3-17）3.2.2用matlab实现PSK系统的调制解调clear all; close all;clf; %清除窗口中的图形max=50 %定义max长度g=zeros(1,max);g=randint(1,max);%长度为max的随机二进制序列cp=;mod1=;f=2*100000*pi;t=0:4000

15、0*pi/199:40000*pi;for n=1:length(g); if g(n)=0; A=zeros(1,200);%每个值200个点 else g(n)=1; A=ones(1,200); end cp=cp A; %s(t),码元宽度200 c=cos(f*t);%载波信号 mod1=mod1 c;%与s(t)等长的载波信号,变为矩阵形式endfigure(1);subplot(3,2,1);plot(cp);grid on;axis(0 20*length(g) -2 2);title(随机二进制信号序列);cm=;mod=;for n=1:length(g); if g(n)

16、=0; B=ones(1,200);%每个值200个点 c=cos(f*t); %载波信号 else g(n)=1; B=ones(1,200); c=cos(f*t+pi); %载波信号 end cm=cm B; %s(t),码元宽度200 mod=mod c; %与s(t)等长的载波信号endtiaoz=cm.*mod;%e(t)调制figure(1);subplot(3,2,2);plot(tiaoz);grid on;axis(0 20*length(g) -2 2);title(2PSK调制信号);figure(2);subplot(3,2,1);plot(abs(fft(cp);a

17、xis(0 20*length(g) 0 1000);title(原始信号频谱);figure(2);subplot(3,2,2);plot(abs(fft(tiaoz);axis(0 20*length(g) 0 1000);title(2PSK信号频谱);%带有高斯白噪声的信道tz=awgn(tiaoz,10);%信号调制中加入白噪声，信噪比为10figure(1);subplot(3,2,3);plot(tz);grid onaxis(0 20*length(g) -2 2);title(通过高斯白噪声信道后的2PSK信号);figure(2);subplot(3,2,3);plot(a

18、bs(fft(tz);axis(0 20*length(g) 0 1000);title(加入白噪声的2PSK信号频谱);jiet=2*mod1.*tz;%同步解调figure(1);subplot(3,2,4);plot(jiet);grid onaxis(0 20*length(g) -2 2);title(相乘后信号波形)figure(2);subplot(3,2,4);plot(abs(fft(jiet);axis(0 20*length(g) 0 1000);title(相乘后信号频谱);%低通滤波器fp=500;fs=700;rp=3;rs=20;fn=11025;ws=fs/(f

19、n/2); wp=fp/(fn/2);%计算归一化角频率n,wn=buttord(wp,ws,rp,rs);%计算阶数和截止频率b,a=butter(n,wn);%计算H(z）jt=filter(b,a,jiet);figure(1);subplot(3,2,5);plot(jt);grid onaxis(0 20*length(g) -2 2);title(经低通滤波器后信号波形)figure(2);subplot(3,2,5);plot(abs(fft(jt);axis(0 20*length(g) 0 1000);title(经低通滤波器后信号频谱);%抽样判决for m=1:200*l

20、ength(g); if jt(m)=0; jt(m)=0; endendfigure(1);subplot(3,2,6);plot(jt);grid onaxis(0 20*length(g) -2 2);title(经抽样判决后信号波形)figure(2);subplot(3,2,6);plot(abs(fft(jt);axis(0 20*length(g) 0 1000);title(经抽样判决后信号频谱);%误码率随信噪比的变化曲线snr = 0 : 2: 20;%信噪比范围len_snr = length(snr);for i = 1:len_snrSNR_eb = exp(snr(

21、i)*log(10)/10);theo_err_prb(i) = (1/2)*erfc(sqrt(SNR_eb);%PSK系统的误码率与信噪比的关系endfigure(3);semilogy(snr,theo_err_prb,ko-);grid on;title(误码率随信噪比的变化曲线);3.3DPSK调制解调电路3.3.1DPSK的调制解调的原理（1）DPSK的调制过程分析2DPSK是利用前后相邻码元的载波相对相伴变化传递数字信息，所以又称相对相移键控。假设为当前码元与前一码元的载波相位差，可定义一种数字信息与之间的关系为：=0表示数字信息“0”，=1表示数字信息“1”。于是可以将一组二进

22、制数字信息与其对应的DPSK信号的相位关系示例如下：数字信息： 1 1 0 1 0 0 1 1 0DPSK相位：（） 0 0 0 0 0 0 或 （0） 0 0 0 由此示例可知，对于相同的基带数字信息序列，由于序列初始码元的参考相位不同，DPSK信号的相位可以不同。也就是说，DPSK信号的相位并不直接代表基带信号，而前后码元相对相位的差才唯一决定信息符号。2DPSK信号的产生方法，先对二进制数字基带信号进行差分编码，即把表示数字信息序列的绝对码变换成相对码，然后再根据相对 码进行绝对调相，从而 产生二进制差分相称键控信号。其模拟调制原理框图如图3-6所示。就是在PSK调制原理框图前加了一个差

23、分编码器。码型变换乘法器极性归零coswcte2psk(t)S(t)差分编码器图3-6 DPSK模拟调制原理框图（2）DPSK的解调过程分析2DPSK的相干解调加码反变换法。其解调原理是，对2DPSK信号进行相干解调，恢复出相对码，再经码反变换器变换为绝对码，从而恢复出发送的二进制数字信息。在解调过程中，由于载波相位模糊性的影响，使得解调出的相对码也可能是“1”和“0”倒置，但经过差分译码得到的绝对不会发生任何倒置的现象，从而解决了载波相位模糊性带来的问题。其原理框图如图1.3所示。（3）DPSK相干解调系统性能分析2DPSK原相干解调法，又称极性比较码反变换法，其解调原理是：对2DPSK信号

24、进行相干解调，恢复出相对码序列bn,再通过码反变换器变换为绝对码序列an，从而恢复也发送的二进制数字信息。因此，码反变换器输入端的误码率Pe可由2PSK信号采用相干解调时的误码率公式来确定。于是，2DPSK信号采用极性比较码反变换法的系统的误码率只需在上式基础上考虑码反变换器对误码率的影响即可。由分析可知，Pe=erfc()3.3.2用matlab实现DPSK系统的调制解调fs = 300;Time_Hold_On =0.1;Num_Unit = fs * Time_Hold_On;High_Level = ones ( 1, Num_Unit );Low_Level = zeros ( 1,

25、 Num_Unit );w =100000;A = 1;max=50 %定义max长度Sign_Set=zeros(1,max);Sign_Set =randint(1,max);%长度为max的随机二进制序列 Lenth_Of_Sign = length ( Sign_Set );st = zeros ( 1, Num_Unit * Lenth_Of_Sign );sign_orign = zeros ( 1, Num_Unit * Lenth_Of_Sign );sign_result = zeros ( 1, Num_Unit * Lenth_Of_Sign );t = 0 : 10/f

26、s : 10*Time_Hold_On * Lenth_Of_Sign - 10/fs;%产生基带信号for I = 1 : Lenth_Of_Sign if Sign_Set(I) = 1 sign_orign( (I-1)*Num_Unit + 1 : I*Num_Unit) = High_Level; else sign_orign( (I-1)*Num_Unit + 1 : I*Num_Unit) = Low_Level; endend%调制部分for I = 1 : Lenth_Of_Sign if Sign_Set(I) = 1 st( (I-1)*Num_Unit + 1 : I

27、*Num_Unit) = A * cos ( 2 * pi * w * t( (I-1)*Num_Unit + 1 : I*Num_Unit ) + ( pi / 2 ) ); else st( (I-1)*Num_Unit + 1 : I*Num_Unit) = A * cos ( 2 * pi * w * t( (I-1)*Num_Unit + 1 : I*Num_Unit ) ); endendfigure(1);subplot ( 3,2,1 );plot(t, sign_orign);axis( 0 , Time_Hold_On *( Lenth_Of_Sign + 1), - (A

28、 / 2), A + (A / 2) );title ( 原始信号 );figure(2);subplot (3,2,1 );plot(abs(fft(sign_orign);axis(0,200*Time_Hold_On*(Lenth_Of_Sign+1),0,400);title(原始信号频谱);gridfigure(1);subplot ( 3, 2, 2 );plot ( t, st );axis( 0 , Time_Hold_On *( Lenth_Of_Sign + 1), - 3*(A / 2), 3*(A / 2) );title ( 调制后的信号 );figure(2);su

29、bplot (3,2,2);plot(abs(fft(st);axis(0,200*Time_Hold_On*(Lenth_Of_Sign+1),0,400);title(调制后信号的频谱);gridtz=awgn(st,20);%信号调制中加入白噪声，信噪比为10 %相乘dt = st .* cos ( 2 * pi * w * t );figure(1);subplot(3,2,3);plot ( t, dt );axis( 0 , Time_Hold_On *( Lenth_Of_Sign + 1), - 3*(A / 2), 3*(A / 2) );title ( 相乘后的波形 );g

30、ridfigure(2);subplot(3,2,3);plot(abs(fft(dt);axis(0,200*Time_Hold_On*(Lenth_Of_Sign+1),0,400);title(相乘后的波形频谱);%低通滤波部分N,Wn = buttord( 2*pi*50, 2*pi*150,3,25,s); %临界频率采用角频率表示b,a=butter(N,Wn,s);bz,az=impinvar(b,a,fs); %映射为数字的dt = filter(bz,az,dt);figure(1);subplot(3,2,4);plot ( t, dt );axis( 0 , Time_H

31、old_On *( Lenth_Of_Sign + 1), - 3*(A / 2), 3*(A / 2) );title ( 低通滤波后的波形 );figure(2);subplot(3,2,4);plot(abs(fft(dt);axis(0,200*Time_Hold_On*(Lenth_Of_Sign+1),0,400);title(低通滤波后信号的频谱)grid%抽样判决 & 逆码变换部分-for I = 1 : Lenth_Of_Sign if dt(2*I-1)*Num_Unit/2) 0.25 sign_result( (I-1)*Num_Unit + 1 : I*Num_Unit) = High_Level; else sign_result( (I-1)*Num_Unit + 1 : I*Num_Unit) = Low_Level; endend;figure(1)subplot(3,2,5);plot ( t, sign_result );axis( 0 , Time_Hold_On