1、- 1 -控制系统 CAD 与数字仿真20142015 学年 第 一 学期学院（部） 电子电气工程学院学 号 021211229姓 名 纪 辰授课教师 陈剑雪- 2 -扩频信号的 BPSK 调制仿真摘要：随着数字信号处理技术的不断发展，数字化软件无线电接收机已经成为趋势，调制/解调技术是数字通信系统中的核心技术。现代计算机科学技术快速发展，使得通信系统仿真的设计和分析过程变得相对直观和便捷，由此也使得通信系统仿真技术得到了更快的发展。通信系统仿真具有广泛的适应性和极好的灵活性,有助于更好地研究通信系统性能。本文介绍了数字化调制解调技术的现状发展及其应用，然后介绍了 BPSK 数字调制解调的理论
2、基础，重点分析了 BPSK 数字调制和解调的原理。本文利用 MATLAB 强大的仿真功能,在其仿真环境下建立了直扩系统和 BPSK 调制解调系统仿真模型，给出各路观察波形,证实了解调算法的可行性。最后，本文对所做研究工作进行了总结，并且提出了今后的工作和研究方向。关键词：BPSK；调制解调器；MATLAB ；直扩系统- 3 -The simulation of spread spectrum signal with BPSK digital modulationAbstract：With digital signal processing technology continues to evo
3、lve, digital software radio receiver has become a trend, modulation/demodulation technology is the core technology in digital communication system。The rapid development of modern computer science and technology, makes the communications system simulation design and analysis process become relatively
4、 intuitive and convenient, which also makes the communication system simulation technology has been faster development. Communication system simulation with wide adaptability and excellent flexibility, helps to better study the communication system performance.This paper introduces the digital modem
5、 technology situation and development.Then introduced digital modulation and demodulation of BPSK theoretical foundation, including analysis of the BPSK digital modulation and demodulation principle.In this paper, based on the powerful simulation using MATLAB function in its environment designed the
6、 spread spectrum signal system and the BPSK modulation demodulation system simulation model, and through the constellation confirmed that the demodulation algorithm. Finally, this paper made a summary of the research work, and proposed future work and research directions.Key words: BPSK, Modem, MATL
7、AB, Spread spectrum signal system- 4 -目录一、引言 5 1.1 研究背景及其意义 . 5 1.2 数字化调制解调技术的现状发展及其应用 . 5 1.3 MATLAB 的简介 6 二、BPSK 调制解调原理 . 7 2.1 BPSK 信号调制原理 7 2.2 BPSK 信号解调原理 9 三、扩频信号的 BPSK 调制系统设计仿真 10 3.1 基本扩频系统仿真流程图 10 3.2 生成 m 序列及 m 序列性质 113.3 生成 50 位随机待发送二进制比特序列及进行扩频编码 .123.4 对扩频前后信号进行 BPSK 调制并观察其时域波形 .133.5 计
8、算并观察扩频前后 BPSK 调制信号的频谱 .13四、总结与展望 .144.1 总结 144.2 展望 15参考文献 .16附录 .17- 5 -一、引言1.1 研究背景及其意义随着数字信号处理技术的不断发展，数字化软件无线电接收机已经成为趋势。在卫星通信、移动通信、微波通信、光纤通信等现代通信系统中，信道中传输的都是数字已调信号，称它们为数字调制系统。数字调制技术是数字通信系统中的核心技术，随着数字调制技术的出现，在有限的带宽内传输高速的数据已经成为可能，并且与过去使用的模拟调制相比，如调幅(AM)和调频(FM)、频移键控(FSK) 、开关键控(OOK)、脉宽调制(PWM) 、脉位调制(PP
9、M)、脉幅调制(PAM)等技术相比有更高的可靠性和抗干扰性。数字调制是正交幅度调制(QAM)、正交相移键控(QPSK) 、二进制相移键控(BPSK)以及由这些技术派生的调制方法。BPSK 是最简单的二进制相移键控调制方法，其它更先进的调制方法大都由 BPSK 改进和增强，BPSK 作为一种多进制的调相技术获得了广泛的应用。直接序列扩频通信系统(DSSS)是目前应用最为广泛的系统。在发送端，直扩系统将发送序列用伪随机序列扩展到一个很宽的频带上去，在接受端又用相同的扩频序列进行解扩，回复出原有信息。由于干扰信息与伪随机序列不相关，扩频后能够使窄带干扰得到有效的抑制，提高输出信噪比。1.2 数字化调
10、制解调技术的现状发展及其应用调制和解调是现代通信的重要手段。调制就是用基带信号对载波波形的某些参数进行控制，使这些参量随基带信号的变化而变化；解调是调制的逆过程，它是从己调制的信号中恢复出原来调制信号的过程。根据被调制的是模拟还是数字信号，调制技术分为模拟调制和数字调制两类。模拟调制是对载波信号的参量进行连续调制，在接收端对载波信号的参量连续地进行估值；而数字调制都是用载波信号的某些离散状态来表征所传送的信息，在接收端也主要对载波信号的离散调制参量进行检测。本论文主要是对数字调制解调技术的研究。数字调制技术主要有三种方式：振幅键控(ASK)、移频键控(FSK)和相移键控(PSK)。- 6 -五
11、十年代末就已经出现了二相相移键控，继而为了提高频谱利用率，又出现了四相相移键控(QPSK)，但这两种方式的已调波在码元转换时刻都可能产生150的相位突跳，这使得频谱高频滚降慢，边带起伏大。为了消除这种相位突跳，六十年代末,在 QPSK 的基础上又出现了交错正交移相键控(OQPSK),这种调制方式虽然克服了 180的相位突跳，但仍然存在着 90的相位突跳。为了彻底解决相位突跳问题，在七十年代提出了最小频移键控技术(MSK),但这种技术和后来在此基础上出现的几种调制方式的相位特性仅局限于一个码元内进行,这大大限制了选择不同相位路径的可能性。所以调制技术发展的过程，其实也正是己调波相位路径不断得到改
12、进和完善的过程。数字调制解调方式尽管种类繁多，但是随着数字技术的快速发展，将来定会出现更多先进的调制解调技术，谁都无法准确描述未来调制解调技术的发展。总之，未来的调制解调技术都是朝着一个方向发展：将不断地更新改进，使通信更高速和更可靠，传输速率更快，误码率更低。1.3 MATLAB 的简介目前，在国际流行的科技应用软件中，数学类（区别于文字处理类和图像处理类）软件共有几十款之多。从它们的数学处理的原始内核来看，不外乎两种类型：数值计算型和数学分析型。前者如 MATLAB、Xmath 等，它们对大量数据具有较强的管理、计算和可视化能力，运行效率高；后者如Mathematica、Maple 等，它
13、们擅长于符号计算，可以得到问题的解析符号解和任意精度解，但处理大量数据时速度较慢。MATLAB 是英文 Matrix Laboratory（矩阵实验室）的缩写。1980 年前后，时任美国墨西哥大学计算机科学系主任的 Cleve Moler 教授在给学习讲授线性代数课程时，想教学生使用当时流行的线性代数软件包（Linpack）和基于特征值计算的软件包（Eispack），但发现用其他高级语言编程极为不便，于是 Cleve - 7 -Moler 教授为学生编写了方便使用 Linpack 和 Eispack 的借口程序并命名为MATLAB, 这就是 MATLAB 最早的雏形。从 MATLAB 诞生开始
14、，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 MATLA
15、B 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。二、BPSK 调制解调原理2.1 BPSK 信号调制原理二进制相移键控 BPSK（Binary Phase Shift Keying）
16、方式一般是键控的载波相位按基带脉冲序列的规律而改变的数字调制方式，也就是说，二进制的数字基带信号 0 与 1 分别用相干调制的载波的 0 与 相位的波形来表示。其表达式由公式（2-1）给出：- 8 -（2-1）()()cos()nTbiistagtt其中 为双极性的二进制数字序列， 的取值为 1， 为二进制的符号nAnAbT间隔， 基带的发送成形滤波器的冲激响应，通常具有升余弦特性； 是调()Tgt i制载波的频率， 是调制载波的初始相位。i用 BPSK 调制方式时，因为发送端以某一个相位作为基准，所以在接收端也一定有这样一个固定的基准相位作为参考。假如参考相位发生变化了，那么接收端恢复的信息
17、也会出错，也就是存在“倒 ”现象。因此需要在接收端使用载波同步，才能够正确恢复出基带的信号。BPSK 信号的调制原理框图如图 2-2 所示，典型波形如图 2-3 所示。图 2-2 BPSK 调制原理图图 2-3 发送码元为 1 0 0 1 1 的 BPSK 波形- 9 -BPSK 信号的频谱如图 2-4 所示，可以计算频谱效率，所谓频谱效率是指信号传输速率与所占带宽之比。在 BPSK 中，信号码元为 ，故信号传输速率为bT，以频谱的主瓣宽度为传输带宽，忽略旁瓣的影响，则射频带宽为 2/1/bfT，频谱效率为：（每赫） b1=0.5/s2T信 号 传 输 速 率 /带 宽即每赫兹带宽传输 0.5
18、b/s。注意，这里是以射频带宽计算的，若以基带带宽来计算，那就是每赫兹 1 b/s。图 2-4 BPSK 的频谱BPSK 的调制器非常简单，只要把数字信号与载波相乘即可。不过这里数字信号的“0”要用“-1”来表示（在数字通信中，符号“1”用“+1”来表示，“0”则用“-1”来表示）。由图 2-4 可见，BPSK 波形与信息代码之间的关系是“异变同不变”，即：若本码元与前一码元相异，则本码元内 BPSK 信号的初相相对于前一码元内 BPSK 信号末相变化 180；否则不变。2.2 BPSK 信号解调原理因为 BPSK 信号的幅度与基带信号无关，故不能用包络检波法而只能用相干解调法解调 BPSK
19、信号，在相干解调过程中需要用到与接收的 BPSK 信号同频同相的相干载波,相干接收机模型如图 2-5 所示：- 10 -图 2-5 BPSK 相干接收机模型具体的 BPSK 信号解调原理框图如图 2-6 所示。图 2-6 BPSK 解调原理框图如图 2-6 给出了一种 BPSK 信号相干解调原理框图，图中经过带通滤波的信号在相乘器与本地载波相乘，在相干解调中，如何得到与接收的 BPSK 信号同频同相的相干载波是关键，然后用低通滤波器去除高频分量，再进行积分采样判决，判决器是按极性进行判决，得到最终的二进制信息。假设相干载波的基准相位于 BPSK 信号的调制载波的基准相位一致。但是，由于在 BP
20、SK 信号的载波恢复过程中存在 的相位迷糊（phase ambiguity），即恢复的本地载波与180所需的相干载波可能同相，也可能反相，这种相位关系的不确定性将会造成解调出数字基带信号与发送的数字基带信号正好相反，即1变为0，0变为1，判决器输出数字信号全部出错。这种现象称为 BPSK 方式的倒 现象。三、扩频信号的 BPSK 调制系统设计仿真3.1 基本扩频系统仿真流程图acd带通滤波器)(teBPSK相乘器 低通滤波器 抽样判决 输 出 e cost脉 冲定 时113.2 生成 m 序列及 m 序列性质产生 8 位 m 序列，频率 100Hz，模拟线性反馈移位寄存器序列，原理图如下： 1
21、na2na3na0 1 2 3 4 5 6 7-101kM二二二二二二二二二二二二二7二M二二90 95 100 105 110 115 120 125 130 135 14000.050.1 二二二7二M二二二二二-20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20-0.500.51二二二7二M二二二二二二二二100Hz 扩频序列100/8Hz 二进制比特信息100Hz 8 位双极性 m 序列2000Hz 载波 cos4000tBPSK 调制信号观察波形na120 1 2 3 4 5 6 7 8-101kM二二二二二二二二二二二二二8二M二二90 95 100 105 110 115 12
22、0 125 130 135 14000.050.1 二二二8二M二二二二二-20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20-0.500.51二二二8二M二二二二二二二二由上图可以看出，8 位 m 序列为 1，-1，-1，-1，1，-1，1，1。另外，自相关函数的图形比较尖锐，最大值为 1，最小值为-1/8，符合理论结果。3.3 生成 50 位随机待发送二进制比特序列及进行扩频编码生成的信息码频率为 100/8Hz，利用 m 序列编码后，频率变为 100Hz。0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 5000.20.40.60.81 二二二二二二二二二二二二二0 50 100
23、 150 200 250 300 350 40000.51 二二二二二二二二二二133.4 对扩频前后信号进行 BPSK 调制并观察其时域波形BPSK 调制采用 2kHz 信号 cos(2*2000*t)作为载波0.04 0.045 0.05 0.055 0.06 0.065-1-0.500.51s二二二bpsk二二二二二二0.065 0.07 0.075 0.08 0.085 0.09 0.095-1-0.500.51s二二二bpsk二二二二二二可以看出，100/8Hz 的无扩频信号每 0.08s 时由于序列极性变换产生相位变换，100Hz 的扩频后调制信号每 0.01s 由于序列极性变换产
24、生相位变换。3.5 计算并观察扩频前后 BPSK 调制信号的频谱对信号采用 400000 点 fft 计算，得到频谱141700 1800 1900 2000 2100 2200 230000.20.40.60.8二二二二二二二二二Hz1700 1800 1900 2000 2100 2200 230000.20.40.60.8二二二二二二二二二Hz如图，扩频前信号主瓣宽度约为 2*100/8=25Hz，扩频后，信号频谱展宽，主瓣 19002100Hz 约为 200Hz，为无扩频信号频谱宽度的 N=8 倍，符合理论推算。四、总结与展望4.1 总结从以上结果可以看出 BPSK 调制解调系统的抗噪
25、声能力较强。但是，在操作中发现 Matlab 仿真系统运行时响应时间相对较长，需要计算机运行很长时间才能完成仿真运算过程。经过分析，我认为，除了算法导致了系统运算量大以外，BPSK 系统本身的信号传输效率也不高，这也印证了通信原理教材中提到的 BPSK系统的特点，即抗噪声干扰能力强，但数据传输效率低下。基于 MATLAB 的BPSK 调制解调系统仿真模型的设计与分析,为实际系统的构建提供了很好的依据。由于 BPSK 优越的性能，随着 EDA 技术的进一步发展。该模型有着一定的技术价值。该模型也可供其他设计方式的数字通信系统所使用，有着广泛的实践性意义。154.2 展望论文主要在对 BPSK 调
26、制解调系统进行了设计和仿真,但是基于时间比较仓促, 自己研究的内容在很多地方还需要不断改进, 有以下几个方面是可以继续改进或深入分析的: （1）本文在深刻理解通信系统理论的基础上设计了大量的仿真模型,但是这些模型大部分是针对通信系统某一方面的性能而设计的,虽然能说明一定问题,但整体规模比较小,今后应该研究相对复杂的通信系统,按照协议的规范,构建较大规模的通信系统仿真模型;(2)由于网络的发展,频带资源越来越紧张,因此需要寻找频谱利用率更高的调制解调方案,因此有必要研究 QPSK、64QAM,256QAM,1024QAM,这是以后要努力的工作。参考文献1孔艳芳. 16QAM 解调模块的设计实现与
27、性能验证J. 重庆大学，2011.04.2常红霞基于 FPGA 的 QDPSK 调制解调技术的研究及实现J. 南京理工大学，200706.163昆仑，郭黎利.全数字 BPSK 调制解调器J. 哈尔滨工程大学学报.2000(4):13-19 .4沈兰荪，李智群，张文忠等.调制解调的数字实现J. 电信科学 ,1993,9(6):27-32. 5陈皓.基于 FPGA 的调制解调器的研究和设计J. 华中师范大学，200705.6王俊胜.全数字 BPSKQPSK 解调器原理和应用J. 无线电通信技术，1992，18(4) ；225263.7薛定宇，陈阳泉.基于 MATLAB/Simulink 的系统仿真
28、技术与应用M 北京：清华大学出版社，2011.02.8何一.全数字 BPSKQPSK 解调机同步技术研究J. 解放军信息工程大学，200305.9杨丽.基于 MATLAB 的通信系统仿真研究 J.南京信息工程大学，200605.10李贺冰.Simulink 通信仿真教程M.第 1 版.北京:国防工业出版社,2006.11李建新，刘乃安.现代通信系统分析与仿真-MATLAB 通信工具箱M.西安:西安电子科技大学出版社,2000.12苏伟.基于软件无线电的 BPSKQPSK 解调器的研究J.北京化工大学，200806.附录生成 m 序列及 m 序列性质clear all;clc;X1=0;X2=0
29、;X3=1; 17m=400; %重复 50 遍的 8 位单极性 m 序列for i=1:m Y3=X3; Y2=X2; Y1=X1;X3=Y2; X2=Y1; X1=xor(Y3,Y1);L(i)=Y1;endfor i=1:mM(i)=1-2*L(i); %将单极性 m 序列变为双极性 m 序列endk=1:1:m;figure(1)subplot(3,1,1) %做 m 序列图stem(k-1,M);axis(0,8,-1,1);xlabel(k);ylabel(M 序列);title(移位寄存器产生的双极性 8 位 M 序列) ;subplot(3,1,2)ym=fft(M,4096)
30、;magm=abs(ym); %求双极性 m 序列频谱fm=(1:2048)*200/2048;plot(fm,magm(1:2048)*2/4096);title(双极性 8 位 M 序列的频谱)axis(90,140,0,0.1);a,b=xcorr(M,unbiased);subplot(3,1,3) %求双极性 m 序列自相关函数plot(b,a);axis(-20,20,-0.5,1.2);title(双极性 8 位 M 序列的自相关函数);生成 50 位随机待发送二进制比特序列及进行扩频编码N=50;a=0;x_rand=rand(1,N); %产生 50 个 0 与 1 之间随机
31、数for i=1:Nif x_rand(i)=0.5 %大于等于 0.5 的取 1，小于 0.5 的取 0x(i)=1;a=a+1;else x(i)=0;endendt=0:N-1;figure(2) %做信息码图subplot(2,1,1)stem(t,x);18title(扩频前待发送二进制信息序列);tt=0:349;subplot(2,1,2)l=1:8*N;y(l)=0;for i=1:Nk=8*i-7;y(k)=x(i); k=k+1;y(k)=x(i);k=k+1;y(k)=x(i);k=k+1;y(k)=x(i);k=k+1;y(k)=x(i);k=k+1;y(k)=x(i)
32、;k=k+1;y(k)=x(i);ends(l)=0;for i=1:400 %扩频后，码率变为 100/8*8=100Hzs(i)=xor(L(i),y(i);endtt=0:8*N-1;stem(tt,s);axis(0,400,0,1);title(扩频后的待发送序列码);对扩频前后信号进行 BPSK 调制并观察其时域波形figure(3)subplot(2,1,2)fs=2000;ts=0:0.00001:4-0.00001;%为了使信号看起来更光滑，作图时采样频率为100kHz% ps=cos(2*pi*fs*ts);s_b=rectpulse(s,1000); %将冲激信号补成矩形
33、信号s_bpsk=(1-2.*s_b).*cos(2*pi*fs*ts);%扩频后信号 BPSK 调制时域波形plot(ts,s_bpsk);xlabel(s);axis(0.035,0.065,-1.2,1.2)title(扩频后 bpsk 信号时域波形);subplot(2,1,1)s_bb=rectpulse(x,8000);s_bpskb=(1-2.*s_bb).*cos(2*pi*fs*ts);%无扩频信号 BPSK 调制时域波形plot(ts,s_bpskb);xlabel(s);axis(0.065,0.095,-1.2,1.2);title(扩频前 bpsk 信号时域波形)19
34、计算并观察扩频前后 BPSK 调制信号的频谱figure(4)N=400000;ybb=fft(s_bpskb,N); %无扩频信号 BPSK 调制频谱magb=abs(ybb);fbb=(1:N/2)*100000/N;subplot(2,1,1)plot(fbb,magb(1:N/2)*2/N);axis(1700,2300,0,0.8);title(扩频前调制信号频谱);xlabel(Hz);subplot(2,1,2)yb=fft(s_bpsk,N); %扩频信号 BPSK 调制频谱mag=abs(yb);fb=(1:N/2)*100000/N;plot(fb,mag(1:N/2)*2/N);axis(1700,2300,0,0.8);title(扩频后调制信号频谱);xlabel(Hz);
