BPSK调制解调器的设计与仿真.

东北大学秦皇岛分校计算机与通信工程学院综合课程设计设计题目BPSK调制解调器的设计与仿真专业名称通信工程班级学号学生姓名指导教师设计时间2014.12.29~2015.1.15课程设计任务书专业：通信工程学号：学生姓名（签名）：设计题目：ＢＰＳＫ调制解调器的设计和仿真一、设计实验条件1.计算机与通信工程实验室；2.计算机及matlab仿真环境；二、设计任务及要求1.根据题目，查阅相关资料，掌握数字带通BPSK调制解调相关知识，学习MATLAB软件，掌握相关调制解调的MATLAB函数的使用；2.在此基础上，运用MATLAB进行编程实现BPSK的调制解调过程，并且仿真输出调制前的基带信号、调制后的BPSK信号和叠加噪声后的2PSK信号波形、解调器在接收到信号后解调的各点的信号波形，并对仿真结果进行分析；三、设计报告的内容1.设计题目与设计任务（设计任务书）1）设计题目BPSK调制解调器的设计与仿真。

2）设计任务运用MATLAB进行编程实现BPSK的调制解调过程，并且仿真输出调制前的基带信号、调制后的BPSK信号和叠加噪声后的2PSK信号波形、解调器在接收到信号后解调的各点的信号波形，并对仿真结果进行分析。

2.前言（绪论）(设计的目的、意义等)1）数字信号及数字通信数字信号是其信息用若干个明确定义的离散值表示的时离散信号。

数字通信是一种用数字信号作为载体来传输信息的通信方式。

数字通信可以传输电报、数据等数字信号，也可传输经过数字化处理的语音和图像等模拟信号。

与模拟通信相比，数字通信具有许多突出优点：一，抗干扰力强，二，通信距离远，三，保密性好，四，通信设备的制造和维护简便，五，能适应各种通信业务的要求，六是便于实现通信网的计算机管理。

2）数字通信的前景广阔由于数字信号相比于模拟信号所具有很多优点，数字通信技术在当今通信技术中占据主导地位，各国都在积极发展数字通信。

近年来，我国数字通信得到迅速发展，正朝着高速化、智能化、宽带化和综合化方向迈进。

因此作为当代的大学生了解数字通信技术具有深刻的意义。

本次课程设计，旨在通过BPSK的仿真，进一步深入学习到数字通信的基本知识，为以后的学习打下基础。

3.设计主体（各部分设计内容、分析、结论等）1）设计原理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：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 BPSK信号时间波形示例1.1）BPSK的调制原理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；如果其中一个开始的迟了一点，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和π分别表示二进制“1”和“0”。

因此，2PSK 信号的时域表达式为)cos(A )(2PSK n c t t e ϕω+= （1）式中，ϕn 表示第n 个符号的绝对相位：⎩⎨⎧=”时发送“”时发送“，1,00πϕn （2） 因此，上式可以改写为： ⎩⎨⎧--=P t P t t e c c 1,cos A ,cos A )(2PSK 概率为概率为ωω （3）由于两种码元的波形相同，极性相反，故BPSK 信号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的相乘：()t t s t e c ωc o s )(2P S K = （4） 式中∑-=n s n nT t g a t s )()( （5）这里s(t)为双极性全占空(非归零)矩形脉冲序列，g(t)是脉宽为Ts 的单个矩形脉冲，而an 的统计特性为⎩⎨⎧--=P P a n 1,1,1概率为概率为 （6）BPSK 信号的调制原理框图如图2-2所示。

与2ASK 信号的产生方法相比较，只是对是S(t)的要求不同。

在2ASK 中S(t)是单极性的，而在BPSK 中S(t)是双极性的基带信号。

图2 BPSK 信号的调制原理框 1.2）BPSK 的解调原理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。

图3 BPSK 的相干接收机原理框图BPSK 信号的相干解调各点时间波形如图4所示。

图4 BPSK 各点时间波形波形图中，假设相干载波的基准相位与BPSK信号的调制载波的基准相位一致（通常默认为0相位）。

但是，由于在BPSK信号的载波恢复过程中存在着的相位模糊，即恢复的本地载波与所需的相干载波可能同相，也可能反相，这种相位关系的不确定性将会造成解调出的数字基带信号与发送的数字基带信号正好相反，即“1”变为“0”，“0”变为“1”，判决器输出数字信号全部出错。

这种现象称为BPSK 方式的“倒π现象”或“反相工作”。

这导致了BPSK方式在实际中很少采用。

另外，在随机信号码元序列中，信号波形有可能出现长时间连续的正弦波形，致使在接收端无法辨认信号码元的起止时刻。

为了克服BPSK这一缺点，在实际使用中常采用DPSK，即差分相移键控。

2）基于MATLAB的BPSK调制解调仿真2.1）仿真框图在发送端，通过随机函数随即产生n位二进制信号。

然后把这n位信号在频率fc=4000Hz的载波上进行传输，并且采样频率fs=80000Hz。

经过调制后，调制信号就可以在信道上传输。

但是在实际的信道中传输时，会叠加很多噪声，因此，程序模拟在实际信道上传输，产生噪声，叠加到已调信号上。

在接收端，通过相干解调的方法，把接收到的叠加有噪声的信号进行解调，但是解调后的信号还不是最先发送的二进制比特流，需要对解调得到的信号进行抽样判决，才能得到发送的二进制比特流，即发送信号。

图5 基于MATLAB的BPSK调制解调仿真框图2.2）仿真源代码本程序传送的信号是利用随机函数产生随机的二进制信号。

在已知载波频率fc=4000HZ，采样频率fs=80000HZ的情况下，进行的调制。

在传输信道上对已调信号叠加高斯白噪声，在接收端进行相干调制解调，然后再进行抽样判决得到解调信号。

%**********产生随机二进制信号*********%n=10;t=0:0.01:n-0.01;%100*n个时刻点a=randi([0,1],1,n);%生成的（1,n) 随机二进制数字矩阵,“0 ”和“1 ”出现的概率相等m=a(ceil(t+0.01));%每次t的改变都会得到一个整数；ceil：离他最近的大整数圆整figure(1)plot(t,m)title('产生随机n位二进制信号');axis([0,n,-1.5,1.5]);%*************BPSK调制***************%fc=4000; %载波频率fs=80000; %采样频率ts=0:1/fs:(100*n-1)/fs;tzxh1=cos(2*pi*fc*ts);%********二进制信号转为BPSK信号*******%bpsk=cos(2*pi*fc.*ts+pi*m);%e(t)2psk=ACos（ωct+ψ）,ψ:发送1时为π，发送0时为0，即异变同不变figure(2)plot(t,bpsk)title('BPSK调制信号');axis([0,n,-1.5,1.5]);%********模拟实际信道中的噪声*********%e_2psk=awgn(bpsk,10);%在信号中加入10db高斯白噪声，figure(3)plot(t,e_2psk)title('BPSK调制信号叠加噪声波形');%************BPSK相干解调************%[b11,a11]=ellip(5,0.5,60,[2000,6000]*2/80000);%带通椭圆滤波器设计，通带为[2000，6000] [b12,a12]=ellip(5,0.5,60,2000*2/80000);%低通滤波器设计，通带截止频率为2000Hze_psk1=filter(b11,a11,e_2psk);%通过带通滤波器滤除带外噪声e_psk1_1=e_psk1.*(tzxh1*2);%相干解调,乘以同频同相的相干载波psk_xgjt=filter(b12,a12,e_psk1_1);%通过低通滤波器figure(4)plot(t,psk_xgjt)title('BPSK信号相干解调后、抽样判决前的信号');axis([0,n,-1.5,1.5])%*********BPSK信号抽样判决***********%for i=0:n-1if(psk_xgjt((i+1)*100)>0)%若信号大于0psk_cypj(i*100+1:(i+1)*100)=zeros(1,100);%抽样判决为0elsepsk_cypj(i*100+1:(i+1)*100)=ones(1,100);%否则判决为1endendfigure(5)plot(t,psk_cypj);title('BPSK信号抽样判决后的信号');axis([0,n,-1.5,1.5]);3.3）仿真结果在实际传输中，我们需要传输的就是二进制基带信号。

因此通过随机函数随机产生n位二进制信号作为基带信号。

产生随机n位二进制信号图6 产生随机n位二进制信号实际通信中不少信道都不能直接传送基带信号，必须用基带信号对载波波形的某些参量进行控制，使载波的这些参量随基带信号的变化而变化，即所谓正弦载波调制。