-
武汉理工大学
MA
TLAB
课程设计
目录
摘要
..
..................................................
..................................................
........................... 1
Abstract.
..................................................
..................................................
...................... 2
1.
设计目的与要求
.......
..................................................
..................................................
. 3
2.
方案的选择
.....
..................................................
..................................................
.......... 4
2.1
调制部分
.........
..................................................
..................................................
4
2.2
解调部分
.......
..................................................
..................................................
.. 4
3.
单元电路原理和设计
..................................................
..................................................
. 6
3.1PCM
编码原理及设计
..................................................
......................................... 6
3.1.1PCM
编码原理
....
..................................................
...................................... 6
3.1.2
用
matlab
实现<
/p>
PCM
编码
.
.......................................
.................................... 9
3.2PSK
调制解调电路
.
...............................
..................................................
............ 12
3.2.1PSK
调制解调原理
..
..................................................
................................ 12
3.2
.2
用
matlab
实现
PSK
系统的调制解调
............
............................................. 15
3.3DPSK
调制解调电路
...
..................................................
...................................... 19
3.3.1DPSK
的调制解调的原理
.
...........................
............................................... 19
3.3.2
用
matlab
实现
DPSK
系统的调制解调
................................................ ....... 21
4.
仿真分析
.
...........................
..................................................
....................................... 26
5
．收获与体会
.
....................................
..................................................
........................ 33
参考文献
..............................................
..................................................
........................ 34
致谢
................................................ .................................................. ............................. 35
0
武汉理工大学
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课程设计
1
武汉理工大学
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课程设计
摘要
PSK
调制和
DPSK
调制是通信系统中最为重要的环节之一，同时<
/p>
PSK
调制技
术的改进也是通信系统性能
提高的重要途径。
本文是基于
PCM
编
码的
PSK
和
DPSK
信号的
MATLAB
仿真。本文先分析了
PSK
和
DPSK
系统的基
本调制解调方法，用
PCM
编码将模拟信号转换为离散的数字信
号，然后运用
MATLAB
来仿真得到相应
波形。
通过仿真，
观察了调制解调过程中各个环节时域和频
域的波形，
并结合调
制原理，
跟踪分析
比较了各种调制方法的性能，
并通过比较仿真与理论计算的性
能
，
证明了仿真的可靠性。
通过这次的课程设计让我们加深了对课
本知识的深入
理解，而且也让我们更加熟练地运用
MATLAB
仿真软件。
关键词：
PCM
编码，
PSK
，
DPSK
，
MATLAB
1
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课程设计
Abstract
As we all known
,PSK modulation and DPSK modulation are the most
important part in modern communication
,the technology of
improving PSK
modulation is the most essensial approach to
improve the
function of modern
communication paper is based on the PCM
coding and MATLAB to ahieve PSK and
DPSK modulation .In this paper ,the
method of PSK modulation and DPSK
modulation are introduced
firstly
，
and
PCM
coding
is
used
to
transfer
the
analog
signal
to
digital
the
M-document
in
MATLAB
is
used
to
h
observing
the
results
of
simulation,the
factors
that
affect
the
capability
of
the
PSK
and
DPSK
modulation
system
and
the
reliability
of
the
simulation
models
are
this
curriculum design ,we not only make a
comprehensive
understanding of the
knowledge in the books,but also being skilled in
using the MATLAB simulation software.
Key words :PCM coding,PSK,DPSK,MATLAB
2
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课程设计
1.
设计目的与要求
本课程设计是用
MATLAB
来实现
< br>PSK
和
DPSK
信号系统仿真
。
了解和掌握
PSK
与
DPSK
系统的工作原理及仿真的具体过程，
以及它在
MATLAB
在的实现方法。
利
用自主的设计过程来锻炼自己独立思考，
提高自己分析和解决问题的能
力，
为今
后的自主学习研究提供具有实用性的经验。
本课程设计要求用
300HZ
< br>的正弦信号作为模拟信号输入，
并经过
μ
律的
PCM
编码，用
100K
HZ
的载波频率来实现
PSK
和
DPSK
的调制和解调。并用
MATLAB<
/p>
来
对其进行仿真，
画出调制信号，
已调信号，
解调信号的波形，
频谱以及误码率
与
输入信噪比的关系曲线。
对仿真结果进行分析，
对数据进行性能测试，
分析是否
满足设计要求。独立
完成课程设计的全部内容，并按要求完成课程设计的报告。
3
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课程设计
2.
方案的选择
2.1
调制部分
PSK,DPSK
调制有两种方法。
一是模拟调制法，其原理框图如图
2-1.
极性
S(t)
码型变换
归零
乘法器
e2psk(t)
coswct
图
2-1
PSK
信号调制原理框图
二是键控法
,
其原理框图如图
< br>2-2.
0
cos
?
c
t
e
?
2
PSK
(
t
)
180
o
移相
S(t)
图
2-2
PSK
信号调制原理框图
由于本课程设计的条件为
300HZ
正弦信号，
用
PCM
编码，故选择方案一。
2.2
解调部分
PSK
通常用相干解调法，而
DPSK
有两种解调方法。
4
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< br>课程设计
一是相干解调加码反变换法。其原理框图如图
2-3
所示。
e
2
DPS
K
(
t
)
<
/p>
带
通
滤
波
器
a
相
乘
器
c
低
通
滤<
/p>
波
器
d
抽
样
判
决
器
e
码
反
变
换
器
f
输出
b
定
时
脉
冲
cos
?
c
t
图
2-3
DPSK
相干解调加码反变换法
<
/p>
二是差分相干解调法，其原理框图如图
2-4
所示。
带
相
a
乘
器
c <
/p>
低
通
滤
波
器
d
抽
样
判
决
器
e
e
2
DPSK
(
t
)
通
滤
波
< br>器
输出
延迟
Ts
b
定
时
脉
冲
图
2-4
DPSK
差分相干解调法
方案的比较，由原理框图可以看出方法一就是在
PSK
< br>解调的基础上增加了
一个码反变换器，
而方法二是没有用
码反变换器，
在前面加了一个延迟。
因为前
面已经做了
PSK
的调制解调，为了方便，故选择方案一。
5
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课程设计
3.
单元电路原理和设计
3.1PCM
编码原理及设计
3.1.1PCM
编码原理
通常把从模拟信号抽样，
量化，
直到变换成为二
进制符号的基本过程称为脉
冲编码调制（
PCM
）
。其原理框图如图
3-1
所
示。
模拟
信号
输入
抽样保持
量化器
编码器
PCM
信号输出
冲激脉冲
图
3-1
PCM
编码原理框图
（
1
）抽样
模拟信号通常是在时间上连续的信号，一在系列离散的点上，对这种信号
抽取样值称为抽样。
在理论上，
抽样过程可以看作是用
周期性单位冲激脉冲和此
模拟信号相乘。
抽样结果得到的是一系
列周期性的冲激脉冲，
其面积和模拟信号
的取值成正比。均匀抽
样定理：设一个连续模拟信号
m(t)
中的最高频率
<
则以间隔时间为
T
≦<
/p>
1/2
样值所完全确定。
（
2
）量化
设模拟信号的抽样值为
m(KT)
，其
中
T
是抽样周期，
k
< br>为整数。此抽样值仍
然是一个取值连续的变量。
若仅用<
/p>
N
个二进制数字码元来代表此抽样值的大小，
则
N
个二进制码元只能代表
M=<
/p>
2
个不同的抽样值。
这样，
共有
M
个离散电平，
它们称
为量化电平。用这
M
个量化电平表示连续抽样值的方法称为量化
。在原
理上，量化过程可以认为是在一个量化器中完成的，如图
3-2
所示。在实际中，
量化过程常是和后续的编码过程结合在
一起完成的，不一定存在量化器。
N
f
H
，
f<
/p>
H
的周期性冲激脉冲对它抽样时，
m(t)
将被这些抽
6
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m(kT)
量化器
m
图
3-2
q
(kT)
量化分为均匀量化和非均匀量化。
均匀量化时，
量化间隔是确
定的，
量化器
的平均输出信号量噪比随量化电平数
M
的增大而提高，故这种均匀量化器对于
小输入信号
很不利。
在非均匀量化时，
量化间隔是随信号抽样值的不同而变
化的。
信号抽样值小时，
量化间隔也小，
信号抽样值大时，
量化间隔也变大。
故在实际
应用中常采用非均匀量化
.
非均匀量化的实现方法通
常是在进行量化之前，
先将信号抽样值压缩再进行
均匀量化。<
/p>
通常使用的压缩器中，
大多采用对数式压缩。
广泛采用的两种对数压
缩律是
?
压
缩律和
A
压缩律。由于本课程设计要求用
?
律来编码，故对
A
律不
作介绍。
?
律特性：<
/p>
ln(
1
?
?<
/p>
x
)
ln(
1<
/p>
?
?
)
(
公式
3-1)
由于
?
律不易用电子线路准确实现，所以目前实用中采用特
性近似的
15
折线代
替
?
律，
把纵坐标
y
从
0
到
1
之间划分为
8
等份。
对应于各
转折点的横坐标
x
值
可以按（公式
3-2
）来计算，结果列于表
3.1
中。
x
?
256
y
?
1
255
?
256
i
/
8
?
1
255
?
2
i
?
1
255
（公式
3-2
）
表
3-1
?
律的斜率
（
3
）编码
最常用的编码是用二进制的符号，例如“
0
”和“
1
”，表示此离散数值。在
用电路实现时，
最常用的是一种方案称为逐次比较法编码，
其基
本原理方框图如
7
武汉理工大学<
/p>
MA
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课程设计
< br>
图
3.3
所示。此图示出的是
一个
3
位编码器。编码器的输入信号抽样脉冲值在
0
和
7.5
之间。它将输入
的信号模拟抽样脉冲编成
3
位二进制编码
c1c2c3.
Is>Iw,ci =1
Is
输入脉冲
抽样信号
保持电路
Iw
比较器
<
br>如图 <
br>Iw 。它们能够表示 <
br>是段落码， 其他
Is
c1c2c3
恒流源
记忆电路
图
3-3
编码电路
3-3
所示，
输入信号抽样
脉冲电流
Is
由保持电路短时间保持，
并各几个
称为权值电流的标准电流
Iw
逐次比较。每比较一次，得出
1
位二进制码。权值
电流
Iw
是在电路中预先产生的。
的个数决定于编码的位数，
现在共有三个不
同的
Iw
值。因为表示量化值的二进制码有
3
位，即
c1c2c3
8
个
十进制数，从
0
到
7
，如表
3-2
所列。
表
3-2
编
码表
量化值
0
1
2
3
c1
0
0
0
0
c2
0
0
1
1
c3
0
1
0
1
量化值
4
5
6
7
c1
1
1
1
1
c2
0
0
1
1
c3
0
1
0
1
在
15
折线法中采用的折叠码有
9
位。其中第
一位
c1
表示量化值的极性正负。
后面
的
8
位分为段落码和段内码两部分，用于表示量化值的绝对值。
其中第
2
到
4
位
（
c2c3c4
）
共计
3
位，
可以表示
8
种斜率的段落；
5
位
（
c5~c9
）
为段内码，
可以表示每
一段落内的
32
种量化电平。
段内码代
表的
32
个量化电平
是均匀划分的，所
以，这
8
位共能表示
2
?
256
种量化值。在表
3-
3
和表
3-4
中
给出了段落码和段内码的编码规则。
8
8
武汉
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课程设计
表
3-3
段落码
段落序
号
1
2
3
4
5
6
7
8
段落码
c2c3c4
000
001
010
011
100
101
110
111
段落范围
0-32
32-64
64-128
128-256
256-512
512-1024
1024-2048
2048-4096
表
3-4
段内码
量化间
隔
31
30
29
28
27
26
25
24
23
22
21
20
19
18
17
16
段内码
c5c6c7c8c9
11111
11110
11101
11100
11011
11010
11001
11000
10111
10110
10101
10100
10011
10010
10001
10000
量化间隔
15
14
13
12
11
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
段内码
c5c6c7c8c9
01111
01110
01101
01100
01011
01010
01001
01000
00111
00110
00101
00100
00011
00010
00001
00000
3.1.2
用
matlab
实现
PCM
编码
%PCM
编码程序
function code=pcm(S)
%S
为输入信号
t = 0:0.0001:0.01;
fs = 3000;
ts = 0:1/fs:0.01;
9
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Signal = sin(2*pi*300*t);
Sign_m = sin(2*pi*300*ts);
figure
subplot(2,1,1)
plot(t,Signal);
title('
sin(2*pi*300*t)');
subplot(2,1,2)
%
抽样
stem(ts,Sign_m);
title('3000
HZ
抽样波形
');
%
量化
z=sign(S);
%
判断
S<
/p>
的正负
MaxS=max(abs(S));
%
求
S
的最大值
S=abs(S/MaxS);
%
归一化
Q=2048*S;
%
量化
code=zeros(length(S),8);
%
代码存储矩阵（全零）
%
段落码判断程序
for i=1:length(S)
if
(Q(i)>=128)&(Q(i)<=2048)
code(i,2)=1;
%
在第五段与第八段之间，段位码第一位都为“
1
”
end
if
(Q(i)>32)&(Q(i)<128)||(Q(i)>=512)&(Q(i)<=2048)
code(i,3)=1;
%
在第三四七八段内，段位码第二位
为“
1
”
end
if
(Q(i)>=16)&(Q(i)<32)||(Q(
i)>=64)&(Q(i)<128)||(Q(i)>=256)&(Q(i)<512)||(Q(i)>
=1024)&(Q(i)<=
2048)
code(i,4)=1;
%
在二四六八段内，段位码第三位为
“
1
”
end
10
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课程设计
end
%
段内码判断程序
N=zeros(length(S));
for
i=1:length(S)
N(i)=bin2dec(num2str(code(i,2:4)))+1;
%
找到
code
位于第几段
< br>
End
a=[0,16,32,64,128,256,512,1024];
b=[1,1,2,4,8,16,32,64];
for i=1:length(S)
q=ceil((Q(i)-a(N(i)))/b(N(i)));
if q==0
code(i,(5:8))=[0,0,0,0];
else k=num2str(dec2bin(q-1,4));
code(i,5)=str2num(k(1));
code(i,6)=str2num(k(2));
code(i,7)=str2num(k(3));
code(i,8)=str2num(k(4));
end
if z(i)>0
code(i,1)=1;
elseif z(i)<0
code(i,1)=0;
end
end
%
量化间隔
%
除以<
/p>
16
，得到每段的最小量化间隔
%
求出在段内的位置
%
如果输
入为零则输出“
0
”
%
编码段内码为二进制
%
符号位的判断
11
武汉理
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课程设计
3.2PSK
调制解调电路
3.2.1PSK
调制解调原理
（
1
）
PSK
调制过程分析
相移键控（
PSK
）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
?
分别表示二进制的“
1
”和“
0
”
。因
此，
2PSK
信号的时域表达式为
e
2
PSK<
/p>
(
t
)
?
A
cos(
?
c
t
?
?
)
（公式
3-3
）
n
其中，
?
表示第
n
个符号的绝对相位：
?
=0
（发送“
0
”时，概率为
P
）
，
n
n
?
e
n
=
?
（<
/p>
发
送
“
1
”
时
,
概
率
为
1
—
P
）
因
此
，
公
式
3-3
可
以
改
写
为
?
?
A
co
s
?
c
t
(<
/p>
t
)
?
?
?
?
?
A
cos
?
c
t
2
PSK
（公式
3-4
）
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
比
矩
形
脉
冲
序<
/p>
列
与
一
个
正
弦
载
波
的
相
乘
，
即
e
2
P
S
K
(
t
)
?
S
(
t<
/p>
)
c
o
s
?
c
t
（公式
3-5
）
其中，
S
(
t
)
?
?
a
n
n
（公式
3-6
）
g
(
t
?
n
T
s
)
这里，
g(t)
是脉宽为
Ts
的单个矩形脉冲，而
an
的统计特性为
an=1(
概率为
P)
,an=0(
概率为
1-P).
即
发送二进制符号”
0
”时
,
e
2
PSK
(
t
)
取
0
相位
,
发送二进
制符号”
1
”时
,
e
2
PSK
(
t
)
取
?
相位
.
这种以载波的不同相
位直接去表示相应二进
制数字信号的调制方式
,
称为绝对相移方式。其调制原理框图如图
2-2
所示。
（
2
）
PSK
解调过程分析
解调原理框图如图
3-4
所示。
.
12
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课程设计
带通
epsk(t)
滤波器
a
相乘器
c
低通
滤波器
d
抽样
判决器
定时
脉冲
e
输出
c
osWct
cos
w
b
图
3-4
PSK
解调原理框图
带通滤波器的意
义是让有用信号
（已调信号）
通过，
滤
除一部分噪声，
所以
有用信号在
a
处得到信号为
a
(
t
)
?
s<
/p>
?
t
?
cos<
/p>
?
c
t
(
公式
3-7
)
假设相干载波的基准相位与
2PSK
信
号的调制载波的基准相位一致（通常默认为
0
相位）
。所以得到下式
c
(<
/p>
t
)
?
e
2
P
K
S
(
t
)
cos
?
c
t
?
s
(
t
)
cos
?
c
t
?
2
1
2
s
(
t
)
?<
/p>
2
1
2
s
(
t
)
cos
2
?
c
t
(
公式
3-8
)
2
通过低通滤波器后
d
(
t
)
?
1
2
s
(
t
)
（
公式
3-9
）
2
最后通过抽样判决器恢复出数字信号。
但是，由于在
2
P
SK
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
2
P
SK
方
< br>式的“倒
π
”现象或“反相工作”。这也是
2PSK
方式在实际中很少采用的主要
原因。
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。
（
3
）
PSK
相干解调系统性能
分析
PSK
相干解调方式又称为极性比较法，其性能分析模型如图
3-5
所示。
13
武汉理工大学
MA
TLAB
课程设
计
发
送
端
信
道
带
通
滤
波
器
相
乘
器
低
通
滤
波
器
抽
样
判
决
器
输出
s
T<
/p>
(
t
)
n
(
t
)
y
i
(
t
)
y(t)
2
cos
?
ct
x(t)
定时
脉冲
i
<
/p>
图
3-5PSK
信号相干解调系统性能分
析模型
当信号经过信道传输时会受到噪声的影响，
这是不可避免的。
而通信系统中
常见的热噪声近似
为高斯白噪声，
且符合加性。
根据设计要求考虑不同信噪比的<
/p>
高斯白噪声对
P
SK
系统的影响。
在此过程中，
我用函数
randn
来添加噪声，
此函
数功能
为向信号中添加噪声功率为其方差的高斯白噪声。
设接收端带
通滤波器输出波形
y((t)
为：
发
送
“
1
”
时
?
[
a
?
n
c
(
t
)]
cos
?
c
t
?
n
s
(
t
)
sin
?
c
t
,
y
(
t
)
?<
/p>
?
[
?
a
?
n
(
t
)]
cos
?
t
?
n
(
t
)
sin
?
t
，
发
送
< br>“
0
”
时
（公式
3-10
）
c
c
s
c
?
经过相干解调后，送入抽样判决器的输入波形为：
?
a
?
n
(
t
),
发
送
“
1
”
符
号
x
(
?
c
（公式
3-11
）
t
)
?
?
?
a
?
n
c
(
t
),
发
送
“
0
”
符
号
由于
n
c
(
t
)
是均值为
0
，方差为
?
n
< br>2
的高斯噪声，所以
x(t)
的
一维概率密度函数为
f
1
(
x
)
?
?
(
x
?
a
)
2
?
exp
?
?
?
2
2<
/p>
?
2
?
?
n
n
?
?
1
?
(
x
?
a
)
2
?
exp
?
?
?
2
2
?
2
?
?
n
n<
/p>
?
?
1
发送“<
/p>
1
时
（公式
3-12
）
f
0
(
x
)
?
发送“
0
”时
（公式<
/p>
3-13
）
由
最佳判决门限分析可知，在发送“
1
”和发送“
0
”的概率相等时，最佳判决门
限
b*=0.
此时，发“
1
”而错判
为“
0
”的概率为
< br>P
(0
/
1)
< br>?
P
(
x
?
0)
?
?
0
??
f
1
(
x
)
dx
?<
/p>
1
2
erfc
?
r
?
14
（公式
3-14
）
武汉理工大学
MA
TLAB
课程设计
同理
，发送“
0
”而错判为“
1
”的概率为
P
(1
/
0)
?
P
(
x
?
0)
?
?
?
0
f
0
(
x
< br>)
dx
?
1
2
erfc
?
r
< br>?
（公式
3-15
）
故
2PSK
信号相干解调时系统的总误码率为
< br>
P
e
?
P
(1)
P
(0
/
1)
?
P
(0)
P
(0
/
1)
?
1
2
erfc
?
r
?
（公式
3-16
）
在大信噪比条件下，上式可近似为
P
e
?
1
?
r
?
e
2
r
3.2.2
用
matlab
实现
PSK
系统的调制解调
clear all;
close
all;
clf;
%
清除窗口中的图形
max=50
%
定义
ma
x
长度
g=zeros(1,max);
g=randint(1,
max);%
长度为
max
的随机二进
制序列
cp=[];
mod1=[];
f=2*100000*pi;
t=0:40000*pi/199:40000*pi;
for n=1:length(g);
if
g(n)==0;
A=zeros(1,200);
%
每个值
200
个点
< br>
else g(n)==1;
A=ones(1,200);
end
cp=[cp A];
%s(t),
码元宽度
200
c=cos(f*t);%
载波信号
15
3-17
）
（公式
武汉理工大学
MA
TLAB
课程设计
mod1=[mod1 c];%
与
s(t)
等长的载波信号
,
变为矩阵形式
end
figure(1);subplot(3,2,1);plot(cp);grid
on;
axis([0 20*length(g) -2
2]);title('
随机二进制信号序列
');
cm=[];mod=[];
for
n=1:length(g);
if g(n)==0;
B=ones(1,200);%
每个值
2
00
个点
c=cos(f*t);
%
载波信号
else g(n)==1;
B=ones(1,200);
c=cos(f*t+pi);
%
载波信号
end
cm=[cm B];
%s(t),
码元宽度
200
mod=[mod c]; %<
/p>
与
s(t)
等长的载波信号
end
tiaoz=cm.*mod;%e(t
)
调制
figure(1);
subplot(3,2,2);
plot(tiaoz);
grid on;
axis([0
20*length(g) -2
2]);title('2PSK
调制信号
');
figure(2);
subplot(3,2,1);
plot(abs(fft(cp)));
axis([0
20*length(g) 0
1000]);title('
原始信号频谱
');
figure(2);
subplot(3,2,2);
plot(abs(fft(tiaoz)));
16
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