PSK系統(tǒng)設(shè)計與仿真

1、 課程設(shè)計報告課程設(shè)計題目： PSK系統(tǒng)設(shè)計與仿真 學(xué) 號：123學(xué)生姓名：陳專 業(yè)：通信工程班 級：1221指導(dǎo)教師：涂老師 2015年 1 月 12 日 目錄一引言 1.1 課程設(shè)計目的 .3 1.2 課程設(shè)計要求 .3 1.3 課程設(shè)計注意事項.3二 PSK信號調(diào)制解調(diào)模型的建立及分析 2.1 PSK信號解調(diào)模型的建立.4 2.2 PSK信號解調(diào)模型的建立.4 2.3 PSK調(diào)制過程分析.5 2.4 PSK解調(diào)過程分析.7三 高斯白噪聲對系統(tǒng)影響分析. . .10四 PSK調(diào)制系統(tǒng)的抗噪聲性能分析 .12五 PSK系統(tǒng)的仿真.13六 實驗總結(jié).17. 一 引 言 本課程設(shè)計用于實現(xiàn)PSK

2、系統(tǒng)設(shè)計與仿真,移動通信的迅速發(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)字信號在帶通信道中傳輸，必須使用數(shù)字基帶信號對載波進行調(diào)制，以使信號與信道的特性匹配.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)生和仿真過程.1.1、課程設(shè)計目的本課程設(shè)計是實現(xiàn)PSK系統(tǒng)仿真。在此次課程設(shè)計中，我將通過多方搜集資料與分析，來理解PSK系統(tǒng)仿真的具體過程和它在MATLAB中的實現(xiàn)方法。預(yù)期通過這個階段的研習(xí)，更清晰地認識PSK系統(tǒng)仿真原理，同時加深對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

3、主的設(shè)計過程來鍛煉自己獨立思考，分析和解決問題的能力，為我今后的自主學(xué)習(xí)研究提供具有實用性的經(jīng)驗1.2、課程設(shè)計要求 （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文件編程實現(xiàn)PSK系統(tǒng)仿真。 （2）繪制出PSK系統(tǒng)仿真在時域和頻域中的波形，觀察兩者在解調(diào)前后的變化，通過對分析結(jié)果來加強對PSK系統(tǒng)仿真原理的理解。 （3）對信號分別疊加大小不同的噪聲后再進行解調(diào)，繪制出解調(diào)前后信號的時域和頻域波形，比較未疊加噪聲時和分別疊加大小噪聲時解調(diào)信號的波形有何區(qū)別，由所得結(jié)果來分析噪聲對信號解調(diào)造成的影響。 （4）在老師的指導(dǎo)下，獨立完成課程設(shè)計的全部內(nèi)容，并按要求編

4、寫課程設(shè)計論文，文中能正確闡述和分析設(shè)計和實驗結(jié)果。1.3、課程設(shè)計注意事項 (1)所有的仿真用MATLAB或VC程序?qū)崿F(xiàn)（如用MATLAB則只能用代碼的形式，不能用SIMULINK實現(xiàn)）(2) 系統(tǒng)經(jīng)過的信道都假設(shè)為高斯白噪聲信道。 （3）模擬調(diào)制要求用程序畫出調(diào)制信號，載波，已調(diào)信號、解調(diào)信號的波形，數(shù)字調(diào)制要求畫出誤碼率隨信噪比的變化曲線。 二 PSK信號調(diào)制解調(diào)模型的建立2.1、PSK信號調(diào)制模型的建立相移鍵控（PSK）是利用載波的相位變化來傳遞數(shù)字信息，而振幅和頻率保持不變的一種數(shù)字信號傳遞方法。PSK的調(diào)制原理框圖如下圖所示，與ASK信號的產(chǎn)生方法比較，只是對s的要求不同，在ASK

5、中s是單極性的，而在PSK中S是雙極性的基帶信號。 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 2.2、PSK信號解調(diào)模型的建立信號的解調(diào)通常采用相干解調(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同頻同相的相干載波是一個關(guān)鍵的問題。帶通濾波器相乘器低通濾波器抽樣判決器 定時脈沖 圖3 PSK信號的解調(diào)原理框圖2.3、PSK調(diào)制過程分析 根據(jù)PSK調(diào)制的定義，設(shè)初始相位和分別表示二進制“1”和“0”。因此，PSK信號的時域表達式為，其中，表示第個符號的絕對相位： 因此，可得到下式典型波形如下圖所示 圖4 PSK信號的時間波形由于兩種碼元的波

6、形相同，極性相反，故2PSK信號可以表述為一個雙極性全占空矩形脈沖序列與一個正弦載波的相乘，即其中，這里，g(t)是脈寬為TS的單個矩形脈沖，而an的統(tǒng)計特性為即發(fā)送二進制符號“0”時（an取+1），取0相位；發(fā)送二進制符號“1”時（ 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)二進制數(shù)字信號的調(diào)制方式，稱為二進制絕對相移方式，且其帶寬為基帶信號的兩倍。調(diào)制過程產(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長度g=zeros(1,max);g=randint(1,max);%長度為max的隨機二進制序列cp=

7、;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);%每個值200個點 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 mod1=mod1 c;%與s(t)等長的載波信號,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(隨機二進制信號序列);cm=;mod=;for n=1:l

8、ength(g); if g(n)=0; B=ones(1,200);%每個值200個點 c=cos(f*t); %載波信號 else g(n)=1; B=ones(1,200); c=cos(f*t+pi); %載波信號 end cm=cm B; %s(t),碼元寬度200 mod=mod c; %與s(t)等長的載波信號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);figure(2);subplot(3,2,1);

9、plot(abs(fft(cp);axis(0 200*length(g) 0 400);title(原始信號頻譜);figure(2);subplot(3,2,2);plot(abs(fft(tiaoz);axis(0 200*length(g) 0 400);title(2PSK信號頻譜);運行結(jié)果： 圖5 二進制、信號波形和頻譜圖2.4、PSK解調(diào)過程分析根據(jù)調(diào)制的原理框圖 圖6 信號的解調(diào)原理框圖帶通濾波器的意義是讓有用信號（已調(diào)信號）通過，濾除一部分噪聲，所以有用信號在處得到信號為假設(shè)相干載波的基準相位與2PSK信號的調(diào)制載波的基準相位一致（通常默認為0相位）。所以得到下式通過低通濾

10、波器后最后通過抽樣判決器恢復(fù)出數(shù)字信號。 但是，由于在2PSK信號的載波恢復(fù)過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)系的不確定性將會造成解調(diào)出的數(shù)字基帶信號與發(fā)送的數(shù)字基帶信號正好相反，即“1”變?yōu)椤?”，“0”變?yōu)椤?”，判決器輸出數(shù)字信號全部出錯。這種現(xiàn)象稱為 方式的“倒”現(xiàn)象或“反相工作”。這也是2PSK方式在實際中很少采用的主要原因。另外，在隨機信號碼元序列中，信號波形有可能出現(xiàn)長時間連續(xù)的正弦波形，致使在接收端無法辨認信號碼元的起止時刻。2PSK信號相干解調(diào)各點時間波形如下圖所示： 圖7 2PSK信號相干解調(diào)時各點時間波形為了更直觀的了

11、解解調(diào)過程，我用繪出解調(diào)過程的相關(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長度g=zeros(1,max);g=randint(1,max); %長度為max的隨機二進制序列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); %每個值200個點 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 mod1=mod

12、1 c; %與s(t)等長的載波信號,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(隨機二進制信號序列);cm=;mod=;for n=1:length(g); if g(n)=0; B=ones(1,200); %每個值200個點 c=cos(f*t); %載波信號 else g(n)=1; B=ones(1,200); c=cos(f*t+pi); %載波信號 end cm=cm B; %s(t),碼元寬度200 mod=mod c; %與s(t)等長的載波信號en

13、dtiaoz=cm.*mod; %e(t)調(diào)制tz=awgn(tiaoz,10); %信號調(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) -2 2);title(相乘后信號波形)figure(1);subplot(3,2,2);plot(abs(fft(jiet);axis(0 200*length(g) 0 400);title(相乘后信號頻譜);%低通濾波器fp=500;fs=700;rp=3;rs=20;fn=11025;ws=fs/(

14、fn/2); wp=fp/(fn/2);%計算歸一化角頻率n,wn=buttord(wp,ws,rp,rs);%計算階數(shù)和截止頻率b,a=butter(n,wn);%計算H(z）jt=filter(b,a,jiet);figure(1);subplot(3,2,3);plot(jt);grid onaxis(0 200*length(g) -2 2);title(經(jīng)低通濾波器后信號波形)figure(1);subplot(3,2,4);plot(abs(fft(jt);axis(0 200*length(g) 0 400);title(經(jīng)低通濾波器后信號頻譜);%抽樣判決for m=1:200

15、*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)抽樣判決后信號波形)figure(1);subplot(3,2,6);plot(abs(fft(jt);axis(0 200*length(g) 0 400);title(經(jīng)抽樣判決后信號頻譜);運行結(jié)果： 圖8 解調(diào)相關(guān)波形三 高斯白噪聲對系統(tǒng)影響分析 當(dāng)信號經(jīng)過信道傳輸時會受到噪聲的影響，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

16、要求考慮不同信噪比的高斯白噪聲對系統(tǒng)的影響。為了清晰地對比出噪聲對系統(tǒng)的影響，我將分別以不同信噪比作用于系統(tǒng)，再分讓它們通過帶通濾波器，并觀察加入噪聲后的信號受到了什么影響。在此過程中，我用函數(shù)來添加噪聲，此函數(shù)功能為向信號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，對信號而言不同大小的噪聲加入信道后，直接反應(yīng)到波形上，波形圖如下 圖9.1 PSK信號調(diào)制 圖9.2 傅里葉頻域分析 圖9.3 加噪信號波形 四 PSK調(diào)制系統(tǒng)的抗噪聲性能分析 2PSK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10 2PSK信號相干解調(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)過相干

17、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”符號和發(fā)送“0”符號概率相等時，最佳判決門限b* = 0。此時，發(fā)“1”而錯判為“0”的概率為同理，發(fā)送“0”而錯判為“1”的概率為 故2PSK信號相干解調(diào)時系統(tǒng)的總誤碼率為在大信噪比條件下，上式可近似為 五 PSK系統(tǒng)的仿真clear all; close all;clf; %清除窗口中的圖形max=50 %定義max長度g=zeros(1,max);g=randint(1,max);%長度為max的隨機二進制序列cp=;mod1=;f=2*2*pi;t=0:2*p

18、i/199:2*pi;for n=1:length(g); if g(n)=0; A=zeros(1,200);%每個值200個點 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 mod1=mod1 c;%與s(t)等長的載波信號,變?yōu)榫仃囆问絜ndfigure(1);subplot(3,2,1);plot(cp);grid on;axis(0 20*length(g) -2 2);title(隨機二進制信號序列);cm=;mod=;for n=1:length(g); if g(n)=0; B=o

19、nes(1,200);%每個值200個點 c=cos(f*t); %載波信號 else g(n)=1; B=ones(1,200); c=cos(f*t+pi); %載波信號 end cm=cm B; %s(t),碼元寬度200 mod=mod c; %與s(t)等長的載波信號endtiaoz=cm.*mod;%e(t)調(diào)制figure(1);subplot(3,2,2);plot(tiaoz);grid on;axis(0 20*length(g) -2 2);title(2PSK調(diào)制信號);figure(2);subplot(3,2,1);plot(abs(fft(cp);axis(0 2

20、0*length(g) 0 400);title(原始信號頻譜);figure(2);subplot(3,2,2);plot(abs(fft(tiaoz);axis(0 20*length(g) 0 400);title(2PSK信號頻譜);%帶有高斯白噪聲的信道tz=awgn(tiaoz,10);%信號調(diào)制中加入白噪聲，信噪比為10figure(1);subplot(3,2,3);plot(tz);grid onaxis(0 20*length(g) -2 2);title(通過高斯白噪聲信道后的2PSK信號);figure(2);subplot(3,2,3);plot(abs(fft(tz

21、);axis(0 20*length(g) 0 400);title(加入白噪聲的2PSK信號頻譜);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(相乘后信號波形)figure(2);subplot(3,2,4);plot(abs(fft(jiet);axis(0 20*length(g) 0 400);title(相乘后信號頻譜);%低通濾波器fp=500;fs=700;rp=3;rs=20;fn=11025;ws=fs/(fn/2); wp=fp

22、/(fn/2);%計算歸一化角頻率n,wn=buttord(wp,ws,rp,rs);%計算階數(shù)和截止頻率b,a=butter(n,wn);%計算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)低通濾波器后信號波形)figure(2);subplot(3,2,5);plot(abs(fft(jt);axis(0 20*length(g) 0 400);title(經(jīng)低通濾波器后信號頻譜);%抽樣判決for m=1:200*length(g); if

23、 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)抽樣判決后信號波形)figure(2);subplot(3,2,6);plot(abs(fft(jt);axis(0 20*length(g) 0 400);title(經(jīng)抽樣判決后信號頻譜);%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

24、);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： 六 心得體會一個禮拜的時間，需要完成通信原理的課程設(shè)計，還需要完成相關(guān)課程的復(fù)習(xí)。時間緊迫，任務(wù)重。但越是在這樣的情況下，越是讓人有動力。經(jīng)過這一周的通信原理實驗課的學(xué)習(xí)，付出多，收獲更多。期間，我也發(fā)現(xiàn)了自己存在的很多問題。我的探索方式還有待改善，當(dāng)面對一些復(fù)雜的實驗時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)時我處理的方式及能力還不足，不能用最佳的處理手段使實驗誤差減小到最小。 在經(jīng)過這一周整整一個星期的日子里，可以說得是苦多于甜，但是可以學(xué)到很多很多的的東西，同時不僅可以鞏固了以前所學(xué)過的知識，而且學(xué)到了很多在書本上所沒有學(xué)到過的知識，為自己后期考研打下堅實的基礎(chǔ)。 通過這次課程設(shè)計使我懂得了理論與實際相結(jié)合是很重要的，只有理論知識是遠遠不夠的，只有把所學(xué)的理論知識與實踐相結(jié)合起