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通信原理课程设计阐明书 基于Matlab2PSK系统设计 学 院： 电气与信息工程学院 学生姓名： 指引教师： 职称 副专家 专 业： 通信工程 班 级： 通信1302班 学 号： 完毕时间： 5月 学院：电气与信息工程学院 专业：通信工程指引教师学生姓名课题名称基于MATLAB2PSK系统设计内容及任务一、设计任务 运用MATLAB设计一种2PSK系统。二、设计内容 2PSK系统中涉及调制、加噪滤噪与解调某些，详细内容如下： （1）产生基带信号；（2）产生已调信号；（3）已调信号通过高斯白噪声信道；（4）对信号输出端混合信号中噪声进行滤除；（5）信号解调；（6）抽样判决码元再生。三、设计规定 设计出一种2PSK系统，对2PSK系统进行仿真分析，并编写设计阐明书。重要参照资料1 樊昌信,曹丽娜.通信原理M.北京:国防工业出版社,.2 刘晓东,董辰辉.MATLAB从入门到精通M.北京:人民邮电出版社,.3 常华,袁刚,常敏嘉.仿真软件教程.北京:清华大学出版社,.4 http:/wk.百度.com/view/17338d1733687e21af45a9c8?Pcf=2#6,-12-145 朱阳燕.基于MATLAB2PSK系统仿真J.科技信息,(17):82.教研室意见 教研室主任： 年 月 日摘 要当代通信系统是一种十分复杂工程系统，通信系统设计研究也是一项十分复杂技术。由于技术复杂性，在当代通信技术中，越来越注重采用计算机仿真技术来进行系统分析和设计。随着电子信息技术发展，已经从仿真研究和设计辅助工具，发展成为今天软件无线电技术，这就使通信系统仿真研究具备更重要和更实用意义。课程设计一方面简介了课题研究背景及意义和课题研究内容，另一方面描写了2PSK系统有关知识理论，着重解说了2PSK系统两种调制方式：模仿调制法和键控法，和它解调方式，相干解调。然后在掌握了2PSK系统原理基本上运用MATLAB软件对数字调制方式2PSK进行了编程仿真实现，MATLAB是一种用于电路与通信系统设计、仿真动态系统分析工具，可用于信号解决、滤波器设计及复杂通信系统数学模型建立等。在MATLAB平台上建立2PSK调制和解调技术仿真模型，并在建立模型过程中加入一种加噪滤噪过程。构思好2PSK系统设计流程后即可在MATLAB仿真平台上进行2PSK系统调制与解调，加噪和滤噪，并对仿真模型进行分析，得出仿真系统波形图，可以更直观理解其系统工作流程，得出更好结论。通过2PSK系统仿真过程进一步学习了MATLAB编程软件，将MATLAB与通信系统中数字调制解调知识联系起来，从理论学习轨道逐渐引向实际应用，为后来在通信领域学习和研究打下基本。 核心词：数字调制和解调；MATLAB；2PSK目 录1 绪论11.1 课题研究背景与意义11.2 课题研究内容12 2PSK系统有关知识理论22.1 2PSK系统基本简介22.2 2PSK系统基本原理22.2.1 2PSK系统调制32.2.2 2PSK系统解调42.3 本章小结53 基于MATLAB2PSK系统设计63.1 系统仿真平台简介63.2 2PSK系统构造搭建63.3 2PSK系统参数设立及调用函数83.4 本章小结104 2PSK系统仿真及分析114.1 已调信号产生114.2 已调信号解调134.3 仿真成果分析144.4 本章小结14结束语15参照文献16致 谢17附录 程序清单181 绪论1.1 课题研究背景与意义通信重要任务就是可靠并有效地实现信息传播，实际通信系统是复杂大规模系统，在噪声和各种随机因素影响下，要完毕实际设计通信系统实验研究比较困难，有时要变化系统某一两个参数就也许意味着整个系统需要重做。运用MATLAB进行系统仿真，具备经济可靠简便等特点，在工程领域中得到了广泛应用。 近年来数字通信由于其抗干扰能力强、便于进行各种数字信号解决、易于实现集成化、经济效益正赶上或超过模仿通信等长处在近来得到了迅速发展。进入20世纪以来，随着晶体管、集成电路浮现与普及、无线通信迅速发展。特别是在20世纪后半叶，随着人造地球卫星发射，大规模集成电路、电子计算机和光导纤维等当代技术成果问世，基于PSK数字通信技术在如下几种不同方向都获得了巨大成功。 （1）微波中继通信使长距离、大容量通信成为了现实。 （2）超声波水下通信编码，解决了载人潜水器之类水下运动工具通信问题，使国内外开始进一步研究水下通信问题。（3）基于PSK技术电力线通信由于具备投资少、无需重新布线、覆盖范畴广、维护成本低等长处,得到广泛应用。2PSK在数字通信中应用十分广泛，2PSK是相移键控最简朴一种形式，它用两个初相相隔为180载波来传递二进制信息。由于2PSK具备良好抗干扰性和频带运用率，因而在中高速数字通信中得到了广泛应用。课程设计运用MATLAB进行系统设计仿真，其长处是便于实现，减少了设计和开发时间成本。1.2 课题研究内容课题重要对2PSK信号原理及其相干解调系统性能进行了分析和仿真。这样可以对数字调制方式有一种更清晰结识。通过MATLAB软件，仿真2PSK调制与解调详细过程，加深对2PSK调制与解调技术掌握。2 2PSK系统有关知识理论2.1 2PSK系统基本简介数字信号传播方式分为基带传播和带通传播。然而，实际中大多数信道因具备带通特性而不能直接传送基带信号，这是由于数字基带信号往往具备丰富低频分量。这使数字信号在带通信道中传播，必要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。这种用数字基带信号控制载波，把数字基带信号变换为数字带通信号过程称为数字调制。在接受端通过解调器把带通信号还原成数字基带信号过程称为数字解调。普通把涉及调制和解调过程数字传播系统叫做数字带通传播系统。普通来说，数字调制与模仿调制基本原理相似，但是数字信号有离散取值特点。 因而数字调制技术有两种办法： （1）运用模仿调制办法去实现数字式调制，即把数字调制当作是模仿调制一种特例，把数字基带信号当作模仿信号特殊状况解决； （2）运用数字信号离散取值特点通过开核心控载波，从而实现数字调制。这种办法普通称为键控法，例如对载波振幅、频率和相位进行键控，便可获得振幅键控、频移键控和相移键控三种基本数字调制方式。2.2 2PSK系统基本原理2PSK，二进制移相键控方式，是键控载波相位按基带脉冲序列规律而变化一种数字调制方式。就是依照数字基带信号两个电平(或符号)使载波相位在两个不同数值之间切换一种相位调制办法。两个载波相位普通相差180度，此时称为反向键控(PSK),也称为绝对相移方式。相移键控是运用载波相位变化来传递数字信息，而振幅和频率保持不变。2PSK信号码元“0”和“1”分别用两个不同初始相位“0”和“”来表达，而其振幅和频率保持不变.因而，2PSK信号时域表达式为: （1）其中，表达第n个符号绝对相位： （2)因而，上式可以改写为: （3）这种以载波不同相位直接表达相应二进制数字信号调制方式,称为二进制移相键控方式。二进制移相键控信号典型时间波形如图1所示。图1 移相键控波形图2.2.1 2PSK系统调制2PSK信号产生办法普通有两种：模仿调制法和键控法。普通模仿幅度调制办法，用乘法器实现；数字键控法开关电路受s（t）控制。2PSK信号基本解调办法是相干解调。在二进制数字调制中，当正弦载波相位随二进制数字基带信号离散变化时，则产生二进制移相键控（2PSK）信号。2PSK信号调制有两种办法，即模仿调制办法和键控法。通惯用已调信号载波0和180分别表达二进制数字基带信号1和0。就模仿调制法而言，与产生2ASK信号办法比较，只是对s（t）规定不同，因而2PSK信号可以看作是双极性基带信号作用下DSB调幅信号。模仿调制法用两个反相载波信号进行调制。2PSK以载波相位变化作为参照基准当基带信号为0时相位相对于初始相位为0，当基带信号为1时相对于初始相位为180。模仿调制法原理图如图2所示。双极性不归零码型变换乘法器图2 模仿调制法原理图而就键控法来说，用数字基带信号s（t）控制开关电路，选取不同相位载波输出，这时s（t）为单极性NRZ或双极性NRZ脉冲序列信号均可。键控法是用载波相位来携带二进制信息调制方式。通惯用0和180来分别代表0和1。其时域表达式为： （4）2PSK调制中必要为双极性码，键控法原理图如图3所示。开关电路0180移相图3 键控法调制原理图2.2.2 2PSK系统解调2PSK信号属于DSB信号,且2PSK幅度是恒定它解调,不再能采用包络检测办法,只能进行相干解调。通过带通滤波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。即正抽样值判为1，负抽样值判为0。2PSK信号相干解调原理图如图4所示，各点波形图如图5所示。图4 2PSK相干解调原理图图5 2PSK信号相干解调时各点时间波形 由于2PSK信号载波回答过程中存在着180相位模糊，即恢复本地载波与所需相干载波也许相似，也也许相反，这种相位关系不拟定性将会导致解调出数字基带信号与发送基带信号正好相反，即“1”变成“0”，“0”变成“1”，判决器输出数字信号所有出错。这种现象称为2PSK方式“倒”现象或“反相工作”。2.3 本章小结 本章重要简介了2PSK系统和她基本原理，就2PSK系统两种调制方式：模仿调制法和键控法，尚有2PSK系统相干解调进行了简介，并分析了这两种调制方式和相干解调，让后续2PSK系统设计更为顺利。3 基于MATLAB2PSK系统设计3.1 系统仿真平台简介MATLAB是美国MathWorks公司出品商业数学软件，用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算高档技术计算语言和交互式环境，重要涉及MATLAB和Simulink两大某些。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、创立顾客界面、连接其她编程语言程序等，重要应用于工程计算、控制设计、信号解决与通讯、图像解决、信号检测、金融建模设计与分析等领域。MATLAB 应用范畴非常广，涉及信号和图像解决、通讯、控制系统设计、测试和测量、财务建模和分析以及计算生物学等众多应用领域。附加工具箱（单独提供专用MATLAB函数集）扩展了MATLAB 环境，以解决这些应用领域内特定类型问题。MATLAB基本数据单位是矩阵，它指令表达式与数学、工程中惯用形式十分相似，故用MATLAB来解算问题要比用C，FORTRAN等语言完毕相似事情简捷得多，并且MATLAB也吸取了像Maple等软件长处，使MATLAB成为一种强大数学软件。在新版本中也加入了对C，FORTRAN，C+，JAVA支持。MATLAB由一系列工具构成。这些工具以便顾客使用MATLAB函数和文献，其中许多工具采用是图形顾客界面。涉及MATLAB桌面和命令窗口、历史命令窗口、编辑器和调试器、途径搜索和用于顾客浏览协助、工作空间、文献浏览器。随着MATLAB商业化以及软件自身不断升级，MATLAB顾客界面也越来越精致，更加接近Windows原则界面，人机交互性更强，操作更简朴。并且新版本MATLAB提供了完整联机查询、协助系统，极大以便了顾客使用。简朴编程环境提供了比较完备调试系统，程序不必通过编译就可以直接运营，并且可以及时地报告浮现错误及进行出错因素分析。MATLAB开发环境是一套以便顾客使用MATLAB函数和文献工具集，其中许多工具是图形化顾客接口。它是一种集成顾客工作空间，容许顾客输入输出数据，并提供了M文献集成编译和调试环境，涉及MATLAB桌面、命令窗口、M文献编辑调试器、MATLAB工作空间和在线协助文档。3.2 2PSK系统构造搭建2PSK系统产生可以有模仿调制办法和数字键控法。就模仿调制办法而言，2PSK信号可以看作是双极性基带信号作用下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，选取不同相位载波输出，这时s(t)为单极性NRZ或双极性NRZ脉冲序列信号均可。由于2PSK信号产生办法与2ASK相比较只是对s(t)规定不同，在2ASK中s(t)是单极性，而在2PSK中s(t)是双极性基带信号。因此在产生了基带信号后，在基带信号基本上产生一种基带信号反码再两两相减得到需要双极性基带信号。由式(1)可知要得到一种2PSK信号需要在双极性基带信号基本上乘上一种载波信号，因此运用有关函数在MATLAB上生成一种正弦载波信号。然后在既有信号基本上进行加噪声、滤波及抽样判决。可总结为如图6所示：图6 2PSK系统设计流程3.3 2PSK系统参数设立及调用函数 一方面，在产生数字基带信号时，可设立某些参数来调节基带信号形状，在程序中，设立如下参数：每码元采样点数Fn=5000；码元数i=10；载波频率fc=5；码元速率Fm=i/5；程序实现为：i=10； j=5000； fc=5； fm=i/5； B=2*fm； 随后在数字基带信号基本上产生已调信号，在已调信号上加入一种高斯白噪声，此处可以加一种加性高斯白噪声，也可以加一种乘性高斯白噪声。乘性高斯白噪声效果加入更好，但是由于专业知识有限，加入乘性高斯白噪声话不能保证有效滤除。因此还是加一种随机高斯白噪声，即可设立如下参数：noise=rand（1，j）； 程序实现为： noise=rand(1，j)； psk=e_psk+noise；加过噪声后，对信号输出端混合信号中噪声进行滤除，在使用低通滤波器滤除噪声之前，必要设立低通滤波器参数，可设立如下参数：通带波纹Rp=0.1；阻带衰减Rs=50；通带截止频率Wp=5/100；阻带截止频率Ws=10/100；程序实现为：Rp=0.1；Rs=50；Wp=5/100；Ws=10/100； n，Wn=ellipord(Wp，Ws，Rp，Rs)； b，a=ellip(n，Rp，Rs，Wn)； X1=filter(b，a，psk)；随后便可进行解调和抽样判决码元再生。在2PSK系统设计中，由于用到程序实现，因此在变成过程中，经常会用到诸多函数，除了基本函数外，也用到了许多特殊函数。（1）范畴设定函数：linspace是MATLAB中一种指令，用于产生指定范畴内指定数量点数，相邻数据跨度相似，并返回一种行向量。用于产生x1，x2之间N点行矢量，相邻数据跨度相似。其中x1、x2、N分别为起始值、终结值、元素个数。若缺省N，默认点数为100。 设计中用linspace(0，5，j)产生了一种从0到5之间j点行矢量。 （2）基带信号产生函数rand用于产生一种随机序列，如x=rand（m，n）产生m行n列位于（0，1）区间随机数。设计中用a=round(rand(1,i)及有关函数产生一种值为0或1基带信号。得到基带信号是单极性，需通过相应解决使其变为一种双极性基带信号。 （3）绘图有关函数 igure用figure可以控制窗口数量，即每次只显示一种窗口。在程序中，一共设立了5个窗口用来显示仿真出波形。 subplotsubplot是MATLAB中函数，是将各种图画到一种平面上工具。如subplot（m,n,p）m表达是图排成m行，n表达图排成n列，也就是整个figure中有n个图是排成一行，一共m行，如果m=2就是表达2行图。p表达图所在位置，p=1表达从左到右从上到下第一种位置。在程序中，为了清晰显示仿真出来波形，设立每一种窗口只显示两个图形，这样不但图片清晰，并且不会太大。 plotplot是MATLAB中二维线画图函数。如plot(x,y)中若y和x为同维向量，则以x为横坐标,y为纵坐标绘制连线图。若x是向量，y是行数或列数与x长度相等矩阵，则绘制多条不同色彩连线图，x被作为这些曲线共同横坐标。若x和y为同型矩阵，则以x,y相应元素分别绘制曲线，曲线条数等于矩阵列数。在程序中，每一种波形图编程过程中，x和y设立都不同样，因此每一种图形都需要单独阐明。 titletitle 就是给已经画出图加一种标题，title () 括号内单引号里面内容就是图片标题名称。在程序中，必要在每一种图形显示下面加上title语句，来为每一种图形命名。 axisaxis是MATLAB中坐标系设立函数。axis(xmin xmax ymin ymax) 用来标注输出图线最大值最小值，xmin xmax ymin ymax用来表达需要显示坐标范畴，xmin、xmax、ymin、ymax分别表达X、Y轴坐标最小和最大值。 (4)滤波器有关函数filter是一维数字滤波器,如Y=filter(B,A,X)，输入X为滤波前序列，Y为滤波成果序列，B/A提供滤波器系数，B为分子，A为分母。3.4 本章小结 本章一方面简介了2PSK系统仿真平台MATLAB平台，然后解说了课程设计中设计这个2PSK系统思路，如何搭建2PSK系统每一种模块，每一种模块参数如何设计，并对在设计编程中使用到函数进行了简介。4 2PSK系统仿真及分析4.1 已调信号产生 在2PSK系统设计过程中，一方面需要一种已调信号，而已调信号产生都是在数字基带信号基本上，因此，一方面需要生成一种基带信号，然后再在基带信号基本上一步一步生成已调信号。 （1）基带信号：图7 基带信号仿真图基带信号仿真图如图7所示，通过有关程序生成一种单极性基带信号st1。由于在2ASK中s(t)是单极性，而在2PSK中s(t)是双极性基带信号。因此在产生了基带信号后，下一步需要在基带信号基本上产生一种基带信号反码。（2）基带信号反码：图8 基带信号反码仿真图将图7中单极性基带信号取反，由于在2ASK中s(t)是单极性，而在2PSK中s(t)是双极性基带信号。因此在单极性信号基本上取反来得到基带信号反码后。需要与基带信号一起构成双极性码。基带信号反码st2如图8所示。（3）双极性基带信号：图9 双极性基带信号仿真图在基带信号基本上产生一种基带信号反码再两两相减即可得到需要双极性基带信号。将单极性基带信号st1与st2相减，得到如图9所示需要双极性基带信号。 （4）载波信号：图10 载波信号仿真图为了产生一种已调信号，在双极性基带信号已有状况下，还需要一种载波信号与之相乘才干生成一条信号，因此此处运用了有关函数生成了一种如图10所示正弦载波信号。 （5）2PSK信号：图11 2PSK信号仿真将载波信号s1与双极性基带信号相乘则可得到所需已调信号，已调信号2PSK如图11所示。4.2 已调信号解调 （1）已调信号通过高斯白噪声信道： 由于在现实生活中会存在不可避免噪声，为了模仿现实，设计中加入随机噪声后使设计更具真实性。此处加入是一种简朴加性高斯白噪声，由于加性高斯白噪声比较好滤除，也可以加入乘性高斯白噪声，但是专业知识有限，无法保证能有效滤除乘性高斯白噪声，因此加入一种加性高斯白噪声。加噪后波形如图12所示。图12 加噪后信号仿真 （2）与载波相乘后波形：图13 与载波相乘后波形实现相干解调核心是接受端要恢复出一种与调制载波严格同步相干载波。在信号解调过程中，为了会付出一种与调制载波严格同步相干载波，因此在加噪后已调信号上乘上之前生成载波信号，如图13所示。（3）通过低通滤波后波形：为了去掉噪声导致谐波成分，也就是对信号输出端混合信号中噪声进行滤除，需要加入低通滤波器，在第三章已经设立过了低通滤波器参数，因此可以实现用低通滤波器将噪声滤除，获得如图14所示波形。图14 低通滤波后波形（4）抽样判决后波形：图15 抽样判决后波形抽样判决作用是通过采样形式将本来基带信号恢复，恢复后波形如图15所示。4.3 仿真成果分析由图可以看出，产生数字随机信号为，通过比较图9和图15，可看出最开始生成基带信号与最后抽样判决后产生基带信号一致。由于在解调过程中，加入是最简朴加性高斯白噪声，滤除掉这个加性高斯白噪声也比较简朴，因此总体上没有什么误差，最后得到基带信号也与原基带信号一致。因而达到课程设计目。4.4 本章小结本章重要展示了2PSK系统中调制、加噪滤噪和解调每一种环节仿真成果，并在仿真完毕后对仿真成果进行了分析，并成功设计出了2PSK系统。结束语历经十多天，从课程设计发布到课程设计完毕，课程设计终于结束了。值得一说是，没有同窗们协助和教师指引，要完毕课程设计也不是那么容易，通过课程设计，让我对2PSK系统有了进一步结识。在设计2PSK系统时，要有一种明确思路，要考虑各种因素在选取适当设计参数，通过重复仿真确认2PSK系统设计与否能成功。通过这次设计我和我同窗们独自解决问题能力也有多提高，在整个课程设计过程中，查阅了许多有关书籍及文献，取其有关知识要点应用到课设中，但是在背面低通滤波时用是直接参数。综上所述，课程设计结束了。感谢教师！感谢同窗！参照文献1 樊昌信,曹丽娜.通信原理M.北京:国防工业出版社,.2 刘晓东,董辰辉.MATLAB从入门到精通M.北京:人民邮电出版社,.3 常华,袁刚,常敏嘉.仿真软件教程.北京:清华大学出版社,.4 ,-12-145 朱阳燕.基于MATLAB2PSK系统仿真J.科技信息,(17):82.致 谢历经十几天，在团队协作下，终于完毕了课程设计。在这里，一方面我要感谢我父母，父母总是我动力源泉，父母也是我迷茫路上指明灯。然后我要感谢我指引教师，如果不是指引教师在课堂上耐心解说和课堂外悉心指引，相比这次课程设计也不会完毕这样快。并且教师解说和指引也是变相巩固了咱们基本知识，让咱们在此后日子里可以更加纯熟运用咱们学到知识。最后，要特别感谢咱们组其她两位成员，如果不是她们，我自己也不也许完毕这次任务，因此她们是我很重要伙伴，在课程设计过程中，咱们互相协助，互相挟持，共同营造出了一种良好学习氛围。通过这次课程设计，我更加懂得了做事要有决心，有信心，有恒心。如果没有一定要做好课程设计决心，没有自己必定能做好课程设计信心，没有能坚持做下去这次课程设计恒心，课程设计也不会被攻克下来。无论做什么事情都不能容易放弃，也不能容易不相信自己。只要坚持，只要努力，什么事情均有开花成果那一天。无论是做课程设计，还是在后来生活中，都要始终保持着这种信念。最后，祝愿父母身体健康，祝愿教师工作顺利，祝愿同窗们学习进步！附录 程序清单clear all close all i=10；j=5000； fc=5;fm=i/5;B=2*fm；st1=t； for n=1:10 if a(n)=1； st2(k)=0； st2(k)=1； end end； subplot(212)；plot(t,st2)； title(基带信号反码st2)；axis(0,5,-1,2)；st3=st1-st2；plot(t,st3)； title(双极性基带信号st3)；axis(0,5,-2,2)；s1=sin(2*pi*fc*t)；subplot(212)；plot(s1)； title(载波信号s1)；e_psk=st3.*s1；figure(3)；subplot(211)；title(e_2psk)；noise=rand(1,j)； psk=e_psk+noise;subplot(212)；plot(t,psk)； title(加噪后波形)； psk=psk.*s1;figure(4);subplot(211)；plot(t,psk)； title(与载波s1相乘后波形)； %解调信号通过低通滤波器Rp=0.1;Rs=50;Wp=5/100;Ws=10/100;n,Wn=ellipord(Wp,Ws,Rp,Rs);b,a=ellip(n,Rp,Rs,Wn);plot(t,X1)； title(低通滤波后波形)；for m=0:i-1； if psk(1,m*500+250)0； for j=m*500+1:(m+1)*500； psk(1,j)=0； end else for j=m*500+1:(m+1)*500； psk(1,j)=1； end end end figure(5);plot(t,psk)； axis(0,5,-1,2)； title(抽样判决后波形)