基于MATLAB的BPSK调制仿真及性能分析

******************实践教学*******************兰州理工大学计算机与通信学院2015年春季学期通信系统仿真训练课程设计题目：基于MATLAB的BPSK调制仿真及性能分析专业班级：姓名：学号：指导教师：成绩：1摘要BPSK是在21世纪的现阶段，数字通信系统是现代通信系统的主流，在社会生活各个方面占据重要地位，调制与解调是一个不可或缺的环节，它大大提高了信号的传输性能和安全性。BPSK作为数字通信系统中的一种简单、基础的调制解调方法，抗干扰能力强，容易仿真实现。在了解并掌握了BPSK调制与解调原理后，学习MATLAB仿真软件的使用方法。本次课程设计为基于MATLAB的BPSK调制仿真。本次课设着重介绍了算法的实现，并采用MATLAB程序仿真测试了BPSK过程中单极性不归零编码、脉冲成形、PSK调制、信号通过AWGN信道、载波恢复、解调、解码等过程。关键词：BPSK、调制解调、MATLAB仿真、数字通信系统2目录前言...........................................................................3一、BPSK原理.................................................................41.1MPSK的介绍...........................................................41.1.1MPSK的介绍......................................................41.2BPSK简介.............................................................51.2.1BPSK的概念及分类................................................51.3BPSK信号的产生........................................................51.4BPSK调制..............................................................51.4.1调制的概念........................................................51.4.2调制的种类........................................................61.4.3调制的作用........................................................61.4.4调制方式..........................................................61.4.5BPSK的调制原理..................................................71.5BPSK的解调............................................................81.6高斯噪声...............................................................81.6.1高斯白噪声........................................................8二、设计思路...................................................................9三、设计仿真及分析............................................................103.1设计仿真..............................................................103.2结果总体分析..........................................................13总结..........................................................................14参考文献......................................................................15致谢..........................................................................163前言数字通信系统使用的最基本的就是PSK，实际上由于交调的存在，大都使用PSK，由于电波主要在自由空间传播，信道参数比较稳定，信道的主要干扰是高斯白噪声，因而可视为恒参信道。理论分析指出，在恒参信道中，采用PSK的误码率最低，更有效地利用卫星频带，在接收机噪声的作用下，PSK的误码率最低。因而在实际中得到广泛的应用。特别是高数数据传输中FSK是一种很重演的调制方式。因此本课程设计尝试对PSK中常用的BPSK的调制技术进行通信系统仿真训练的设计实践。本次课程设计为基于MATLAB的BPSK调制仿真及性能分析。本次课设着重介绍了算法的实现，并采用MATLAB程序仿真测试了BPSK过程中单极性不归零编码、脉冲成形、PSK调制、信号通过AWGN信道、载波恢复、解调、解码等过程。本设计要求采用Matlab实现对BPSK通信系统的蒙特卡罗仿真并且绘制相关的图形，此题比较难做涉及到的方面很多，对BPSK及蒙特卡罗仿算法很不了解查阅了很多资料然而涉及的有较少，但查资料当中学到了很多不知道的东西，加深了对PSK的了解。以二进制调相为例，取码元为1时，调制后载波与未调载波同相；取码元为0时，调制后载波与未调载波反相；1和0时调制后载波相位差180°。就模拟调制法而言，与产生2ASK信号的方法比较，只是对s(t)要求不同，因此BPSK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s(t)控制开关电路，选择不同相位的载波输出，这时s(t)为单极性NRZ或双极性NRZ脉冲序列信号均可。本设计分析BPSK调制和解调系统，并用BPSK软件仿真调制系统，最后建立蒙特卡洛仿真模型，统计系统误码率。该题目概括了《MATLAB技术》、《通信系统原理》等课程的主要知识点，通过该设计能够培养和提高学生综合设计能力，为今后的学习和工作积累经验。一、BPSK原理1.1MPSK的介绍1.1.1MPSK的介绍MPSK即多进制相移键控，又称为多相制。这种键控方式是多进制键控的主要方式。在M进制的相移键控信号，用M个相位不同的载波分别代表M个不同的符号。如果载波有2n个相位，它可以代表n位二进制码元的的不同组合的码组。多进制相移键控也分为多进制绝对相移键控和多进制相对相移键控。在MPSK信号中，载波相位有M种可能取值，θn=2πn/M(n=1,2,…,M-1)。因此MPSK信号可表示为S(t)=cos(ω0t+θn)=cos(ω0t+2πn/M)⑴若载波频率是基带信号速率的整数倍，则上式可改写为S(t)=∑g(t-nTs)cos(ω0t+θn)=cosω0tΣcosθng(t-nTs)-sinω0tΣsinθng(t-nT)⑵式中g(t)是高度为1、宽度为Ts的门函数；Ts为M进制码元的持续时间。亦即k(k=log2M)比特二进制码元的持续时间；θn为第N个码元对应的相位，共有M个不同的取值。上式表明，MPSK信号可等效为两个正交载波的MASK信号之和。所以，MPSK信号的带宽和MASK信号的带宽相同。因此，MPSK系统是一种高效率的信息传输方式。但是，当M的取值增加时，载波间的相位差也随之减少，这就使它的抗噪声性能变差。数字通信系统模型如图2.1所示。图1.1.1数字通信系统模型信源编码信道编码数字调制数字解调信道译码信源译码收信者信道噪声源信息源51.2BPSK简介1.2.1BPSK的概念及分类BPSK(BinaryPhaseShiftKeying)，把模拟信号转换成数据值的转换方式之一，利用偏离相位的复数波浪组合来表现信息键控移相方式。BPSK使用了基准的正弦波和相位反转的波浪，使一方为0，另一方为1，从而可以同时传送接受2值(1比特)的信息。移相键控分为绝对移相和相对移相两种。以未调载波的相位作为基准的相位调制叫作绝对移相。以二进制调相为例，取码元为“1”时，调制后载波与未调载波同相；取码元为“0”时，调制后载波与未调载波反相；“1”和“0”时调制后载波相位差180°。1.3BPSK信号的产生就模拟调制法而言，与产生2ASK信号的方法比较，只是对s(t)要求不同，因此BPSK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s(t)控制开关电路，选择不同相位的载波输出，这时s(t)为单极性NRZ或双极性NRZ脉冲序列信号均可。BPSK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。BPSK信号相干解调的过程实际上是输入已调信号与本地载波信号进行极性比较的过程，故常称为极性比较法解调。由于BPSK信号实际上是以一个固定初相的未调载波为参考的，因此，解调时必须有与此同频同相的同步载波。如果同步载波的相位发生变化，如0相位变为π相位或π相位变为0相位，则恢复的数字信息就会发生“0”变“1”或“1”变“0”，从而造成错误的恢复。这种因为本地参考载波倒相，而在接收端发生错误恢复的现象称为“倒π”现象或“反向工作”现象。绝对移相的主要缺点是容易产生相位模糊，造成反向工作。这也是它实际应用较少的主要原因。1.4BPSK调制1.4.1调制的概念调制（modulation)就是对信号源的信息进行处理加到载波上，使其变为适合于信道传输的形式的过程，就是使载波随信号而改变的技术。一般来说，信号源的信息（也称为信源）含有直流分量和频率较低的频率分量，称为基带信号。基带信号往往不能作为传输信号，因此必须把基带信号转变为一个相对基带频率而言频率非常高的信号以适合于信道传输。这个信号叫做已调信号，而基带信号叫做调制信号。调制是通过改变高频载波即消息6的载体信号的幅度、相位或者频率，使其随着基带信号幅度的变化而变化来实现的。而解调则是将基带信号从载波中提取出来以便预定的接收者（也称为信宿）处理和理解的过程。1.4.2调制的种类调制的种类很多，分类方法也不一致。按调制信号的形式可分为模拟调制和数字调制。用模拟信号调制称为模拟调制；用数据或数字信号调制称为数字调制。按被调信号的种类可分为脉冲调制、正弦波调制和强度调制(如对非相干光调制)等。调制的载波分别是脉冲，正弦波和光波等。正弦波调制有幅度调制、频率调制和相位调制三种基本方式，后两者合称为角度调制。此外还有一些变异的调制，如单边带调幅、残留边带调幅等。脉冲调制也可以按类似的方法分类。此外还有复合调制和多重调制等。不同的调制方式有不同的特点和性能。1.4.3调制的作用调制在通信系统中有十分重要的作用。通过调制，不仅可以进行频谱搬移，把调制信号的频谱搬移到所希望的位置上，从而将调制信号转换成适合于传播的已调信号，而且它对系统的传输有效性和传输的可靠性有着很大的影响，调制方式往往决定了一个通信系统的性能。1.4.4调制方式在通信中，我们常常采用的调制方式有以下几种：1、模拟调制：用连续变化的信号去调制一个高频正弦波，主要有：1)幅度调制（调幅AM、双边带DSB、单边带SSB、残留边带VSB以及独立边带ISB）；2)角度调制（调频FM，调相PM）两种。因为相位的变化率就是频率，所以调相波和调频波是密切相关的；2、数字调制：用数字