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1、沈阳理工大学装备工程学院课程设计说明书摘 要 本次课程设计为基于MATLAB的BPSK原理电路仿真。本次课设着重介绍了算法的实现，并采用MATLAB程序仿真测试了BPSK过程中单极性不归零编码、脉冲成形、PSK调制、信号通过AWGN信道、载波恢复、解调、解码等过程。关键词：BPSK；2PSK；MATLAB；数字频带通信；目 录绪论11 BPSK数字调制原理21.1数字带通传输分类21.2 BPSK调制原理分析21.2.1调制原理分析21.2.2解调原理分析42 MATLAB软件62.1 MATLAB软件介绍63基于的MATLAB的BPSK调制分析和仿真73.1基于MATLAB的BPSK调制系统
2、总述73.2编码过程的MATLAB实现83.3 BPSK调制的MATLAB的实现113.4 AWGN信道MATLAB的实现133.5载波恢复的MATLAB实现163.5.1接收端带通滤波器163.5.2通过FFT实现载波的直接频率估计203.5.3自适应（迭代）算法验证恢复频率223.6 BPSK解调254总结30附录31致谢32参考文献3333绪论数字信号传输方式分为数字带通传输和数字基带传输。对于本次课程设计二进制相移键控BPSK（Binary Phase Shift Key）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的一种数字带通调制方式。在实际应用中，PSK具有恒包络特性
3、，频带利用率比FSK高，在相同信噪比的条件下误码率也较低，同时PSK调制实现相对简单，故卫星通信，遥测遥控中用得最多的是BPSK方式调制。1 BPSK数字调制原理1.1数字带通传输分类数字带通传输中一般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，比如对载波的振幅、频率和相位进行键控可获得振幅键控（ASK）、频移键控（FSK）和相移键控（PSK）。1.2 BPSK调制原理分析1.2.1调制原理分析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BPSK中，通常用初始相位0或分别表示二进制的0和1。因此，BPSK信号的时域表达式为： 1-1其中，表示第n个符号
4、的绝对相位： 1-2 因此，式（1-1）可以改写为：1-3由于表示信号的两种码元的波形相同，极性相反，故BPSK信号一般可以表述为一个双极性全占空（100% duty ratio）矩形脉冲序列于一个正弦载波的相乘，即 1-4其中， 1-5这里,g(t)脉冲宽度为的单个矩形脉冲，而得统计特性为 1-6即发送二进制符号位0时（取+1），取0相位；发送二进制符号为1时（取-1），取相位。这种以载波的不同相位直接去表示响应的二进制数字信号的调制方式，称为二进制绝对相移调制（BPSK）。调制原理框图如图1.1所示：图1.1 BPSK调制原理图典型波形如图1.2所示:图1.2 发送码元为1 0 0 1 1
5、的BPSK波形1.2.2解调原理分析BPSK信号的解调方法是相干解调法。由于PSK信号本身就是用相位传递信息的，所以在接受端必须利用信号的相位信息，故采用相干解调法来解调信号。BPSK解调原理框图如1.3所示：抽样判决低通滤波器相乘器 带通滤波器 图1.3 BPSK解调原理框图给出了一种BPSK信号想干接受设备原理框图。图中经过带通滤波的信号在相乘器与本地载波相乘，在相干解调中，如何得到与接收的BPSK信号同频同相的相干载波是关键，然后用低通滤波器去除高频分量，再进行抽样判决，判决器是按极性进行判决，得到最终的二进制信息。图中，假设相干载波的基准相位于BPSK信号的调制载波的基准相位一致。但是
6、，由于在BPSK信号的载波恢复过程中存在的相位迷糊（phase ambiguity），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BPSK方式的倒现象。具体波形如图1.4所示图1.4 解调信号示意图2 MATLAB软件2.1 MATLAB软件介绍MATLAB 简介 MATLAB 的名称源自Matrix Laboratory,它是一种科学计算软件，专门 以矩阵的形式处理数据。MATLAB将高性能的数值计算和可视化集成在一起， 并提供了大量的内置函数
7、，从而被广泛地应用于科学计算、控制系统、信息处理 等领域的分析、仿真和设计工作，而且利用MATLAB产品的开放式结构，可以 非常容易地对MATLAB的功能进行扩充，从而在不断深化对问题认识的同时，不断完善MATLAB产品以提高产品自身的竞争能力。在通信仿真中，欲将寄载消息的信号保质保量的传送给接收者，就必须对它们进行加工处理，对相应的部件进行分析和研究，而这种研讨过程中会用到大量的数学计算。它是以矩阵，数组为基本处理对象，矩阵的维数不需要预先指定，且随时可变，具有丰富的矩阵运算功能。仿真功能我们采用MATLAB语言编程，以Windows和MATLAB为软件运行环境。将通信原理中的知识点用MAT
8、LAB来实现。通过灵活的菜单和界面设计使 某些参数可调。同时运用Simulink软件包，使波形在仿真的同时显示系统。更加有利于在课堂上使用。MATLAB界面：图2.1 MATLAB界面3基于的MATLAB的BPSK调制分析和仿真3.1基于MATLAB的BPSK调制系统总述基于MATLAB的BPSK调制解调系统流程框图如3.1所示：道信调制成形冲脉编码 文本 信息决判样抽载波恢复 解码解调图3.1 BPSK调制解调系统流程框图通信过程分析：整个发送与接收过程仿真了实际中的通信过程，输入一段信息如ph经过编码过程，变换为一串二进制字符，再加载矩形窗进行脉冲成形，生成原始的数字基带信号，为了发送信息
9、，通过BPSK调制成数字带通信号发射，发射信号进入模拟的AWGN信道，被接收机所接受，BPSK解调采用的是相干解调，故需要进行载波恢复，恢复载波的频率，用已恢复的载波对接受信号进行相乘，再对其进行抽样判决，恢复最原始的二进制字符，再进行解码恢复原始的信息内容。仿真过程的要求：本次课设使用MATLAB进行BPSK通信过程仿真，要求不仅能将原始信息转换成二进制字符信息，解调后也能很好的恢复成原来的信息，过程中对信号观察不仅需要从时域上进行观察分析，也需要再频域上进行观察分析，以分析通过AWGN信道对信号的影响。3.2编码过程的MATLAB实现对于输入的文本信息，如果要进行调制发送，必然而且也可以将
10、其转换成由0与1二进制字符，这个过程是信源编码过程。算法原理：对于输入的文本信息，在MATLAB中有对于的ASCII编码，MATLAB会自动的任意一行文档表示为一列ASCII码。再将十进制的ASCII码转换为二进制的的字符。对于数字形式的信息，必须转化成模拟形式，也就是脉冲成形过程，它将数字形式的每个字符转换成合适的模拟脉冲，经过传输后，接受端可以从接受到的信号中恢复出原来的二进制字符。本次课设采用矩形窗加载，即为矩形脉冲。算法原理框图如3.2所示： 基带信号 脉冲成形二进制信息文本信息 图3.2 算法框图MATLAB代码：%编码和脉冲成形%采样率100decimalvalue=real(st
11、r);%使用自带real函数读取字符串的ASCII码binaryvalue=dec2base(decimalvalue,2,8);% dec2base函数转成8位二进制形式字符%因为使用dec2base函数转换出的二进制字符是使用char型的数组%进行将char型转换成int型二进制字符matrix1=size(binaryvalue);a=matrix1(1,1);b=matrix1(1,2);bv=;for i=1:1:a; for j=1:1:b; bv1=binaryvalue(i,j); bv1=bv1*1; bv1=bv1-48; bv=bv bv1; endend%为了能使编码后
12、的二进制可以进行脉冲成形需要对其进行过采样M=100;N=length(bv);bsignal=zeros(1,N*M);bsignal(1:M:end)=bv;%使用矩形窗进行脉冲成形p=ones(1,M);s=conv(p,bsignal);%因为使用卷积，加载后的信号需要剔除后续多余部分k1=length(s);k1=k1-99;signal=zeros(1,k1);for i=1:1:k1; signal(i)=s(i);end%画图语句k=1;%第一幅图x=signal;Ts=1/100;plotspec(x,Ts,k);%调用自编子函数运行程序输入str=ph，输出二进制字符的基带信号signal，时域图如3.3所示： 图3.3 基带信号时域图基带信号频域图如3.4所示： 图3.4 基带信号频域图由MATLAB的工作空间可知ph转换成的二进制字符为：011000001101000.3.3 BPSK调制的MATLAB的实现数字基带信号一般不直接进行发射，需经过调制，本次课设要求使用BPSK调制方式进行调制。算法原理：在MATLAB中，可以采取脉冲成形的方式对原始信号进行调制，先将信号进行过采样插值，将1s内取100k个有相同幅值的点，以便使用载波进行脉冲成形，过采样后直接使用载波对信号进行相乘，以达到调制的目的。算法原理框图如3.5所示：
