Psk系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真(共16頁(yè))

1、通信原理課程設(shè)計(jì)報(bào)告Psk系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真姓 名 : 專 業(yè) : 信息工程 班 級(jí) : 063231 學(xué) 號(hào) : 指導(dǎo)老師 : 設(shè)計(jì)時(shí)間 2011年1月引 言 本課程設(shè)計(jì)用于實(shí)現(xiàn)Psk系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真,移動(dòng)通信的迅速發(fā)展，離不開很多關(guān)鍵技術(shù)的支持與應(yīng)用，數(shù)字調(diào)制在通信領(lǐng)域中就發(fā)揮著重大的作用,為了使數(shù)字信號(hào)在帶通信道中傳輸，必須使用數(shù)字基帶信號(hào)對(duì)載波進(jìn)行調(diào)制，以使信號(hào)與信道的特性匹配.由于PSK在生活中有著廣泛的應(yīng)用，本課題主要介紹了PSK波形的產(chǎn)生和仿真過(guò)程.1、課程設(shè)計(jì)目的本課程設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)psk系統(tǒng)仿真。在此次課程設(shè)計(jì)中，我將通過(guò)多方搜集資料與分析，來(lái)理解psk系統(tǒng)仿真的具體過(guò)程和它在MATL

2、AB中的實(shí)現(xiàn)方法。預(yù)期通過(guò)這個(gè)階段的研習(xí)，更清晰地認(rèn)識(shí)psk系統(tǒng)仿真原理，同時(shí)加深對(duì)MATLAB這款通信仿真軟件操作的熟練度，并在使用中去感受MATLAB的應(yīng)用方式與特色。利用自主的設(shè)計(jì)過(guò)程來(lái)鍛煉自己獨(dú)立思考，分析和解決問(wèn)題的能力，為我今后的自主學(xué)習(xí)研究提供具有實(shí)用性的經(jīng)驗(yàn)2、課程設(shè)計(jì)要求1）熟悉MATLAB中M文件的使用方法，掌握psk系統(tǒng)仿真原理，以此為基礎(chǔ)用M文件編程實(shí)現(xiàn)psk系統(tǒng)仿真。（2）繪制出psk系統(tǒng)仿真在時(shí)域和頻域中的波形，觀察兩者在解調(diào)前后的變化，通過(guò)對(duì)分析結(jié)果來(lái)加強(qiáng)對(duì)psk系統(tǒng)仿真原理的理解。（3）對(duì)信號(hào)分別疊加大小不同的噪聲后再進(jìn)行解調(diào)，繪制出解調(diào)前后信號(hào)的時(shí)域和頻域波形

3、，比較未疊加噪聲時(shí)和分別疊加大小噪聲時(shí)解調(diào)信號(hào)的波形有何區(qū)別，由所得結(jié)果來(lái)分析噪聲對(duì)信號(hào)解調(diào)造成的影響。（4）在老師的指導(dǎo)下，獨(dú)立完成課程設(shè)計(jì)的全部?jī)?nèi)容，并按要求編寫課程設(shè)計(jì)論文，文中能正確闡述和分析設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果。一、信號(hào)調(diào)制解調(diào)模型的建立1、信號(hào)調(diào)制模型的建立相移鍵控（）是利用載波的相位變化來(lái)傳遞數(shù)字信息，而振幅和頻率保持不變的一種數(shù)字信號(hào)傳遞方法。的調(diào)制原理框圖如下圖所示，與信號(hào)的產(chǎn)生方法比較，只是對(duì)s的要求不同，在中s是單極性的，而在中S是雙極性的基帶信號(hào)。 碼型變換乘法器 雙極性不歸零 圖1 模擬調(diào)制方法 開關(guān)電路相移 0 圖2 鍵控法（2） 信號(hào)解調(diào)模型的建立信號(hào)的解調(diào)通常采用相干

4、解調(diào)法，解調(diào)器原理框圖如下圖。在相干解調(diào)中，怎樣得到與接收的信號(hào)同頻同相的相干載波是一個(gè)關(guān)鍵的問(wèn)題。帶通濾波器相乘器低通濾波器抽樣判決器 定時(shí)脈沖圖3 信號(hào)的解調(diào)原理框圖2、調(diào)制過(guò)程分析根據(jù)調(diào)制的定義，設(shè)初始相位和分別表示二進(jìn)制“1”和“0”。因此，信號(hào)的時(shí)域表達(dá)式為其中，表示第個(gè)符號(hào)的絕對(duì)相位：因此，可得到下式典型波形如下圖所示圖4 信號(hào)的時(shí)間波形由于兩種碼元的波形相同，極性相反，故2PSK信號(hào)可以表述為一個(gè)雙極性全占空矩形脈沖序列與一個(gè)正弦載波的相乘，即其中，這里，g(t)是脈寬為Ts的單個(gè)矩形脈沖，而an的統(tǒng)計(jì)特性為即發(fā)送二進(jìn)制符號(hào)“0”時(shí)（an取+1），取0相位；發(fā)送二進(jìn)制符號(hào)“1”時(shí)

5、（ an取 -1），取p相位。這種以載波的不同相位直接去表示相應(yīng)二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)的調(diào)制方式，稱為二進(jìn)制絕對(duì)相移方式，且其帶寬為基帶信號(hào)的兩倍。調(diào)制過(guò)程產(chǎn)生的代碼和波形如下clear all; close all;clf; %清除窗口中的圖形max=20 %定義max長(zhǎng)度g=zeros(1,max);g=randint(1,max);%長(zhǎng)度為max的隨機(jī)二進(jìn)制序列cp=;mod1=;f=2*2*pi;t=0:2*pi/199:2*pi;for n=1:length(g); if g(n)=0; A=zeros(1,200);%每個(gè)值200個(gè)點(diǎn) else g(n)=1; A=ones(1,200);

6、 end cp=cp A; %s(t),碼元寬度200 c=cos(f*t);%載波信號(hào) mod1=mod1 c;%與s(t)等長(zhǎng)的載波信號(hào),變?yōu)榫仃囆问絜ndfigure(1);subplot(3,2,1);plot(cp);grid on;axis(0 200*length(g) -2 2);title(隨機(jī)二進(jìn)制信號(hào)序列);cm=;mod=;for n=1:length(g); if g(n)=0; B=ones(1,200);%每個(gè)值200個(gè)點(diǎn) c=cos(f*t); %載波信號(hào) else g(n)=1; B=ones(1,200); c=cos(f*t+pi); %載波信號(hào) end

7、cm=cm B; %s(t),碼元寬度200 mod=mod c; %與s(t)等長(zhǎng)的載波信號(hào)endtiaoz=cm.*mod;%e(t)調(diào)制figure(1);subplot(3,2,2);plot(tiaoz);grid on;axis(0 200*length(g) -2 2);title(2PSK調(diào)制信號(hào));figure(2);subplot(3,2,1);plot(abs(fft(cp);axis(0 200*length(g) 0 400);title(原始信號(hào)頻譜);figure(2);subplot(3,2,2);plot(abs(fft(tiaoz);axis(0 200*l

8、ength(g) 0 400);title(2PSK信號(hào)頻譜);運(yùn)行結(jié)果：圖5 二進(jìn)制、信號(hào)波形和頻譜圖解調(diào)過(guò)程分析根據(jù)調(diào)制的原理框圖圖5 信號(hào)的解調(diào)原理框圖帶通濾波器的意義是讓有用信號(hào)（已調(diào)信號(hào)）通過(guò)，濾除一部分噪聲，所以有用信號(hào)在處得到信號(hào)為假設(shè)相干載波的基準(zhǔn)相位與2PSK信號(hào)的調(diào)制載波的基準(zhǔn)相位一致（通常默認(rèn)為0相位）。所以得到下式通過(guò)低通濾波器后最后通過(guò)抽樣判決器恢復(fù)出數(shù)字信號(hào)。但是，由于在信號(hào)的載波恢復(fù)過(guò)程中存在著的相位模糊，即恢復(fù)的本地載波與所需的相干載波可能同相，也可能反相，這種相位關(guān)系的不確定性將會(huì)造成解調(diào)出的數(shù)字基帶信號(hào)與發(fā)送的數(shù)字基帶信號(hào)正好相反，即“1”變?yōu)椤?”，“0”

9、變?yōu)椤?”，判決器輸出數(shù)字信號(hào)全部出錯(cuò)。這種現(xiàn)象稱為 方式的“倒”現(xiàn)象或“反相工作”。這也是2PSK方式在實(shí)際中很少采用的主要原因。另外，在隨機(jī)信號(hào)碼元序列中，信號(hào)波形有可能出現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)的正弦波形，致使在接收端無(wú)法辨認(rèn)信號(hào)碼元的起止時(shí)刻。信號(hào)相干解調(diào)各點(diǎn)時(shí)間波形如下圖所示：圖6 信號(hào)相干解調(diào)時(shí)各點(diǎn)時(shí)間波形為了更直觀的了解解調(diào)過(guò)程，我用繪出解調(diào)過(guò)程的相關(guān)波形，代碼和波形如下：clear all; close all;clf; %清除窗口中的圖形max=20 %定義max長(zhǎng)度g=zeros(1,max);g=randint(1,max);%長(zhǎng)度為max的隨機(jī)二進(jìn)制序列cp=;mod1=;f=2*

10、2*pi;t=0:2*pi/199:2*pi;for n=1:length(g); if g(n)=0; A=zeros(1,200);%每個(gè)值200個(gè)點(diǎn) else g(n)=1; A=ones(1,200); end cp=cp A; %s(t),碼元寬度200 c=cos(f*t);%載波信號(hào) mod1=mod1 c;%與s(t)等長(zhǎng)的載波信號(hào),變?yōu)榫仃囆问絜nd%figure(1);subplot(3,2,1);plot(cp);grid on;%axis(0 200*length(g) -2 2);title(隨機(jī)二進(jìn)制信號(hào)序列);cm=;mod=;for n=1:length(g);

11、 if g(n)=0; B=ones(1,200);%每個(gè)值200個(gè)點(diǎn) c=cos(f*t); %載波信號(hào) else g(n)=1; B=ones(1,200); c=cos(f*t+pi); %載波信號(hào) end cm=cm B; %s(t),碼元寬度200 mod=mod c; %與s(t)等長(zhǎng)的載波信號(hào)endtiaoz=cm.*mod;%e(t)調(diào)制tz=awgn(tiaoz,10);%信號(hào)調(diào)制中加入白噪聲，信噪比為10jiet=2*mod1.*tz;%同步解調(diào)figure(1);subplot(3,2,1);plot(jiet);grid onaxis(0 200*length(g) -

12、2 2);title(相乘后信號(hào)波形)figure(1);subplot(3,2,2);plot(abs(fft(jiet);axis(0 200*length(g) 0 400);title(相乘后信號(hào)頻譜);%低通濾波器fp=500;fs=700;rp=3;rs=20;fn=11025;ws=fs/(fn/2); wp=fp/(fn/2);%計(jì)算歸一化角頻率n,wn=buttord(wp,ws,rp,rs);%計(jì)算階數(shù)和截止頻率b,a=butter(n,wn);%計(jì)算H(z）jt=filter(b,a,jiet);figure(1);subplot(3,2,3);plot(jt);grid

13、 onaxis(0 200*length(g) -2 2);title(經(jīng)低通濾波器后信號(hào)波形)figure(1);subplot(3,2,4);plot(abs(fft(jt);axis(0 200*length(g) 0 400);title(經(jīng)低通濾波器后信號(hào)頻譜);%抽樣判決for m=1:200*length(g); if jt(m)=0; jt(m)=0; endendfigure(1);subplot(3,2,5);plot(jt);grid onaxis(0 200*length(g) -2 2);title(經(jīng)抽樣判決后信號(hào)波形)figure(1);subplot(3,2,6

14、);plot(abs(fft(jt);axis(0 200*length(g) 0 400);title(經(jīng)抽樣判決后信號(hào)頻譜);運(yùn)行結(jié)果：圖8 解調(diào)相關(guān)波形4、高斯白噪聲對(duì)系統(tǒng)影響分析當(dāng)信號(hào)經(jīng)過(guò)信道傳輸時(shí)會(huì)受到噪聲的影響，這是不可避免的。而通信系統(tǒng)中常見的熱噪聲近似為高斯白噪聲，且符合加性。根據(jù)設(shè)計(jì)要求考慮不同信噪比的高斯白噪聲對(duì)系統(tǒng)的影響。為了清晰地對(duì)比出噪聲對(duì)系統(tǒng)的影響，我將分別以不同信噪比作用于系統(tǒng)，再分讓它們通過(guò)帶通濾波器，并觀察加入噪聲后的信號(hào)受到了什么影響。在此過(guò)程中，我用函數(shù)來(lái)添加噪聲，此函數(shù)功能為向信號(hào)中添加噪聲功率為其方差的高斯白噪聲。根據(jù)加性噪聲的特性，對(duì)信號(hào)而言不同大小

15、的噪聲加入信道后，直接反應(yīng)到波形上，實(shí)現(xiàn)代碼和波形圖如下運(yùn)行結(jié)果：圖9 噪聲及加噪信號(hào)波形5、調(diào)制系統(tǒng)的抗噪聲性能分析 相干解調(diào)方式又稱為極性比較法，其性能分析模型如下圖所示圖7 信號(hào)相干解調(diào)系統(tǒng)性能分析模型設(shè)接收端帶通濾波器輸出波形為經(jīng)過(guò)相干解調(diào)后，送入抽樣判決器的輸入波形為由于是均值為0，方差為的高斯噪聲，所以的一維概率密度函數(shù)為由最佳判決門限分析可知，在發(fā)送“1”符號(hào)和發(fā)送“0”符號(hào)概率相等時(shí)，最佳判決門限b* = 0。此時(shí)，發(fā)“1”而錯(cuò)判為“0”的概率為同理，發(fā)送“0”而錯(cuò)判為“1”的概率為 故2PSK信號(hào)相干解調(diào)時(shí)系統(tǒng)的總誤碼率為在大信噪比條件下，上式可近似為6、 系統(tǒng)的仿真clea

16、r all; close all;clf; %清除窗口中的圖形max=50 %定義max長(zhǎng)度g=zeros(1,max);g=randint(1,max);%長(zhǎng)度為max的隨機(jī)二進(jìn)制序列cp=;mod1=;f=2*2*pi;t=0:2*pi/199:2*pi;for n=1:length(g); if g(n)=0; A=zeros(1,200);%每個(gè)值200個(gè)點(diǎn) else g(n)=1; A=ones(1,200); end cp=cp A; %s(t),碼元寬度200 c=cos(f*t);%載波信號(hào) mod1=mod1 c;%與s(t)等長(zhǎng)的載波信號(hào),變?yōu)榫仃囆问絜ndfigure(1

17、);subplot(3,2,1);plot(cp);grid on;axis(0 20*length(g) -2 2);title(隨機(jī)二進(jìn)制信號(hào)序列);cm=;mod=;for n=1:length(g); if g(n)=0; B=ones(1,200);%每個(gè)值200個(gè)點(diǎn) c=cos(f*t); %載波信號(hào) else g(n)=1; B=ones(1,200); c=cos(f*t+pi); %載波信號(hào) end cm=cm B; %s(t),碼元寬度200 mod=mod c; %與s(t)等長(zhǎng)的載波信號(hào)endtiaoz=cm.*mod;%e(t)調(diào)制figure(1);subplot(

18、3,2,2);plot(tiaoz);grid on;axis(0 20*length(g) -2 2);title(2PSK調(diào)制信號(hào));figure(2);subplot(3,2,1);plot(abs(fft(cp);axis(0 20*length(g) 0 400);title(原始信號(hào)頻譜);figure(2);subplot(3,2,2);plot(abs(fft(tiaoz);axis(0 20*length(g) 0 400);title(2PSK信號(hào)頻譜);%帶有高斯白噪聲的信道tz=awgn(tiaoz,10);%信號(hào)調(diào)制中加入白噪聲，信噪比為10figure(1);sub

19、plot(3,2,3);plot(tz);grid onaxis(0 20*length(g) -2 2);title(通過(guò)高斯白噪聲信道后的2PSK信號(hào));figure(2);subplot(3,2,3);plot(abs(fft(tz);axis(0 20*length(g) 0 400);title(加入白噪聲的2PSK信號(hào)頻譜);jiet=2*mod1.*tz;%同步解調(diào)figure(1);subplot(3,2,4);plot(jiet);grid onaxis(0 20*length(g) -2 2);title(相乘后信號(hào)波形)figure(2);subplot(3,2,4);p

20、lot(abs(fft(jiet);axis(0 20*length(g) 0 400);title(相乘后信號(hào)頻譜);%低通濾波器fp=500;fs=700;rp=3;rs=20;fn=11025;ws=fs/(fn/2); wp=fp/(fn/2);%計(jì)算歸一化角頻率n,wn=buttord(wp,ws,rp,rs);%計(jì)算階數(shù)和截止頻率b,a=butter(n,wn);%計(jì)算H(z）jt=filter(b,a,jiet);figure(1);subplot(3,2,5);plot(jt);grid onaxis(0 20*length(g) -2 2);title(經(jīng)低通濾波器后信號(hào)波形

21、)figure(2);subplot(3,2,5);plot(abs(fft(jt);axis(0 20*length(g) 0 400);title(經(jīng)低通濾波器后信號(hào)頻譜);%抽樣判決for m=1:200*length(g); if jt(m)=0; jt(m)=0; endendfigure(1);subplot(3,2,6);plot(jt);grid onaxis(0 20*length(g) -2 2);title(經(jīng)抽樣判決后信號(hào)波形)figure(2);subplot(3,2,6);plot(abs(fft(jt);axis(0 20*length(g) 0 400);tit

22、le(經(jīng)抽樣判決后信號(hào)頻譜);%誤碼率隨信噪比的變化曲線snr = 0 : 2: 20;%信噪比范圍len_snr = length(snr);for i = 1:len_snrSNR_eb = exp(snr(i)*log(10)/10);theo_err_prb(i) = (1/2)*erfc(sqrt(SNR_eb);%PSK系統(tǒng)的誤碼率與信噪比的關(guān)系endfigure(3);semilogy(snr,theo_err_prb,ko-);grid on;title(誤碼率隨信噪比的變化曲線);仿真結(jié)果：7、總結(jié)參考文獻(xiàn)三、心得體會(huì) 經(jīng)過(guò)這一周的通信原理實(shí)驗(yàn)課的學(xué)習(xí)，讓我收獲多多。但在這中間，我也發(fā)現(xiàn)了我存在的很多不足。我的動(dòng)手能力還不夠強(qiáng)，當(dāng)有些實(shí)驗(yàn)需要很強(qiáng)的動(dòng)手能力時(shí)我還不能從容應(yīng)對(duì)；我的探索方式還有待改善，當(dāng)面對(duì)一些復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)時(shí)我還不能很快很好的完成；我的數(shù)據(jù)處理能力還得提高，當(dāng)眼前擺著一大堆復(fù)雜數(shù)據(jù)時(shí)我處理的方式及能力還不足，不能用最佳的處理手段使實(shí)驗(yàn)誤差減小到最