1 课程设计目的

通过课程设计，巩固已经学过的通信原理课程中有关数字调制系统的知识，加深对相关知识的理解和应用，学会应用Matlab Simulink工具对通信系统进行仿真和调试。设计与实现的过程中充分利用图书馆和网络资源，提高发现问题和自主解决问题的能力。

2 课程设计内容及基本原理

2.1 课程设计内容

设计一个2PSK数字通信系统或一个2DPSK数字通信系统，具体要求如下：
要求：
（1）掌握调制方式的基本工作原理:：调制方法, 解调方法
（2）通信系统的设计：仿真框图 , 功能模块选取,参数设置（如码速率、仿真时间、系统抽样频率、载波频率、滤波器的截止频率等）
（3） Matlab仿真：显示系统不同部分的信号波形：基带信号波形、已调信号波形、加噪信号波形、以及解调后信号波形，2DPSK还需显示码变换前后的波形

要求系统中加入高斯白噪声，分析噪声对信号的影响，基带信号和已调信号的功率谱密度分析，用眼图观察码间串扰，误码率分析。
注：（1）本系统要求必须使用Simulink仿真实现，且不允许直接使用Simulink的调制和解调模块。

2.2 系统基本原理

2.2.1 码变换器
本模块的功能是将绝对码变换成相对码，相对码利用相邻码元载波相位的相对值表示基带信号的‘0’和‘1’，从而可以消除PSK的相位模糊的问题。

eg: 绝对码：0110 1000 1111 其相对码为：0100 1111 0101
2.2.2 调制

以下框图可以实现上述公式，当相对码为‘0’时，通过码元控制接通上面的开关；当相对码为‘1’时，通过码元控制接通下面的开关。
从实际电路来说，该开关可使用一个电子开关芯片来实现。
码变换在前述2.1节已经说明，此处不再赘述。

2.2.3 解调
2.2.3.1 相干解调法
2DPSK信号先经过带通滤波器，滤掉调制信号频带以外的在信道中混入的噪声，再和本地载波相乘，去除调制信号中的载波成分，再经过低通滤波器去除高频成分，得到包含基带信号的低频信号，将该信号再送入抽样判决器里进行抽样判决得到基带信号的相对码，再经过逆码变换，就得到了基带信号。

2.2.3.2 相位比较法
2DPSK信号先经过带通滤波器，滤掉调制信号频带以外的在信道中混入的噪声，此后该信号分为两路，一路延时一个码元的时间后与另一路的信号相乘，再经过低通滤波器去除高频成分，得到包含基带信号的低频信号，将该信号送入抽样判决器中进行抽样判决，抽样判决器的输出即为原基带信号。

2.2.4 逆码变换器
相对码利用相邻码元载波相位的相对值表示基带信号的‘0’和‘1’，所以可以根据相对码元的微分整流+脉冲展宽来恢复出绝对码，而下面的框图就实现了这样的功能。

3 仿真设计过程

3.1 仿真系统框图

因各模块的框图已在原理中体现，此处只体现系统的总体框图。
3.1.1 基于相干解调法的2DPSK数字通信系统框图

3.1.2 基于相位比较法的2DPSK数字通信系统框图

可以观察到，基于相位比较法的2DPSK数字通信系统逆码变换器，解调后输出的直接是绝对码元。

3.2 SimuLink仿真图

详细仿真图见：https://download.csdn.net/download/weixin_44410704/19702499

3.2.1 基于相干解调法的2DPSK数字通信系统
本系统中比较特别的地方在于：
（1）解调模块中，信号通过低通滤波器后将信号乘以了2，原因在于信源经过前面的调制与解调之后，会衰减到原信源的0.5，此处乘以2后起到恢复信源幅度的作用，从而提高抽样判决的准确性。

（2）在抽样判决之前添加了一个Sample time为0.5的零阶保持器，其作用在于给每个码元进行两次判决，提高准确性；在抽样判决之后添加了一个Sample time为1的零阶保持器，原因是经抽样判决之后，码元数目增加了一倍，此处要得到信源的码元个数，要加上一个Sample time为1的零阶保持器。整体的目的在于提高误码率。

（3）在误码率分析之前添加了两个转换器，原因在于Simulink提供的误码率分析模块输入参数必须是double类型，但我们的码元输出是boolean类型，为了实现类型匹配添加了Conventer转换器。

3.2.2 基于相位比较法的2DPSK数字通信系统
本系统与基于相干解调法的2DPSK数字通信系统存在很多的相似之处，前述基于相干解调法的2DPSK数字通信系统的特别之处，此处不再赘述。
本系统的特别之处在于，延迟单元是通过延时1000个采样点来实现延时一个码元的；在解调模块中，信号通过低通滤波器后将信号乘以了-2，原因在于信号在通过前面的相乘器后码元会反转，并且码元的幅度变为原来的0.5，因此为提高判决准确性乘以了-2。

3.3 系统参数设定

3.3.1 信源
信源的码元速率设置为10Baud/s即Sample time设置为0.1，‘0’和‘1’码元出现的概率分别为0.5即Probability of zero设置为0.5，如下图：

3.3.2 调制
载波的频率设置为100hz即Frequency设置为1002pi rad/sec，采样时间设置为0.0001即每个周期采样100个点，如下图：

3.3.3 信道
信道使用的高斯白噪声信道，可以根据需要修改SNR的值从而改变信噪比，如下图：

3.3.4 解调
3.3.4.1 带通滤波器
带通滤波器选择的巴特沃斯滤波器。
通带为：90hz_{110hz，原因是基带信号码元传输速率为10Baud/s，载波信号的频率为100hz，所以调制后其功率谱密度90hz}110hz之间包含了全部的信息；从而更多得滤除通带外噪声的影响。
采样频率设置为与前述载波的采样频率一致，即10000。

3.3.4.2 低通滤波器
低通滤波器的通带截止频率设置为了10hz,阻带截止频率设置为了15hz。因为经相乘器以后，得到高频部分和低频部分，而低频部分包含了所有的基带信号信息，而低频部分的频率为10hz。

3.3.4.3 抽样判决
将判决电平设置为0.05，经实验发现该判决电平的效果很好，如下图：

3.3.5 频谱分析
在频谱分析仪之前添加了一个零阶保持器，其Sample time设置为0.0001，与载波的采样频率一致；此处必须一致，否则频谱出错。
3.3.6 眼图
眼图前面接了一个零阶保持器，其Sample time设置为0.001，表示每个码元采样100个点。
眼图的参数设置为Samples per symbol = 100，表示每个码元采样100个点；Samples per trace = 2，表示追踪2个码元。如下图：

3.4 仿真的结果及分析

3.4.1 基于相干解调法的2DPSK数字通信系统
考虑到码元过多会导致波形不清晰，前4个波形图（3.4.1）中对应的接收端收到十个码元；后面的频谱图及眼图的接收端收到很多码元（具体的看3.4.1的第(8)点的相关图）；信噪比为1。
（1）绝对码和相对码

（2）已调信号波形和加噪信号波形

（3）解调过程产生的波形

（4）解调后的相对码和绝对码与信源绝对码的对比

可以观察到由解调后的绝对码相比于信源来说延迟了4个码元。
（5）基带信号频谱图

（6）已调信号频谱图

由频谱图可以看出，2DPSK的频谱存在两个峰，其中一个峰在100hz处，另一个峰在-100hz处，其带宽为2fs。
（7）眼图
信噪比10dB

信噪比1dB

信噪比0dB

信噪比-10dB

信噪比-15dB

信噪比-20dB

(哈哈哈，感觉好像一只熊猫眼) 在眼图中，上下阴影区的垂直高度表示接收信号振幅失真范围，噪声越大，失真越严重，垂直高度越高。可以对比六张图发现，随着信噪比的降低，眼睛睁得更小了，上下两边的厚度逐渐增加。（8）误码率信噪比10dB ![](https://img-blog.csdnimg.cn/20210617193403195.png?x-oss-process=image/watermark,type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk,shadow_10,text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80NDQxMDcwNA==,size_16,color_FFFFFF,t_70#pic_center)

信噪比1dB

信噪比0dB

信噪比-10dB

信噪比-15dB

信噪比-20dB（此验证只起到对比的作用）

可以看到，当信噪比大于-10dB时，误码率为0；而信噪比为-15dB时，误码率明显增大，信噪比为-20dB时，误码率继续增大。可见，随着信噪比的减小，误码率逐渐增加。
3.4.2 基于相位比较法的2DPSK数字通信系统
由于绝对码和相对码、已调信号波形和加噪信号波形、基带信号频谱图、已调信号频谱图、眼图与基于相干解调法的2DPSK数字通信系统是一样的，因此关于基于相位比较法的2DPSK数字通信系统的相关部分不再赘述。此处仅讨论解码、解调后的相对码和绝对码与信源绝对码的对比、以及误码率分析。
（1）解码

对比信源绝对码元可以观察到，经过低通滤波器后，各个码元反转了，因此须在低通滤波器后添加一个反转码元的模块（已在仿真图中给出）。
（2）解调后的相对码和绝对码与信源绝对码的对比

可以观察到接收码元相对于信源来说延迟了四个码元，信源的第一个码元丢失，也就是说Computation延迟了一个码元。原因在于解调过程的第一个码元无前一码元进行相位比较。
（3）误码率分析
本分析只考虑信噪比为10dB和-10dB时的误码率分析，因为当信噪比大于0dB时误码率都为0，无法进行比较。
信噪比10dB

信噪比-10dB

对比基于相干解调法的2DPSK数字通信系统的误码分析，可见基于相位比较法的2DPSK数字通信系统性能差一些。同样的信噪比-10dB，同样的调制电路；相干解调误码率为0，而相位比较法误码率为0.1左右，性能差太多了。
四、课程设计小结
4.1 课程设计中遇到的问题
（1）在逆码变换器设计时
在该模块设计过程当中，我首先根据已学知识知道需要一个微分整流和一个脉冲展宽，但是不知道在Simulink中不知道使用什么样的逻辑，百思不得其解。
最后在网上查找才得出现在的方案，实践可知，该方案可用。
（2）在频谱分析时
不知道采样频率要怎么设置，后来设置为和载波的采样频率一致，最后频谱分析才正确。
（3）在误码率分析时
因误码率分析模块的输入参数要求double,而解调后输出的参数是boolean，当时测试一直报错说类型不匹配。
最后想出使用一个转换器将boolean类型转变为double类型，问题解决。
4.2 实验结果
根据各个波形图、频谱图、眼图和误码分析，得出实验结果正确。
但是误码率总是为0，又由于设备条件不足，无法实现更多码元的仿真，我更改了信噪比以体现系统的效果。同时我还比较了相干解调和相位比较法的性能，发现相干解调比相位比较法的性能好很多。
从实际计算知道，误码率一般小于10^(-5)数量级，因此根据本仿真的结果，本仿真符合题目要求。

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基于相干解调法和基于相位比较法的2DPSK数字通信系统 MATLAB Simulink仿真

1 课程设计目的

2 课程设计内容及基本原理

2.1 课程设计内容

2.2 系统基本原理

3 仿真设计过程

3.1 仿真系统框图

3.2 SimuLink仿真图

3.3 系统参数设定

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