数字调制2PSK的实现及SIMULINK的模型建立和仿真

通信原理
课程设计报告




题 目 数字调制2PSK的实现及SIMULINK
的模型建立和仿真
学院(部)
专 业
学生姓名
学 号 年级
指导教师 职称

二O一0年 十二

目录
第一章 课程设计的任务说明 .................................................. .................................................. ..... 2
1.1 课程设计的目的 .......................... .................................................. ................................... 2
1.2 课程设计的要求 .......................................... .................................................. ................... 2
第二章 MATLABSIMULINK简介 ... .................................................. ................................................. 3
第三章 通信技术的历史和发展 ............................. .................................................. ...................... 4
3.1通信的概念 ............ .................................................. .................................................. ........ 4
3.2 通信的发展史简介 ...................... .................................................. ................................... 5
3.3通信技术的发展现状和趋势 .............................. .................................................. ............ 5
第四章 2PSK的基本原理和实现 .............. .................................................. .................................... 6
4.1 2PSK的产生 .......................................... .................................................. ...................... 6
4.2 2PSK信号的功率谱示意图如图所示： ............................... ......................................... 7
4.3 2PSK信号的解调及抗噪声性能的分析 ....................... .................................................. . 7
第五章 Smulink的模型建立和仿真 ...................... .................................................. .................... 11
5.1 建立模型方框图 .......... .................................................. ................................................. 11
5.2 参数设置 .................................. .................................................. ..................................... 11
5.3 波形仿真图 ............................................ .................................................. ....................... 16
5.4 不同信噪比下的误码率 .... .................................................. ........................................... 18
总结 ........................................... .................................................. .................................................. . 19
参考文献..................................... .................................................. .................................................. 20
附录 ........................................ .................................................. .................................................. .... 21
















1

第一章 课程设计的任务说明
1.1 课程设计的目的
（1）通过利用matlab simulink，熟悉matlab simulink仿真工具。
（2）通过课程设计来更好的掌握课本相关知识，熟悉2PSK的调制与解调。
（3）更好的 了解通信原理的相关知识，磨练自己分析问题、查阅资料、巩固知识、创新等
各方面能力。
1.2 课程设计的要求
（1）掌握课程设计涉汲到的相关知识，相关概念、原理清晰，明了。
（2）仿真图设计合理、能够正确运行。
（3）按照要求撰写课程设计报告。

2

第二章 MATLABSIMULINK简介
美国Mathworks公司于1967年推出了矩阵实验室“Matrix Laboratory” （缩写为Matlab）
这就是Matlab最早的雏形。开发的最早的目的是帮助学校的老师和学生更 好的授课和学习。
从Matlab诞生开始，由于其高度的集成性及应用的方便性，在高校中受到了极大 的欢迎。
由于它使用方便，能非常快的实现科研人员的设想，极大的节约了科研人员的时间，受到了大多数科研人员的支持，经过一代代人的努力，目前已发展到了7.X版本。 Matlab是一
种解释性执行语言，具有强大的计算、仿真、绘图等功能。由于它使用简单，扩充方便，尤
其是世界上有 成千上万的不同领域的科研工作者不停的在自己的科研过程中扩充Matlab的
功能，使其成为了巨大 的知识宝库。可以毫不夸张的说，哪怕是你真正理解了一个工具箱，
那么就是理解了一门非常重要的科学 知识。科研工作者通常可以通过Matlab来学习某个领
域的科学知识，这就是Matlab真正在全 世界推广开来的原因。目前的Matlab版本已经可以
方便的设计漂亮的界面，它可以像VB等语言一 样设计漂亮的用户接口，同时因为有最丰富
的函数库（工具箱），所以计算的功能实现也很简单，进一步 受到了科研工作者的欢迎。另
外，,Matlab和其他高级语言也具有良好的接口，可以方便的实现与 其他语言的混合编程，
进一步拓宽了Matlab的应用潜力。可以说，Matlab已经也很有必要成 为大学生的必修课之
一，掌握这门工具对学习各门学科有非常重要的推进作用。
Simuli nk是MATLAB中的一种可视化仿真工具，也是目前在动态系统的建模和仿真等方
面应用最广泛的工 具之一 。确切的说，Simulink是一个用来对动态系统进行建模、仿真和
分析的软件包，它支持 线性和非线性系统，连续、离散时间模型，或者是两者的混合。系统
还可以使多种采样频率的系统，而且 系统可以是多进程的。Simulink工作环境进过几年的
发展，已经成为学术和工业界用来建模和仿 真的主流工具包。在Simulink环境中，它为用
户提供了方框图进行建模的图形接口，采用这种结 构画模型图就如同用手在纸上画模型一样
自如、方便，故用户只需进行简单的点击和拖动就能完成建模， 并可直接进行系统的仿真，
快速的得到仿真结果。它的主要特点在于：1、建模方便、快捷；2、易于进 行模型分析；3、
优越的仿真性能。它与传统的仿真软件包微分方程和差分方程建模相比，具有更直观、 方便、
灵活的优点。Simulink模块库（或函数库）包含有Sinks（输出方式）、Sourc es（输入源）、
Linear（线性环节）、Nonlinear（非线性环节）、Connecti on（连接与接口）和Extra（其
他环节）等具有不同功能或函数运算的Simulink库模块（ 或库函数），而且每个子模型库中
包含有相应的功能模块，用户还可以根据需要定制和创建自己的模块。 用Simulink创建的
模型可以具有递阶结构，因此用户可以采用从上到下或从下到上的结构创建模 型。用户可以
从最高级开始观看模型，然后用鼠标双击其中的子系统模块，来查看其下一级的内容，以此
类推，从而可以看到整个模型的细节，帮助用户理解模型的结构和各模块之间的相互关系。
在定 义完一个模型后，用户可以通过Simulink的菜单或MATLAB的命令窗口键入命令来对它
进行 仿真。菜单方式对于交互工作非常方便，而命令行方式对于运行仿真的批处理非常有用。
采用Scope 模块和其他的显示模块，可以在仿真进行的同时就可立即观看到仿真结果，若改
变模块的参数并再次运行 即可观察到相应的结果，这适用于因果关系的问题研究。仿真的结
果还可以存放到MATLAB的工作空 间里做事后处理。模型分析工具包括线性化和整理工具，
MATLAB的所有工具及Simulink本 身的应用工具箱都包含这些工具。由于MATLAB和SIMULINK
的集成在一起的，因此用户可以 在这两种环境下对自己的模型进行仿真、分析和修改模型。
但是Simulink不能脱离MATLAB 而独立工作。

3

第三章 通信技术的历史和发展

3.1通信的概念
通信就是克服距离上的 障碍，从一地向另一地传递和交换消息。消息是信息源所产生的，
是信息的物理表现，例如，语音、文字 、数据、图形和图像等都是消息(Message)。消息有
模拟消息（如语音、图像等）以及数字消息 （如数据、文字等）之分。所有消息必须在转换
成电信号（通常简称为信号）后才能在通信系统中传输。 所以，信号（Signal）是传输消息
的手段，信号是消息的物质载体。
相应的信号可分为 模拟信号和数字信号，模拟信号的自变量可以是连续的或离散的，但
幅度是连续的，如电话机、电视摄像 机输出的信号就是模拟信号。数字信号的自变量可以是
连续的或离散的，但幅度是离散的，如电船传机、 计算机等各种数字终端设备输出的信号就
是数字信号。
通信的目的是传递消息，但对受信者有 用的是消息中包含的有效内容，也即信息
(Information) 。消息是具体的、表面的，而信息是抽象的、本质的，且消息中包含的信息
的多少可以用信息量来度量。
通信技术，特别是数字通信技术近年来发展非常迅速，它的应用越来越广泛。通信从本
质上来讲 就是实现信息传递功能的一门科学技术，它要将大量有用的信息无失真，高效率地
进行传输，同时还要在 传输过程中将无用信息和有害信息抑制掉。当今的通信不仅要有效地
传递信息，而且还有储存、处理、采 集及显示等功能，通信已成为信息科学技术的一个重要
组成部分。
通信系统就是传递信息所需 要的一切技术设备和传输媒质的总和，包括信息源、发送设
备、信道、接收设备和信宿(受信者) ，它的一般模型如图3-1-2所示。
信息源?发送设备?信道?接收设备?受信者

↑
噪声源

图3.1.1通信系统一般模型
通信系统可分为数字 通信系统和模拟通信系统。数字通信系统是利用数字信号来传递消
息的通信系统，其模型如图3-1-2 所示，
信
信
源
源
信
道
数
字
制< br>器
数
信
信
字受
道源
信
息?编?编?调? ?解?译?译?信
码
器
码
器
道
调
器
码器
码
器
者
↑
噪声源

图3.1.2 数字通信系统模型

模拟通信系统是利用模拟信号来传递消息的通信系统，其模型如图3-1-3所示。

4

信息源?调制器?信道?解调器?受信者

↑
噪声源

图3.1.3 模拟通信系统模型
数字通信系统较模拟通信系统而 言，具有抗干扰能力强、便于加密、易于实现集成化、
便于与计算机连接等优点。因而，数字通信更能适 应对通信技术的越来越高的要求。近二十
年来，数字通信发展十分迅速，在整个通信领域中所占比重日益 增长，在大多数通信系统中
已代替模拟通信，成为当代通信系统的主流。
3.2 通信的发展史简介
远古时代,远距离的传递消息是以书信的形式来完成的,这种通信方式明显具有传递 时
间长的缺点。为了在尽量短的时间内传递尽量多的消息,人们不断地尝试所能找到的各种最
新 技术手段。1837年发明的莫尔斯电磁式电报机标志着电通信的开始,之后，利用电进行通
信的研究取 得了长足的进步。1866年利用海底电缆实现了跨大西洋的越洋电报通信。1876
年贝尔发明了电话 ,利用电信号实现了语音信号的有线传递，使信息的传递变的既迅速又准
确，这标志着模拟通信的开始， 由于它比电报更便于交流使用，所以直到20世纪前半叶这
种采用模拟技术的电话通信技术比电报的到了 更为迅速和广泛的发展。1937年瑞威斯发明
的脉冲编码调制标志数字通信的开始。20世纪60年代 以后集成电路、电子计算机的出现，
使得数字通信迅速发展。在70年代末在全球发展起来的模拟移动电 话在90年代中期被数字
移动电话所代替，现有的模拟电视也正在被数字电视所代替。数字通信的高速率 和大容量等
各方面的优越性也使人们看到了它的发展前途。
3.3通信技术的发展现状和趋势
进入20世纪以来，随着晶体管、集成电路的出现与普及、无线通信迅速发展。特别是
在20世 纪后半叶，随着人造地球卫星的发射，大规模集成电路、电子计算机和光导纤维等
现代技术成果的问世， 通信技术在以下几个不同方向都取得了巨大的成功。
（1）微波中继通信使长距离、大容量的通信成为了现实。
（2）移动通信和卫星通信的出现，使人们随时随地可通信的愿望可以实现。
（3）光导纤维的出现更是将通信容量提高到了以前无法想象的地步。
（4）电子计算机的出 现将通信技术推上了更高的层次，借助现代电信网和计算机的融合，
人们将世界变成了地球村。
（5）微电子技术的发展，使通信终端的体积越来越小，成本越来越低，范围越来越广。
例如 ，2003年我国的移动电话用户首次超过了固定电话用户。根据国家信息产业部的
统计数据，到200 5年底移动电话用户近4亿。
随着现代电子技术的发展，通信技术正向着数字化、网络化、智能化和宽 带化的方向发
展。随着科学技术的进步，人们对通信的要求越来越高，各种技术会不断地应用于通信领域 ，
各种新的通信业务将不断地被开发出来。到那时人们的生活将越来越离不开通信。




5

第四章 2PSK的基本原理和实现
4.1 2PSK的产生


二进制相位调制就是用二进制数字信息控制正弦载波的相位，使正弦载波的相位随着
二进制数字信息的变 化而变化。二进制绝对调相就是用数字信息直接控制载波的相位。例如，
当数字信息为‘1’时，使载波 反相；当数字信息为‘0’时，载波相位不变。图4.1.1为
2PSK波形图（为方便作图，在一个码 元周期内画两个周期的载波）。


图4.1.1 2PSK信号波形图
从图中可以看出，2PSK信号可以看成是双极性基带信号乘以载波而产生的。
必须强调的是：2PSK波形相位是相对于载波相位而言的。因此，画2PSK波形时必须先把载
波画好，然后根据数字信息与载波相位的对应关系，画出2PSK波形。
下面介绍产生2 PSK信号的部件，即2PSK调制器。由以上分析可知，2PSK可以采用相
乘器来实现，其框图如下 ;

二进制信息已调信号2PSK
s’(t)
???????电平交换器? ????????????

s(t)

?
Acos2
?
f
c
t

图 4.1.2 2PSK调制器


电平变换器的作用是将输入的数字信息变成双极性全占空数 字基带信号，需注意的是相同的
数字信息可以变换成两种极性相反的全占空数自己带信号，至于采用哪一 种完全由调制规则
决定如

6

图4.1.3电平变换器输入＼输出波形
（a）采用‘1’变‘0’不变 (b)采用‘0’变‘1’不变。在本次课程设计中采用‘1’变‘0’
不变的准则。
4.2 2PSK信号的功率谱示意图如图所示：




图 4.2.1 2PSK 信号的功率谱

由图可知，2PSK信号的功率谱是 基带信号功率谱的线性搬移其频谱的主要带宽是二进制基
带信号频谱主瓣宽度的两倍，即

B
2PSK
?2f
s

4.3 2PSK信号的解调及抗噪声性能的分析
由于2PSK信号的频谱中无载波分量，所以2P SK信号的解调只有相干解调，这种相干
解调又称极性比较法。2PSK解调框图为：


7

图4.3.1 2PSK信号的相干解调

2PSK信号解调过程中的波形如图:



图4.3.2 2PSK相干解调各点波形示意图
图4.2.3说明此2PSK解调器在无噪声情况下能对2PSK信号正确解调。（b）是受到的2PSK;
(C)是本地载波提取电路提取的同频同相载波信号；（d）是接受2PSK信号与本地载波相乘得到的波形示意图，此波形经过低通滤波器滤波后得到低通信号(e),取样判决器在位定时信号
（f）的控制下对(e)波形取样，在与门限进行比较，做出相应的判决得到恢复的信息（g）。 需要注意的是判决规则应与调制规则一致。本次采用的调制规则为‘1’变‘0’不变所以解
调规则 也用‘1’变‘0’不变。即为取样值大于门限时判为‘0’，当取样值小于门限值时判
为‘1’。但在 实际通信系统中往往存在噪声，噪声会对判决值产生影响，即会产生误码率，
一般假设信道的噪声为高斯 白噪声，下面讨论2PSK解调器在高斯白噪声干扰下的误码率：
（1） 发端发‘1’时受到的2PSK信号为

8

S
2PSK
?
t
?
??acos2
?
f
c
t

带通滤波器的输出时信号加窄带噪声：
?acos2
?
f
c
t?n
i
?
t
?
?[?a?n
I
?< br>t
?
]cos2
?
f
c
?
t
??n
Q
?
t
?
sin2
?
f
c
t

上式与本地载波相乘后：
?acos2
?
f
ct?n
i
?
t
?
?[?a?n
I
?
t
?
]cos
2
2
?
f
c
?
t?
?n
Q
?
t
?
sin2
?
f
c
tcos2
?
f
c
t


?
经低通滤波后：
111
[?a?n
I
?
t?
]?[?a?n
I
?
t
?
]cos4
?f
c
t?n
Q
?
t
?
sin4
?f
c
t

222
x
?
t
?
? ?a?n
I
?
t
?

所以x(t)的取样判决值的概率密度函数为：
?
x?a
?
22?
2
n
f
1
?
x
?
?
1< br>e
2
?
?
n
?

（2） 发端发‘0’时，收到的2PSK信号：
S
2PSK
?
t
?
?acos2
?
f
c
t

带通滤波器的输出时信号加窄带噪声：
acos2
?
f
c
t?n
i
?
t
?
?[a?n
I
?
t
?
]cos2
?
f
c
?
t
?
?n
Q
?
t
?
sin2
?
f
c
t


上式与本地载波相乘后：
a cos2
?
f
c
t?n
i
?
t
?
?[a?n
I
?
t
?
]cos
2
2
?f
c
?
t
?
?n
Q
?
t
?< br>sin2
?
f
c
tcos2
?
f
c
t


?
经低通滤波后：
111
[a?n
I
?
t
?
]?[ a?n
I
?
t
?
]cos4
?
f
c
t?n
Q
?
t
?
sin4
?
f
c
t

222
x
?
t
?
?a?n
I
?
t
?

2
x?a
??
?
所以x(t)的取样判决值的概率密度函数为：

f
1
?
x
?
?
1
e
2
?
?
n
2?
2
n

综上所述可画出概率密度函数曲线：

9

图4.3.3 取样值概率密度函数示意图
当P(0)=P(1)时，最佳门限应选在两条曲线的交点处。即从图可看出最佳判决门效应为0.
所以发‘1’错判‘0’概率为：
P
?
01
?
?
?
f
1
?
x
?
d
x
0
?
1
P
?
01
?
?erfc
2
P
?
10
?
?P
?
01
?
?
1
erfc
2
?
r
?

发‘0’错判‘1’的概率等于发‘1’错判‘0’概率
1
erfc
2
?
r
?

根据图4-3-3及上式可得2PSK相干解调器的误码率公式为
P
e
?
式中
erfc
?
r
?

?
r
?
[P
?
0
?
?P
?
1
?
]?
1
2
a
2
2
r?
2< br>
?
n















10

第五章 Smulink的模型建立和仿真
5.1 建立模型方框图
2PSK信号调制与解调的模型 方框图如下所示，各模块的名称已标注在图上。上半部分
为调制部分，下半部分为解调部分。


图5.1.1
5.2 参数设置

建立好模型之后就要设置系统参数，以达到系统的最佳仿真。
正弦载波参数设置：

11

图5.2.1
正弦波：4HZ，幅度+2
设置依据：载波频率本来应该很高，但是为了波形观察方便，故频率设为4HZ。

12

与载波反相正弦波参数设置：

图5.2.2
反相正弦波：4HZ，幅度-2
设置依据：载波频率本来 应该很高，但是为了波形观察方便，故频率设为4HZ;又要求与载
波反相，故幅度设为-2.










13

伯努利二进制随机序列产生器：


图5.2.3
Bernoulli Random Binary Generator(伯努利二进制随机数产生器 )是基于采样的，其幅度
设置为2，周期为3，占1比为23。
码型变化器参数设置：：


图5.2.4
设置依据：采用1变0不变调制，故极性设为“Negative”.







14

多路选择器参数设置：

图5.2.5

参数设置依据：当二进制序列大于0时，输出第一路信号；当二进 制序列小于0时，输出第
二路信号。
带通滤波器参数设置：

图5.2.6
带通滤波器参数：带通范围为2~7HZ
设置依据：载波频率为4HZ，而基 带号带宽为1HZ，考滤到滤波器的边沿缓降，故设置为2~7HZ。
低通滤波器参数设置：

15

图5.2.7
低通滤波器参数设置：截止频率为1HZ
设置依据：二进制序列的带宽为1HZ，故取1HZ。

取样判决器参数设置：

图5.2.8
取样判决器参数设置：门限值取为0.5，取样时间为1
设置依据：当大于0.5时输出0，当小于0.5时输出1，能达到在1变0不变的取样规则下
正确解码 的目的。
5.3 波形仿真图
调制部分

16

图5.3.1
解调部分







图5.3.2

17

5.4 不同信噪比下的误码率
1) 信噪比设为90:

图5.4.1
此时误码率为:

2）当信噪比设为60时：

图5.4.2
此时误码率为：
结果分析：
由此可见，随着信噪比的降低，误码率是急剧上升的。


18

总结
通过理论指导，从仿真中可以看出在2PSK 调制系统中由于存在信道干扰和码间干扰，
会影响调制系统的性能，及存在一定的误码率，误码率与信噪 比相关，当信噪比提高时。误
码率下降。
在老师和同学的帮助下我顺利的完成了这次课程设计 ，且这次课程设计使用了MATLAB
的SI,MULINK功能对2PSK系统进行建模仿真，使我们 对数字调制有了更进一步的认识，也
对MATLAB中的SIMULINK有了一定的了解，熟悉了它的 一些操作。在此再次感谢老师的指导
和同学的帮助，他们使我更好的完成了这次课程设计。
对 于我来说，收获最大的是方法和能力；那些分析和解决问题的能力。在整个课程设计
的过程中，我发现我 们学生在经验方面十分缺乏，空有理论知识，没有理性的知识；有些东
西可能与实际脱节。总体来说，我 觉得像课程设计这种类型的作业对我们的帮助还是很大
的，它需要我们将学过的相关知识系统地联系起来 ，从中暴露出自身的不足，以待改进！
本次的课程设计，培养了我综合应用设计课程及其他课程的理论 知识和理论联系实际，
应用生产实际知识解决工程实际问题的能力；在设计的过程中还培养出了我们的团 队精神，
同学们共同协作，解决了许多个人无法解决的问题；在今后的学习过程中我们会更加努力和团结。


























19

参考文献
[1] 黄葆华，杨晓静，某华坤.通信原理.西安：西安电子科技大学出版社，2007
[2] 胡晓冬，董辰辉 ．MATLAB 从入门到精通.北京：人民邮电出版社，2010
[3] 邵玉斌.MatlabSimlink通信系统建模与仿真实例分析.清华大学出版社，2008
[4] 常华，袁刚，常敏嘉.仿真软件教程.清华大学出版社，2006
[5] 沈振元，等.通信系统原理.西安：西安电子科技大学出版社，2004
[6] 樊昌信，等.通信原理.北京：国防工业出版社，2001




































20

附录

图1.1 二进制移相键控信号的时间波形


图1.2 2PSK信号的调制原理图


21

图1.3 过零检测法原理图和各点波形

22