基于MATLAB的二进制移相键控2PSK调制与解调课程设计任务

基于MATLAB的二进制移相键控2PSK调制与解调课程设计任务课程设计任务书学生姓名：专业班级：指导教师：工作单位：题目：信号分析处理课程设计－基于MATLAB的二进制移相键控（2PSK）调制与解调分析初始条件：1.Matlab6.5以上版本软件；2.先修课程：通信原理等；要求完成的主要任务：（包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求）1、利用MATLAB中的simulink工具箱中的模块进行二进制移相键控（2PSK）调制与解调，观察波形变化；2、画出程序设计框图，编写程序代码，上机运行调试程序，记录实验结果（含计算结果和图表等），并对实验结果进行分析和总结；3、课程设计说明书按学校统一规范来撰写，具体包括：⑴目录；⑵理论分析；⑶程序设计；⑷程序运行结果及图表分析和总结；⑸课程设计的心得体会（至少800字，必须手写。

）；⑹参考文献（不少于5篇）。

时间安排：周一、周二查阅资料，了解设计内容；周三、周四程序设计，上机调试程序；周五、整理实验结果，撰写课程设计说明书。

指导教师签名：年月日系主任（或责任教师）签名：年月日目录1 理论分析 (1)1.1基础知识 (1)1.2二进制相移键控基本原理 (1)1.3二进制相移键控调制 (3)1.4二进制相移键控解调 (4)2 程序设计与仿真模型建立 (6)2.1设计与仿真基础 (6)2.2程序设计实现 (7)2.3 Simulink仿真模型建立 (16)3 程序运行结果与仿真结果 (24)3.1程序运行结果与分析 (24)3.2 Simulink仿真结果与分析 (25)4 心得体会 (28)参考文献 (31)1 理论分析1.1基础知识数字信号的传输方式分为基带传输和带通传输。

然而，实际中的大多数信道（如无线信道）因具有带通特性而不能直接传送基带信号，这是因为数字基带信号往往具有丰富的低频分量。

为了使数字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（已调信号）的过程称为数字调制。

在接收端通过解调器把带通信号还原成数字基带信号的过程称为数字解调。

通常把包括调制和解调过程的数字传输系统叫做数字带通传输系统。

1.2二进制相移键控基本原理数字调制技术的两种方法：①利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（PSK）基本的调制方式。

图1.2.1 PSK信号波形的示例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，通常利用初始相位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：e2psk =Acos(ωc+) （式1.1）其中，表示第n个符号的绝对相位：0 发送“0”时φn= （式1.2）π发送“1”时因此，上式可以改写为（式1.3）典型波形如图1.1.2.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全占空矩形脉冲序列与一个正弦波的相乘。

图1.2.2 2PSK信号波形就模拟调制法而言，与产生2ASK信号的方法比较，只是对基带信号要求不同，因此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，用数字基带信号控制开关电路，选择不同相位的载波输出，这时基带信号为单极性NRZ 或双极性NRZ 脉冲序列信号均可。

且 2PSK 信号属于DSB 信号，它的解调不再能采用包络检测的方法，只能进行相干解调。

1.3二进制相移键控调制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，通常用初始相位为0和π表示二进制的“1”和“0”。

因此2PSK 的信号的时域表达式为ｅ2psk (t)=Acos(ωc t+φn )其中，φn 表示第n 个符号的绝对相位： 0 发送“0”时φn =π 发送“1”时因此，上式可改写为Acos ωc t 概率为Pｅ2psk (t)=- Acos ωc t 概率为1-P图 1.3.1 2PSK 信号的时间波形由于表示信号的两种码元的波形相同，记性相反，鼓2PSK 信号一般可以表述为一个双极性全占空矩形脉冲序列与一个正弦载波相乘，即ｅ2psk (t)=s(t)cos ωc t其中s(t)= ∑an g(t-nTs)这里，g(t)是脉宽为Ts的单个矩形脉冲，而an得统计特性为1 概率为Pan=-1 概率为1-P即发送二进制符号“0”时（an取+1），ｅ2psk(t)取0相位；发送二进制符号“1”时（an取-1），ｅ2psk(t)取π相位。

1.4二进制相移键控解调2PSK信号的解调通常都是采用相干解调, 解调器原理图如图1.4.1所示。

在相干解调过程中需要用到与接收的2PSK信号同频同相的相干载波。

2PSK信号相干解调各点时间波形如图1.4.2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 1.4.12PSK信号的解调原理图图1.4.22PSK信号相干解调各点时间波形图1.4.2是2PSK解调器在无噪声情况下能对2PSK信号的正确解调。

（a）是收到的2PSK信号；(b)是本地载波提取电路提取的同频同相载波信号；（c）是接收的2PSK信号与本地载波相乘得到的波形示意图，此波形经过低通滤波器滤波后得到低通信号；(d)是取样判决器在位定时信号；（e）是对(d)波形取样，再与门限进行比较，做出相应的判决得到恢复的信号；需要注意的是判决规则应与调制规则一致。

2 程序设计与仿真模型建立2.1设计与仿真基础MATLAB是矩阵实验室（Matrix Laboratory）的简称，是美国MathWorks公司出品的商业数学软件，用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，主要包括MATLAB和Simulink两大部分。

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。

Simulink是Matlab中的一种可视化仿真工具，也是目前在动态系统的建模和仿真等方面应用最广泛的工具之一。

确切的说，Simulink是一个用来对动态系统进行建模、仿真和分析的软件包，它支持线性和非线性系统，连续、离散时间模型，或者是两者的混合。

系统还可以使多种采样频率的系统，而且系统可以是多进程的。

Simulink工作环境进过几年的发展，已经成为学术和工业界用来建模和仿真的主流工具包。

在Simulink环境中，它为用户提供了方框图进行建模的图形接口，采用这种结构画模型图就如同用手在纸上画模型一样自如、方便，故用户只需进行简单的点击和拖动就能完成建模，并可直接进行系统的仿真，快速的得到仿真结果。

它的主要特点在于：1、建模方便、快捷；2、易于进行模型分析；3、优越的仿真性能。

它与传统的仿真软件包微分方程和差分方程建模相比，具有更直观、方便、灵活的优点。

Simulink模块库（或函数库）包含有Sinks（输出方式）、Sources（输入源）、Linear（线性环节）、Nonlinear（非线性环节）、Connection（连接与接口）和Extra（其他环节）等具有不同功能或函数运算的Simulink库模块（或库函数），而且每个子模型库中包含有相应的功能模块，用户还可以根据需要定制和创建自己的模块。

用Simulink创建的模型可以具有递阶结构，因此用户可以采用从上到下或从下到上的结构创建模型。

用户可以从最高级开始观看模型，然后用鼠标双击其中的子系统模块，来查看其下一级的内容，以此类推，从而可以看到整个模型的细节，帮助用户理解模型的结构和各模块之间的相互关系。

在定义完一个模型后，用户可以通过Simulink的菜单或Matlab的命令窗口键入命令来对它进行仿真。

菜单方式对于交互工作非常方便，而命令行方式对于运行仿真的批处理非常有用。

采用Scope模块和其他的显示模块，可以在仿真进行的同时就可立即观看到仿真结果，若改变模块的参数并再次运行即可观察到相应的结果，这适用于因果关系的问题研究。

仿真的结果还可以存放到Matlab的工作空间里做事后处理。

模型分析工具包括线性化和整理工具，Matlab 的所有工具及Simulink本身的应用工具箱都包含这些工具。

由于Matlab和SIMULINK的集成在一起的，因此用户可以在这两种环境下对自己的模型进行仿真、分析和修改模型。

但是Simulink不能脱离Matlab而独立工作。

2.2程序设计实现该实现方法是利用matlab的M文件，编写程序并利用窗口显示出结果的方法。

2PSK信号与产生2ASK信号的方法比较，只是对s(t)要求不同，在2ASK 中s(t)是单极性的，而在2PSK 中s(t)是双极性的基带信号。

因此2PSK信号可以看作是双极性基带信号作用下的DSB调幅信号。

2PSK信号属于DSB信号，它的解调，不再能采用包络检测的方法，只能进行相干解调。

因此2PSK信号的调制与解调原理框图如下图。

)2e图2.2.2 2PSK 信号的解调原理框图根据2PSK 信号的调制与解调原理框图进行程序设计，首先对程序进行流程图设计，下图是本课程设计的程序设计框图：然后根据程序流程图编写代码，代码分为各个功能模块，以下是程序的代码：%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%初始化参数%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% %clc;clear all;close all;fs=8e5;%抽样频率fm=20e3;%基带频率n=2*(6*fs/fm);final=(1/fs)*(n-1);fc=2e5; % 载波频率t=0:1/fs:(final);Fn=fs/2;%耐奎斯特频率%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% %% 信源信号%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% %figure(1)subplot(321);plot(t,x);axis([0 2e-4 -2 2]);title('信源信号');grid on %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% %% 用正弦波产生方波%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% %twopi_fc_t=2*pi*fm*t;A=1;phi=0;x = A * cos(twopi_fc_t + phi); % 方波am=1;x(x>0)=am;x(x<0)=-1; %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% %% PSK调制信号%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% %car=sin(2*pi*fc*t);%载波ask=x.*car;%载波调制subplot(322);plot(t,ask);axis([0 200e-6 -2 2]);title('PSK信号');grid on; %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% %% 带通滤波器%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% %fBW=40e3;f=[0:3e3:4e5];w=2*pi*f/fs;z=exp(w*j);BW=2*pi*fBW/fs;a=.8547;%BW=2(1-a)/sqrt(a)p=(j^2*a^2);gain=.135;Hz=gain*(z+1).*(z-1)./(z.^2-(p)); subplot(325);hh=abs(Hz);plot(f,hh);title('带通滤波器');grid on;Hz(Hz==0)=10^(8);%avoid log(0)subplot(326);hhb=20*log10(hh);plot(f,hhb);grid on;title('Receiver -3dB Filter Response'); axis([1e5 3e5 -3 1]);set (gcf, 'num', 'off', 'name', ['系统信号调制波形'...blanks(10)]);%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% %% 带通滤波后输出%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% %a=[1 0 0.7305];%[1 0 p]b=[0.135 0 -0.135];%gain*[1 0 -1]faskn=filter(b,a,askn);figure(2)subplot(321);plot(t,faskn);axis([0 100e-6 -2 2]);title('通过带通滤波后输出');grid on;cm=faskn.*car;%解调subplot(322);plot(t,cm);axis([0 100e-6 -2 2]);grid on;title('通过相乘器后输出'); %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% %% 低通滤波器%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% %p=0.72;gain1=0.14;%gain=(1-p)/2Hz1=gain1*(z+1)./(z-(p));subplot(323);Hz1(Hz1==0)=10^(-8);%avoid log(0)plot(f,20*log10(abs(Hz1)));grid on;title('LPF -3dB response');axis([0 5e4 -3 1]); %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% %% 滤波器系数%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% %a1=[1 -0.72];%(z-(p))b1=[0.14 0.14];%gain*[1 1]so=filter(b1,a1,cm);so=so*10;%add gainso=so-mean(so);%removes DC component subplot(324);plot(t,so);axis([0 8e-4 -3.5 3.5]);title('通过低通滤波器后输出');grid on;%Comparator %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% %% 判定并输出波形%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%High=2.5;Low=-2.5;vt=0;%设立比较标准error=0;len1=length(so);for ii=1:len1if so(ii) >= vtVs(ii)=High;elseVs(ii)=Low;endendVo=Vs;subplot(325);plot (t,Vo), title('解调后输出信号'), axis([0 2e-4 -5 5])grid on;xlabel('时间 (s)'), ylabel('幅度(V)')set (gcf, 'num', 'off', 'name', ['系统信号解调波形'...blanks(10)]);%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% %% 调制后加噪%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% %askn=(ask+noise);%调制后加噪subplot(324);plot(t,askn);axis([0 200e-6 -2 2]);title('加噪后调制信号');grid on;2.3 Simulink仿真模型建立（1）模型库在MATLAB命令窗口输入“simulink”并回车，就可进入Simulink模型库，单击工具栏上的按钮也可进入。