DPSK调制与相干解调系统仿真

DPSK调制与相干解调系统仿真
学生姓名：*** 指导老师：***
摘要本课程设计主要用Simulink平台仿真一个DPSK调制与相干解调通信系统，在信道中运行并分别解调。

并用图形输入法设计相关电路，用示波器和频谱模块分析系统性能。

在课程设计中，首先根据原理画出图形，然后构建调制解调电路，再在Simulink 中调出各元件组成电路，接着设置调制解调电路中各个模块的参数值并加以运行，并把运行仿真结果输入显示器，根据显示结果分析所设置的系统性能。

通过波形分析，了解到本课程设计非常成功。

关键词Simulink；DPSK；调制；解调；仿真
1引言
通信就是信息的传输，在当今高度信息化的社会，信息和通信已经成为现代社会的“命脉”。

信息作为一种资源，应该得到很好的利用，因此我们必须对信息进行有效的传输，通信的目的就是传递消息所包含的信息。

我们的生活中，通信是一个重要的组成部分。

我们的手机，电话，上网聊天……我们总和通信有着各种各样的联系。

目前，无论是模拟通信还是数字通信，在不同的通信业务中都得到了广泛的应用。

但是，数字通信的发展速度已明显超过了模拟通信，成为当代通信技术的主流。

与模拟通信相比，数字通信具有以下一些优点：抗干扰能力强，且噪声不积累；传输差错可控；便于用现代数字信号处理技术对数字信息进行处理、变换、存储；易于集成，使通信设备微型化，重量轻；易于加密处理，且保密性好。

数字通信的缺点是，一般需要较大的带宽。

另外，由于数字通信对同步要求高，因而系统设备复杂。

但是，随着微电子技术、计算机技术的广泛应用以及超大规模集成电路的出现，数字系统的设备复杂程度大大降低。

同时高效的数据压缩技术以及光纤等大容量传输媒质的使用正逐步使带宽问题得到解决。

因此，数字通信的应用必将越来越广泛。

1.1课程设计的目的
课程设计,主要是让我们更好地了解书本上的知识,在实践中加深对于知识点的印象.此次实践,就是为了更好地了解AM与ASK的调制与解调过程,体会低通滤波器与带通滤波器的应用,以及高斯噪声对于信道传输的影响.通过课程设计，可以进一步理解通信系统的基本组成、模拟通信和数字通信的基础理论、通信系统发射端信号的形成及接收端信号解调的原理、通信系统信号传输质量的检测等方面的相关知识。

并可综合运用这些知识解决一定的实际问题，使我们在所学知识的综合运用能力上以及分析问题、解决问题能力上得到一定的提高。

同时通过课程设计培养学生严谨的科学态度，认真的工作作风和团队协作精神。

而在同时也能加深对MATLAB开发环境的另一作用的了解，Simulink功能强大，界面友好，是一款很不错的仿真工具[1]，在这次设计中，我们用到了此环境的Simulink 平台，这个平台是我们以前较少接触过的。

因此在这次课设中，我们了解了MATLAB的Simulink这个系统的功能。

为我们以后做数字通信系统方面提供了更多的基础知识和经验。

1.2课程设计具体要求
1）构建调制电路，并用示波器观察调制前后的信号波形，用频谱分析模块观察调制前后信号频谱的变化。

2）再以调制信号为输入，构建解调电路，用示波器观察调制前后的信号波形，用频谱分析模块观察调制前后信号频谱的变化。

3）在调制与解调电路间加上噪声源，模拟信号在不同信道中的传输：a 用高斯白噪声模拟有线信道，b 用瑞利噪声模拟有直射分量的无线信道。

将二种噪声源的方差均设置为相同，分析比较通过两种不同信道后的接收信号的性能。

4）在老师的指导下，要求独立完成课程设计的全部内容，并按要求编写课程设计学年论文，能正确阐述和分析设计和实验结果。

1.3 设计平台
此设计平台是MATLAB集成环境下的Simulink平台。

Simulink是基于Matlab的框图设计环境，可以用来对各种动态系统进行建模、分析和仿真，它的建模范围广泛，可以针对任何能用数学来描述的系统进行建模，例如航空航天动力学系统、卫星控制制导系统、通信系统、船舶及汽车等，其中包括了连续、离散，条件执行，事件驱动，单速率、多速率和混杂系统等。

Simulink提供了利用鼠标拖放地方法来建立系统框图模型的图形界面，而且还提供了丰富的功能块以及不同的专业模块机集合，利用Simulink几乎可以做到不书写一行代码即完成整个动态系统的建模工作。

除此之外，Simulink还支持Stateflow,用来仿真事件驱动过程。

Simulink是从底层开发的一个完整的仿真环境和图形界面，是模块化了的编程工具，它把Matlab的许多功能都设计成一个个直观的功能模块，把需要的功能模块用连线连起来就可以实现需要的仿真功能了。

2 Simulink简介
Simulink是Matlab最重要的组件之一，它提供一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境，在该环境中，无需大量书写程序，而只需要通过简单直观的鼠标操作，就可以构造出复杂的系统。

Simulink具有适应面广、结构和流程清晰及仿真精细、贴近实际、效率高、灵活等优点，并基于以上优点Simulink已被广泛应用于控制理论和数字信号处理的复杂仿真和设计。

同时又大量的第三方软件和硬件可应用于或被要求应用于Simulink.
Simulink是Matlab中的一种可视化仿真工具，是一种基于Matlab的框图设计环境，是实现动态系统建模、仿真和分析的一个软件包，被广泛应用于线性系统、非线性系统、数字控制及数字信号处理的建模和仿真中。

Simulink可以用连续采样时间、离散采样时间或两种混合的采样时间进行建模，它也支持多速率系统，也就是系统中的不同部分具有不同的采样速率。

为了创建动态系统模型，Simulink提供了一个建立模型方块图的图形用户接口(GUI) ，这个创建过程只需单击和拖动鼠标操作就能完成，它提供了一种更快捷、直接明了的方式，而且用户可以立即看到系统的仿真结果。

Simulink的特点：丰富的可扩充的预定义模块库，交互式的图形编辑器来组合和管理直观的模块图，以设计功能的层次性来分割模型，实现对复杂设计的管理。

通过Model Explorer导航、创建、配置、搜索模型中的任意信号、参数、属性，生成模型代码。

提供API用于与其他仿真程序的连接或者与手写代码集成。

使用Embedded Matlab模块在
Simulink和嵌入式系统执行中调用MATLAB算法，使用定步长或变步长运行仿真，根据仿真模式，（Normal,Accelerator,Rapid Accelerator)来决定以解释性的方式运行或以编译C代码的形式来运行模型。

图形化的调试器和剖析器来检查仿真结果，诊断设计的性能和异常行为，可以访问Matlab从而对结果进行分析和可视化，定制建模环境。

定义信号参数和测试数据，模型分析和诊断工具来保证模型的一致性，确定模型中的错误。

3 设计原理
3.1 DPSK调制原理
2DPSK是利用前后相邻码元的载波相对相位变化传递数字信息。

假设ϕ
∆为当前码元与前一码元的载波相位差，定义数字信息与ϕ
∆之间的关系为
ϕ
∆=0表示数字信息“0”
ϕ
∆=1 表示数字信息“1”
可以将一组二进制数字信息与其对应的2DPSK信号的载波相位关系示例如下：二进制数字信息： 1 1 0 1 0 0 1 1 0
2DPSK信号相位：（0）π 0 0 π π π 0 π π
或者(π) 0 π π 0 0 0 π 0 0
图3-12DPSK信号的波形
由上图可见，先对二进制数字基带信号进行差分编码，即把表示数字信息序列的绝对码变换成相对码，然后再根据相对码进行绝对调相，从而产生二进制差分信号。

数字信息与ϕ
∆之间的关系也可以定义为
ϕ
∆=0 表示数字信息“1”
ϕ
∆=1 表示数字信息“0”
由此例可知，对于相同的基带信息序列，由于序列初始码元的参考相位不同，2DPSK 信号的相位可以不同。

也就是说，2DPSK信号的相位并不直接代表基带信息号，而是前后码元相对相位差才唯一决定信息符号。

为了便于说明概念，我们可以把每个码元用一个如下图3-2所示的矢量图来表示
图3-2矢量图
图中，虚线矢量位置称为基准相位。

在绝对移相中，它是未调制载波的相位；在相对移相中，它是前一码元载波的相位。

如果假设每个码元中包含有整数个载波周期，那么，两相邻码元载波的相位差既表示调制引起的相位变化，也是两码元交界点载波相位的瞬时跳变量。

图3-2（a）所示的移相方式，称为A方式。

在这种方式中，每个码元的载波相位相对于基准相位可取0、π。

因此，在相对移相后，若后一码元的载波相位相对于基准相位为0，则前后两码元载波的相位就是连续的；否则，载波相位在两码元之间要发生跳变。

图3-2（b）所示的移相方式，称为B方式。

在这种方式中，每个码元的载波相位相对于基准相位可取π/2。

因而，在相对移相时，相邻码元之间必然发生载波相位的跳变。

这样，在接收端接收该信号时，如果利用检测此相位变化以确定每个码元的起止时刻，即可提供码元定时信息，这正是B方式被广泛采用的原因之一。

3．2 DPSK相干解调原理
2DPSK相干解调的原理：对2DPSK信号进行相干解调，恢复出相对码，再进过码反变换器变换为绝对码，从而恢复出发送的二进制数字信息。

在解调过程中，由于载波
相位模糊性的影响，使得解调出的相对码也可能是“1”和“0”的倒置，但是经差分译码得到的绝对码不会发生任何倒置的现象。

图3-3 2DPSK 相干解调原理图
从左到右的箭头依次代表2()DPSK e t ，a,c,d,e,f ,在cos c w t 处的箭头代表b
图3-4 2DPSK 相干解调波形
带通滤波
器 相乘器 低通滤波器 抽样判决器 码反变换器
cos c w t
定时脉冲
4 具体实现
4.1 DPSK调制与相干解调说明与电路图
2DPSK的调制采用模拟调制法，调制电路中的主要模块是码型变换模块，它主要是完成绝对码波形转换为相对码波形，在实际的仿真中要先经过差分编码，再进行极性双变换，得到的信号与载波一起通过相乘器，就完成了调制过程。

仿真中采用相干解调法进行2DPSK解调，解调电路中有带通滤波器、相乘器、低通滤波器、抽样判决器及码反变换组成。

2DPSK相干解调原理是，对2DPSK信号进行相干解调，恢复出相对码，再通过码反变换为绝对码，从而恢复出发送的二进制数字信息。

图4-1用Simulink仿真平台构造出的DPSK调制与相干解调系统图
4.2系统的参数设置
载波幅度度值设为2，载波的频率设为6
码元长度设置为1，取0的可能性设置为0.5
初始值设置为0
图4-5差分编码器的参数设置图
M-ary number设置为2，极性设置为正极
图4-6带通滤波器的参数设置图
带通滤波器的阶数设置为2阶，下通带边缘设置为3π,上通带边缘设置为9π
图4-7低通滤波器参数设置图
低通滤波器的截止频率设置为6π,阶数设置为2阶
图4-8抽样判决器的参数设置图
量化电平设置为0，Quantization codebook设置为[0 1]
图4-9误码率计算器的参数设置图
延时设置为1 其余为默认参数
图4-10高斯噪声（1）参数设置图
方差设置为0.5，采样时间设置为0.01,其余为默认值
图4-11高斯噪声（2）的参数设置
方差设置为8，采样时间设置为0.01,其余参数为默认值
图4-12加入瑞利噪声的参数设置
方差设置为8，采样时间设置为0.01,其余参数为默认值
4.3运行结果的示波器显示
图4-13加入高斯噪声的电路图
图4-14加入瑞利噪声的电路图
（1）载波（2）基带信号（3）差分码信号（4）已调信号（5）已调信号加噪声
（1）载波（2）基带信号（3）差分码信号（4）已调信号加噪声
（1）载波（2）基带信号（3）差分码信号（4）已调信号（5）已调信号加噪声
图4-18加入高斯噪声（1）后的解调
（1）载波（2）基带信号（3）差分码信号（4）已调信号加噪声
（5）经过带通滤波器后的信号（6）经过低通滤波器后的信号（7）解调恢复后的信号
（1）载波（2）基带信号（3）差分码信号（4）已调信号（5）已调信号加噪声
（1）载波（2）基带信号（3）差分码信号（4）已调信号加噪声
（1）载波（2）基带信号（3）差分码信号（4）已调信号（5）已调信号加噪声
（1）载波（2）基带信号（3）差分码信号（4）已调信号加噪声
图4-23误码率图
误码率对比：从左至右依次为没有加噪声、加方差为0.5的高斯噪声、加方差为8的高斯噪声、加方差为8的瑞利噪声所对应的误码率，分析可知，当是同一种噪声时，加入的噪声方差越大其相应的误码率越高，就不同噪声而言，在相同的方差情况下，加入高斯噪声时的误码率比加入瑞利噪声的低。

4.4频谱分析
图4-24高斯噪声参数设置图4-25瑞利噪声参数设置
频谱分析时，把信道中高斯噪声和瑞利噪声的方差值设置相同，这样方便比较
在理想信道中，基带信号的频谱和解调后恢复的基带信号频谱基本一致
图4-29加高斯噪声的频谱显示电路图
图4-30基带频谱图4-31加高斯噪声的频谱
当信道中加方差为4的高斯噪声时，解调后恢复的基带信号频谱和原来的基带信号
频谱有很小的失真。

图4-32加瑞利噪声的频谱显示电路图
图4-33基带频谱图4-34加瑞利噪声的频谱当在信道中加入方差为4的瑞利噪声时，解调后恢复的基带信号频谱和原来的基带信号频谱相比，有了较小的失真，并且当信道中的高斯噪声和瑞利噪声有相同的方差值时，瑞利噪声的失真程度大些。

5出现的问题以及解决方法
5.1出现的问题
（1）示波器的图像显示不合理
（2）没有加入噪声时解调出现误码率，经常出现较大的误码率，甚至有超过0.5的情况（3）一些模块经常会有错误的提示
（4）信号经过滤波器后得到的信号衰减大
5.2解决方法
（1）修改示波器窗口的属性，调整Y轴数值的范围，修改data history 中的limit
Data points to last 参数，将其改大，再运行simulink,在示波器中就能够看到美观的图形。

（2）在没有加入噪声解调时就有较大的误码率是模块的参数设置存在问题，带通滤波器和低通滤波器的频率设置要根据载波和调制信号做相应的调整，还有在调制和解调中存在时延，所以在误码率计算模块中Receive delay设置为1
（3）我采用的是模拟调制，误码率测试仪只能对离散信号进行测试，所以我在抽样判决器前面添加了一个Zero-Order hold 就可以正常运行了
（4）通过修改载波参数、带通滤波器和低通滤波器的参数使得经过滤波器后的信号衰减很小
6结束语
通过这次课程设计我能够比较系统的了解理论知识，掌握了DPSK调制与相干解调的工作原理以及DPSK调制解调系统的工作过程，学会使用仿真软件Matlab，并学会通过应用软件仿真来实现通信系统的设计，对以后的学习和工作都起到一定的作用，加强了我们的动手能力和学业技能。

通过这次课程设计还让我知道，我们平时学的理论知识如果不加以实践的话就等于纸上谈兵。

课程设计主要是我们理论知识的延伸，它让我们在这过程中发现问题，以及找到相应的解决方法，加强我们分析问题解决问题的能力。

课程设计业也是检验我们掌握知识的多少的一种方式，当遇到问题时同学之间相互讨论和请教老师，巩固我们已懂知识的同时也不断学习我们遗漏的知识点，把这门课程学得更加扎实。

总的来说，这次课程设计我受益匪浅，不仅让我更深入的了解到课本知识，还增强了我理论联系实际和动手的能力。

这课程设计的两周时间里，老师们都认真负责的来给我们指导，每个老师都非常细致的检查我们的问题以及耐心的帮我们解决难题，由衷的感谢各位老师。

参考文献
[1] 达新宇．通信原理实验与课程设计．北京：北京北京邮电大学出版社，2003
[2] 樊昌信，曹丽娜.通信原理[M]. 国防工业出版社，2008年
[3] 孙屹，李妍. MATLAB通信仿真开发手册.国防工业出版社，2005年1月
[4] 邵玉斌.Matlab/Simulink通信系统建模与仿真实例分析. 北京：清华大学出版社，2008。