数字通信系统的设计与实现 精品

数字通信系统的设计与实现第一章引言1.1背景Matlab是由mathworks公司于1984年推出的一种面向科学与工程的设计的计算机软件，它将不同的领域的计算用函数的形式提供给给用户；用户在使用时，只需要用这些函数并赋予实际参数就能解决实际问题，它涉及数值分析、自动控制、数字信号处理、图像处理、小波分析及神经元网络等十几个领域的计算和图形显示，而且随着新出版的推出，涉及的领域更多，功能强大。

数字通信是通信技术和计算机技术相结合而产生的一种新的通信方式。

要在两地间传输信息必须有传输信道，根据传输媒体的不同有有线数字通信与无线数据通信之分。

但它们都是通过传输信道将数据终端与计算机联结起来，而使不同地点的数字终端实现软、硬件和信息资源的共享。

在二进制数字调制中，当正弦载波的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(2DPSK)信号。

因为在调制过程中，2PSK调制容易出反向工作问题，影响2PSK信号长距离传输。

为克服此缺点，并保持2PSK信号的优点，将2PSK体制改进为二进制差分相移键控体制。

二进制差分相移键控简称为二相相对调相，记作2DPSK。

它不是利用载波相位的绝对数值传送数字信息，而是用前后码元的相对载波相位值传送数字信息。

所谓相对载波相位是指本码元初相与前一码元初相之差。

与2PSK的波形不同，2DPSK波形的同一相位并不对应相同的数字信息符号，而前后码元的相对相位才唯一确定信息符号。

这说明解调2DPSK信号时，并不依赖于某一固定的载波相位参考值，只要前后码元的相对相位关系不破坏，则鉴别这个相位关系就可正确恢复数字信息。

这就避免了2PSK方式中的“倒”现象发生。

由于相对移相调制无“反问工作”问题，因此得到广泛的应用。

单从波形上看，2DPSK与2PSK是无法分辩的。

这说明，一方面，只有已知移相键控方式是绝对的还是相对的，才能正确判定原信息；另一方面，相对移相信号可以看作是把数字信息序列（绝对码）变换成相对码，然后再根据相对码进行绝对移相而形成。

这就为2DPSK信号的调制与解调指出了一种借助绝对移相途径实现的方法。

1.2 选题的目的和意义本次课程设计选择2DPSK数字频带通信系统的设计与建模的原因是采用2DPSK调制系统误码率低。

由于数字通信其传输数字抽样信号，在接收端可以得到还原，所以信号传输率高。

而模拟信号，是对于信号的直接调制，与载波相乘，当传输中有干扰时，对于系统的冲击，是不可修复的，所以造成失帧。

相对而言，数字通信由于模拟通信，故现代研究数字通信系统就显得特别有意义。

数字通信系统由于具有抗干扰能力强，差错可控，易加密，易于与现代技术相结合等各种直观性的优点使其广泛应用于各个频段和各种通信方式中，成为当今通信发展的一种必然趋势。

2ASK和2PSK、2DPSK带宽是码元速率二倍，2FSK带宽是两个载频之差加上两倍码元速率。

误码率2PSK<2DPSK<2FSK<2ASK。

设备复杂度上2FSK最复杂，2DPSK要比2PSK简单。

由于2ASK 存在最佳判决门限，因此对信道最敏感。

2FSK通过比较两条检测支路的电压大小来判断码元。

综上所述，2DPSK性能较好。

通信系统在我们的学习中非常的重要，但也非常的难，如果能够自己独立的去完成一次课程设计，会对自己对2DPSK有更深的认识和理解。

另外，Matlab/Simulink在我们平时的学习当中，也会用到，故可以通过本次课程设计能够进一步的对该软件进一步的了解。

1.3 本课程设计的主要内容在做这次课程设计之前，我们需要对2DPSK和MATLAB用方法有所了解。

再通过MATLAB建立2DPSK数字通信系统模型，观察仿真并进行波形分析，系统的性能评价。

最后，总结这次课程设计，自己的收获以及体会。

1.4 本次设计基本要求 :1）设计出规定的数字通信系统的结构，包括信源，调制，发送滤波器模块，信道，接受滤波器模块以及信宿；（2）根据通信原理，设计出各个模块的参数（例如码速率，滤波器的截止频率等）；（3）用SystemView 或 Matlab实现该数字通信系统；（4）观察仿真并进行波形分析（眼图，和星座图）；（5）系统的性能评价（分析误码率）；第2章 2DPSK数字频带通信系统工作原理与设计2.1 通信的概念通信就是克服距离上的障碍，从一地向另一地传递和交换消息。

消息是信息源所产生的，是信息的物理表现，例如，语音、文字、数据、图形和图像等都是消息(Message)。

消息有模拟消息（如语音、图像等）以及数字消息（如数据、文字等）之分。

所有消息必须在转换成电信号（通常简称为信号）后才能在通信系统中传输。

所以，信号（Signal）是传输消息的手段，信号是消息的物质载体。

相应的信号可分为模拟信号和数字信号，模拟信号的自变量可以是连续的或离散的，但幅度是连续的，如电话机、电视摄像机输出的信号就是模拟信号。

数字信号的自变量可以是连续的或离散的，但幅度是离散的，如电船传机、计算机等各种数字终端设备输出的信号就是数字信号。

通信的目的是传递消息，但对受信者有用的是消息中包含的有效内容，也即信息(Information) 。

消息是具体的、表面的，而信息是抽象的、本质的，且消息中包含的信息的多少可以用信息量来度量。

通信技术，特别是数字通信技术近年来发展非常迅速，它的应用越来越广泛。

通信从本质上来讲就是实现信息传递功能的一门科学技术，它要将大量有用的信息无失真，高效率地进行传输，同时还要在传输过程中将无用信息和有害信息抑制掉。

当今的通信不仅要有效地传递信息，而且还有储存、处理、采集及显示等功能，通信已成为信息科学技术的一个重要组成部分。

通信系统就是传递信息所需要的一切技术设备和传输媒质的总和，包括信息源、发送设备、信道、接收设备和信宿(受信者) ，它的一般模型如图2-1所示：图2-1通信系统一般模型通信系统可分为数字通信系统和模拟通信系统。

数字通信系统是利用数字信号来传递消息的通信系统，其模型如图2-2所示：图2-2 数字通信系统模型模拟通信系统是利用模拟信号来传递消息的通信系统，其模型如图2-3所示：图2-3 模拟通信系统模型数字通信系统较模拟通信系统而言，具有抗干扰能力强、便于加密、易于实现集成化、便于与计算机连接等优点。

因而，数字通信更能适应对通信技术的越来越高的要求。

近二十年来，数字通信发展十分迅速，在整个通信领域中所占比重日益增长，在大多数通信系统中已代替模拟通信，成为当代通信系统的主流。

2.2 2DPSK 信号产生的原理2DPSK 是利用前后相邻码元的载波相对相位变化传递数字信息，又称相对相移键控。

假设φΔ为当前码元与前一码元的载波相位差（并规定0φ=Δ表示数字信息“0”，φπ=Δ表示数字信息“1”）。

相应二进制和2DPSK 波形如图2-4所示：绝对码相对码2DPSK110100110010*******图2-4 2DPSK 调制过程波形图则数字信息序列与2DPSK 信号的码元相位关系可表示如下：二进制数字信息： 1 1 0 1 0 0 1 1 0 2DPSK 信号相位： （0）π 0 0 π π π 0 π π 或 （π）0 π π 0 0 0 π 0 02.3 2DPSK 的调制原理二进制相对相位调制就是利用二进制数字信息去控制载波相邻两个码元的相位差，使载波相邻两个码元的相位差随二进制数字信息变化。

载波相邻码元的相位差定义为ϕϕϕ1--=∆n n n（2-1）n ϕ∆、1n ϕ-∆分别表示第n 及1-n 个码元的载波初相。

由于二进制数字信息只有“1”和“0”两个不同的码元，受二进制数字信息控制的载波相位差n ϕ∆也只有两个不同的值。

通常选用0︒、︒180两个值。

“1”码和“0”与0︒和︒180之间有两种一一对应关系，如下所示。

180n 0180n 1︒=∆→︒=∆→ϕϕ”码“”码“ 0n 00n 1︒=∆→︒=∆→ϕϕ”码“”码“（2-2）（2-3）当2DPSK 都采用（2-2）这种对应关系时，即当第n 个数字信息为“1”码时，控制相位差180n ϕ︒∆=，也就是第n 个码元的载波初相相对于第1-n 个码元的载波初相改变︒180；当第n 个数字信息为“0”码时，控制0n ϕ︒∆=，也就是第n 个码元的载波初相相对于第1-n 个码元的载波初相没化，此时对应关系称为“1”变“0”不变规则。

2DPSK 信号的产生方法是先对二进制数字基带信号进行差分编码，即把表示数字信息序列的绝对码变换成相对码，然后再根据相对码进行绝对调相，从而变成二进制差分相移键控信号。

2DPSK 信号调制器原理框图如图2-5所示。

图2-25 2DPSK 信号调制器原理框图设绝对码为{}n a ，相对码为{}n b ，则二相差分编码的逻辑关系为：1n n n b a b -=⊕（2-4）相对（差分）移相方式（2DPSK ）的调制系统如图2-6所示。

图2-6 相对移相方式产生2DPSK 的调制系统框图图2-7 2DPSK 的调制原理框图2.4 2DPSK 的解调原理2DPSK 的解调方法分为两种：一种是极性比较法，另一种是相位比较法。

2.4.1 采用极性比较法解调模块极性比较法是一种根据2DPSK 信号的产生过程来恢复原数字信息的方法。

其过程2-8如图下所示。

图2-8 2DPSK 极性比较法解调器n a 的2DPSK 信号经2PSK 解调可得差分码n b ，再对差分码进行译码可得原调制信息n a 。

对2DPSK信号进行相干解调，恢复出相对码，再经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，由于载波相位模糊性的影响，使得解调出的相对码也可能是“1”和“0”倒置，但经差分译码得到的绝对码不会发生任何倒置的现象，从而解决了载波相位模糊带来的问题。

2DPSK 的相干解调原理框图如图2-9所示。

图2-9 2DPSK 的相干解调原理框图2.4.2采用差分相干解调模块用这种方法解调时不需要专门的相干载波，只需由收到的2DPSK 信号延时一个码元间隔T ，然后与2DPSK 信号本身相乘。

相乘器起着相位比较的作用，相乘结果反映了前后码元的相位差，经低通滤波后在抽样判决，即可直接恢复出原是数字信息，故解调器中不需要码反变换器。

2DPSK 差分相干解调器原理框图如图2-10所示。

图2-10 差分相干解调器原理框图如2.2小节所示，采用π相位后，若已接收2DPSK 序列为π0πππ0ππ0，则经过解调后和逆码变换后可得基带信号，这一过程如下。

2DPSK 信号：（0）π 0 π π π 0 π π 0π）0 π 0 0 0 π 0 0 π∆Φ π π π 0 0 π π 0 ππ π π 0 0 π π 0 π变换后序列 ：（0）1 0 1 1 1 0 1 1 0 (π) 0 1 0 0 0 1 0 0 1（相对码） 基带信号 ： 1 1 1 0 0 1 1 0 11 1 1 0 0 1 1 0 1（绝对码）第3章 2DPSK系统程序设计仿真3.1 MATLAB程序流程图3.2 MATLAB程序clear,close allbit=1000;n=16;p=0.6;signal=rand(1,n)<=p;%产生n位随机二进制信号Y = rand(m,n)receive=0; %或 Y = rand([m n]) 返回一个m x n的随机矩阵j=1;while j<=n %差分编码if signal(j)~=receive(j)%~=不等于bi=1;elsebi=0;endreceive=[receive bi];j=j+1;enddifference=receive(2:n+1);%除去差分码参考位m=0:1/bit:(n-1)/bit;figure(1) %创建图形subplot(3,1,1) %画出基带原码你stairs(m,signal),axis([0,n/bit,-0.5,1.5]);%stairs函数绘制阶梯状图axis函数设置坐标title('基带原码'),xlabel('Time/sec'),ylabel('幅值');grid on %添加网格线subplot(3,1,2) %画出差分码stairs(m,difference),axis([0,n/bit,-0.5,1.5]);title('差分码'),xlabel,ylabel;grid onfor i=1:n; %将差分码变成双极性差分码biploarif difference(i)==0biploar(i)=-1;elsebiploar(i)=1;endendt=linspace(0,16/1000,3200); %载波时间切片在0到16/1000平均分为3200点carrier=sin(2*pi*1500*t); %载波频率为1500biploar=repmat(biploar,200,1);%复制平铺biploar=reshape(biploar,1,numel(biploar));%reshape重新调整行数列数modulate=biploar*carrier; % numel计算矩阵元素个数，模拟调制，产生2DPSK调制波subplot(3,1,3),plot(t,modulate),axis([0,n/bit,-1.5,1.5]);title('2DPSK调制波'),xlabel,ylabel;grid onfigure(2)-----------------------模拟信道传输-----------------channel=awgn(modulate,10);%awgn随机无线噪声信噪比为10dBsubplot(3,1,1),plot(t,channel)axis([0,n/bit,-1.5,1.5]);title('信道输出'),xlabel,ylabel;grid on------------------------相干解调---------------------coherent=channel*carrier;subplot(3,1,2)plot(t,coherent);axis([0,n/bit,-1.5,1.5]);title('相乘输出'),xlabel,ylabel;grid on-----------------------低通椭圆滤波器------------------fp=60;fs=150;Fs=4000;rp=3;rs=60;wp=fp/Fs;ws=fs/Fs;[N,Wn]=buttord(wp,ws,rp,rs);%计算滤波器阶数和截止频率[bz,az]=butter(N,Wn); %计算数字滤波器系统函数的分子分母多项式系数low-pass=filter(bz,az,coherent);%y=filter（b,a,x）b/a为滤波器系数，b为分子a为分母subplot(3,1,3)plot(t,low-pass),axis([0,n/bit,-1.5,1.5]);title('低通输出’),xlabel,ylabel;grid on------------------------抽样判决----------------------judge=[];bridge=[];for b=0:200:3000;if b==0c=1;judge=(1&&low-pass(c)~=0);elsebridge=1&&(low-pass(b)>0);endjudge=[judge bridge];endm=0:1/bit:(n-1)/bit;%judge=1*low-pass>0);-------------------绘制输入输出码型图以比较-----------------figuer(3)subplot(4,1,1)stairs(m,signal,'r').axis([0,n/bit,-1.5,1.5]);title('基带原码'),xlabel,ylabel;grid onsubplot(4,1,2)stairs(m,difference,'r').axis([0,n/bit,-1.5,1.5]);title('差分码'),xlabel,ylabel;grid onsubplot(4,1,3)stairs(m,judge,'r').axis([0,n/bit,-1.5,1.5]);title('抽样判决'),xlabel,ylabel;grid on----------------------码型差分逆变换-------------------- change=0;brid=[];for k=2:16if judge(k)~=judge(k-1);brid=1;elsebrid=0;endchange=[change brid];endsubplot(4,1,4)stairs(m,c吃饭ange,'r').axis([0,n/bit,-1.5,1.5]);title('解调输出'),xlabel,ylabel;grid on3.2 仿真波形图3-1调制过程输出波形图4-1波形从上到下分别是基带信号波形、差分码波形和2DPSK信号波形。