Matlab课程设计.docx
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Matlab课程设计.docx
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Matlab课程设计
郑州航空工业管理学院
《电子信息系统仿真》课程设计
2010级电子信息工程专业1013084班级
题目2PSK调制解调系统设计与仿真
姓名学号
指导教师
二О一二年十二月十二日
内容摘要
对数字通信系统主要原理和技术进行研究,包括二进制相移键控(2PSK)及解调技术用数字基带信号。
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。
相移键控法,即对载波的相位进行键控,便可获得相移键控(PSK)基本的调制方式。
由于PSK在生活中有着广泛的应用,本论文详细介绍了PSK波形的产生和仿真过程。
我们可以系统的了解基本原理,以及得到数字调制波形和解调波形的方法。
利用Matlab仿真的波形可以更好的认识2PSK信号波形调制和解调的过程,本设计的主要目的是对Matlab的熟悉和对数字通信理论的更加深化理解。
关键词
数字调制;解调;2PSK;相移键控;Matlab仿真
一、MATLAB软件简介
美国Mathworks公司于1967年推出了矩阵实验室“MatrixLaboratory”(缩写为Matlab),这就是Matlab最早的雏形。
开发的最早的目的是帮助学校的老师和学生更好的授课和学习。
从Matlab诞生开始,由于其高度的集成性及应用的方便性,在高校中受到了极大的欢迎。
由于它使用方便,能非常快的实现科研人员的设想,极大的节约了科研人员的时间,受到了大多数科研人员的支持,经过一代代人的努力,目前已发展到了7.X版本。
Matlab是一种解释性执行语言,具有强大的计算、仿真、绘图等功能。
由于它使用简单,扩充方便,尤其是世界上有成千上万的不同领域的科研工作者不停的在自己的科研过程中扩充Matlab的功能,使其成为了巨大的知识宝库。
可以毫不夸张的说,哪怕是你真正理解了一个工具箱,那么就是理解了一门非常重要的科学知识。
科研工作者通常可以通过Matlab来学习某个领域的科学知识,这就是Matlab真正在全世界推广开来的原因。
目前的Matlab版本已经可以方便的设计漂亮的界面,它可以像VB等语言一样设计漂亮的用户接口,同时因为有最丰富的函数库(工具箱),所以计算的功能实现也很简单,进一步受到了科研工作者的欢迎。
另外,,Matlab和其他高级语言也具有良好的接口,可以方便的实现与其他语言的混合编程,进一步拓宽了Matlab的应用潜力。
可以说,Matlab已经也很有必要成为大学生的必修课之一,掌握这门工具对学习各门学科有非常重要的推进作用。
二、理论分析
1.2PSK工作原理
1)2PSK数字调制
数字信号的传输方式分为基带传输和带通传输,在实际应用中,大多数信道具有带通特性而不能直接传输基带信号。
为了使数字信号在带通信道中传输,必须使用数字基带信号对载波进行调制,以使信号与信道的特性相匹配。
这种用数字基带信号控制载波,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。
数字调制技术的两种方法:
用模拟调制的方法去实现数字式调制,即把数字调制看成是模拟调制的一个特例,把数字基带信号当做模拟信号的特殊情况处理;
②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。
这种方法通常称为键控法,比如对载波的相位进行键控,便可获得相移键控(2PSK)基本的调制方式。
图1相应的2psk信号波形的示例
2)调制原理
数字调相:
如果两个频率相同的载波同时开始振荡,这两个频率同时达到正最大值,同时达到零值,同时达到负最大值,它们应处于"同相"状态;如果其中一个开始得迟了一点,就可能不相同了。
如果一个达到正最大值时,另一个达到负最大值,则称为"反相"。
一般把信号振荡一次(一周)作为360o。
如果一个波比另一个波相差半个周期,我们说两个波的相位差180o,也就是反相。
当传输数字信号时,"1"码控制发0度相位,"0"码控制发180o相位。
载波的初始相位就有了移动,也就带上了信息。
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。
在2PSK中,通常用初始相位0和π分别表示二进制“1”和“0”。
因此,2PSK信号的时域表达式为:
其中,表示第n个符号的绝对相位:
因此,上式可以改写为:
图22PSK信号调制波形
3)解调原理
2PSK信号的解调方法是相干解调法。
由于PSK信号本身就是利用相位传递信息的,所以在接收端必须利用信号的相位信息来解调信号。
方案原理中给出了一种2PSK信号相干接收设备的原理框图。
图中经过带通滤波的信号在相乘器中与本地载波相乘,然后用低通滤波器滤除高频分量,在进行抽样判决。
判决器是按极性来判决的。
即正抽样值判为1,负抽样值判为0.
2PSK信号相干解调各点时间波形如图3所示。
当恢复的相干载波产生180°倒相时,解调出的数字基带信号将与发送的数字基带信号正好是相反,解调器输出数字基带信号全部出错。
图32PSK信号相干解调各点时间波形
这种现象通常称为"反相"现象,由于在2PSK信号的载波恢复过程中存在着180°的不确定相位问题,所以2PSK信号的相干解调存在随机的"反相"现象,从而使得2PSK方式在实际中很少采用。
三、方案选择
1)信号调制结构图
开关电路
结构图分析:
2PSK调制器可以采用相乘器,也可以采用相位选择器就模拟调制法而言,与产生2ASK信号的方法比较,只是对s(t)要求不同,故2PSK信号可以看作是双极性基带信号作用下的DSB调幅信号。
而就键控法来说,用数字基带信号s(t)控制开关电路,选择不同相位的载波输出,这时s(t)为单极性NRZ或双极性NRZ脉冲序列号均可,2PSK信号与DSB信号只进行相干载波。
2)信号解调结构图
图6信号解调原理图
结构图分析:
信号的解调原解调的过程,实质上是接收的已调信号与本地载波信号进行极性比较的过程。
不考虑噪声时,带通滤波器输出点波形与输入端2PSK波形相同,2PSK信号与本地恢复的同步载波相乘,得到波形其表达式为:
;经低通滤波器滤掉高频分量输出为:
得到波形,经抽样判决,恢复出原数字信号
如Figure1图所示。
x为抽样时刻的值,判别规则为x>0,判为0,x<0,判为1。
在相干解调中,要求本地恢复的相干载波相位与接收的2PSK信号同频同相,由于本地恢复的载波相位有随机性,当恢复的载波产生1800倒相时,如Figure1图中各波形所示,解调出的数字基带信号将与发送的数字基带信号“1”和“0”正好相反,解调器输出的数字基带信号全部出错。
这种现象通常称为"反相"现象或称反向工作,也称相位模糊。
这对数字传输来说是不能允许的。
克服相位模糊最常用的办法是,采用相对相移键控技术(DPSK)。
由于2PSK信号属于DSB信号,PSK信号的功率谱中无载波分量,它的解调,不再能采用包络检测的方法,只能进行相干解调,在相干解调中,如何得到同频同相的本地载波是个关键问题,只有对PSK信号进行非线性变换,才能产生载波分量。
常用的载波恢复电路有两种:
一种是平方环电路,另一种是科斯塔斯(Costas)环电路。
四、实验仿真
1)调制解调仿真图
基带信号对载波进行调制,使基带信号的功率谱搬到较高的载波频率上。
且相移键控是用二进制数字信号控制载波的两个相位,这两个相位通常相隔1800,二进制经过调制系统后生成PSK信号,信道中可能会有噪音干扰,经过带通滤波器过滤出有用信号,发送出去。
信道内的PSK信号经过带通滤波器过滤出有用信号,经过相乘器和载波信号相乘,所得信号通过低通滤波器得到低频信号,再经抽样判决得到基带信号,通过比较原始的基带信号和所得的信号,我们可以发现并无太大的失真,实验与理论的结果是相符合的。
五、课程设计总结
通过这一阶段的努力,我的课程设计《2PSK调制解调技术的设计与仿真》终于完成了。
这虽然不是我们第一次做课程设计,但这次课程设计相比之前的来说完成的是比较顺利的一个。
在这一周的时间内我经常往返于图书馆,查阅相关资料,发现自己的知识水平有限,需要学习的东西还有很多很多。
另外,在这次课程设计中,我充分利用了网络资源,终于让其发挥了有用的一面。
这次课程设计,我更加深入的掌握了Matlab软件的使用,给我影响最深的就是Matlab的强大功能和广泛应用。
无论是学习信号与系统,通信原理,数字信号处理,数字图像处理,发现这些课程的应用都要大力借助于Matlab来实现。
经过这次学习我了解了数字调制的基本原理和主要过程,对数字通信系统主要原理和技术进行研究,包括二进制相移键控(2PSK)及解调技术的应用,进一步学习了信号的传输的有关内容,对信号处理常用的函数和基本的编程思想有了一定的认识和提高。
老师在课程设计过程中主要锻炼我们的自主能力,在我们查阅资料遇到不解的时候,老师的不吝指导,我的课程设计才得以在规定的时间内高效完成。
通过这次课程设计,我学会了很多,收获了很多,并且加强了我的自主能力、动手能力和独立思考、团结协作的能力。
在指导老师和同学帮助,图书馆借阅相关书籍,网上查阅资料和自己努力下,就2PSK设计和仿真而言,我成功实现了使用Matlab编程,收获很大。
课程设计是一次再系统学习的过程,使我更加认识到《MATLAB编程》这门课程的重要性,在今后的学习生活中把严密谨慎的优良传统发扬光大,再次感谢老师和同学们的帮助。
参考文献
[1]樊昌信《通信原理》电子工业出版社
[2]王秉军《通信原理》清华大学出版社
[3]曹志刚《现代通信原理》清华大学出版社
[4]刘卫国《MATLAB程序设计与应用》高等教育出版社
[5]StephenJ.Chapman《MATLAB编程(第二版)》科学出版社
附:
实验程序
clearall;
closeall;
clc;
max=10
g=zeros(1,max);
g=randint(1,max);%长度为max的随机二进制序列
cp=[];mod1=[];f=2*2*pi;t=0:
2*pi/199:
2*pi;
forn=1:
length(g);
ifg(n)==0;
A=zeros(1,200);%每个值200个点
elseg(n)==1;
A=ones(1,200);
end
cp=[cpA];%s(t),码元宽度200
c=cos(f*t);%载波信号
mod1=[mod1c];%与s(t)等长的载波信号,变为矩阵形式
end
figure
(1);subplot(4,2,1);plot(cp);gridon;
axis([0200*length(g)-22]);title('二进制信号序列');
cm=[];mod=[];
forn=1:
length(g);
ifg(n)==0;
B=ones(1,200);%每个值200个点
c=cos(f*t);%载波信号
elseg(n)==1;
B=ones(1,200);
c=cos(f*t+pi);%载波信号
end
cm=[cmB];%s(t),码元宽度200
mod=[modc];%与s(t)等长的载波信号
end
tiaoz=cm.*mod;%e(t)调制
figure
(1);subplot(4,2,2);plot(tiaoz);gridon;
axis([0200*length(g)-22]);title('2PSK调制信号');
figure
(2);subplot(4,2,1);plot(abs(fft(cp)));
axis([0200*length(g)0400]);title('原始信号频谱');
figure
(2);subplot(4,2,2);plot(abs(fft(tiaoz)));
axis([0200*length(g)0400]);title('2PSK信号频谱');
%带有高斯白噪声的信道
tz=awgn(tiaoz,10);%信号tiaoz中加入白噪声,信噪比为10
figure
(1);subplot(4,2,3);plot(tz);gridon
axis([0200*length(g)-22]);title('通过高斯白噪声信道后的信号');
figure
(2);subplot(4,2,3);plot(abs(fft(tz)));
axis([0200*length(g)0400]);title('加入白噪声的2PSK信号频谱');
jiet=2*mod1.*tz;%同步解调
figure
(1);subplot(4,2,4);plot(jiet);gridon
axis([0200*length(g)-22]);title('相乘后信号波形')
figure
(2);subplot(4,2,4);plot(abs(fft(jiet)));
axis([0200*length(g)0400]);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/(fn/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)
figure(3);freqz(b,a,1000,11025);subplot(2,1,1);
axis([04000-1003])
title('LPF幅频相频图');
jt=filter(b,a,jiet);
figure
(1);subplot(4,2,5);plot(jt);gridon
axis([0200*length(g)-22]);title('经低通滤波器后信号波形')
figure
(2);subplot(4,2,5);plot(abs(fft(jt)));
axis([0200*length(g)0400]);title('经低通滤波器后信号频谱');
%抽样判决
form=1:
200*length(g);
ifjt(m)<0;
jt(m)=1;
elsejt(m)>=0;
jt(m)=0;
end
end
figure
(1);subplot(4,2,6);plot(jt);gridon
axis([0200*length(g)-22]);title('经抽样判决后信号s^(t)波形')
figure
(2);subplot(4,2,6);plot(abs(fft(jt)));
axis([0200*length(g)0400]);title('经抽样判决后信号频谱');
指导教师评语:
课程设计成绩:
指导教师签名:
年月日
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