通信原理课程设计报告-二进制随相信号最佳带通传输系统设计

通信原理课程设计报告-二进制随相信号最佳带通传输系统设计本文简介：湖南工程学院课程设计报告课程设计报告课程名称通信原理课题名称二进制随相信号最佳带通传输系统设计专业通信工程班级通信1101学号**********姓名*****指导教师张鏖峰胡倩2013年12月21日湖南工程学院课程设计任务书课程名称通信原理课题二进制随相信号最佳带通传输系统设计专业班级通信1101

通信原理课程设计报告-二进制随相信号最佳带通传输系统设计本文内容：

湖南工程学院课程设计报告

课

程

设

计

报

告

课程名称

通信原理

课题名称

二进制随相信号最佳带通传输系统设计

专

业

通信工程

班

级

通信1101

学

号**********

姓

名*****

指导教师

张鏖峰

胡倩

2013年12月21日

湖南工程学院

课

程

设

计

任

务

书

课程名称

通信原理

课

题

二进制随相信号最佳带通传输系统设计

专业班级

通信1101

学生姓名****

学

号**********

指导老师

张鏖峰

胡倩

审

批

任务书下达日期

2013

年

12月

16

日

任

务

完成日期

2013

年

12月

21

日

目录

一、

课程设计要求1

二、

基本原理1

1．

2FSK调制原理1

2．

2FSK相干解调原理2

3．

2PSK调制原理3

4．

2PSK信号的相干解调原理3

三、

设计方案5

1．

方案一：2FSK用simulink建模5

（1）

Simulink建模仿真图5

（2）

2FSK调制部分5

（3）

2FSK解调部分7

（4）

误码率计算模块参数设置10

2．

方案二：2PSK用matlab编程实现11

（1）

产生二进制信号序列11

（2）

2PSK调制信号11

（3）

加入高斯白噪声12

（4）

低通滤波13

（5）

抽样判决14

（6）

程序源代码15

四、

设计结果及其分析19

1．

方案一

2FSK的simulink结果及分析19

2．

方案二2PSK的matlab编程方案结果及其分析20

（1）

Matlab仿真结果20

五、

小结22

六、

参考文献22

1、

课程设计要求

要求：（1）编程实现二进制随相信号最佳带通传输系统（分别采用2FSK、2PSK调制技术，解调均采用相干解调）

（2）输入数字信号序列并进行接收判决

（3）通过多次输入输出对两种系统性能进行分析比较

（4）绘出信号的时域波形和频谱图

2、

基本原理

1．

2FSK调制原理

频移键控是利用载波的频率来传递数字信号，在2FSK中，载波的频率随着二进制基带信号在f1和f2两个频率点间变化，频移键控是利用载波的频移变化来传递数字信息的。在2FSK中，载波的频率随基带信号在f1和f2两个频率点间变化。故其表达式为：

典型波形如下图所示。由图可见，2FSK信号可以看作两个不同载频的ASK信号的叠加。因此2FSK信号的时域表达式又可以写成：

图2-12FSK调制各点时域波形图

2FSK调制就是使用两个不同的频率的载波信号来传输一个二进制信息序列。可以用二进制“1”来对应于载频f1，而“0”用来对应于另一相载频f2的已调波形，而这个可以用受矩形脉冲序列控制的开关电路对两个不同的独立的频率源f1、f2进行选择通。如下原理图：

图2-2

2FSK调制原理图

2．

2FSK相干解调原理

根据已调信号由两个载波f1、f2调制而成，则先用两个分别对f1、f2带通的滤波器对已调信号进行滤波，然后再分别将滤波后的信号与相应的载波f1、f2相乘进行相干解调，再分别低通滤波、用抽样信号进行抽样判决器即可。原理图如下：

图2-3

2FSK解调原理图

3．

2PSK调制原理

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，通常利用初始相位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：

e2psk=Acos(ωc+ψn)

就模拟调制法而言，与产生2ASK信号的方法比较，只是对基带信号要求不同，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。而就键控法来说，用数字基带信号控制开关电路，选择不同相位的载波输出，这时基带信号为单极性NRZ或双极性NRZ脉冲序列信号均可。且

2PSK信号属于DSB信号，它的解调，不再能采用包络检测的方法，只能进行相干解调。

4．

2PSK信号的相干解调原理

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2-4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.

2PSK信号相干解调当恢复的相干载波产生180°倒相时，解调出的数字基带信号将与发送的数字基带信号正好是相反，解调器输出数字基带信号全部出错。

图

2

-42PSK信号相干解调各点时间波形

这种现象通常称为“倒π“现象。由于在2PSK信号的载波恢复过程中存在着

180°的相位模糊，所以2PSK信号的相干解调存在随机的“倒π“现象，从而使得2PSK方式在实际中很少采用。

图2-5

2PSK信号解调原理图

3、

设计方案

1．

方案一：2FSK用simulink建模

（1）

Simulink建模仿真图

图3-12FSK的simulink建模仿真图

（2）

2FSK调制部分

2FSK调制信号的产生和叠加高斯白噪声：

图3-2

2PSK调制信号的产生和高斯白噪声的叠加

载波f1的频率设置：载波f2的频率设置：

图3-3载波信号f1和f2的参数设置

两种载波信号和基带数字信号波形如下图：

图3-4两种载波信号和基带数字信号波形图

贝努力基带数字信号参数设置如下图3-5，可以看出基带信号频率为200Hz，这些参数将在后面设计滤波器时应用到。右下图为高斯白噪声参数设计图。

图3-5

贝努力基带数字信号参数设置图

图3-6

高斯白噪声参数设计图

（3）

2FSK解调部分

解调部分的完整设计图如下：

图3-72PSK解调设计图

巴特沃斯带通滤波器的参数设计中，因为基带数字信号取样周期是0.005s，所以频率为200Hz，则其带宽是400Hz，滤波器的是根据载波中心频率和基带信号带宽设计的。

巴特沃斯带通滤波器的参数设置：

图3-8巴特沃斯带通滤波器参数设计

经过带通滤波器后的波形图：

图3-9

经过带通滤波器后的波形图

相乘器的设计，实则为一乘法器，将带通滤波器出来的信号与本地载波相乘。

解调模块低通滤波器的设计，此处两个低通滤波器的设置参数一致，具体的如下图：

图3-10两个低通滤波器的参数设置

经过低通滤波器滤波后出来的信号波形如下图：

图3-11经过低通滤波器滤波后出来的信号波形图

抽样判决模块采用Relational

Operator模块，因为经过Relational

Operator模块后出来的信号为布尔类型，所以后面要接一个类型转换器把布尔类型转换为double型。因为经过调制解调后的信号有半个周期的超前延迟，所以要在原始信号后接一个整型延时器，

出来的信号再与调制解调后的信号进行误码率分析和示波器显示。抽样判决器的参数置计如下：

图3-12抽样判决器的参数设置图图3-13整型延时器参数设置图

（4）

误码率计算模块参数设置

图3-14误码率计算设计及参数设置

2．

方案二：2PSK用matlab编程实现

（1）

产生二进制信号序列

max=10

g=zeros(1,max);

g=randint(1,max);

%长度为max的随机二进制序列

cp=[];

mod1=[];

f=2*2*pi;

t=0:2*pi/199:2*pi;

for

n=1:length(g);

if

g(n)==0;

A=-ones(1,200);

%每个值200个点

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

mod1=[mod1

c];

%与s(t)等长的载波信号,变为矩阵形式

end

figure(1);

subplot(4,2,1);

plot(cp);

grid

on;

axis([0

200*length(g)

-2

2]);

title(

二进制信号序列

);

（2）

2PSK调制信号

cm=[];

mod=[];

for

n=1:length(g);

if

g(n)==0;

B=ones(1,200);

%每个值200个点

c=cos(f*t);

%载波信号

else

g(n)==1;

B=ones(1,200);

c=-cos(f*t);

%载波信号

end

cm=[cm

B];

%s(t),码元宽度200

mod=[mod

c];

%与s(t)等长的载波信号

end

tiaoz=cm.*mod;

%e(t)调制

figure(1);

subplot(4,2,2);

plot(tiaoz);

grid

on;

axis([0

100*length(g)

-2

2]);

title(

2PSK调制信号

);

（3）

加入高斯白噪声

tz=awgn(tiaoz,10);

%信号tiaoz中加入白噪声，信噪比为10

figure(1);

subplot(4,2,3);

plot(tz);

grid

on

axis([0

200*length(g)

-2

2]);

title(

通过高斯白噪声信道后的信号

);

figure(2);

subplot(4,2,3);

plot(abs(fft(tz)));

axis([0

200*length(g)

0

400]);

title(

加入白噪声的2PSK信号频谱

);

（4）

低通滤波

jiet=2*mod1.*tz;

%同步解调

figure(1);

subplot(4,2,4);

plot(jiet);

grid

on

axis([0

200*length(g)

-2

2]);

title(

相乘后信号波形

)

figure(2);

subplot(4,2,4);

plot(abs(fft(jiet)));

axis([0

200*length(g)

0

400]);

title(

相乘后信号频谱

);

%低通滤波器

fp=500;

fs=700;

rp=3;

rs=20;

fn=10000;

ws=fs/(fn/2);

wp=fp/(fn/2);

%计算归一化角频率

[n,wn]=buttord(wp,ws,rp,rs);

%计算阶数和截止频率

[b,a]=butter(n,wn);

%计算H(z）

figure(4);

freqz(b,a,1000,11025);

subplot(2,1,1);

axis([0

4000

-100

3])

title(

LPF幅频相频图

);

jt=filter(b,a,jiet);

figure(1);

subplot(4,2,5);

plot(jt);

grid

on

axis([0

200*length(g)

-2

2]);

title(

经低通滤波器后信号波形

)

figure(2);

subplot(4,2,5);

plot(abs(fft(jt)));

axis([0

200*length(g)

0

400]);

title(

经低通滤波器后信号频谱

);

（5）

抽样判决

%抽样判决

for

m=1:200*length(g);

if

jt(m)=0;

jt(m)=-1;

end

end

figure(1);

subplot(4,2,6);

plot(jt);

grid

on

axis([0

200*length(g)

-2

2]);

title(

经抽样判决后信号s^(t)波形

)

figure(2);

subplot(4,2,6);

plot(abs(fft(jt)));

axis([0

200*length(g)

0

400]);

title(

经抽样判决后信号频谱

);

（6）

程序源代码

max=10

g=zeros(1,max);

g=randint(1,max);

%长度为max的随机二进制序列

cp=[];

mod1=[];

f=2*2*pi;

t=0:2*pi/199:2*pi;

for

n=1:length(g);

if

g(n)==0;

A=-ones(1,200);

%每个值200个点

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

mod1=[mod1

c];

%与s(t)等长的载波信号,变为矩阵形式

end

figure(1);

subplot(4,2,1);

plot(cp);

grid

on;

axis([0

200*length(g)

-2

2]);

title(

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200个点

c=cos(f*t);

%载波信号

else

g(n)==1;

B=ones(1,200);

c=-cos(f*t);

%载波信号

end

cm=[cm

B];

%s(t),码元宽度200

mod=[mod

c];

%与s(t)等长的载波信号

end

tiaoz=cm.*mod;

%e(t)调制

figure(1);

subplot(4,2,2);

plot(tiaoz);

grid

on;

axis([0

100*length(g)

-2

2]);

title(

2PSK调制信号

);

figure(2);

subplot(4,2,1);

plot(abs(fft(cp)));

axis([0

100*length(g)

0

400]);

title(

原始信号频谱

);

figure(2);

subplot(4,2,2);

plot(abs(fft(tiaoz)));

axis([0

100*length(g)

0

400]);

title(

2PSK信号频谱

);

%带有高斯白噪声的信道

tz=awgn(tiaoz,10);

%信号tiaoz中加入白噪声，信噪比为10

figure(1);

subplot(4,2,3);

plot(tz);

grid

on

axis([0

200*length(g)

-2

2]);

title(

通过高斯白噪声信道后的信号

);

figure(2);

subplot(4,2,3);

plot(abs(fft(tz)));

axis([0

200*length(g)

0

400]);

title(

加入白噪声的2PSK信号频谱

);

jiet=2*mod1.*tz;

%同步解调

figure(1);

subplot(4,2,4);

plot(jiet);

grid

on

axis([0

200*length(g)

-2

2]);

title(

相乘后信号波形

)

figure(2);

subplot(4,2,4);

plot(abs(fft(jiet)));

axis([0

200*length(g)

0

400]);

title(

相乘后信号频谱

);

%低通滤波器

fp=500;

fs=700;

rp=3;

rs=20;

fn=10000;

ws=fs/(fn/2);

wp=fp/(fn/2);

%计算归一化角频率

[n,wn]=buttord(wp,ws,rp,rs);

%计算阶数和截止频率

[b,a]=butter(n,wn);

%计算H(z）

figure(4);

freqz(b,a,1000,11025);

subplot(2,1,1);

axis([0

4000

-100

3])

title(

LPF幅频相频图

);

jt=filter(b,a,jiet);

figure(1);

subplot(4,2,5);

plot(jt);

grid

on

axis([0

200*length(g)

-2

2]);

title(

经低通滤波器后信号波形

)

figure(2);

subplot(4,2,5);

plot(abs(fft(jt)));

axis([0

200*length(g)

0

400]);

title(

经低通滤波器后信号频谱

);

%抽样判决

for

m=1:200*length(g);

if

jt(m)=0;

jt(m)=-1;

end

end

figure(1);

subplot(4,2,6);

plot(jt);

grid

on

axis([0

200*length(g)

-2

2]);

title(

经抽样判决后信号s^(t)波形

)

figure(2);

subplot(4,2,6);

plot(abs(fft(jt)));

axis([0

200*length(g)

0

400]);

title(

经抽样判决后信号频谱

);

4、

设计结果及其分析

1．

方案一

2FSK的simulink结果及分析

误码率分析模块显示误码率为0.0495，这个值在合理的范围里，说明该系统工作正常。

解调出来的波形与信源波形比较如下图所示，从图中可以看出，没有误码，解调性能良好。

图4-1解调波形与信源波形对比图

2．

方案二2PSK的matlab编程方案结果及其分析

（1）

Matlab仿真结果

图4-1

Matlab调制与解调运行结果

图4-2Matlab运行的频谱结果

图4-3Matlab运行的LPF幅相频图

5、

小结

通过这周的课程设计与实践，我又一次复习了通信原理的相关知识。同时学会使用Matlab中的Simulink模块对信号进行仿真。掌握了这种软件的基本使用方法，加深了对课堂知识的理解。同时，更加培养了自己的自学能力和解决问题的能力。

首先，自己在课堂上对理论知识掌握的并不是特别好。在拿到设计题目时，又将通信原理的课本翻出来，将2FSK和2PSK的相关内容复习了。发现自己在课堂学习时还存在很多漏洞。在看书，请教同学后终于掌握了所需的相关原理和理论知识。

之前学过matlab对信号的仿真，但对其中的Simulink模块没有什么了解，因此在拿到课设题目时先是马上上网查资料，了解了软件的工作特点，特别是Simulink。通过上网搜软件的使用教程，边看边学这些软件的使用方法。这其中走了不少弯路，不过这也锻炼了我的自学能力。软件是英文版，这对我确实造成了不小的困难。不过在努力下掌握了很多以前不知道的东西，自己也十分有成就感。

在模块搭建完成后，调试时一直出错或者结果差强人意。仔细检查模块是否正确，发现问题没有出来实验原理上，通过请教同学和自己的参数修改，终于能够运行出现想要的结果。

6、

参考文献

[1]

樊昌信,曹丽娜.

通信原理(第六版)

[M]

.

北京:国防工业出版社,2008

[2]赵鸿图，矛艳.

通信原理MATLAB仿真教程

.

人民邮电出版社，2013

课程设计评分表

课程名称：

通信原理

项

目

评

价

设计方案的合理性与创造性

设计与调试结果

设计说明书的质量

答辩陈述与回答问题情况

课程设计周表现情况

综合成绩

教师签名：

日

期：

22