DPSK与PAM混合调制与相干解调系统仿真

长沙理工大学

《通信原理》课程设计报告

学 院 计通学院 专 业 通信工程 班 级 学 号 学生姓名 指导教师 课程成绩 完成日期

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课程设计成绩评定

学 院 计通学院 专 业 通信工程 班 级 学 号

学生姓名 指导教师 完成日期

指导教师对学生在课程设计中的评价

评分项目 课程设计中的创造性成果 学生掌握课程内容的程度 课程设计完成情况 课程设计动手能力 文字表达 学习态度 规范要求 课程设计论文的质量

优 良 中 及格 不及格 指导教师对课程设计的评定意见

综合成绩 指导教师签字 年 月 日

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课程设计任务书

计算机与通信工程 学院 通信工程 专业

课程名称 通信原理 学生姓名 题 目 时间 2011～2012学年第一学期16～17周 指导老师 DPSK与PAM混合调制与相干解调系统仿真 主要内容： 利用MATLAB集成环境下的Simulink仿真平台，设计一个DPSK与PAM混合调制与相干解调系统，分别在理想信道和非理想信道中运行，并把运行仿真结果输入显示器，根据显示结果分析所设计的系统性能。 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：用高斯白噪声模拟有线信道，并将噪声源的方差适当设置，分析比较通过三种不同信道后的接收信号的性能。 4）在老师的指导下，要求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。 应当提交的文件： （1）课程设计学年论文。 （2）课程设计附件。

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DPSK与PAM混合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与PAM混合调制与相干解调系

统，分别在理想信道和非理想信道中运行。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；PAM；调制；解调；仿真。

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目录

1 引 言 ............................................................... 6

1.1 课程设计目的 ...................................................... 6 1.2 课程设计具体要求 .................................................. 7 1.3 设计平台 .......................................................... 7

2 Simulink简介 ....................................................... 8

2.1 Simulink仿真平台简介 ............................................... 8

3 设计原理 ............................................................ 9

3.1 DPSK调制与解调原理 ............................................... 9 3.2 PAM调制与解调原理 ............................................... 10

4 具体实现 ............................................................ 12

4.1理想信道DPSK与PAM混合调制与相干解调 ........................... 12 4.2加入高斯信道DPSK与PAM混合调制与相干解调 ......................... 17

5 结束语 .............................................................. 21 6 参考文献 ............................................................ 22

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1 引 言

通信(Communication)就是信息的传递，是指由一地向另一地进行信息的传输与交换，其目的是传输消息。然而，随着社会生产力的发展，人们对传递消息的要求也越来越高。在各种各样的通信方式中，利用“电”来传递消息的通信方法称为电信(Telecommunication)，这种通信具有迅速、准确、可靠等特点，且几乎不受时间、地点、空间、距离的，因而得到了飞速发展和广泛应用。可以预见，未来的通信对人们的生活方式和社会的发展将会产生更加重大和意义深远的影响。

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。

本课程设计主要是利用MATLAB集成环境下的Simulink仿真平台，设计一个DPSK与PAM混合调制与相干解调系统，分别在理想信道和非理想信道中运行，并把运行仿真结果输入显示器，根据显示结果分析所设计的系统性能。

1.1 课程设计的目的

通信原理课程设计是重要的实践性教学环节。在进行了专业基础课和《通信原理》课程教学的基础上，设计或分析一个简单的通信系统，有助于加深对通信系统原理及组成的理解。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

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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：用高斯白噪声模拟有线信道，噪声源的方差适当设置，分析比较通过三种不同信道后的接收信号的性能。

4）在老师的指导下，要求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。

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2 Simulink简介

2.1 Simulink仿真平台简介

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提供了交互式图形化环境和可定制模块库来对其进行设计、仿真、执行和测试。.构架在Simulink基础之上的其他产品扩展了Simulink多领域建模功能，也提供了用于设计、执行、验证和确认任务的相应工具。Simulink与MATLAB® 紧密集成，可以直接访问MATLAB大量的工具来进行算法研发、仿真的分析和可视化、批处理脚本的创建、建模环境的定制以及信号参数和测试数据的定义。

设计仿真模型时，从模型库中选中模块，单击鼠标右键，选择\"Add to untitled\"，或直接把模块拖到仿真模型中，即可加入模块。Simulink模型库窗口还提供了查找功能，单击

按钮，在弹出的模块查找对话框中输入模块名称关键字，单击\"Find Next\"即可

自动搜索整个模型库。

在过去几年中，Simulink已经成为院校和工程领域中广大师生和研究人员用来建模和方针动态系统的软件包。Simulink鼓励人们去尝试，可以用它轻松的搭建一个系统模型，并设置模型参数和方针参数，并且立即观察到改变后的方针结果。

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3 设计原理

3.1 DPSK调制与解调原理

DPSK是利用前后相邻码元的载波相对相位变化传递数字信息，所以又称相对相移

键控，DPSK与传统的OOK相比，具有较好的抗色散和抗非线性的能力。对于给定的误码率，DPSK的光信噪比（OSNR）与OOK相比，有3dB的优势。相干DPSK是目前用得最多的数字调制方式[1]。DPSK信号差分相干解调方式，也称为相位比较法，是一种非相干解调方式，这对于提取载波比较困难的应用来说是非常受欢迎的，其次是DPSK调制与差分解调通信系统能克服相位模糊。 (1) DPSK调制原理

相对调相信号的产生过程：首先对数字基带信号进行差分编码，即由绝对码变为相对码（差分码），然后再进行绝对调相。差分编码可分为两种：传号差分码和空号差分码。传号差分码是用跳变表示“1”，空号差分码是用跳变表示“0”。传号差分码的编码规则为：bn= an⊕bn-1。最初的bn-1可任意设定，DPSK调制模型及波形如图3.1-1所示

图3.1-1 DPSK调制模型及波形图 (2) DPSK解调原理

差分相干解调是DPSK信号的一种解调方法，DPSK差分相干解调分析模型如图3.1-2所示。用这种方法解调时不需要专门的相干载波，只需由收到的DPSK信号延时一个码元间隔Ts，然后与DPSK信号本身相乘。相乘器起着相位比较的作用，相乘结果反映了前后码元的相位差，经过低通滤波后再抽样判决，即可直接恢复出原始数字信息。

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0 0 1 1 0 0 1 1 1 1 0 0

图3.1-2 DPSK差分相干解调模型及波形图

3.2 PAM调制与解调原理

PAM类似于AM，用二进制脉冲序列作为载波受控于基带信号的幅度，就是取样定理。而解调只需通过相关的低通滤波器，滤出基带信号。 (1) 幅度调制原理

设脉冲载波以s(t)表示，它是由脉宽为τ秒、重复同期为Ts秒的矩形脉冲串组成，其中Ts是按抽样定理确定的，即有Ts=1/(2fH)秒。其产生方框图为3.2-1(a)所示，基带信号的波形及频谱如图3.2-1(b)所示；脉冲载波的波形及频谱如图3.2-1(c)所示；已抽样的信号波形及频谱如图3.2-1(d)所示。

图3.2-1 矩形脉冲为载波调制原理与波形和频谱

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因为已抽样信号是x(t)与s(t)的乘积，所根据频率卷积定理，可以写出相应的频域表达式： Xs()1[X()*S()]=Sa(nH)X(2nH) (3-6) 2πT式(3-6)中S()是S(t)的频谱函数，根据S(t)信号的定义可以认为，S(t)表示的矩形脉冲串是由脉宽为τ秒的门函数g(t)与周期性冲激函数T(t)卷积得到，根据频率卷积定理，其相应的时域和频域表达式分别如下：

g(t)1,|t|/20,|t|/2G()Sa(2)

T(t)(tkTs)T()2π(2nH) Ts2πTss(t)g(t)T(t)S()G()T()Sa(nH)(2nH) (3-7)

(2) PAM的解调原理

图3.2-2 矩形脉冲为载波解调原理图

分析式(3-7)可以发现，当n = 0时得到的频谱函数为(/Ts)X()，与信号x(t)的频谱函数X()进行比较，只是差一个比例常数(/Ts)，因此，采样频率只要满足fs≥2fH，就可以用一个带宽满足fH≤B≤fsfH的理想低通滤波器，把X()的成分取出来，以不失真地恢复x(t)的波形如图3.2-2所示。

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4 具体实现

4.1理想信道DPSK与PAM混合调制与相干解调

利用Simulink仿真平台构造出的DPSK与PAM混合调制与相干解调系统如图4.1-1所示。

图4.1-1 DPSK与PAM混合调制与相干解调仿真图

如仿真图所示，系统设置了2个示波器，两个低通滤波器。

仿真系统架构，不仅要找对每个对应的模块，还要对每个模块进行正确的参数设置。在这里列举部分模块的参数设置图，如下图所示。

图4.1-2 伯努力二进制信号发生器参数设置 图4.1-3 差分编码器参数设置

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图4.1-4极性变换器参数设置 图4.1-5示波器参数设置

图4.1-6 脉冲序列参数设置 图4.1-7 正弦波参数设置

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图4.1-8 DPSK与PAM混合调制波形图

图4.1-8为scope示波器的波形图，通道一为需调制的2进制电平信号；通道二为正弦载波信号；通道三为调制后的DPSK信号；通道四为脉冲序列载波信号；通道五为DPSK与PAM混合调制后的信号。经过对波形的观察，可以知道该调制过程是成功的。

图 4.1-9 Analog Filter Design参数设置 图4.1-10 Analog Filter Design1参数设置

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图4.1-11 Zero-Order Hold参数设置 图4.1-12 Quantizing Encoder参数设置

图4.1-13 Error Rate Calculation参数设置 图4.1-14 Display参数设置

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图4.1-15 DPSK与PAM混合调制相干解调波形图

通道一为DPSK与PAM混合调制后的信号；通道二为已调信号经过滤波器后的信号；通道三为相干解调本地载波；通道四为信号与本地载波相乘后的解调信号；通道五为解调信号经过低通滤波器后；通道六为解调信号抽样量化；通道七为解调得到的信号；通道八为原始需解调的信号。经过对波形的观察，通道七与通道八信号相同，有时延，可以知道该解调过程是成功的。

图4.1-16 误码率模块

通过误码率模块可以计算整个调制解调系统的误码率，如图4.1-16，根据Display可以看出，理想信道系统误码率为0，系统成功。

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4.2加入高斯信道DPSK与PAM混合调制与相干解调

利用Simulink仿真平台构造出高斯信道下的DPSK与PAM混合调制与相干解调系统如图4.2-1所示。

图4.2-1 高斯信道下的DPSK与PAM混合调制与相干解调仿真图 所谓高斯白噪声是指由于热噪声是由大量自由电子的运动产生的，其统计特性服从高斯分布的这类热噪声，其高斯白噪声的参数设置如图4.2-2。图4.2-1是加入高斯白噪声的原理图，在调制信道与相干解调信道之间，加入高斯白噪声，将调制信号与白噪声相加即可。

图4.2-2 高斯噪声参数设置

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图4.2-3 加入高斯噪声后Scope的波形图

图4.2-3中通道1-5和加噪声前一样，但通道6为加噪声后的已调信号，和通道5对比，可以看出噪声对信号产生了明显的干扰。

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图4.2-4加入高斯噪声后相干解调Scope1波形图

加入高斯白噪声的相干解调波形，如图4.2-4所示，通道一为DPSK与PAM混合调制后的信号；通道二为已调信号经过滤波器后的信号；通道三为相干解调本地载波；通道四为信号与本地载波相乘后的解调信号；通道五为解调信号经过低通滤波器后；通道六为解调信号抽样量化；通道七为解调得到的信号；通道八为原始需解调的信号。

把此图与理想通道状态下的图4.1-15比较，通道一、二、四、五的波形都出现了部分失真以及幅度的变化，通道六、七也出现了误码。说明高斯白噪声对信号产生了部分影响。

图4.2-5 误码率模块（加入高斯噪声后）

由Display显示模块可得，相对图4.1-16 误码率模块，可以看出信号解调出现误码。

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高斯白噪声修改如图4.2-6，得到波形图4.2-7，由此可以看出，信号出现的失真现象更明显，这表明高斯白噪声越大，对信号产生的失真越明显。

图4.2-6 高斯噪声参数设置

图4.2-7改变高斯噪声后相干解调的相关波形

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5 结束语

经过这次课程设计，我学会了在MATLAB集成环境下的Simulink仿真平台上设计一个DPSK与PAM混合调制与相干解调的通信系统，对MATLAB这一强大应用工具有了进一步的学习，对数字信号频带传输系统的学习理解更深刻了，与此同时，在课程设计中我也发现了自己的许多不足，如理论知识还存在很多漏洞，缺乏实践经验，钻研精神不够，理论联系实际的能力还有待不断地加强和提高。

本次课程设计中，一切操作都是在计算机上运用MATLAB\\Simulink软件进行系统仿真，在以前的课内学习中，我都是把学习重心放在理论知识的学习上，而缺乏上机实践，本次课程设计对我的上机实践是一个很好的训练，加强我对理论知识的理解并提升了实际操作能力。

在设计之初，我根据DPSK和PAM调制解调原理框图，在Simulink中找出对应的模块，并正确连接框图，但得不到正确的波形图。之后我通过翻阅了有关参考书，也多次请教了老师，最终得到DPSK和PAM混合调制与想干解调在理想和非理想信道中的传输仿真模型，并在Simulink仿真平台上仿真成功。这一路做走过来，在老师和同学的帮助下，通过自己的思考，把遇到的问题都一一解决了。在这一过程中我发现了思考和学习的乐趣，也明白了世上无难事，只怕有心人这句话的含义。同时，我也感觉到了班级体这个大家庭的温暖，当我有什么困难时，总是能得到及时的帮助。在此，我衷心的感谢帮助过我的老师和同学们。

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6 参考文献

[1] 动态系统仿真工具Matlab／Simulink简介.维库电子市场

[2] 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 [3] 樊昌信，曹丽娜. 通信原理. 国防工业出版社，2008年

[4] 孙屹，李妍. MATLAB通信仿真开发手册.国防工业出版社，2005年1月

[5] 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