1、基于MATLAB的BPSK通信系统仿真基于MATLAB的BPSK通信系统仿真摘要：BPSK就是数字带通传输系统中一种非常重要的方式。对于它的研究有助于我们掌握更加复杂的数字通信系统的传输方式。本文介绍了BPSK的调制原理，以及使用Simulink对其调制过程进行仿真。Simulink是MATLAB中最重要的组件之一，它向用户提供一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境，在这种环境中，用户无须写大量的程序，而只要通过简单直观的鼠标操作，选取适当的库模块，就可以构造出复杂的仿真模型。文章对于Simulink模块的库作了比较详细的介绍，如何进行模块参数的设置也作了说明。使用Simulink仿真，直
2、观简便，极大地减轻了工作量，简化了复杂的通信过程分析，也极大的方便了我们对于通信系统的研究与掌握。关键词：BPSK；Simulink；仿真 BPSK Communication System Simulation Based on MATABAbstract: BPSK is the digital transmission system in a very important way. For its research helps us to grasp more complex transmission of a digital communication system. This art
3、icle introduces the BPSK modulation principle, as well as its modulation process simulation using Simulink. Simulink is one of the most important components in MATLAB, it offers the user a comprehensive analysis of dynamic systems modeling, simulation and integration environments, in this environmen
4、t, users do not have to write a lot of programs, but merely through simple, intuitive mouse operation, select the appropriate library module, you can construct sophisticated simulation models. Article for a Simulink block library for a more detailed introduction, described how to set module paramete
5、rs. Using Simulink simulation, intuitive and easy, greatly reducing the workload, simplifying analysis of complex communication process, was also very handy for communication system of research and at our disposal.Key words: BPSK; Simulink; simulation1 序 言1.1 数字通信系统研究的背景及意义古代通信利用自然界的基本规律和人的基础感官（视觉，听
6、觉等）可达性建立通信系统，是人类基于需求的最原始通信方式。广为人知的“烽火传讯（2700多年前的周朝）”、“信鸽传书”、“击鼓传声”、“风筝传讯（2000多年前的春秋时期，公输班和墨子为代表）”、“天灯（代表是三国时期的孔明灯的使用，发展到后期热气球成为其延伸）”、“旗语”以及随之发展依托于文字的“信件（周朝已经有驿站出现，传递公文）”都是古代传讯的方式，而信件在较长的历史时期内，都成为人们主要传递信息的方式。19世纪中叶以后，随着电报、电话的发有，电磁波的发现，人类通信领域产生了根本性的巨大变革，从此，人类的信息传递可以脱离常规的视听觉方式，用电信号作为新的载体，同此带来了一系列铁技术革新，
7、开始了人类通信的新时代。利用电和磁的技术，来实现通信的目的，是近代通信起始的标志。近年来，对数据传输需求的高速增长，特别是计算机技术和因特网的出现和发展，促进了数字通信的快速发展。现代数字通信一般都是以数字化为基础的，数字传输技术是现代数字通信的基础。随着数字通信技术的发展，数字通信业务种类越来越多，不仅有电话、数据，还有电视、多媒体等等。数字通信的业务量也越来越大，对数字传输系统的要求也越来越高。为了扩大传输容量、提高传输效率和确保数字传输系统的可靠性，就需要研究数字信号的频带传输等相关的问题。1.2 数字通信的应用现状和未来的发展通信的数字化革命使得通信系统既能传输语音，也能传输各种数据、
8、图像、文字、报表等其他信息。目前，数字通信在卫星通信、光纤通信、移动通信等方面的发展很快。下面我们上述几个方面了解数字通信的现状和未来3。 卫星通信 卫星通信是随着现代航天技术的发展而发展起来的一种现代通信方式，它是利用人造卫星为中继站转发无线电信号，在多个地球站之间进行信息传输的通信方式。卫星通信系统主要由通信卫星（如同步卫星）、地球站、上行线路和下行线路组成。卫星通信具有传输距离远、覆盖地域广、不受地理条件限制、通信容量大、可靠性高、建设周期短等优点。自1960年第一颗卫星发射以来，卫星通信得到了很大的发展。作为一种重要的通信手段，卫星通信已广泛应用于国际、国内和区域通信和电视传输。 光纤
9、通信 光纤通信是以光导纤维作为传输媒体、以光波作为运载工具的通信方式。光纤通信具有容量大、频带宽、传输损耗小、不受电磁干扰、成本低、通信质量高等优点。自1977年世界上第一个光纤通信系统投入运营以来，光纤通信的发展极为迅速，已成为通信、广播电视、电力、交通、军事等领域通信干线的主要传输手段。目前，光纤通信的主要应用有：用于市话中继线，光纤通信已经取代了电缆；用于长途干线通信，特别是SDH和DWDM的广泛应用，光纤通信已在长途大容量通信中占有绝对主导地位；用于高质量彩色电视传输，例如有线电视光纤同轴电缆网已经成为电视电视传输的主角；用于工业生产现场监督和调度；用于交通监视控制指挥；用于军事通信等
10、等。近年来，光纤通信技术发展很快，新技术、新器件、新工艺、新产品、新构思、新应用不断涌现，推动着光线通信技术的快速发展。目前，光线通信的发展方向是密集波分复用、全光网络和新一代超高速光线通信系统。 移动通信移动通信是指通信双方或者至少其中一方在运动中进行信息传递的通信方式。移动通信不受时间和空间的限制，交流信息机动、灵活、迅速、方便、自由，被认为是实现通信原理的重要手段。近年来移动通信的发展非常迅速，特别是数字蜂窝移动通信系统。数字蜂窝移动通信系统将通信范围划为相距一定距离的小区，移动用户不仅可以从一个小区移动到另一个小区，而且可以从一个城市漫游到另一个城市，甚至从一个国家漫游到另一个国家，实
11、现“充满自由”的个人通信。数字蜂窝移动通信系统主要由移动交换中心、基站和移动终端组成，通过移动交换中心与公用有线电话网相连，从而实现移动电话与固定电话、移动电话之间的通信。目前，广泛应用的第二代数字蜂窝移动通信系统，采用时分多址和窄带码分多址技术，形成了欧洲标准的GSM系统和美国标准IS-95CDMA系统。随着移动通信的普及，移动用户数量成倍增长，第二代移动通信系统的不足也逐渐显现，如全球漫游问题、支持宽带应用问题、与互联网的融合问题、系统容量问题等。为此，近年来国际电信联盟和全世界各国开始了第三代和第四代移动通信技术的研究，形成WCDMA、CDMA2000、和TD-SCDMA三种第三代移动通
12、信标准，以实现一频段、统一标准、全球无缝隙覆盖、提供多媒体业务、频谱利用率高、服务质量高、保密性好等目标。2 通信的基本知识2.1 通信的基本概念 通信的目的是传送消息中所包含的信息。消息是物质或者精神状态的一种反应，在不同时期具有不同的表现形式。例如，话音、文字、数据、图片或者活动图像等都是消息。各种不同的消息可以分成两大类：一类称为连续消息；另外一类称为离散消息。连续消息是指消息的状态连续变化或不可数的，如连续变化的话音、图像等；离散消息则是指消息的状态是可数的或者离散的，如符号、数据等。人们接受消息，关心的是消息中所包含的有效内容，即信息。通信则是进行信息时空的转移，即把消息从一方传送到
13、另一方。基于这种认识，“通信”也就是“信息传输”或“消息传输”1。 1837年查尔斯发明的有线电报开创了利用电传递信息（即电信）的新时代；1876年贝尔发明的电话已成为我们日常生活中通信的主要工具；1918年，调幅无线电广播、超外差接收机问世；1936年，商业电视广播开播；伴随着人类的文明、社会的进步和科学技术的发展，电信技术也是一日千里的速度飞速发展。电信技术的不断进步导致让你们对电信的质与量提出了更高的要求，这种要求反过来又促进了电信技术的完善和发展。如今，在自然科学领域涉及通信这一术语时，一般是指“电通信”。广义来讲，光通信也是电通信，因此光也是一种电磁波。 在电通信系统中，消息的传递是
14、通过电信号来实现的。由于电通信方式具有迅速、准确、可靠且不受时间、地点、距离限制的特点，因此，100年来得到了飞速的发展和广泛地应用。2.2 通信系统的通信过程与原理 2.2.1 通信系统的一般模型通信的目的是传输信息。通信系统的作用就是将信息从信源发送到一个或者多个目的地。对于电通信来说，首先要把消息转变成电信号，然后经过发送设备，将信号送入信道，在接收端利用接受设接受信号作相应的处理后，送给信宿转换为原来的消息。这一过程可利用图1所示的通信系统一般模型概括。信息源发送设备信 道接受设备受信者噪 声 源图1 通信系统的一般模型图1中各种部分的功能简述如下：信息源 信息源又称为信源，它的作用是
15、把各种消息转换成原始电信号(基带信号)。根据消息的种类不同，信源可以分为模拟信源和数字信源。模拟信源输出的是连续的模拟信号，例如麦克风（声音音频信号）；数字信源则输出离散的数字信号，例如电传机（键盘字符计算机数字信号）、计算机等各种数字终端设备。并且，模拟信源送出的信号经过数字化处理后也可以送出数字信号。发送设备发送设备的作用是产生适合于在信道中传输的信号，即使发送的信号特性和信道特性相匹配，具有抗信道干扰能力，并且具有足够的功率以满足远距离传输的需要。因此，发送设备涵盖的内容很多，可能包含变换、放大、滤波、编码、调制等过程。对于多路传输系统发送设备中还包括多路复用器1。信道信道是信号传输的通
16、道（或媒体），传输信道可分为有线信道和无线信道。当信号经过信道传输时，要注意信道带宽W、信噪比S/N、信道容量C等特性。例如，信号经过传输时，由于必然有能量的损耗，会产生信号功率的衰减；任何信道的频率特性不可能为无限宽，不能百分百满足传输信号的要求；信道中存在的电感和电容等储能元件，会对信号的频率特性产生影响3。噪声源这里的噪声源是指非人为产生的，在通信系统中它是客观存在的，在通信系统模型中，噪声源是以集中形式表示的，实际上这种噪声分散在通信系统中的各个部分。这种集中表示了便于理解和分析问题3。接收设备接收设备的功能是将信号放大和反变换（如译码、解调等），其目的是从受到减损的接收信号中正确恢复
17、出原始电信号。对于多路复用信号，接收设备中还包括解除多路复用，实现正确分路功能。此外，它还要尽可能减小在传输过程中噪声与干扰所带来的影响1。受信者受信者又称为信宿，它是把消息传送到目的地，其功能与信源刚好相反，即就是把原始电信号还原成相应的消息，如音响等。2.2.2 模拟和数字通信系统消息的传递是通过它的物理载体电信号来实现的，即把消息寄托在电信号的某一参量（如连续的幅度、频率或者相位；脉冲波的幅度、宽度或位置）。按信号参量取值方式不同，可以把信号分为两类：模拟信号和数字信号。如果信号参量的取值是连续的，则称之为模拟信号。例如话筒送出的输出电压包含有话音信号，并在一定的取值范围内连续变化。如果
18、电信号的参量取值是离散的，则称之为数字信号。如电报信号、计算机输入/输出信号、PCM信号等。通常按照信道中传输的是模拟信号还是数字信号，相应地把通信系统分为模拟通信系统和数字通信系统。模拟通信系统模拟通信系统是利用模拟信号来传递信息的通信系统，语言、音乐、电视(目前的电视)都是连续的信源，产生连续信号，直接传输连续信号的通信系统是模拟通信系统。其模型如图2所示，信息源调制器信 道解调器受信者噪声源图2 模拟通信系统数字通信系统数字通信系统是利用数字信号来传递信息的通信系统，数字信源(如计算机)或模拟信号数字化后的传输的是数字信号（信源发出和信宿接收的是数字信号或模拟信号，而信道传输的是数字信号
19、的通信过程或方式），它有两种传输方式：（1）基带传输：直接传输由消息变换过来的电信号，如图3所示。数字信源编码信道译码信宿图3 基带传输（2）频带传输：如图4所示 信息源加密器编码器调制器信道解调器译码器受信者噪声源图4 频带传输3 BPSK的调制原理数字信号的传输通常分为基带传输和频带传输。由消息转换得到的原始电信号所占据的频带通常从直流和低频开始，因而称为基带信号。在某些有线信道中，例如传输距离不太远的情况下，数字基带信号可以直接传送，因此称为数字信号的基带传输。但在大多数情况下，例如无线信道等，数字基带信号必须经过调制，将信号频谱搬移到某一个高频载波频带上才能在信道上传输，即数字信号的频
20、带传输。数字基带传输和数字频带传输是数字通信系统的基础1。3.1 数字调制的基础调制在通信系统中至关重要。所谓的调制，就是把信号转成适合在信道传输的形式的一种过程。为了使数字信号信号在带通信道中传输，必须用数字基带信号对载波进行调制，以使信号与信道特性相匹配。这种用数字信号控制载波，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。在数字频带传输系统中，调制的作用是要对数字基带信号进行某种变换，使之能够在模拟信道中传输。调制的主要目的有3：将数字基带信号频谱搬移到高频处，以便于以高频电磁波形式发射出去。便于实现信道复用。通过调制使各路基带信号频谱搬移到指定的位置，互不重叠，互不干扰。便于改善
21、系统性能。香农信道容量公式C=W lb（1+S/N）指出，给定的信道容量C可以用不同的信道带宽W和信噪比S/N的组合来传输。采用较大的带宽能获得较强的抗干扰能力，这种以带宽换取信噪比的提高要通过调制来实现。 数字信息有二进制和多进制之分，因此，数字调制可以分为二进制和多进制调制。在二进制调制中，信号参量只有两种可能的取值，而在多进制中，信号参量可能有M（M2）种取值。当调制信号是二进制数字基带信号时，这种调制称为二进制数字调制。由于二进制数字信号只有0和1两种状态，所以数字调制完全可以理解为像报务员用开关键控制载波的过程，因此，数字信号的调制方式一般均为较为简单的键控方式。常用的数字键控技术有
22、振幅键控（Amplitude Shift Keying，ASK）、频移键控（Frequency Shift Keying，FSK）、相移键控（Phase Shift Keying，PSK）三种基本的数字调制方式。在二进制数字调制系统中，相移键控是一种非常重要的调制方式，也是一种基本的调制形式。对于二进制相移键控的研究，是以点带面，有利于推广到更复杂、多进制键控调制研究。3.2 二进制相移键控（BPSK）BPSK全称 ： Binary Phase Shift Keying，通常简记为2PSK。把模拟信号转换成数据值的转换方式之一。是利用偏离相位的复数波浪组合来表现信息键控移相方式的一种。BPSK
23、使用了基准的正弦波和相位反转的波浪，使一方为0，另一方为1，从而可以同时传送接受2值(1比特)的信息。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。2PSK中，通常用初始相位0和分别表示二进制“1”和“0”。因此，2PSK信号的时域表达式为 2-1其中，表示第n个符号的绝对相位： 2-2因此，式（2-1）可以改为典型波形如图5所示。 图5 BPSK时间波形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（bipolarity）全占空（100% duty ratio）矩形脉冲序列与一个正弦载波的相乘，即 2-3其中这里，是脉宽为的单个矩形脉冲
24、，而的统计特性为 2-4即发送二进制符号“0”时（取+1），取0相位；发送二进制符号“1”时（取1），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，称为二进制绝对相移方式1。2PSK信号的调制原理框图如图6所示。码型变换S（t）双极性不归零乘法器e2psk（t）COSWC（t）图6 模拟调制COSWC（t）180移相0e2psk（t）开关电路图7 键控调制4 MATLAB的Simulink工具仿真4.1 MATLAB的简介MATLAB是由美国mathworks公司发布的主要面对科学计算、可视化以及交互式程序设计的高科技计算环境。它将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非
25、线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中，为科学研究、工程设计以及必须进行有效数值计算的众多科学领域提供了一种全面的解决方案，并在很大程度上摆脱了传统非交互式程序设计语言（如C、Fortran）的编辑模式，代表了当今国际科学计算软件的先进水平。 MATLAB和Mathematica、Maple并称为三大数学软件。它在数学类科技应用软件中在数值计算方面首屈一指。MATLAB可以进行矩阵运算、绘制函数和数据、实现算法、创建用户界面、连matlab开发工作界面接其他编程语言的程序等，主要应用于工程计算、控制设计、信号处理与通讯、图像处理、信号检测、金融建模设计与分析等领域
26、。 MATLAB的基本数据单位是矩阵，它的指令表达式与数学、工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB来解算问题要比用C，FORTRAN等语言完成相同的事情简捷得多，并且MATLAB也吸收了像Maple等软件的优点，使MATLAB成为一个强大的数学软件。在新的版本中也加入了对C，FORTRAN，C+，JAVA的支持。可以直接调用,用户也可以将自己编写的实用程序导入到MATLAB函数库中方便自己以后调用，此外许多的MATLAB爱好者都编写了一些经典的程序，用户可以直接进行下载就可以用10。MATLAB是矩阵实验室（Matrix Laboratory）的简称，主要包括MATLAB和Simulink
27、两大部分。Simulink是实现动态系统建模和仿真的一个软件包，它与MATLAB语言的主要区别在于，其与用户交互接口是基于Windows的模型化图形输入，其结果是使得用户可以把更多的精力投入到系统模型的构建，而非语言的编程上。所谓模型化图形输入是指Simulink提供了一些按功能分类的基本的系统模块，用户只需要知道这些模块的输入输出及模块的功能，而不必考察模块内部是如何实现的，通过对这些基本模块的调用，再将它们连接起来就可以构成所需要的系统模型（以.mdl文件进行存取），进而进行仿真与分析。4.2 Simulink的主要优点7（1）适应面广。可构造系统包括：线性、非线性系统；离散、连续及混合系
28、统；单任务、多任务离散事件系统。（2）结构和流程清晰。它外表以方块图形式呈现，采用分层结构。既适于自上而下的设计流程，又适于自下而上逆程设计。（3）仿真更为精细。它提供的许多模板更接近实际，为用户摆脱理想化假设的无奈开辟了途径。（4）模型内更容易向DSP，FPGA等硬件移植。4.3 Simulink的模块库介绍Simulink模块库按功能进行分为以下8类子库：连续模块（Continuous）Integrator：输入信号积分Derivative：输入信号微分State-Space：线性状态空间系统模型Transfer-Fcn：线性传递函数模型Zero-Pole：以零极点表示的传递函数模型Mem
29、ory：存储上一时刻的状态值Transport Delay：输入信号延时一个固定时间再输出Variable Transport Delay：输入信号延时一个可变时间再输出离散模块（Discrete）Discrete-time Integrator：离散时间积分器Discrete Filter：IIR与FIR滤波器Discrete State-Space：离散状态空间系统模型Discrete Transfer-Fcn：离散传递函数模型Discrete Zero-Pole：以零极点表示的离散传递函数模型First-Order Hold：一阶采样和保持器Zero-Order Hold：零阶采样和保持
30、器Unit Delay：一个采样周期的延时函数和平台模块（Function&Tables）Fcn：用自定义的函数（表达式）进行运算MATLAB Fcn：利用matlab的现有函数进行运算S-Function：调用自编的S函数的程序进行运算Look-Up Table：建立输入信号的查询表（线性峰值匹配）Look-Up Table(2-D)：建立两个输入信号的查询表（线性峰值匹配） 数学模块（Math）Sum：加减运算Product：乘运算Dot Product：点乘运算Gain：比例运算Math Function：包括指数函数、对数函数、求平方、开根号等常用数学函数Trigonometric F
31、unction：三角函数，包括正弦、余弦、正切等MinMax：最值运算Abs：取绝对值Sign：符号函数 Logical Operator：逻辑运算Relational Operator：关系运算Complex to Magnitude-Angle：由复数输入转为幅值和相角输出Magnitude-Angle to Complex：由幅值和相角输入合成复数输出Complex to Real-Imag：由复数输入转为实部和虚部输出Real-Imag to Complex：由实部和虚部输入合成复数输出非线性模块（Nonlinear）Saturation：饱和输出，让输出超过某一值时能够饱和。Relay：滞环比较器，限制输出值在某一范围内变化。Switch：开关选择，当第二个输入端大于临界值时，输出由第一个输入端而来，否则输出由第三个输入端而来。Manual Switch：手动选择开关信号和系统模块（Signals&Systems）In1：输入端。Out1：输出端。Mux：将多个单一输入转化为一个复合输出。Demux：将一个复合输入转化为多个单一输出。
