BPSK数字调制解调器仿真.docx
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BPSK数字调制解调器仿真
BPSK数字调制解调器仿真
摘要:
随着数字信号处理技术的不断发展,数字化软件无线电接收机已经成为趋势,调制/解调技术是数字通信系统中的核心技术。
现代计算机科学技术快速发展,使得通信系统仿真的设计和分析过程变得相对直观和便捷,由此也使得通信系统仿真技术得到了更快的发展。
通信系统仿真具有广泛的适应性和极好的灵活性,有助于更好地研究通信系统性能。
本文介绍了数字化调制解调技术的现状发展及其应用,通信系统仿真软件MATLAB中的一种可视化仿真工具Simulink;然后介绍了BPSK数字调制解调的理论基础,包括数字带通传输分类以及重点分析了BPSK数字调制和解调的原理。
本文在深刻理解通信系统理论的基础上,利用MATLAB强大的仿真功能,在Simulink仿真环境下设计了BPSK调制解调系统仿真模型,给出各路观察波形,并通过对星座图和误码率的分析,证实了解调算法的可行性。
最后,本文对所做的研究工作进行了总结,并且提出了今后的工作和研究方向。
关键词:
BPSK;调制解调器;MATLAB;定点数仿真
I
ThesimulationofBPSKdigitalmodem
Abstract:
Withdigitalsignalprocessingtechnologycontinuestoevolve,digitalsoftwareradioreceiverhasbecomeatrend,modulation/demodulationtechnologyisthecoretechnologyindigitalcommunicationsystem。
Therapiddevelopmentofmoderncomputerscienceandtechnology,makesthecommunicationssystemsimulationdesignandanalysisprocessbecomerelativelyintuitiveandconvenient,whichalsomakesthecommunicationsystemsimulationtechnologyhasbeenfasterdevelopment.Communicationsystemsimulationwithwideadaptabilityandexcellentflexibility,helpstobetterstudythecommunicationsystemperformance.
ThispaperintroducesthedigitalmodemtechnologysituationanddevelopmentandapplicationofcommunicationsystemsimulationsoftwareMATLABinavisualsimulationtoolsSimulink;thenintroduceddigitalmodulationanddemodulationofBPSKtheoreticalfoundation,includingdigitalbandpasstransmissionsegmentandanalysisoftheBPSKdigitalmodulationanddemodulationprinciple.
Inthispaper,adeepunderstandingofcommunicationsystemstheory,basedonthepowerfulsimulationusingMATLABfunctioninSimulinkenvironmentdesignedtheBPSKmodulationdemodulationsystemsimulationmodel,andthroughtheconstellationandBERanalysisconfirmedthatthedemodulationalgorithm.
Finally,thispapermadeasummaryoftheresearchwork,andproposedfutureworkandresearchdirections.
Keywords:
BPSK,Modem,MATLAB,Fixed-pointsimulation
目录
第1章绪论（1
1.1研究背景及其意义（1
1.2数字化调制解调技术的现状发展及其应用（1
1.3MATLAB/SIMULINK的简介（3
1.4本文主要研究内容与结构（4
1.5本章小结（5
第2章BPSK数字调制/解调原理（6
2.1相移键控系统概述（6
2.2数字带通传输分类（6
2.3BPSK信号调制解调原理（6
2.3.1BPSK信号调制原理（6
2.3.2BPSK信号解调原理（8
2.4本章小结（10
第3章BPSK调制解调器的MATLAB/SIMULINK实现（10
3.1系统总体方案简介（11
3.2系统方案设计（11
3.2.1信源（11
3.2.2星座映射（13
3.2.3发送滤波器（15
3.2.4BPSK调制（17
3.2.3信道（22
3.2.4BPSK解调（25
3.2.5低通滤波器（28
3.2.6接收滤波器（30
3.2.7抽样判决器（33
3.4本章小结（36
第4章BPSK解调方案的定点数仿真（37
4.1定点数仿真原理分析（37
4.2BPSK解调方案的定点数仿真（38
4.2.1数据量化的定点数分析（39
4.2.2带宽截取的定点数分析（40
4.2.3滤波器的定点数分析（41
4.3.1相干解调定点数仿真（43
4.4整体原理框图及输出波形（44
4.5本章小结（45
第5章结论与展望（46
5.1结论（46
5.2展望（46
致谢（48
参考文献（49
附录（51
第1章绪论
1.1研究背景及其意义
通信技术融入计算机和数字信号处理技术以后发生了革命性的变化,它和计算机技术、数字信号处理技术结合是现代通信技术的标志。
光纤通信技术、卫星通信技术和移动通信技术成为现代通信技术的三大主要发展方向。
现代通信系统要求通信距离远、通信容量大、传输质量好。
作为其关键技术之一的调制解调技术一直是人们研究的一个重要方向。
从模拟调制到数字调制,从二进制调制发展到多进制调制,虽然调制方式多种多样,但都是朝着使通信系统更高速、更可靠的方向发展。
一个系统的通信质量,很大程度上依赖于所采用的调制方式。
因此,调制解调方式的选取,将直接决定着通信系统质量的好坏。
随着数字信号处理技术的不断发展,数字化软件无线电接收机已经成为趋势。
在卫星通信、移动通信、微波通信、光纤通信等现代通信系统中,信道中传输的都是数字已调信号,称它们为数字调制系统。
数字调制技术是数字通信系统中的核心技术,随着数字调制技术的出现,在有限的带宽内传输高速的数据已经成为可能,并且与过去使用的模拟调制相比,如调幅（AM和调频（FM、频移键控（FSK、开关键控（OOK、脉宽调制（PWM、脉位调制（PPM、脉幅调制（PAM等技术相比有更高的可靠性和抗干扰性。
数字调制是正交幅度调制（QAM、正交相移键控（QPSK、二进制相移键控（BPSK以及由这些技术派生的调制方法。
BPSK是最简单的二进制相移键控调制方法,其它更先进的调制方法大都由BPSK改进和增强,BPSK作为一种多进制的调相技术获得了广泛的应用。
1.2数字化调制解调技术的现状发展及其应用
调制和解调是现代通信的重要手段。
调制就是用基带信号对载波波形的某些参数进行控制,使这些参量随基带信号的变化而变化;解调是调制的逆过程,它是从己调制的信号中恢复出原来调制信号的过程。
根据被调制的是模拟还是数字信号,调制技术分为模拟调制和数字调制两类。
模拟调制是对载波信号的参量进行连续调制,在接收端对载波信号的参量连续地进行估值;而数字调制都是用载波信号的某些离散状态
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来表征所传送的信息,在接收端也主要对载波信号的离散调制参量进行检测。
本论文主要是对数字调制解调技术的研究。
数字调制技术主要有三种方式:
振幅键控（ASK、移频键控（FSK和相移键控（PSK。
二进制振幅键控（2ASK方式是数字调制中出现最早的,也是最简单的。
这种方法最初用于电报系统,但由于它在抗噪声能力上较差,故在数字通信中用的不多,但它常常作为研究其他数字调制方式的基础。
二进制移频键控（2FSK可利用一个矩形脉冲序列对一个载波进行调频而获得,常见的解调方法有非相干检测法和相干检测法。
2FSK是数字通信中用得较广的一种方式。
在话带内进行数据传输时,国际电报电话咨询委员会（CCITT推荐在话音频带内低于1200bit/s数据率使用FSK方式。
衰落信道中传输数据时,它同样也被广泛应用。
二进制移相键控（PSK方式是受键控的载波相位按基带脉冲而改变的一种数字调制方式。
PSK根据参考相位的不同分为绝对移相方式和相对移相方式（DPSK。
绝对移相是以载波的不同相位直接去表示相应数字信息,而2DPSK是利用前后相邻码元的相对载波相位值去表示数字信息。
五十年代末就已经出现了二相相移键控,继而为了提高频谱利用率,又出现了四相相移键控（QPSK,但这两种方式的已调波在码元转换时刻都可能产生150°的相位突跳,这使得频谱高频滚降慢,边带起伏大。
为了消除这种相位突跳,六十年代末,在QPSK的基础上又出现了交错正交移相键控（OQPSK,这种调制方式虽然克服了180°的相位突跳,但仍然存在着90°的相位突跳。
为了彻底解决相位突跳问题,在七十年代提出了最小频移键控技术（MSK,但这种技术和后来在此基础上出现的几种调制方式的相位特性仅局限于一个码元内进行,这大大限制了选择不同相位路径的可能性。
所以调制技术发展的过程,其实也正是己调波相位路径不断得到改进和完善的过程。
随着信息电子技术和工艺的突飞猛进,新的调制解调技术突破传统的理论和模式,从而在速度上也远远突破了传统认识。
非对称数字用户环路（ADSL是一种崭新的调制解调技术,这种技术能够在普通的铜质电话线上提供几乎高于传统技术100倍的速率,它通过现有的普通双绞线不对称地传送数据。
这种技术能向每个用户传送速率超过6Mbit/s的下行单向信息服务和
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速率可达64Okbit/s的上下行双向信息服务。
线缆调制解调器（CableModem就是基于有线电视网的调制解调器,它采用的上行调制技术是QPSK或是16QAM,下行采用的是64QAM或256QAM的调制方式,这也是一种非对称的通信模式。
CableModem上传速率为33.6kbps,下传速率可达到38Mbps。
数字调制解调方式尽管种类繁多,但是随着数字技术的快速发展,将来定会出现更多先进的调制解调技术,谁都无法准确描述未来调制解调技术的发展。
总之,未来的调制解调技术都是朝着一个方向发展:
将不断地更新改进,使通信更高速和更可靠,传输速率更快,误码率更低。
1.3MATLAB/Simulink的简介
目前,在国际流行的科技应用软件中,数学类（区别于文字处理类和图像处理类软件共有几十款之多。
从它们的数学处理的原始内核来看,不外乎两种类型:
数值计算型和数学分析型。
前者如MATLAB、Xmath等,它们对大量数据具有较强的管理、计算和可视化能力,运行效率高;后者如Mathematica、Maple等,它们擅长于符号计算,可以得到问题的解析符号解和任意精度解,但处理大量数据时速度较慢。
MATLAB是英文MatrixLaboratory（矩阵实验室的缩写。
1980年前后,时任美国墨西哥大学计算机科学系主任的CleveMoler教授在给学习讲授线性代数课程时,想教学生使用当时流行的线性代数软件包（Linpack和基于特征值计算的软件包（Eispack,但发现用其他高级语言编程极为不便,于是CleveMoler教授为学生编写了方便使用Linpack和Eispack的借口程序并命名为MATLAB,这就是MATLAB最早的雏形。
从MATLAB诞生开始,由于其高度的集成性及应用的方便性,在高校中受到了极大的欢迎。
由于它使用方便,能非常快的实现科研人员的设想,极大的节约了科研人员的时间,受到了大多数科研人员的支持,经过一代代人的努力,目前已发展到了7.X版本。
MATLAB是一种解释性执行语言,具有强大的计算、仿真、绘图等功能。
由于它使用简单,扩充方便,尤其是世界上有成千上万的不同领域的科研工作者不停的在自己的科研过程中扩充MATLAB的功能,使其成为了巨大的知识宝库。
可以毫不夸张的说,哪怕是你真正理解了一个工具箱,那么就是理解了一门非常重要的科学知识。
科研工作者通常可以通过MATLAB来学习某个领域的科学知识,这就是
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MATLAB真正在全世界推广开来的原因。
目前的MATLAB版本已经可以方便的设计漂亮的界面,它可以像VB等语言一样设计漂亮的用户接口,同时因为有最丰富的函数库（工具箱,所以计算的功能实现也很简单,进一步受到了科研工作者的欢迎。
另外,MATLAB和其他高级语言也具有良好的接口,可以方便的实现与其他语言的混合编程,进一步拓宽了MATLAB的应用潜力。
可以说,MATLAB已经也很有必要成为大学生的必修课之一,掌握这门工具对学习各门学科有非常重要的推进作用。
Simulink是MATLAB提供的用于对动态系统进行建模、仿真和分析的工具包。
Simulink提供了专门用于显示输出信号的模块,可以在仿真过程中随时观察仿真结果。
同时,通过Simulink的存储模块,仿真数据可以方便地以各种形式保存到工作空间或文件中,以供用户在仿真结束后对数据进行分析和处理。
另外,Simulink把具有特定功能的代码组织成模块的方式,并且这些模块可以组织成具有等级结构的子系统,因此具有内在的模块化设计要求。
基于以上优点,Simulink作为一种通用的仿真建模工具,广泛用于通信仿真、数字信号处理、模糊逻辑、神经网络、机械控制和虚拟现实等领域中,全世界有成千上万的工程师都使用它建立动态系统模型,从而解决实际问题。
1.4主要研究内容与结构
本课题在分析卫星通信系统的基本结构、地面站接收机的详细实现方法的基础上,分析BPSK调制/解调的基本原理,构建基于MATLAB/Simulink的仿真模型进行参数计算与性能分析。
主要研究以下内容:
1.数字通信系统的特点与基本结构;
2.数字通信接收机的基本结构;
3.常用的数字通信中常用的调制/解调方法;
4.BPSK调制/解调的基本原理与参数计算方法;
5.系统参数计算与MATLAB仿真建模,性能分析;
论文结构如下:
第一章介绍了数字化调制解调技术的发展现状、MATLAB/Simulink的特点,最后介绍了本论文的主要研究内容及论文组织结构和本章小结。
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第二章介绍了数字带通传输分类、BPSK数字调制/解调原理,并给出了其理论算法。
第三章详细设计了BPSK调制解调器在MATLAB/Simulink环境下进行了浮点数仿真验证。
第四章给出了BPSK解调方案在MATLAB/Simulink环境下的定点数仿真模型,并给出了波形结果和分析。
最后是对本次设计的工作总结和展望。
1.5本章小结
本章先对数字化调制解调技术的发展现状进行了概述,然后MATLAB/Simulink仿真软件做了一定的介绍,结合本课题的主要内容和意义,对BPSK数字调制解调器仿真设计过程做了详细的说明,整个论文分为5章来阐述。
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第2章BPSK数字调制/解调原理
2.1相移键控系统概述
相移键控是目前扩频系统中大量使用的调制方式,也是和扩频技术结合最成熟的调制技术,原则上看是一种线性调制。
从基带变换到中频以及射频,中间的频谱搬移和信号放大需要一个要求较高的线性信道,因而,设计要求较高。
相移键控系统中,有待传输的基带数字脉冲控制着载波相位的变化,从而形成振幅与频率不变,而相位取离散值变化的已调波。
2.2数字带通传输分类
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。
数字带通传输中一般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,比如对载波的振幅、频率和相位进行键控可获得振幅键控（ASK、频移键控（FSK和相移键控（PSK。
这三种数字调制方式在抗干扰噪声能力和信号频谱利用率等方面,以相干PSK的性能最好,目前已在中、高速传输数据时得到广泛的应用。
2.3BPSK信号调制/解调原理
2.3.1BPSK信号调制原理
二进制相移键控BPSK（BinaryPhaseShiftKeying方式一般是键控的载波相位按基带脉冲序列的规律而改变的数字调制方式,也就是说,二进制的数字基带信号0与1分别用相干调制的载波的0与π相位的波形来表示。
其表达式由公式（1-1给出:
（[（]cos（nTbiinstagtnTtωθ∞
=-∞=-+∑（1-1
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其中{nA}为双极性的二进制数字序列,nA的取值为±1,bT为二进制的符号间隔,
（Tgt基带的发送成形滤波器的冲激响应,通常具有升余弦特性;iω是调制载波的频率,iθ是调制载波的初始相位。
用BPSK调制方式时,因为发送端以某一个相位作为基准,所以在接收端也一定有这样一个固定的基准相位作为参考。
假如参考相位发生变化了,那么接收端恢复的信息也会出错,也就是存在“倒π”现象。
因此需要在接收端使用载波同步,才能够正确恢复出基带的信号。
BPSK信号的调制原理框图如图2-1所示,典型波形如图2-2所示。
图2-1BPSK调制原理图
图2-2发送码元为10011的BPSK波形
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BPSK信号的频谱如图2-3所示,可以计算频谱效率,所谓频谱效率是指信号传输速率与所占带宽之比。
在BPSK中,信号码元为bT,故信号传输速率为1/bbfT,以频谱的主瓣宽度为传输带宽,忽略旁瓣的影响,则射频带宽为2/bT,频谱效率为:
b
b
1=
=0.5b/s2TT信号传输速率/带宽（每赫
即每赫兹带宽传输0.5b/s。
注意,这里是以射频带宽计算的,若以基带带宽来计算,那就是每赫兹1b/s。
图2-3BPSK的频谱
BPSK的调制器非常简单,只要把数字信号与载波相乘即可。
不过这里数字信号的“0”要用“-1”来表示（在数字通信中,符号“1”用“+1”来表示,“0”则用“-1”来表示。
由图2-3可见,BPSK波形与信息代码之间的关系是“异变同不变”,即:
若本码元与前一码元相异,则本码元内BPSK信号的初相相对于前一码元内BPSK信号末相变化180°;否则不变。
2.3.2BPSK信号解调原理
因为BPSK信号的幅度与基带信号无关,故不能用包络检波法而只能用相干解调法解调BPSK信号,在相干解调过程中需要用到与接收的BPSK信号同频同相的相干载波,相干接收机模型如图2-4所示:
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图2-4BPSK相干接收机模型
具体的BPSK信号解调原理框图如图2-5所示。
图2-5BPSK解调原理框图
如图2-5给出了一种BPSK信号相干解调原理框图,图中经过带通滤波的信号在相乘器与本地载波相乘,在相干解调中,如何得到与接收的BPSK信号同频同相的相干载波是关键,然后用低通滤波器去除高频分量,再进行积分采样判决,判决器是按极性进行判决,得到最终的二进制信息。
假设相干载波的基准相位于BPSK信号的调制载波的基准相位一致。
但是,由于在BPSK信号的载波恢复过程中存在180º的相位迷糊（phaseambiguity,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。
载波同步器从BPSK信号中提取的相干载波可能与接收信号的载波同相,也可能反相,称此为相干载波的相位模糊现象。
如果收到的信号与载波信号同相,则相乘为正值,积分采样后必为一大于0的值,即可判决为“1”。
如果收到的信号与参考信号相反,则相乘之后必为负值,积分采样后判决为“0”,因此解调完成。
具体波形如图2-6所示。
图2-6BPSK解调信号示意图
2.4本章小结
本章首先对相移键控系统作了概述,然后介绍了数字带通传输系统的分类,接着分别详细阐述了BPSK数字调制、解调的理论基础,并对其做了原理性分析,最后确定了本文要采用的解调是相干解调。
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第3章BPSK调制解调器的MATLAB/Simulink建模
3.1系统总体结构
全数字BPSK调制解调系统的模型如图3-1所示,调制部分包括信息源、星座映射、发送滤波器和调制器,接收部分包括解调器、接收滤波器和抽样判决器,信道干扰为加性高斯噪声。
图3-1BPSK信号调制解调系统框图
整个发送与接收过程仿真了实际中的通信过程,单极性二进制信源经过星座映射变换为一串双极性二进制字符,再经过发送滤波器进行脉冲成形,生成原始的数字基带信号,为了发送信息,通过BPSK调制器变成数字带通信号发射,发射信号进入模拟的加性高斯白噪声信道,被接收机所接收,BPSK信号解调采用的是相干解调,用同步恢复出的载波对接收机收到的信号进行相乘,相干解调恢复出信号经过低通滤波器滤除高频分量,然后依次经过接收滤波器和抽样判决器,恢复最原始的二进制序列,自此完成对数字信号的BPSK调制解调全过程。
3.2系统方案设计
3.2.1信源
数字通信系统中常见的基带信号波形有:
单极性波形、双极性波形、单极性归零波形和双极性归零波形。
双极性波形可用正负电平的脉冲分别表示二进制码“1”和“0”,
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故当“1”和“O”等概率出现时无直流分量,有利于在信道中传输,且在接收端恢复信号的判决电平为零,抗干扰能力较强。
在Simulink的环境下产生二进制数字信号可以使用随机整数产生器“RandomIntegerGenerator”模块,它可以用来产生【0,M-1】范围内具有均匀分布的随机整数,M的大小可在随机整数产生器中的“M-arynumber”项中选择输入任意正整数。
考虑到设计要求二进制信源数据率是2Mbps,因此M-arynumber”选择为2,信源输出为0和1二进制数据;为满足信源数据率为2Mbps,我们在设置“RandomIntegerGenerator”模块中“Sampletime”参数为“1/2e6”,其他参数设置保持默认。
2Mbps二进制信源模型搭建方式及参数的设置如图3-2和3-3所示:
图3-2随机整数产生器图3-3随机整数产生器参数设置
随机整数产生器输出部分波形如图3-4所示,我们可以清楚地看到信源输出为0和1的二进制数据。
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图3-4二进制信源波形
截
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