1、*實踐教學*蘭州理工大學計算機與通信學院2012年秋季學期通信系統綜合訓練 題 目： 數字調制系統的設計與仿真 專業班級： 通信工程（3）班 姓 名： 張杰學 號： 09250314指導教師： 王維芳 成 績： 摘 要數字調制是通信系統中最為重要的環節之一，數字調制技術的改進也是通信系統性能提高的重要途徑。本文首先分析了數字調制系統的2psk和2dpsk的調制解調方法，然后，運用matlab設計了這兩種數字調制解調方法的仿真程序。通過仿真，分析了在這兩種調制解調過程中各環節時域和頻域的波形，并考慮了信道噪聲的影響。關鍵詞 ： 2psk 2dpsk matlab 設計與仿真前 言本次課程設計首先

2、分析了數字調制系統的幾種基本調制解調方法，然后，運用matlab設計了兩種數字調制解調方法的仿真程序，主要包括2psk，2dpsk。通過仿真，分析了這兩種調制解調過程中各環節時域和頻域的波形，并考慮了信道噪聲的影響。通過仿真更深刻地理解了數字調制解調系統基本原理。最后，對這兩種調制解調系統的性能進行了比較。數字信號的傳輸可分為基帶傳輸和帶通傳輸，實際中的大多數的信道（如無線信道）因具有帶通特性而不能直接傳送基帶信號，這是因為基帶信號往往具有豐富的低頻分量，為了使數字信號能在帶通信道中傳輸，必須用數字基帶信號對載波進行調制，以使信號與信道相匹配，這種用基帶信號控制載波，把數字基帶信號變換成數字帶

3、通信號的過程稱為數字調制。由于傳輸失真、傳輸損耗以及保證帶內特性的原因，基帶信號不適合在各種信道上進行長距離傳輸。為了進行長途傳輸，必須對數字信號進行載波調制，將信號頻譜搬移到高頻處才能在信道中傳輸。因此，大部分現代通信系統都使用數字調制技術。在仿真中用到的matlab軟件是集科學計算(computation) 、可視化(visualization)、編程(programming)于一身，并提供了豐富的windows圖形界面一種設計方法軟件。目 錄第一章 設計目標11.1設計目標1 1.2設計任務及要求1 1.3設計內容1 1.4設計思路及步驟21.4.1設計思路21.4.2設計步驟21.5設

4、計意義3第二章 二進制相移鍵控信號32.1二進制相移鍵控(2psk)32.2二進制差分相移鍵控(2dpsk)7第三章 二進制相移仿真及結果分析83.1 matlab簡介83.2數字調制與解調原理83.3 程序流圖設計93.4仿真中用到的matlab函數103.5仿真參數設計103.6仿真結果分析113.7 誤碼率與信噪比的關系分析12總結14參考文獻15附錄16 第一章 設計目標1.1設計目標：本次通信系統綜合訓練的目的是讓學生在掌握通信系統基本原理和仿真軟件的基礎上，對通信系統中的數字調制系統進行設計和仿真。通過數字調制系統的設計與仿真，可以提高學生綜合應用所學基礎知識的能力和計算機編程的能

5、力，為今后的學習和工作積累經驗。1.2設計任務及要求：1. 熟悉數字調制系統的的基本原理，實現方法；2. 掌握計算機編程語言matlab或者simulink；3. 根據數字調制系統的原理給出調制和借條的框圖；4. 利用matlab仿真數字調制系統，并給出關鍵信號的時域波形和頻域波形。1.3設計內容：數字信號的傳輸可分為基帶傳輸和帶通傳輸，實際中的大多數的信道（如無線信道）因具有帶通特性而不能直接傳送基帶信號，這是因為基帶信號往往具有豐富的低頻分量，為了使數字信號能在帶通信道中傳輸，必須用數字基帶信號對載波進行調制，以使信號與信道相匹配，這種用基帶信號控制載波，把數字基帶信號變換成數字帶通信號的

6、過程稱為數字調制。在接收端通過解調器把帶通信號還原成數字基帶信號的過程稱為數字解調，而包括調制和解調的過程數字傳輸系統叫做數字帶通傳輸系統。通過改變載波幅度、頻率、相位，來傳輸數字基帶信號，所以帶通傳輸也叫做載波傳輸。利用數字信號的離散取值特點通過開關鍵控制載波，從而實現數字調制，此法通常稱為鍵控法，根據鍵控的不同可分為振幅鍵控，頻率鍵控和相位鍵控。此次試驗報告首先分析了數字調制系統的幾種基本調制解調方法，然后，運用matlab設計了兩種數字調制解調方法的仿真程序，主要包括2psk，2dpsk。通過仿真，分析了這兩種調制解調過程中各環節時域和頻域的波形，并考慮了信道噪聲的影響。通過仿真更深刻地

7、理解了數字調制解調系統基本原理。最后，對這兩種調制解調系統的性能進行了比較。1.4設計思路及步驟：1.4.1設計思路：實現2psk調制的基本思路是：首先產生數字基帶信號，再把數字基帶信號變換為與信道特性相匹配的數字帶通信號，即數字信號在帶通信道中傳輸時，必須用數字基帶信號對載波進行調制，以使信號與信道的特性相匹配。一般來說，這種頻帶傳輸是借助于正弦載波的幅度、頻率和相位來傳遞數字基帶信號的。1.4.2設計步驟：(1) 首先對基帶波形進行采樣，設置好波形的幅度、頻率、抽樣個數，碼元數和抽樣間隔等參數；(2) 用matlab軟件中的所帶的庫函數和自定義函數來產生二進制信源，其中用到的庫函數有：ra

8、ndn()、sign()和ones()；(3) 利用matlab仿真軟件中的subplot()和plot()函數畫出輸入nrz信號的波形和輸入nrz信號的頻譜圖；(4) 產生2psk信號，即對輸入的nrz信號進行數字調制；(5) 用subplot()和plot()函數畫出2psk信號的波形及其頻譜圖，其中第(3)步和第(5)步中畫頻譜圖還用到庫函數：以10為底的對數函數log10()和絕對值函數abs()；1.5設計意義：由于傳輸失真、傳輸損耗以及保證帶內特性的原因，基帶信號不適合在各種信道上進行長距離傳輸。為了進行長途傳輸，必須對數字信號進行載波調制，將信號頻譜搬移到高頻處才能在信道中傳輸。

9、因此，大部分現代通信系統都使用數字調制技術。另外，由于數字通信具有建網靈活，容易采用數字差錯控制技術和數字加密，便于集成化，并能夠進入綜合業務數字網（isdn網），所以通信系統都有由模擬方式向數字方式過渡的趨勢。因此，對數字通信系統的分析與研究越來越重要，數字調制作為數字通信系統的重要部分之一，對它的研究也是有必要的。通過對調制系統的仿真，我們可以更加直觀的了解數字調制系統的性能及影響性能的因素，從而便于改進系統，獲得更佳的傳輸性能。計算機仿真軟件在通信系統工程設計中發揮著越來越重要的作用。利用matlab作為編程工具，設計相移鍵控系統的模型，并且對模型的方針流程以及仿真結果都給出具體詳實的分

10、析，為實際系統的構建提供了很好的依據。同時加深對所學的通信原理知識理解，培養專業素質；通過專業課程設計掌握通信中常用的信號處理方法，能夠分析簡單通信系統的性能。第二章 二進制相移鍵控信號2.1二進制相移鍵控(2psk)： 相移鍵控是利用載波的相位變化來傳遞數字信息，而振幅和頻率保持不變。在2psk中，通常用初始相位0和分別表示二進制“”和“0”。因此，2psk信號的時域表達式為 （1）其中，表示第n個符號的絕對相位： （2）因此，式（1）可以改寫為 （3）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比矩形脈沖序列與一個正弦載波的相乘，即 （4）其中

11、（5）這里，g(t)是脈寬為的單個矩形脈沖，而的統計特性為： （6）即在發送二進制符號“”時（取），取相位；發送二進制符號“”時（取 ），取相位。這種以載波的不同相位直接去表示相應二進制數字信號的調制方式，稱為二進制絕對相移鍵控方式。乘法器e2psk (t)cosct雙極性不歸零(a)模擬調制方法cosct開關電路(b)鍵控法圖12psk信號的調制原理框圖180移相0碼型變換e2psk (t) s(t)2psk信號的調制原理框圖如圖1所示。與2ask信號的產生方法相比較，只是對s(t)的要求不同，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。s(t) 2psk信號的

12、解調通常采用相干解調法，解調原理框圖如圖2所示。在相干解調中，如何得到與接收的2psk信號同頻同相的相干載波是個關鍵問題。e2psk (t)帶通濾波器相乘器低通濾波器定時脈沖輸出 cosct抽樣判決器圖2 2psk信號的解調原理框圖 2.2二進制差分相移鍵控(2dpsk)：在2psk信號中，相位變化是以未調載波的相位作為參考基準的。由于它利用載波相位的絕對數值表示數字信息，所以又稱為絕對相移。2psk相干解調時，由于載波恢復中相位有、模糊性，導致解調過程出現“反向工作”現象，恢復出的數字信號“”和“”倒置，從而使2psk難以實際應用。為了克服此缺點，提出了二進制差分相移鍵控（2dpsk）方式。

13、2dpsk是利用前后相鄰碼元的載波相對相位變化傳遞數字信息，所以又稱相對相移鍵控。假設為當前碼元與前一碼元的載波相位差，可定義一種數字信息與之間的關系為 （7）于是可以將一組二進制數字信息與其對應的2dpsk信號的載波相位關系示例如下：二進制數字信息: 1101001102dpsk信號相位: (0) 000 或() 0 0 0 000數字信息與之間的關系也可定義為： （8）由此示例可知，對于相同的基帶數字信息序列，由于初始相位不同，2dpsk信號的相位并不直接代表基帶信號，而前后碼元相對相位的差才唯一決定信息符號。為了更直觀地說明信號碼元的相位關系，我們可以用矢量圖來表述。按照（1）的定義關系

14、，我們可以用如圖4所示的矢量圖來表示，圖中，虛線矢量位置稱為基準相位。在絕對相移中，它是未調制載波的相位；在相對相移中，它是前一碼元的載波相位，當前碼元的相位可能是0或。但是按照這種定義，在某個長的碼元序列中，信號波形的相位可能仍沒有突跳出點，致使在接收端無法辨認信號碼元的起止時刻。這樣，2dpsk方式雖然解決了載波相位不確定性問題，但是碼元的定時問題仍沒有解決。為了解決定時問題，可以采用圖3（b）所示的相移方式。這時，當前的碼元的相位相對于前一碼元的相位改變/2。因此，在相鄰碼元之間必定有相位突跳。在接收端檢測此相位突跳就能確定每個碼元的起止時刻，即可提供碼元定時信息。圖3（a）所示的相移方

15、式稱為a方式；圖1（b）所示的相移方式稱為b方式。由于后者的優點，目前被廣泛采用。圖3 2dpsk信號的矢量圖參考相位參考相位/2相位-/2相位(a) a方式(b) b方式2dpsk信號的產生方法：先對二進制數字基帶信號進行差分編碼，即把表示數字信息的序列的絕對碼變換成相對碼（差分碼），然后再根據相對碼絕對調相，從而產生二進制差分相移鍵控信號。2dpsk信號調制器原理框圖如圖4所示。180移相cosct開關電路s(t)圖42dpsk信號調制器原理框圖碼變換 e2dpsk (t)0 差分碼可取傳號差分碼或空號差分碼。其中，傳號差分碼的編碼規則為 （9） 式中：為模加；為的前一碼元，最初的可任意設

16、定。在式（8）稱為差分編碼（碼變換），即把絕對碼變換為相對碼；其逆過程稱為差分譯碼（碼反變換），即 （10）2dpsk信號的解調方法之一是相干解調（極性比較法）加碼反變換法。其解調原理是：對2dpsk信號進行相干解調，恢復出相對碼，再經碼反變換器變換為絕對碼，從而恢復出發送的二進制數字信息。在解調過程中，由于載波相位模糊性的影響，使得解調出的相對碼也可能是“”和“”倒置，但經差分譯碼（碼反變換）得到的絕對碼不會發生任何倒置的現象，從而解決了載波相位模糊性帶來的問題。2dpsk的相干解調器原理框圖如圖6所示。圖5 2dpsk相干解調器原理框圖e2dpsk (t)cosct相乘器低通濾波器抽樣判決

17、器定時脈沖碼反變換器輸出帶通濾波器2dpsk信號的另一種解調方法是差分相干解調（相位比較法），其原理框圖如圖6所示。用這種方法解調進不需要專門的相干載波，只需由收到的2dpsk信號延時一個碼元間隔ts，然后與2dpsk信號本身相乘。相乘器起著相位比較的作用，相乘結果反映了前后碼元的相位差，經低通濾波后再抽樣判決，即可直接恢復原始數字信息，故解調器中不需要碼反變換器。2dpsk系統是一種實用的數字調相系統，但其抗加性白噪聲性能比2psk的要差。圖62dpsk差分相干解調器原理框圖相乘器低通濾波器抽樣判決器定時脈沖輸出帶通濾波器延遲tse2dpsk (t)第三章 二進制相移仿真及結果分析3.1 m

18、atlab簡介：matlab是一種交互式的以矩陣為基礎的系統計算平臺,它用于科學和工程的計算與可視化。它的優點在于快速開發計算方法，而不在于計算速度。 matlab的基本數據單位是矩陣，它的指令表達式與數學、工程中常用的形式十分相似，雇傭matlab可以進行矩陣、控制設計、信號處理與通信、圖像處理、信號檢測等領域。目前，matlab集科學計算(computation) 、可視化(visualization)、編程(programming)于一身，并提供了豐富的windows圖形界面設計方法。matlab在美國已經作為大學工科學生必修的計算機語言之一 ，近年來，matlab語言已在我國推廣使用，

19、現在已廣泛地應用于各學科研究部門和高等院校。3.2數字調制與解調原理： 在數字基帶傳輸系統中，為了使數字基帶信號能夠在信道中傳輸，要求信道應具有低通形式的傳輸特性。然而，在實際信道中，大多數信道具有帶通傳輸特性，數字基帶信號不能直接在這種帶通傳輸特性的信道中傳輸。必須用數字基帶信號對載波進行調制，產生各種已調數字信號。 數字調制與模擬調制原理是相同的，一般可以采用模擬調制的方法實現數字調制。但是，數字基帶信號具有與模擬基帶信號不同的特點，其取值是有限的離散狀態。這樣，可以用載波的某些離散狀態來表示數字基帶信號的離散狀態。3.3 仿真流圖設計： 圖7 仿真流程圖3.4 仿真中用到的matlab函

20、數： 1. randsrc： x1=randsrc(1,1000,1,0;0.6,0.4);%產生隨機信源，信源符號1和的概率分別為0.6，0.42. symerr : wnum(1,snr+11),pe(1,snr+11)=symerr(x1(1:length(r_x),r_x);%計算誤碼率3. xor : b(n+1)=xor(x1(n),b(n) ; %差分碼編碼規則b(n+1)是x1(n)與b(n)相異或 o_a=;o_a(1)=xor(r_x(1),1) ;%碼反變換4.rcosfir : num=rcosfir(alfa,n_filter,rate,tc,sqrt);%根升余弦濾

21、波器單位沖激序列 5.filter : x=filter(num,1,c); %濾波6.awgn : y=awgn(x,snr); %向功率為0db的信號x添加高斯白噪聲，輸出信號y的信噪比snr為參數snr (單位db)。如果信號x為復信號，該函數添加復高斯白噪聲。r_y=awgn(y,snr,measured);%加上高斯白噪聲3.5 仿真參數設計：抽樣速率 fs=256hz載波速率 fc=64hz碼元速率 sigv=16b碼元周期 tc=1/sigv; 升余弦濾波器參數 alfa=0.22采用了符號1和0概率分別是0.6，0.4的隨機信源，并且信噪比分別設置在-10db10d變化范圍內。

22、3.6 仿真結果分析：3.6.1 2psk調制與解調仿真：2psk調制采用圖1（b）所示方法，當源信號為時傳送載波，當源信號為時傳送相移180度的載波，即產生2psk信號。2psk解調采用如圖2所示方法，將2psk信號在頻域上與載波相乘，再經過低通濾波，然后進行抽樣判決得到解調信號。2psk調制和解調各環節仿真波形如下各圖所示。圖8 原信號波形及原信號波形頻譜 圖9 2psk信號波形 圖10噪聲信號波形 源信號經過2psk調制后產生未加噪聲調制信號，從頻域上看是源信號中心頻率經調制后搬移到了載波頻率上。調制后信號的時間波形由兩種相位不同的波形組成，而且兩種波形是反相的，即相位相差180度。 2

23、psk信號后經過加性高斯白噪聲信道后得到加噪聲調制信號。設信噪比為snr=0db，各時間波形和頻譜如圖11所示。圖11 2psk加噪聲調制信號 圖12 帶通濾波器輸出 解調時加噪聲的2psk信號與同步載波在頻域相乘再經過低通濾波后，再經過抽樣判決后恢復出原始數字信號，各時間波形和頻譜如圖13所示。 圖 13 相乘器輸出波形圖14 解調后輸出波形總 結在本次通信系統綜合訓練中，我所做的課設題目為：數字調制系統的設計與仿真。在經歷了三周的課程設計中，我學到了許多東西，綜合運用所學知識的能力得到提高。剛開始時，對于matlab的操作還不是很熟練，su9ozhe針對系統設計所做的編程，以及查閱相關的資料，在經過一次又一次的鍛煉之后，自己感覺對matlab人阮籍的操作已經能夠輕車熟路。在系統的設計過程中，對于選擇何種進制的數字信號進行了系統的歸納和比較，最終決定采2psk信號，在這一過程中我對各種信號的特點及應用范圍有了深刻地認識。此外，對通信原理課本的反復查閱，也讓我對以前所學知識有了進一步的理解，提高了我將所學知識運用于時間的能力。在課程設計期間，我也曾遇到過許多困難問題，諸如，在編程中，對于系統某一功能的實現，在調制系統是，由于某一環