2022年实验四基于simulink的2PSK、2DPSK数字调制与解调的仿真 .pdf

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1、河北北方学院信息科学与工程学院2014-2015 第一学期数据通信原理实验报告设计题目 ：基于 simulink 的 2PSK/2DPSK 数字调制与解调仿真专业班级 ：信息工程 2 班姓名学号 ：赵星敏 351 李明阳 300指导教师 ：刘钰实验四基于 simulink的 2PSK/2DPSK 数字调制与解调仿真一、实验目的1、熟悉 2PSK、2DPSK 系统的调制、解调原理2、进一步熟悉 MATLAB 环境下的 Simulink 仿真平台3、锻炼学生分析问题和解决问题的能力二、实验原理1.1 2PSK调制原理精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - -

2、 - -第 1 页，共 19 页数字调相： 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360 度。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 180 度，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180度相位。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

3、 和分别表示二进制“1”和“ 0”。因此， 2PSK信号的时域表达式为(t)=Acost+) 其中，表示第 n 个符号的绝对相位：= 因此，上式可以改写为2PSK信号波形为2PSK调制方法主要有两种：模拟调相法和键控法（相位选择法）。模拟调相法原理方框图如下图所示，极性变器将输入的二进制单极性码转换成双极性不归零码，然后与载波直接相乘，以实现2PSK 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页，共 19 页模拟调相法键控法原理方框图如下图所示，用数字基带信号s（t ）控制开关电路，以选择不同相位的载波输出。此时s（ t）通常是单极性的，

4、当s（t ）=0 时，输出e2PSK（t ）=cosct ；当s（t ）=1 时，输出e2PSK（t ）=-cosct 。键控法1.2 2PSK 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。下图2-3 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 2 - 14 所示 . 当恢复的相干载波产生180倒相时, 解调出的

5、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 2 -信号相干解调各点时间波形这种现象通常称为倒 现象 . 由于在2PSK信号的载波恢复过程中存在着180的相位模糊 , 所以 2PSK信号的相干解调存在随机的倒 现象 , 从而使得2PSK方式在实际中很少采用 . 2PSK信号的解调原理方框图如下精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页，共 19 页2.1 2DPSK的调制原理众所周知 2PSK调制是将传输的数字码元“1”用初始相位为180的正弦波表示，而数字码元“ 0”用初始相位为0的正弦波表示

6、。若设ta是传输数字码元的绝对码，则2PSK已调信号在任一个码元时间T内的表达式为01,sin或tatactAts（1）若将传输数字码元的绝对码ta先进行差分编码得相对码tb，其差分编译码如下：差分编码为Ttbtatb（2）差分译码为Ttbtbta（3）再将相对码tb进行 2PSK调制，则所得到的即是2DPSK 已调信号，其在任一码元时间T内的表达式为01,sin或tbtbctAts（4）差分编码移相2DPSK 在数字通信系统中是一种重要的调制方式，其抗噪性能和信道频带利用率均优于移幅键控(ASK)和移频键控 (FSK) ， 因而在实际的数据传输系统中得到广泛的应用。 2DPSK 调制解调系统

7、的原理框图如图带通滤波相乘低通滤波抽样判决本地载波提取V（t）定时脉冲cost 2PSK 解调器2PSK信号的解调原理框图精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页，共 19 页2DPSK 调制原理是指载波的相位受数字信号的控制而改变，通常用相位0来表示 “1” ，而用 180来表示“ 0”。差分移相键控2DPSK信号的参考相位不是未调波的相位，而是相邻的前一位码元的载波相位。2DPSK信号的产生只需要在2PSK调制前加一套相对码变换电路就可以实现，2DPSK 的调制方框图见图2.2 2DPSK的解调原理基于 DFT 的 2DPSK 解

8、调算法：实际中接收到的2DPSK 信号在经过带通滤波后，由于码元跳变处的高频分量被过滤掉，滤波后的2DPSK 信号波形分为稳定区和过渡区，码元中间部分是稳定区，前、后部分为过渡区。稳定区内的信号基本无损失，波形近似为正弦波，而过渡区内的波形则不是正弦波，并且幅度明显降低。调制信息基本上只存在于码元稳定区。从上述分析出发，可以得到基于差分编码低通滤波调相带通滤波相乘抽样判决差分解码分频晶振+ 数字信号输入数字信号输出噪声2DPSK 调制解调系统原理框图载波移相差分编码器开关Eo(t)S(t)键控法精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页

9、，共 19 页DFT的数字解调方案。具体解调方法：对每个码元稳定区内的采样点按照公式（5）做 DFT ：nkxNINkk/2cos11nkxNQNkk/2sin11（5）其中，n代表每个载波周期的采样点个数，N代表做DFT时使用的稳定区内的采样点个数 ( 通常取多个载波整周期) 。然后，提取出前后码元的相位跳变信息T来进行解调判决：计算IQ /arctan， 并根据Q和I的正负情况确定T的取值范围。 把本码元的相位记为b，前一码元的相位记为a，则mod2dabT（6）其中d是进行了位同步点调整时附加的相位。可见， 在每个码元周期只需要计算一次相位值即本码元的相位，然后相减得到跳变相位，就可以依

10、据判决条件恢复原始数据，而不需要像文献中所提到的对每个码元要随着窗函数的移动多次计算谱值，因而大大减轻了计算量，非常适合于软件无线电的数字化实时解调。当调频信号不包括载波分量时，必须采用相干解调，2DPSK的解调可采用两种方法。其一是极性比较法， 然后再用码变换器变为绝对码。另外还有一种实用的方法叫做差分相干解调法，二者的原理框图分别如下：带通滤波器本地振荡乘法器抽样判决器低通滤波器差分译码器2DPSK 数据输出极性比较法解调精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页，共 19 页相干解调：信号可以采用相干解调方式( 极性比较法 ) ，

11、其原理框图见图2.4 。其解调原理是：对2DPSK 信号进行相干解调，恢复出相对码， 再通过码反变换器变换为绝对码，从而恢复出发送的二进制数字信息。在解调过程中，若相干载波产生180相位模糊，解调出的相对码将产生倒置现象， 但是经过码反变换器后，输出的绝对码不会发生任何倒置现象，从而解决了载波相位模糊度的问题。差分相干解调：2DPSK 信号也可以采用差分相干解调方式( 相位比较法 ) ，其原理框图见图2.5 。其解调原理是：直接比较前、后码元的相位差，从而恢复发送的二进制数字信息。由于解调的同时完成了码反变换作用， 故解调器中不需要码反变换器。由于差分相干解调方式不需要专门的相干载波，因此是一

12、种非相干解调方法。三、实验内容1.12PSK 数字调制与解调仿真设计框图带通滤波器抽样判决器乘法器低通滤波器码元延迟2DPSK 数据输出差分相干解调法精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 7 页，共 19 页1.2 参数设置正弦波： 4HZ ，幅度+2 设置依据：载波频率本来应该很高，但是为了波形观察方便，故频率设为4HZ 。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 8 页，共 19 页反相正弦波： 4HZ ，幅度 -2 设置依据：载波频率本来应该很高，但是为了波形观察方便，故频率设为4

13、HZ;又要求与载波反相，故幅度设为-2. 伯努利二进制随机序列产生器：码型变化器参数设置：采用1 变 0 不变调制，故极性设为“ Negative ”. 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 9 页，共 19 页多路选择器参数设置： 当二进制序列大于0 时，输出第一路信号； 当二进制序列小于 0 时，输出第二路信号。高斯噪声的设置：信噪比90 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 10 页，共 19 页带通滤波器参数：载波频率为4HZ ，而基带号带宽为1HZ ，考滤到滤波器的边沿缓降

14、，故设置为 27HZ 。低通滤波器参数设置：截止频率为1HZ ，二进制序列的带宽为1HZ ，故取 1HZ 。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 11 页，共 19 页延时器设置：1.3 结果分析精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 12 页，共 19 页仿真波形：调制部分通过仿真分析结果可以看出，双极性基带脉冲信号与相干载波相乘后，得到2PSK 波形。从图中波形可以看出传送“ 1”和“0”时，周期没有改变，幅度没有改变，只是相位相差了 180 度。 该图 充分证实了 2PSK 的调

15、制原理以及2PSK 的产生过程，通过分析该图能够清楚的分析出，基带信号和载波的关系，基带信号只是用于改变信号的相位，最终 2PSK 波形形状取决于相干载波。解调部分精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 13 页，共 19 页从 2PSK 的解调仿真分析结果可以看出，带通滤波器后的波形与 2PSK 的波形一样，带通滤波器的作用只是滤除噪声。没有噪声的情况下， 原图保持不变。经过相干载波，相位没有发生变化，只是向后延迟了半个周期，周期，幅度和相位都没有发生变化。这个波形完全符合 2PSK 的解调原理。经过低通滤波器，图形发生了变化，类似于整流

16、器的作用。如果频率越高，经过低通滤波器的波形越接近矩形。最终经过判决器，图形从双极性波形变为了单极性波形，恢复成了完全的矩形基带信号。与解调原理完全一致。1.2 2DPSK 数字调制与解调仿真设计框图精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 14 页，共 19 页2.2 参数设置载波的频率参数设置精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 15 页，共 19 页基带信号参数设置Unipolar to Bipolar Converter参数设置精选学习资料 - - - - - - - - - 名

17、师归纳总结 - - - - - - -第 16 页，共 19 页乘法器参数设置Logical Operator 参数设置Unit Delay 参数设置Data Type Conversion 参数设置精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 17 页，共 19 页2.3 结果分析加入高斯噪声后的2DPSK 仿真波形精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 18 页，共 19 页根据上面波形可知高斯噪声对信道产生了一定的影响，小部分产生了译码错误四、试验总结通过这次科研训练，充分的了解了有关

18、2PSK和 2DPSK 的调制与解调，而且加深了该过程的理解程度， 同时对于 Simulink的使用方法有了一定的知识概念。并为以后的学习奠定了基础。对于我来说，收获最大的是方法和能力；那些分析和解决问题的能力。在整个课程设计的过程中，我发现我们学生在经验方面十分缺乏，空有理论知识，没有理性的知识；有些东西可能与实际脱节。总体来说，我觉得像科研训练这种类型的作业对我们的帮助还是很大的，它需要我们将学过的相关知识系统地联系起来，从中暴露出自身的不足，以待改进！本次的科研，培养了我综合应用设计课程及其他课程的理论知识和理论联系实际，应用生产实际知识解决工程实际问题的能力；在设计的过程中还培养出了我们的团队精神，同学们共同协作，解决了许多个人无法解决的问题；在今后的学习过程中我们会更加努力和团结。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 19 页，共 19 页