同心实验-2PSK-4PSK调制和解调及仿真实验(DOC)

MATLAB的PSK调制和解调及仿真实验 Psk调制是通信系统中最为重要的环节之一，Psk调制技术的改进也是通信系统性能提高的重要途径。本文首先 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 了数字调制系统的基本调制解调 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 ，然后，运用Matlab及附带的图形仿真工具 ——Simulink 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 了这几种数字调制方法的仿真模型。通过仿真，观察了调制解调过程中各环节时域和频域的波形，并结合这几种调制方法的调制原理，跟踪分析了各个环节对调制性能的影响及仿真模型的可靠性。最后，在仿真的基础上分析比较了各种调制方法的性能，并通过比较仿真模型与理论计算的性能，证明了仿真模型的可行性。 MATLAB简介 MATLAB 软件是美国 Math works 公司的产品，MATLAB 是英文 MATrix LABoratory(矩阵实验室)的缩写。从1984年推出了它的第一个DOS版本至今，一经推出了6.5版。Matrix Laboratory意为“矩阵实验室”，从它的本意可以知道，最初的MATLAB只是一个 数学 数学高考答题卡模板高考数学答题卡模板三年级数学混合运算测试卷数学作业设计案例新人教版八年级上数学教学计划 计算工具。但现在的MATLAB已经远不仅仅是一个“矩阵实验室”，它已经成为一个集概念设计、算法开发、建模仿真、实时实现于一体的集成环境，它拥有许多衍生的子集工具[9]。 新的版本集成了日常数学处理中的各种功能，包括高效的数值计算、矩阵运算、信号处理和图形生成等等的常用功能。在 MATLAB 环境下，用户可以集成地进行程序设计、数值计算、图形绘制、输入输出、文件管理等各项操作。 MATLAB 提供了一个人机交互的数学系统环境，该系统的基本数据结构是矩阵，在生成矩阵对象时，不要求作明确的维数说明，所谓交互式语言，是指人们给出一条命令，立即就可以得出该命令的结果。该语言无需像 C 和 Fortran 语言那样，首先要求使用者去编写源程序，然后对之进行编译、连接，最终形成可执行文件。这无疑会给使用者带来了极大的方便，因此，利用 MATLAB可以节省大量的编程时间。2002年6月Mathworks公司正式推出MATLAB Release 13，即MATLAB 6.5／Simulink 5.0 这是目前应用最广的版本。 MATLAB主要由C语言编写而成，采用LAPACK 为底层支持软件包。 MATLAB的编程非常简单，它有着比其他任何计算机高级语言更高的编程效率、更好的代码可读性和移植性，以致被誉为“第四代”计算机语言. PSK 调制系统 3.1 2PSK数字调制原理 3.1.1 2PSK数字调制 2PSK信号用载波相位的变化来表征被传输信息的状态，通常规定0相位载波和π相位载波分别表示传“1”和传“0”。 设二进制单极性码为an,其对应的双极性二进制码为bn,则2PSK信号的一般时域信号可以表示为： S2psk（t）= [ bn g(t-nTs)]cosωct 式中        bn=-1（当an=0时，概率为P） bn=1（当an=1时，概率为1-P）’ 则时域信号可以变为: S2psk（t）= [ g(t-nTs)]cos（ωct+π）， 当an=0时 S2psk（t）= [ g(t-nTs)]cos（ωct+0）  当an=1时 由此可知2PSK信号是一种双边带信号，功率谱为： P2PSK（?）= ?s=P（1-P）[|G（?+ ?s）|2+|G（?- ?s）|2] + ?s2（1-P）2|G（0）|2[δ(?+ ?s)+ δ(?- ?s)] 2PSK信号的带宽为B2PSK=（?c+Rs）-（?c-Rs）= 2Rs 式中Rs为码元速率。 值得注意的是，2PSK码元序列的波形与载频和码元持续时间之间的关系有关。当一个码元中包含有整数个载波周期时，在相邻码元的边界处波形是不连续的，或者说相位是不连续的。当一个码元中包含的载波周期数比整数个周期多半个周期时，则相位连续。当载波的初始相位差90度时，即余弦波改为正弦波时，结果类似。以上说明，相邻码元的相位是否连续与相邻码元的初始相位是否相同不可混为一谈。只有当一个码元中包含有整数个载波周期时，相邻码元边界处的相位跳变才是由调制引起的相位变化[16]。 2PSK信号的产生方法主要有两种。第一种叫相乘法，是用二进制基带不归零矩形脉冲信号与载波相乘，得到相位反相的两种码元。第二种方法叫选择法，是用此基带信号控制一个开关电路，以选择输入信号，开关电路的输入信 号是相位相差 的同频载波。这两种方法的复杂程度差不多，并且都可以用数字信号处理器实现。 3.1.1用M文件编程实现 程序见附录一 3.1.3 用Simulink实现PSK调制 首先构造如图20所示的Simulink模型： 这里载波的参数设置见图下图，为了便于观察将载波频率设置为： 这样，所需模块找到以后，排列好，用简单的直线连接起来，点击运行，然后双击示波器scope，便出现所需的PSK调制波形。这里对示波器进行参数设置，使之同时显示二进制序列，载波波形和调制信号波形，见图 3.2 4PSK的调制和解调 3.2.1 4PSK信号 四进制绝对相移键控(4PSK)直接利用载波的四种不同相位来表示数字信息。4PSK信号相位φn矢量图如下 由于每一种相位代表两个比特信息，因此每个四进制码元可以用两个二进制码元的组合来表示。两个二进制码元中的前一比特用a来表示，后一比特用b表示，则双比特ab与载波相位的关系入下图： 双比特ab与载波相位的关系 双比特码元 载波相位（φn） a b A方式 B方式 0 1 1 0 0 0 1 1 0o 90o 180o 270o 225o 315 o 45 o 135 o         4PSK信号可以表示为 e4PSK(t)= g(t-nTs)cos(ωct+φn) 式中，g(t) 为信号包络波形，通常为矩形波，幅度为1：Ts为码元时间宽度；ωc 为角频率；φn 为第n个码元对应的相位，可取π/4,3π/4,5π/4,7π/4这四种值。 4PSK信号可以表示为 正交形式： e4PSK(t)= [ g(t-nTs)cosφn] cosωct - [g(t-nTs)sinφn ]sinωc = [ ang(t-nTs)cosωct- bng(t-nTs) sinωct] =I(t) cosωct-Q(t) sinωct 式中I(t)= ang(t-nTs) Q(t)= bng(t-nTs) 其中an ,bn分别是cosφn ，sinφn的值。an ,bn可取+1和-1。 可见，四进制信号可等效为两个正交载波进行双边带调制所得信号之和。这样，就把数字调相和线性调制联系起来，为四相波形的产生提供依据。 3.2.1 4PSK信号调制和解调 （1）4PSK调制原理： 4PSK的调制方法有正交调制方式（双路二相调制合成法或直接调相法）、相位选择法、插入脉冲法等。这里我们采用正交调制方式。 4PSK的正交调制原理如图。 它可以看成是由两个载波正交的2PSK调制器构成的。图中串/并变换器将输入的二进制序列分为速度减半的两个并行双极性序列a和b（a,b码元在事件上是对齐的），再分别进行极性变换，把极性码变为双极性码（0→-1，1→+1）然后分别调制到cosωct和sinωct两个载波上，两路相乘器输出的信号是相互正交的抑制载波的双边带调制（DSB）信号，其相位与各路码元的极性有关，分别由a和b码元决定。经相加电路后输出两路的合成波形，即是4PSK信号。图中两个乘法器，其中一个用于产生0o与180o两种相位状态，另一个用于产生90o与270o两种相位状态，相加后就可以得到45o，135o，225o，和315o四种相位状 （2）4PSK解调原理 4PSK信号是两个载波正交的2PSK信号的合成。所以，可以仿照2PSK相干检测法，用两个正交的相干载波分别检测两个分量 a和b，然后还原成二进制双比特串行数字信号。此法称作极性比较法（相干解调加码反变换器方式或相干正交解调发）。 在不考虑噪声及传输畸变时，接收机输入的4PSK信号码元可表示为 yi(t)=A cos(ωct+φn) 式中φn为45o，135o，225o，315o四个相位值。 带通滤波器输出的两路信号  yA(t)= yB(t)= yi(t) 两路相乘器输出分别为 ZA（t）=A cos(ωct+φn) cosωct= cos(2ωct+φn)+ cosφn ZB（t）= A cos(ωct+φn)（-sinωct）=- sin(2ωct+φn)+ sinφn 低通滤波器输出为 XA（t）= cosφn XB（t）= sinφn 抽样判决器的判决准则如下表： 输入相位 φn cosφn 的极性 sinφn 的极性 判决器输出 a b 45o 135 o 225 o 315 o + - - + + + - - 1 0 0 1 1 1 0 0           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0.两路抽样判决器输出a、b，经并/串变换器就可将并行数据恢复成串行数据。 3.3 本章小结 本章讲述了数字调制的原理及二种调制方式相位键控（PSK、2PSK）的调制和解调方法和结果，通过仿真过程和结果来加深对三种键控的理解。 4 PSK调制解调系统的仿真 4.1 2PSK调制解调系统的仿真 系统方框图 各个模块的参数见附录（二） 运行结果如下： 4.2 4PSK调制解调系统的仿真 系统方框图 各个模块的参数见附录（三） 运行结果如下： 4.3利用MATLAB研究4PSK信号 系统方框图： 各个模块的参数见附录（四） 运行结果如下： 实际的传输系统不可能完全的满足无码间串扰传输条件，评价传输系统的一种定性而且简单的方法就是观察信号通过加有噪声的信道后的眼图上右图是信号没有通过任何的系统的眼图，下面是信号通过信噪比为26dB的高斯白噪声后的眼图。最下面是信号通过信噪比为16dB后的眼图。通过对比可以知道信噪比越大，信号的眼图越清晰，信噪比越小，眼图越模糊，没有噪声的话，眼图最清晰，近似线状。 眼图不仅反映信噪比对信号的影响，而且反映信号之间串扰的大小。眼图中改变参数设置，可以发现最佳判决时刻的改变。 附录 附录一 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 %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; figure(1) subplot(321); plot(t,x); axis([0 2e-4 -2 2]); title('基带信号'); grid on 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; %===================================================== vn=0.1; noise=vn*(randn(size(t)));%产生噪音 subplot(323); plot(t,noise); grid on; title('噪音信号'); axis([0 .2e-3 -1 1]); askn=(ask+noise);%调制后加噪 subplot(324); plot(t,askn); axis([0 200e-6 -2 2]); title('加噪后信号'); grid on; %带通滤波 %====================================================================== 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); plot(f,abs(Hz)); title('带通滤波器'); grid on; Hz(Hz==0)=10^(8);%avoid log(0) subplot(326); plot(f,20*log10(abs(Hz))); grid on; title('Receiver -3dB Filter Response'); axis([1e5 3e5 -3 1]); %滤波器系数 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)/2 Hz1=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 gain so=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 %====================================================== High=2.5; Low=-2.5; vt=0;%设立比较 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 error=0; len1=length(so); for ii=1:len1 if so(ii) >= vt Vs(ii)=High; else Vs(ii)=Low; end end Vo=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)'), 附录二： Random-Integer Genrrator （随机整数发生器）的主要参数 模块名称 Random-Integer Genrrator 位置 Communications Blockset\Comm Sources 参数名称 参数值 2PSK M-ry number（元数） 2 Initial seed（初始化种子） 12345 Sample time(采样时间) 0.001     Spectrum Scope(频谱仪)的主要参数 模块名称 Spectrum Scope 位置 DSP Blockset\DSP sinks 参 数 名 称 参 数 值 Buffer size（缓存长度） 1024 Buffer overlap（缓存交叠） 512 FFT length（FFT长度） 1024 Number ofspectral averages（谱（计算）平均（点）数） 64 Scope position（显示器位置） Get(0，‘defaultfigureposition’) Frequency units（频率单位） Hertz Frequency range （频率范围） [-Fs/2...Fs/2] Amplitude scaling（幅度刻度） dB Inherit sample increment from input（与输入信号采样时间一致） 使能 MinmumY-limit(Y轴最小刻度) -30 MaxmumY-limit(Y轴最大刻度) 15     Discrete-Time Scatter Diagram（离散使劲星座图仪）的主要参数 模块名称  Discrete-Time Scatter Diagram 位置 CommunicationsBlockset\ Comm Sinks 参数名称 参数值 Sanmples per symbol 1 Offset（samples） 0 Points display 1000 New traces per display 100     BPSK Modulator Baseband（基带BPSK调制器）的主要参数 模块名称  BPSK Modulator Baseband 位置  Communications Blockset\Modulation\Digital Bseband Modulation 参数名称 参数值 Phase offset Pi/4 Samples per symbol 16     AWGN Channel（加性高斯白噪声信道）的主要参数 模块名称 AWGN Channel 位置Communications Blockset\Channels 参 数 名 称 参数值 BPSK Initial seed（初始化种子） 18233 Mode（模式） Signal to noise ration（SNR）（信噪比） SNR（dB）（信噪比） 16 Input signal power 1     Error Rate Calculation（误码率计算）的主要参数 模块名称 Error Rate Calculation 位置 CommunicationsBlockset\ Comm Sinks 参数名称 参数值 BPSK Receive delay（接收延迟） 1 Communication delay（计算延迟） 0 Computational mode（计算模式） Entire frame Output data（输出数据） Port     附录三： Random-Integer Genrrator （随机整数发生器）的主要参数 模块名称 Random-Integer Genrrator 位置 Communications Blockset\Comm Sources 参数名称 参数值 QPSK M-ry number（元数） 4 Initial seed（初始化种子） 12345 Sample time(采样时间) 0.001     Spectrum Scope(频谱仪)的主要参数 模块名称 Spectrum Scope 位置 DSP Blockset\DSP sinks 参 数 名 称 参 数 值 Buffer size（缓存长度） 1024 Buffer overlap（缓存交叠） 512 FFT length（FFT长度） 1024 Number ofspectral averages（谱（计算）平均（点）数） 64 Scope position（显示器位置） Get(0，‘defaultfigureposition’) Frequency units（频率单位） Hertz Frequency range （频率范围） [-Fs/2...Fs/2] Amplitude scaling（幅度刻度） dB Inherit sample increment from input（与输入信号采样时间一致） 使能 MinmumY-limit(Y轴最小刻度) -30 MaxmumY-limit(Y轴最大刻度) 15     Discrete-Time Scatter Diagram（离散使劲星座图仪）的主要参数 模块名称  Discrete-Time Scatter Diagram 位置 CommunicationsBlockset\ Comm Sinks 参数名称 参数值 Sanmples per symbol 1 Offset（samples） 0 Points display 1000 New traces per display 100     QPSK Modulator Baseband（基带QPSK调制器）的主要参数 模块名称  QPSK Modulator Baseband 位置  Communications Blockset\Modulation\Digital Bseband Modulation 参数名称 参数值 Input type（输入类型） Integer Phase offset(相位偏移) Pi/4 Samples per symbol（每符号采样数） 16     AWGN Channel（加性高斯白噪声信道）的主要参数 模块名称 AWGN Channel 位置Communications Blockset\Channels 参 数 名 称 参数值 QPSK Initial seed（初始化种子） 18233 Mode（模式） Signal to noise ration（SNR）（信噪比） SNR（dB）（信噪比） 16     Error Rate Calculation（误码率计算）的主要参数 模块名称 Error Rate Calculation 位置 CommunicationsBlockset\ Comm Sinks 参数名称 参数值 BPSK Receive delay（接收延迟） 1 Communication delay（计算延迟） 0 Computational mode（计算模式） Entire frame Output data（输出数据） Port     附录四： Random-Integer Genrrator （随机整数发生器）的主要参数 模块名称 Random-Integer Genrrator 位置 Communications Blockset\Comm Sources 参数名称 参数值 M-ry number（元数） 4 Initial seed（初始化种子） 12345 Sample time(采样时间) 0.001     QPSK Modulator Baseband（基带QPSK调制器）的主要参数 模块名称  QPSK Modulator Baseband 位置  Communications Blockset\Modulation\Digital Bseband Modulation 参数名称 参数值 Input type（输入类型） Integer Phase offset(相位偏移) Pi/4 Samples per time 1     FIR Interpolation（FIR插补器）的主要参数 模块名称  FIR Interpolation 位置 DSP Blockset\ Filters 参数名称 参数值 FIR filter coefficients （FIR滤波器系数） rcosine(1,8,[],0.3,1)(升余弦滤波器) Interpolation（插补系数） 8 Framing（分帧） Maintain Input frame size Output Buffer initial conditions（输出缓存初始条件） NaN     AWGN Channel（加性高斯白噪声信道）的主要参数 模块名称 AWGN Channel 位置Communications Blockset\Channels 参 数 名 称 参数值 SNR（dB）（信噪比） 26 Input signal power 1     Eye Diagram（眼图仪）的主要参数 模块名称Eye Diagram 位置Communications Blockset\Comm Sinks 参数名称 参数值 Sanmples per symbol 8 Offset（samples）（预置） 0 Symbols per trace（每迹符号数） 2 Traces displayed（显示的迹数） 40 New traces per display（每显示新迹数） 10 Eye diagram to display （显示的眼图） In-phase and Quadrature （同相及正交）