2PSK系统课程设计.docx
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2PSK系统课程设计
《通信原理》课程设计说明书
基于Matlab的2PSK系统设计
学院：
电气与信息工程学院
学生姓名：
指导教师：
职称副教授
专业：
通信工程
班级：
通信1302班
学号：
完成时间：
2016年5月
学院：
电气与信息工程学院专业：
通信工程
指导教师
学生姓名
课题名称
基于MATLAB的2PSK系统设计
内容及任务
一、设计任务
利用MATLAB设计一个2PSK系统。
二、设计内容
2PSK系统中包括调制、加噪滤噪与解调部分，具体内容如下：
（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）对信号输出端的混合信号中的噪声进行滤除；
（5）信号的解调；
（6）抽样判决码元再生。
三、设计要求
设计出一个2PSK系统，对2PSK系统进行仿真分析，并编写设计说明书。
主要参考资料
[1]樊昌信,曹丽娜.通信原理[M].北京:
国防工业出版社,2015.
[2]刘晓东,董辰辉.MATLAB从入门到精通[M].北京:
人民邮电出版社,2010.
[3]常华,袁刚,常敏嘉.仿真软件教程.北京:
清华大学出版社,2006.
[4]
[5]朱阳燕.基于MATLAB的2PSK系统仿真[J].科技信息,2008（17）:
82.
教研室
意见
教研室主任：
年月日
摘要
现代通信系统是一个十分复杂的工程系统，通信系统设计研究也是一项十分复杂的技术。
由于技术的复杂性，在现代通信技术中，越来越重视采用计算机仿真技术来进行系统分析和设计。
随着电子信息技术的发展，已经从仿真研究和设计辅助工具，发展成为今天的软件无线电技术，这就使通信系统的仿真研究具有更重要和更实用的意义。
课程设计首先介绍了课题的研究背景及意义和课题的研究内容，其次描写了2PSK系统的相关知识理论，着重讲解了2PSK系统的两种调制方式：
模拟调制法和键控法，和它的解调方式，相干解调。
然后在掌握了2PSK系统原理的基础上利用MATLAB软件对数字调制方式2PSK进行了编程仿真实现，MATLAB是一个用于电路与通信系统设计、仿真的动态系统分析工具，可用于信号处理、滤波器设计及复杂的通信系统数学模型的建立等。
在MATLAB平台上建立2PSK调制和解调技术的仿真模型，并在建立模型过程中加入一个加噪滤噪的过程。
构思好2PSK系统设计的流程后即可在MATLAB仿真平台上进行2PSK系统的调制与解调，加噪和滤噪，并对仿真模型进行分析，得出仿真系统的波形图，能够更直观的了解其系统的工作流程，得出更好的结论。
通过2PSK系统的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，从理论学习的轨道逐步引向实际应用，为以后在通信领域学习和研究打下基础。
关键词：
数字调制和解调；MATLAB；2PSK
1绪论
1.1课题的研究背景与意义
通信的主要任务就是可靠并有效地实现信息的传输，实际的通信系统是复杂的大规模系统，在噪声和各种随机因素的影响下，要完成实际设计的通信系统的实验研究比较困难，有时要改变系统的某一两个参数就可能意味着整个系统需要重做。
利用MATLAB进行系统仿真，具有经济可靠简便等特点，在工程领域中得到了广泛应用。
近年来数字通信因为其抗干扰能力强、便于进行各种数字信号处理、易于实现集成化、经济效益正赶上或超过模拟通信等优点在近20年来得到了迅速的发展。
进入20世纪以来，随着晶体管、集成电路的出现与普及、无线通信迅速发展。
特别是在20世纪后半叶，随着人造地球卫星的发射，大规模集成电路、电子计算机和光导纤维等现代技术成果的问世，基于PSK的数字通信技术在以下几个不同方向都取得了巨大的成功。
（1）微波中继通信使长距离、大容量的通信成为了现实。
（2）超声波水下通信编码，解决了载人潜水器之类的水下运动工具的通信问题，使国内外开始深入研究水下通信问题。
（3）基于PSK技术的电力线通信由于具有投资少、无需重新布线、覆盖范围广、维护成本低等优点,得到广泛的应用。
2PSK在数字通信中应用十分广泛，2PSK是相移键控的最简单的一种形式，它用两个初相相隔为180的载波来传递二进制信息。
由于2PSK具有良好的抗干扰性和频带利用率，因此在中高速数字通信中得到了广泛的应用。
课程设计利用MATLAB进行系统设计仿真，其优点是便于实现，减少了设计和开发的时间成本。
1.2课题的研究内容
课题主要对2PSK信号的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个更清楚的认识。
通过MATLAB软件，仿真2PSK调制与解调的具体过程，加深对2PSK调制与解调技术的掌握。
22PSK系统相关知识理论
2.12PSK系统的基本介绍
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。
这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。
一般来说，数字调制与模拟调制的基本原理相同，但是数字信号有离散取值的特点。
因此数字调制技术有两种方法：
（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，把数字基带信号当作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的数字调制方式。
2.22PSK系统的基本原理
2PSK，二进制移相键控方式，是键控的载波相位按基带脉冲序列的规律而改变的一种数字调制方式。
就是根据数字基带信号的两个电平（或符号）使载波相位在两个不同的数值之间切换的一种相位调制方法。
两个载波相位通常相差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。
2PSK信号码元的“0”和“1”分别用两个不同的初始相位“0”和“”来表示，而其振幅和频率保持不变.因此，2PSK信号的时域表达式为:
（1）
其中，表示第n个符号的绝对相位：
（2）
因此，上式可以改写为:
（3）
这种以载波的不同相位直接表示相应二进制数字信号的调制方式,称为二进制移相键控方式。
二进制移相键控信号的典型时间波形如图1所示。
图1移相键控波形图
2.2.12PSK系统的调制
2PSK信号的产生方法通常有两种：
模拟调制法和键控法。
一般的模拟幅度调制的方法，用乘法器实现；数字键控法的开关电路受s（t）控制。
2PSK信号基本的解调方法是相干解调。
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（2PSK）信号。
2PSK信号调制有两种方法，即模拟调制方法和键控法。
通常用已调信号载波的0°和180°分别表示二进制数字基带信号的1和0。
就模拟调制法而言，与产生2ASK信号的方法比较，只是对s（t）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。
模拟调制法用两个反相的载波信号进行调制。
2PSK以载波的相位变化作为参考基准的当基带信号为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°。
模拟调制法原理图如图2所示。
双极性
不归零
码型变换
乘法器
图2模拟调制法原理图
而就键控法来说，用数字基带信号s（t）控制开关电路，选择不同相位的载波输出，这时s（t）为单极性NRZ或双极性NRZ脉冲序列信号均可。
键控法是用载波的相位来携带二进制信息的调制方式。
通常用0°和180°来分别代表0和1。
其时域表达式为：
（4）
2PSK的调制中
必须为双极性码，键控法原理图如图3所示。
开关电路
0
180°移相
图3键控法调制原理图
2.2.22PSK系统的解调
2PSK信号属于DSB信号,且2PSK的幅度是恒定的它的解调,不再能采用包络检测的方法,只能进行相干解调。
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信号的相干解调原理图如图4所示，各点的波形图如图5所示。
图42PSK的相干解调原理图
图52PSK信号相干解调时各点时间波形
由于2PSK信号的载波回复过程中存在着180°的相位模糊，即恢复的本地载波与所需相干载波可能相同，也可能相反，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全部出错。
这种现象称为2PSK方式的“倒π”现象或“反相工作”。
2.3本章小结
本章主要介绍了2PSK系统和他的基本原理，就2PSK系统的两种调制方式：
模拟调制法和键控法，还有2PSK系统的相干解调进行了介绍，并分析了这两种调制方式和相干解调，让后续的2PSK系统设计更为顺利。
3基于MATLAB的2PSK系统设计
3.1系统仿真平台简介
MATLAB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、创建用户界面、连接其他编程语言的程序等，主要应用于工程计算、控制设计、信号处理与通讯、图像处理、信号检测、金融建模设计与分析等领域。
MATLAB的应用范围非常广，包括信号和图像处理、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。
附加的工具箱（单独提供的专用MATLAB函数集）扩展了MATLAB环境，以解决这些应用领域内特定类型的问题。
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。
MATLAB由一系列工具组成。
这些工具方便用户使用MATLAB的函数和文件，其中许多工具采用的是图形用户界面。
包括MATLAB桌面和命令窗口、历史命令窗口、编辑器和调试器、路径搜索和用于用户浏览帮助、工作空间、文件的浏览器。
随着MATLAB的商业化以及软件本身的不断升级，MATLAB的用户界面也越来越精致，更加接近Windows的标准界面，人机交互性更强，操作更简单。
而且新版本的MATLAB提供了完整的联机查询、帮助系统，极大的方便了用户的使用。
简单的编程环境提供了比较完备的调试系统，程序不必经过编译就可以直接运行，而且能够及时地报告出现的错误及进行出错原因分析。
MATLAB开发环境是一套方便用户使用的MATLAB函数和文件工具集，其中许多工具是图形化用户接口。
它是一个集成的用户工作空间，允许用户输入输出数据，并提供了M文件的集成编译和调试环境，包括MATLAB桌面、命令窗口、M文件编辑调试器、MATLAB工作空间和在线帮助文档。
3.22PSK系统结构搭建
2PSK系统的产生可以有模拟调制方法和数字键控法。
就模拟调制方法而言，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s（t）控制开关电路，选择不同相位的载波输出，这时s（t）为单极性NRZ或双极性NRZ脉冲序列信号均可。
因为2PSK信号的产生方法与2ASK相比较只是对s（t）的要求不同，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。
所以在产生了基带信号后，在基带信号的基础上产生一个基带信号反码再两两相减得到需要的双极性基带信号。
由式
（1）可知要得到一个2PSK信号需要在双极性基带信号的基础上乘上一个载波信号，所以利用相关函数在MATLAB上生成一个正弦载波信号。
然后在现有信号的基础上进行加噪声、滤波及抽样判决。
可总结为如图6所示：
图62PSK系统设计流程
3.32PSK系统参数设置及调用函数
首先，在产生数字基带信号时，可设置一些参数来调整基带信号的形状，在程序中，设置如下参数：
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的基础上产生已调信号，在已调信号上加入一个高斯白噪声，此处可以加一个加性高斯白噪声，也可以加一个乘性高斯白噪声。
乘性高斯白噪声的效果加入更好，但是因为专业知识有限，加入乘性高斯白噪声的话不能保证有效的滤除。
所以还是加一个随机的高斯白噪声，即可设置如下参数：
noise=rand（1，j）；
程序实现为：
noise=rand（1，j）；
psk=e_psk+noise；
加过噪声后，对信号输出端的混合信号中的噪声进行滤除，在使用低通滤波器滤除噪声之前，必须设置低通滤波器的参数，可设置如下参数：
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的再生。
在2PSK系统的设计中，因为用到的程序实现，所以在变成过程中，经常会用到很多函数，除了基础函数外，也用到了许多特殊函数。
（1）范围设定函数：
linspace是MATLAB中的一个指令，用于产生指定范围内的指定数量点数，相邻数据跨度相同，并返回一个行向量。
用于产生x1，x2之间的N点行矢量，相邻数据跨度相同。
其中x1、x2、N分别为起始值、终止值、元素个数。
若缺省N，默认点数为100。
设计中用linspace（0，5，j）产生了一个从0到5之间的j点行矢量。
（2）基带信号产生函数
rand用于产生一个随机序列，如x=rand（m，n）产生m行n列的位于（0，1）区间的随机数。
设计中用a=round（rand（1,i））及相关函数产生一个值为‘0’或‘1’的基带信号。
得到的基带信号是单极性的，需经过相应处理使其变为一个双极性的基带信号。
（3）绘图相关函数
igure
用figure可以控制窗口的数量，即每次只显示一个窗口。
在程序中，一共设置了5个窗口用来显示仿真出的波形。
subplot
subplot是MATLAB中的函数，是将多个图画到一个平面上的工具。
如subplot（m,n,p）m表示是图排成m行，n表示图排成n列，也就是整个figure中有n个图是排成一行的，一共m行，如果m=2就是表示2行图。
p表示图所在的位置，p=1表示从左到右从上到下的第一个位置。
在程序中，为了清晰的显示仿真出来的波形，设置每一个窗口只显示两个图形，这样不仅图片清晰，而且不会太大。
plot
plot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长度相等的矩阵，则绘制多条不同色彩的连线图，x被作为这些曲线的共同横坐标。
若x和y为同型矩阵，则以x,y对应元素分别绘制曲线，曲线条数等于矩阵列数。
在程序中，每一个波形图的编程过程中，x和y的设置都不一样，所以每一个图形都需要单独说明。
title
title就是给已经画出的图加一个标题，title（''）括号内单引号里面的内容就是图片标题的名称。
在程序中，必须在每一个图形显示的下面加上title语句，来为每一个图形命名。
axis
axis是MATLAB中坐标系的设置函数。
axis（[xminxmaxyminymax]）用来标注输出的图线的最大值最小值，[xminxmaxyminymax]用来表示需要显示坐标的范围，xmin、xmax、ymin、ymax分别表示X、Y轴坐标最小和最大值。
（4）滤波器相关函数
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为滤波结果序列，B/A提供滤波器系数，B为分子，A为分母。
3.4本章小结
本章首先介绍了2PSK系统的仿真平台MATLAB平台，然后讲解了课程设计中设计这个2PSK系统的思路，如何搭建2PSK系统的每一个模块，每一个模块的参数如何设计，并对在设计编程中使用到的函数进行了介绍。
42PSK系统仿真及分析
4.1已调信号的产生
在2PSK系统的设计过程中，首先需要一个已调信号，而已调信号的产生都是在数字基带信号的基础上，所以，首先需要生成一个基带信号，然后再在基带信号的基础上一步一步的生成已调信号。
（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，通过相关程序生成一个单极性的基带信号st1。
由于在2ASK中s（t）是单极性的，而在2PSK中s（t）是双极性的基带信号。
所以在产生了基带信号后，下一步需要在基带信号的基础上产生一个基带信号反码。
（2）基带信号反码：
图8基带信号反码仿真图
将图7中的单极性基带信号取反，由于在2ASK中s（t）是单极性的，而在2PSK中s（t）是双极性的基带信号。
所以在单极性信号的基础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
在基带信号的基础上产生一个基带信号反码再两两相减即可得到需要的双极性基带信号。
将单极性基带信号st1与st2相减，得到如图9所示的需要的双极性基带信号。
（4）载波信号：
图10载波信号仿真图
为了产生一个已调信号，在双极性基带信号已有的情况下，还需要一个载波信号与之相乘才能生成一条信号，所以此处利用了相关函数生成了一个如图10所示的正弦载波信号。
（5）2PSK信号：
图112PSK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的已调信号，已调信号2PSK如图11所示。
4.2已调信号的解调
（1）已调信号通过高斯白噪声信道：
因为在现实生活中会存在不可避免的噪声，为了模拟现实，设计中加入随机噪声后使设计更具真实性。
此处加入的是一个简单加性高斯白噪声，因为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，无法保证能有效的滤除乘性高斯白噪声，所以加入一个加性高斯白噪声。
加噪后的波形如图12所示。
图12加噪后信号的仿真
（2）与载波相乘后的波形：
图13与载波相乘后的波形
实现相干解调的关键是接收端要恢复出一个与调制载波严格同步的相干载波。
在信号的解调过程中，为了会付出一个与调制载波严格同步的相干载波，所以在加噪后的已调信号上乘上之前生成的载波信号，如图13所示。
（3）通过低通滤波后的波形：
为了去掉噪声造成的谐波成分，也就是对信号输出端的混合信号中的噪声进行滤除，需要加入低通滤波器，在第三章已经设置过了低通滤波器的参数，所以可以实现用低通滤波器将噪声滤除，获得如图14所示的波形。
图14低通滤波后的波形
（4）抽样判决后的波形：
图15抽样判决后波形
抽样判决的作用是通过采样的形式将原来的基带信号恢复，恢复后波形如图15所示。
4.3仿真结果分析
由图可以看出，产生的数字随机信号为0001001110，通过比较图9和图15，可看出最开始生成的基带信号与最后抽样判决后产生的基带信号一致。
因为在解调过程中，加入的是最简单的加性高斯白噪声，滤除掉这个加性高斯白噪声也比较简单，所以总体上没有什么误差，最后得到的基带信号也与原基带信号一致。
因此达到课程设计的目的。
4.4本章小结
本章主要展示了2PSK系统中调制、加噪滤噪和解调的每一个步骤的仿真结果，并在仿真完毕后对仿真结果进行了分析，并成功设计出了2PSK系统。
结束语
历经十多天，从课程设计公布到课程设计完成，课程设计终于结束了。
值得一说的是，没有同学们的帮助和老师的指导，要完成课程设计也不是那么容易的，通过课程设计，让我对2PSK系统有了进一步的认识。
在设计2PSK系统时，要有一个明确的思路，要考虑多种因素在选择合适的设计参数，经过反复仿真确认2PSK系统的设计是否能成功。
通过这次设计我和我的同学们独自解决问题的能力也有多提高，在整个课程设计过程中，查阅了许多相关书籍及文献，取其相关知识要点应用到课设中，不过在后面低通滤波时用的是直接的参数。
总而言之，课程设计结束了。
感谢老师！
感谢同学！
参考文献
[1]樊昌信,曹丽娜.通信原理[M].北京:
国防工业出版社,2015.
[2]刘晓东,董辰辉.MATLAB从入门到精通[M].北京:
人民邮电出版社,2010.
[3]常华,袁刚,常敏嘉.仿真软件教程.北京:
清华大学出版社,2006.
[4]
[5]朱阳燕.基于MATLAB的2PSK系统仿真[J].科技信息,2008（17）:
82.
致谢
历经十几天，在团队的协作下，终于完成了课程设计。
在这里，首先我要感谢我的父母，父母总是我动力的源泉，父母也是我迷茫路上的指明灯。
然后我要感谢我的指导老师，如果不是指导老师在课堂上的耐心讲解和课堂外的悉心指导，相比这次课程设计也不会完成的这么快。
而且老师的讲解和指导也是变相的巩固了我们的基础知识，让我们在今后的日子里能够更加熟练的运用我们学到的知识。
最后，要特别感谢我们组的其他两位组员，如果不是他们，我自己也不可能完成这次任务，所以他们是我很重要的伙伴，在课程设计过程中，我们互相帮助，互相挟持，共同营造出了一个良好的学习氛围。
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的决心，没有自己肯定能做好课程设计的信心，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轻易放弃，也不能轻易不相信自己。
只要坚持，只要努力，什么事情都有开花结果的那一天。
不论是做课程设计，还是在以后的生活中，都要一直保持着这种信念。
最后，祝愿父母身体健康，祝愿老师工作顺利，祝愿同学们学习进步！
附录程序清
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