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1、成都学院（成都大学）课程设计报告2PSK数字频带通信系统的设计与实现摘要： 数字通信系统分为数字频带传输通信系统、数字基带传输通信系统、模拟信号数字化传输通信系统。本次课程设计主要是利用matlab中的simulink模块对频带传输系统进行仿真。在设计频带传输系统时，通过对原理的分析和实现过程中的实际操作问题的解决方便，采用的方案是用2PSK的调制方式，首先对信号进行PSK调制，并把运行仿真结果输入到示波器，根据示波器结果分析设计的系统性能。再通过加入高斯白噪声传输信道，接着在接收端对信号进行PSK解调，采用相干解调法，最后把输出的信号和输入的信号进行比较。通过最后仿真结果可知，在仿真过程中存
2、在着一定的误码，该信号频带传输通信系统已初步实现了设计指标并可用于解决一些实际性的问题。关键词：数字频带；2PSK调制；高斯白噪声；Simulink； 目录第1章 绪论111 背景11.2 选题的目的和意义11.3 本课程设计的主要内容2第2章2PSK信号调制与解调的基本原理32.1 总体思想32.2 2PSK信号的产生32.3 2PSK信号的解调原理及抗噪声性能52.3.1 2PSK信号的解调原理52.3.2 2PSK信号相干解调误码率的计算6第3章 simulink的介绍93.1 Simulink相关内容93.2 Simulink仿真原理93.3 Simulink仿真过程9第4章 2PSK
3、数字调制与解调系统的设计114.1整体电路设计114.2 2PSK信号调制模块设计114.3 2PSK信号解调模块设计134.4 误码率计算模块设计15第5章 仿真实现185.1 matlab仿真结果分析185.2误码率分析205.3仿真过程出现的问题20第6章 总结21参考文献2222第1章 绪论1、1 背景数字基带信号是低通型信号，其功率谱集中在零频附近，它可以直接在低通型信道中传输。但是，实际信道大多是带通型的，数字基带信号无法直接通过。因此，在发送端需要将其频谱搬移到通信信道的通带范围内，以便信号传输，频谱的搬移过程称为数字调制，数字基带信号称为调制信号，频谱搬移后的信号称为已调信号。
4、相应地，频谱的反搬移过程称为数字解调。调制和解调的基本原理是利用信号与系统的频域分析和傅里叶变换的基本性质，将信号的频谱进行搬移，以使信号与信道的特性相匹配，从而完成信号的传输。在现代数字通信系统中，频带传输系统的应用最为突出。将原始的数字基带信号，经过频谱搬移，变换为适合在频带上传输的频带信号，传输这个信号的系统就称为频带传输系统。通常选择正弦波信号为载波。用载波信号参量的某些离散状态来表征所传输的信息，在接收端也只要对载波信号的调制参量有限个离散值进行判决，以便恢复出原始信号。数字解调器信道数字调制器数字基带 数字基带信号输入 信号输出噪声图1-1 数字频带传输系统框图1.2 选题的目的和
5、意义本次课程设计选择的是利用matlab中的simulink搭建2PSK数字调制与解调系统，并对调制与解调前后的时频域进行分析。原因是在传输信号里，2PSK信号与2ASK及2FSK信号相比，具有较好的误码率性能。，。本课程设计要针对数字频带传输的性能来进行研究，在分析数字频带传输基本原理的基础上，理论分析其传输系统的基本性能。通过使用matlab软件中的simulink仿真模块得到比较符合实际情况的高斯噪声下PSK传输的波形和功率谱图，理论分析其传输性能。1.3 本课程设计的主要内容2PSK数字频带通信系统的设计与建模，分析题目，设计系统框图，设计仿真模块，调试，并完成设计报告。具体要求有以下
6、五点：（1）设计出规定的数字通信系统的结构，包括信源，调制，发送滤波器模块，信道，接受滤波器模块，解调以及信宿； （2）根据通信原理，设计出各个模块的参数（例如码速率，滤波器的截止频率等）； （3）用Matlab实现该数字通信系统； （4）观察仿真并进行波形分析； （5）系统的性能评价。第2章2PSK信号调制与解调的基本原理2.1 总体思想二进制数字相位调制就是用二进制数字信息控制正弦载波的相位，使正弦载波的相位随二进制数字信息的变化而变化。由于二进制数字信息控制载波相位的方法不同，二进制数字相位调制又分为二进制绝对相位调制（2PSK）和二进制相对相位调制（2DPSK）两种。这次的课程设计则主
7、要采用二进制绝对相位调制（2PSK）。2PSK调制与解调原理框图如图2-1所示。电平变换器带通滤波器取样判决器低通滤波器信道噪声二进制信息 s(t)s(t)cos2fct 输出位定时图2-1 2PSK调制与解调原理框图2.2 2PSK信号的产生二进制绝对调相是用数字信息直接控制载波的相位。例如，当数字信息为“1”时，使载波反相(即发生180变化)； 当数字信息为“0”时，载波相位不变。图2-2为2PSK信号波形图(为作图方便，在一个码元周期内画两个周期的载波)。图2-2 2PSK信号波形图图2-2中(a)为数字信息，(b)为载波，(c)为2PSK波形，(d)双极性数字基带信号。从图中可以看出，
8、2PSK信号可以看成是双极性基带信号乘以载波而产生的，即 （2-1）图2-3 2PSK调制器图2-3中，电平变换器的作用是将输入的数字信息变换成双极性全占空数字基带信号s(t)。但需要注意的是，相同的数字信息可变换成两种极性相反的全占空数字基带信号，如图2-4所示。一个调制器中只能采用其中的一种变换，至于采用哪一种变换，完全由调制规则决定。如采用“1”变“0”不变的调制规则，则电平变换器将数字信息“1”变换成一个负的全占空矩形脉冲，将数字信息“0”变换成一个正的全占空矩形脉冲，如图2-4(a)波形所示。图2-4(b)波形对应的调制规则是“0”变“1”不变。图2-4 电平变换器输入/输出波形由式
9、（2-1）及图2-3可知，双极性全占空数字基带信号s(t)乘以A cos2fct产生2PSK信号，所以，根据频谱变换原理，2PSK信号的功率谱为 其中，为双极性全占空矩形脉冲序列s(t)的功率谱。功率谱及P2PSK(f)的示意图如图2-5所示。2PSK信号的功率谱与2ASK信号的功率谱形状相同，只是少了一个离散的载波分量，这是由于双极性数字基带信号在“1”、“0”等概时直流分量等于零的缘故。 图2-5 2PSK信号的功率谱由图2-5可知，2PSK信号的带宽为B2PSK=2fs即2PSK信号的带宽是数字信息码元速率值的两倍。2.3 2PSK信号的解调原理及抗噪声性能2.3.1 2PSK信号的解调
10、原理由于2PSK信号信息携带在2PSK信号与载波的相位差上，因此2PSK信号的解调通常采用相干解调法，解调原理框图如图2.2所示。首先是2PSK信号通过一个带通滤波器，然后与本地载波相乘，再通过低通滤波器，经过抽样判决器来恢复出基带信号。 图2-6 2PSK信号的相干解调器 2PSK信号解调过程中的波形如图2-7所示。为对比方便，图中画出了原调制信息s(t)。图2-7 2PSK相干解调器各点波形示意图图2-7中，(b)是收到的2PSK波形；(c)是本地载波提取电路提取的载波信号，此载波信号与调制用的载波信号同频同相。(d)是接收2PSK信号(b)与本地载波(c)相乘得到的波形示意图，此波形经低
11、通滤波器滤波后得低通信号(e)，取样判决器在位定时信号(f)的控制下对(e)波形取样，再与门限进行比较，作出相应的判决，得到恢复的信息(g)。需要强调的是：判决规则应与调制规则相一致。如当调制规则采用“1”变“0”不变时，判决规则相应为：当取样值大于门限Vd时判为“0”，当取样值小于门限Vd时判为“1”。当“1”、“0”等概时，判决门限Vd=0。反之，当调制规则采用“0”变“1”不变时，判决规则应为：当取样值大于门限Vd时判为“1”，当取样值小于门限Vd时判为“0”。以上说明图2-6所示的2PSK解调器在无噪声情况下能对2PSK信号正确解调。下面讨论此2PSK解调器在噪声干扰下的误码率。2.3
12、.2 2PSK信号相干解调误码率的计算误码率的基本分析方法是：(1) 求出发“1”及发“0”时低通滤波器输出信号的数学表达式。(2) 求出取样值的概率密度函数。(3) 求出解调器的平均误码率公式。设调制采用“1”变“0”不变规则。当发端发“1”时，收到的2PSK信号为s2PSK(t)=-acos2fct带通滤波器的输出是信号加窄带噪声 上式与本地载波cos2fct相乘，得 （2-2） 式(2-2)所示信号经低通滤波后得x(t)=-a+nI(t)显然，x(t)的瞬时值是均值为-a、方差为的高斯随机变量。所以，x(t)的取样值的概率密度函数为 (2-3)同理，发端发“0”时，收到的2PSK信号为带
13、通滤波器的输出是信号加窄带噪声 上式与本地载波cos2fct相乘，得 （2-4）式(2-4)所示信号经低通滤波后得（不计系数1/2）x(t)=a+nI(t)x(t)的瞬时值是均值为a、方差为 的高斯随机变量。所以，x(t)的取样值的概率密度函数为 (2-5)式(2-3)及式(2-5)的概率密度函数曲线如图2-8所示。 图2-8 取样值概率密度函数示意图当“1”、“0”等概时，最佳判决门限为0。由图8.4.8可知，发“1”错判成“0”的概率为 将式（2-3）代入上式得 “0”错判成“1”的概率等于“1”错判成“0”的概率，即 根据平均误码率公式Pe=P(0)P(1/0)+P(1)P(0/1)得解调器平均误码率为 式中，。第3章 simulink的介绍3.1 Simulink相关内容Simulink是MATLAB【2】最重要的组件之一，它提供一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境
