基于Matlab的DBPSK调制解调系统设计与实现

本文针对数字通信系统中的差分二进制相移键控（DBPSK）技术，设计并实现了一个基于 MATLAB 的 DBPSK 调制解调系统。论文首先介绍了 DBPSK 调制原理及差分编码方法，然后通过 MATLAB 对数据源进行调制、载波调制、加噪声处理以及相干解调实现信号恢复。系统实现过程中，采用 FIR 带通滤波器和低通滤波器对信号进行频率选择，利用中点抽样和差分译码实现解调比特恢复。仿真结果表明，所设计的 DBPSK 系统能够有效实现数据的调制解调，并通过眼图和误码率分析验证了系统性能。本文的研究为数字通信实验教学和通信系统设计提供了可行的参考。

作者信息

编号：MAP-10
大小：6K
环境：Matlab R2020b、2024b
作者：张家梁(完全原创)

引言

随着数字通信技术的发展，相位调制技术在无线通信和光纤通信中得到了广泛应用。其中，差分二进制相移键控（Differential Binary Phase Shift Keying, DBPSK）作为一种简单且抗噪能力较强的调制方式，因其无需发送绝对相位信息而在实际系统中得到广泛应用。

DBPSK 系统通过对比特序列进行差分编码，将绝对比特转换为相对码，再通过载波调制实现信号传输。接收端通过相干解调、低通滤波及差分译码，可以恢复原始信息，比传统 BPSK 系统在某些场景下更具抗噪声性能。

本文针对本科实验教学与数字通信系统设计的需求，设计并实现了一个基于 MATLAB 的 DBPSK 调制解调仿真系统。系统实现包括：
数据生成与差分编码：产生随机比特序列并进行差分编码；
载波调制：将编码信号与载波信号相乘实现调制；
加噪与解调：模拟信道噪声，使用 FIR 带通滤波器、低通滤波器和抽样判决完成解调；
性能分析：通过误码率计算与眼图观察验证系统性能。

本文的设计不仅实现了 DBPSK 系统的完整功能，而且提供了可视化波形分析，为本科数字通信实验提供了可操作、可验证的实现方案。

系统架构

1.系统概述
本系统基于 MATLAB 平台，面向数字通信实验设计，主要实现 DBPSK 调制解调功能。系统由 信号生成模块、差分编码模块、载波调制模块、加噪模块、解调模块、误码率分析模块和波形可视化模块 构成。

信号生成模块：随机生成固定长度的二进制比特序列作为原始数据源。
差分编码模块：将绝对比特序列转换为相对码序列，为 DBPSK 调制做准备。
载波调制模块：生成正弦载波，将差分编码后的信号与载波相乘，得到 DBPSK 已调信号。
加噪模块：模拟信道环境，为已调信号加入高斯白噪声，测试系统抗噪能力。
解调模块：通过带通滤波、相干检测、低通滤波、中点抽样判决和差分译码，恢复原始比特序列。
误码率分析模块：将解调结果与原始比特序列对比，计算系统误码率（BER）。
波形可视化模块：绘制各阶段信号波形和眼图，直观展示调制解调过程和系统性能。

系统设计目标是实现一个 完整、可视化、可实验验证的 DBPSK 调制解调系统，同时可用于教学和基础通信系统研究。

2.系统流程图

研究方法

本研究通过信源生成、差分编码、载波调制、信道传输、解调处理及性能分析等阶段，完成了基于DBPSK的通信系统设计与实现。

实验结果

实验结果表明：随着信噪比的提高，系统的误码数逐渐减少，误码率显著下降，验证了 DPSK 调制解调系统在高信噪比条件下具有良好的抗干扰性能。

运行main.m
图 1：DPSK 调制过程时域波形

子图说明：
数据源 m：原始 0/1 随机比特序列扩展成基带波形。
码变换后信号 m·x：差分编码输出（相对码），0 映射为 -1，1 映射为 +1。
已调信号 dpsk：相对码乘载波得到的差分相移键控调制信号。
带通滤波后信号 dpsk-bp：对已调信号进行带通滤波，滤除带外噪声，保留主要载波成分。

图 2：DPSK 解调过程时域波形

子图说明：
乘相干载波后信号 dpsk-sin：接收信号与本振同频同相载波相乘，相干解调的第一步。
低通滤波后信号 dpsk-sin-lp：去除高频分量，保留基带信号。
抽样判决信号 choupan：对基带信号在符号中心抽样并与零阈值比较，得到判决比特流。
解调信号 demod-dpsk：差分译码后的比特流波形，应该与原始数据源接近。

图 3：DPSK 系统各阶段眼图

子图说明：
数据源 m 眼图：原始基带比特流，眼图开口完全清晰。
码变换后信号 m·x 眼图：差分编码后，信号仍为基带 ±1，眼图开口清晰。
已调信号 dpsk 眼图：调制信号受载波影响，眼图呈周期性正弦包络。
带通滤波后信号 dpsk-bp 眼图：滤除杂散后的调制波形，眼图更干净。
乘相干载波后信号 dpsk-sin 眼图：解调乘法后，包含直流+双倍频分量，眼图出现交叉。
低通滤波后信号 dpsk-sin-lp 眼图：去掉高频分量，眼图开口明显。
抽样判决信号 choupan 眼图：判决后的 0/1 符号序列，眼图开口清晰。
解调信号 demod-dpsk 眼图：差分译码后的比特流，与原始数据源眼图接近。

系统实现

本系统完全基于MATLAB平台开发，主要集成以下脚本与模块：

研究结论

通过本次实验对 DPSK 调制与解调全过程的实现与仿真，可以清晰观察到各阶段信号的时域波形及眼图特性。结果表明，差分编码有效避免了载波相位同步问题，带通与低通滤波器能够有效抑制噪声与带外分量，而相干解调结合抽样判决与差分译码能够较好地恢复原始数据信号。在多组 SNR 条件下的测试结果显示，系统误码率随信噪比升高而明显降低，表现出良好的抗噪性能与可靠性，验证了 DPSK 调制解调方案在数字通信中的有效性与实用价值。

实验环境

硬件配置如表：实验所用硬件平台为惠普（HP）暗影精灵10台式机整机，运行 Windows 11 64 位操作系统，作为模型训练与测试的主要计算平台，能够良好支持Matlab的开发需求。

官方声明

实验环境真实性与合规性声明：
本研究所使用的硬件与软件环境均为真实可复现的配置，未采用虚构实验平台或虚拟模拟环境。实验平台为作者自主购买的惠普（HP）暗影精灵 10 台式整机，具体硬件参数详见表。软件环境涵盖操作系统、开发工具、深度学习框架、MATLAB工具等，具体配置详见表，所有软件组件均来源于官方渠道或开源社区，并按照其许可协议合法安装与使用。

研究过程中严格遵循学术诚信和实验可复现性要求，确保所有实验数据、训练过程与结果均可在相同环境下被重复验证，符合科研规范与工程实践标准。

版权声明：
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