用matlab實(shí)現(xiàn)16PSK通信課程設(shè)計(jì)

1、 目 錄1 課程設(shè)計(jì)目的12 課程設(shè)計(jì)要求13 相關(guān)知識14 課程設(shè)計(jì)分析45 仿真76結(jié)果分析127 參考文獻(xiàn)14 沈陽理工大學(xué)通信系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)報(bào)告16PSK系統(tǒng)設(shè)計(jì)1.課程設(shè)計(jì)目的（1）根據(jù)題目，查閱有關(guān)資料，掌握16進(jìn)制相移鍵控的基本原理。（2）學(xué)習(xí)MATLAB軟件，掌握MATLAB中元器件使用及參數(shù)的設(shè)置。（3）鍛煉我們分析問題和解決問題的能力同時對我們進(jìn)行良好的獨(dú)立工作習(xí)慣和科學(xué)素質(zhì)的培養(yǎng)為今后參加科學(xué)工作打下良好的基礎(chǔ)2.課程設(shè)計(jì)要求（1）掌握相移鍵控的相關(guān)知識、概念清晰。（2）掌握MATLAB使用方法，利用軟件繪制圖像。（3）程序設(shè)計(jì)合理、能夠正確運(yùn)行。3.相關(guān)知識3.1數(shù)字通信

2、系統(tǒng)簡介通信系統(tǒng)是為了有效可靠的傳輸信息，信息由信源發(fā)出，以語言、圖像數(shù)據(jù)為媒體,通過電(光)信號將信息傳輸，由信宿接收。通信系統(tǒng)又可分為數(shù)字通信與模擬通信。實(shí)現(xiàn)數(shù)字通信，必須使發(fā)送端發(fā)出的模擬信號變?yōu)閿?shù)字 信號，這個過程稱為“模數(shù)變換”。模擬信號數(shù)字化最基本的方法有三個過程，第一步是“抽樣”，就是對連續(xù)的模擬信號進(jìn)行離散化處理，通常是以相等的時間間隔來抽取模擬信號的樣值。第二步是“量化”，將模擬信號樣值變換到最接近的數(shù)字值。因抽樣后的樣值在時間上雖是離散的，但在幅度上仍是連續(xù)的，量化過程就是把幅度上連續(xù)的抽樣也變?yōu)殡x散的。第三步是“編碼”，就是把量化后的樣值信號用一組二進(jìn)制數(shù)字代碼來表示，最

3、終完成模擬信號的數(shù)字化。數(shù)字信號送入數(shù)字網(wǎng)進(jìn)行傳輸。接收端則是一個還原過程，把收到的數(shù)字信號變?yōu)槟M信號，即“數(shù)據(jù)摸變換”，從而再現(xiàn)聲音或圖像。數(shù)字通信系統(tǒng)模型圖為：信源信源編碼信道編碼調(diào)制信道解調(diào)信道解碼信源解碼信宿 噪聲3.2 MATLAB 簡介3.2.1 基本功能MATLAB是很實(shí)用的數(shù)學(xué)軟件它在數(shù)學(xué)類科技應(yīng)用軟件中在數(shù)值運(yùn)算方面首屈一指。MATLAB可以進(jìn)行運(yùn)算、繪制函數(shù)和數(shù)據(jù)、實(shí)現(xiàn)算法、創(chuàng)建用戶界面、連接接其他編程語言的程序等，主要應(yīng)用于工程計(jì)算、控制設(shè)計(jì)、信號處理與通訊、金融建模設(shè)計(jì)與分析等領(lǐng)域。 MATLAB的基本數(shù)據(jù)單位是矩陣，它的指令表達(dá)式與數(shù)學(xué)、工程中常用的形式十分相似，故

4、用MATLAB來解算問題要比用C，F(xiàn)ORTRAN等語言完成相同的事情簡捷得多，并且mathwork也吸收了像Maple等軟件的優(yōu)點(diǎn),使MATLAB成為一個強(qiáng)大的數(shù)學(xué)軟件。可以直接調(diào)用,用戶也可以將自己編寫的實(shí)用程序?qū)氲組ATLAB函數(shù)庫中方便自己以后調(diào)用，此外許多的MATLAB愛好者都編寫了一些經(jīng)典的程序，用戶可以直接進(jìn)行下載就可以用。3.2.2 MATLAB 產(chǎn)品應(yīng)用MATLAB 產(chǎn)品族可以用來進(jìn)行以下各種工作： 數(shù)值分析 數(shù)值和符號計(jì)算 工程與科學(xué)繪圖 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真 數(shù)字信號處理技術(shù) 通訊系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真 3.2.3 MATLAB 特點(diǎn)此高級語言可用于技術(shù)計(jì)算 此開發(fā)環(huán)境可對代碼、

5、文件和數(shù)據(jù)進(jìn)行管理 交互式工具可以按迭代的方式探查、設(shè)計(jì)及求解問題 二維和三維圖形函數(shù)可用于可視化數(shù)據(jù) 各種工具可用于構(gòu)建自定義的圖形用戶界面 3.2.4 MATLAB系列工具優(yōu)勢（1）友好的工作平臺和編程環(huán)境MATLAB由一系列工具組成。這些工具方便用戶使用MATLAB的函數(shù)和文件，其中許多工具采用的是圖形用戶界面。包括MATLAB桌面和命令窗口、歷史命令窗口、編輯器和調(diào)試器、路徑搜索和用于用戶瀏覽幫助、工作空間、文件的瀏覽器。隨著MATLAB的商業(yè)化以及軟件本身的不斷升級，MATLAB的用戶界面也越來越精致，更加接近Windows的標(biāo)準(zhǔn)界面，人機(jī)交互性更強(qiáng)，操作更簡單。而且新版本的MATL

6、AB提供了完整的聯(lián)機(jī)查詢、幫助系統(tǒng)，極大的方便了用戶的使用。簡單的編程環(huán)境提供了比較完備的調(diào)試系統(tǒng)，程序不必經(jīng)過編譯就可以直接運(yùn)行，而且能夠及時地報(bào)告出現(xiàn)的錯誤及進(jìn)行出錯原因分析。 （2）簡單易用的程序語言MATLAB一個高級的矩陣/陣列語言，它包含控制語句、函數(shù)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、輸入和輸出和面向?qū)ο缶幊烫攸c(diǎn)。用戶可以在命令窗口中將輸入語句與執(zhí)行命令同步，也可以先編寫好一個較大的復(fù)雜的應(yīng)用程序（M文件）后再一起運(yùn)行。新版本的MATLAB語言是基于最為流行的C語言基礎(chǔ)上的，因此語法特征與C語言極為相似，而且更加簡單，更加符合科技人員對數(shù)學(xué)表達(dá)式的書寫格式。使之更利于非計(jì)算機(jī)專業(yè)的科技人員使用。而且這種

7、語言可移植性好、可拓展性極強(qiáng)，這也是MATLAB能夠深入到科學(xué)研究及工程計(jì)算各個領(lǐng)域的重要原因。 （3）強(qiáng)大的科學(xué)計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理能力MATLAB是一個包含大量計(jì)算算法的集合。其擁有600多個工程中要用到的數(shù)學(xué)運(yùn)算函數(shù)，可以方便的實(shí)現(xiàn)用戶所需的各種計(jì)算功能。函數(shù)中所使用的算法都是科研和工程計(jì)算中的最新研究成果，而前經(jīng)過了各種優(yōu)化和容錯處理。在通常情況下，可以用它來代替底層編程語言，如C復(fù)數(shù)的各種運(yùn)算、三角函數(shù)和其他初等數(shù)學(xué)運(yùn)算、多維數(shù)組操作以及建模動態(tài)仿真等。 3.3絕對相移鍵控調(diào)制仿真 為了提高通信系統(tǒng)的頻帶利用率，多元數(shù)字調(diào)制是一個重要的途徑。相同的碼元寬度占據(jù)相同頻帶寬度的資源，多元調(diào)制情

8、況下一個符號(碼元)代表了若干比特的信息。相同資本資源下，傳輸了更多信息。 提高頻帶利用率是以降低功率利用率為代價的。相同的發(fā)射功率下，信號空間中元數(shù)越多，各個信號之間的距離越小，抗干擾能力越差。因?yàn)橄嗤脑肼暪β适剐盘柶x原有位置相同的距離，信號之間的距離俞小接收時判錯的概率越大。為了降低誤碼率，只有提高發(fā)射功率。對于移動設(shè)備等場合提高功率又是難以實(shí)現(xiàn)的。工程實(shí)踐中應(yīng)權(quán)衡二者的關(guān)系。 應(yīng)用仿真的方法，可以得出多元調(diào)制情況下頻帶利用率，功率利用率，誤碼率與調(diào)制方式，傳輸環(huán)境之間的定量關(guān)系，為系統(tǒng)規(guī)劃，設(shè)計(jì)提供有參考的價值的信息。 4.課程設(shè)計(jì)分析4.1 MPSK的概念MPSK即多進(jìn)制相移鍵控，

9、又稱為多相制。這種鍵控方式是多進(jìn)制鍵控的主要方式。在M進(jìn)制的相移鍵控信號，用M個相位不同的載波分別代表M個不同的符號。如果載波有2n個相位，它可以代表n位二進(jìn)制碼元的的不同組合的碼組。多進(jìn)制相移鍵控也分為多進(jìn)制絕對相移鍵控和多進(jìn)制相對相移鍵控。在MPSK信號中，載波相位有M種可能取值，qn=2n/M(n=1,2,M)。因此MPSK信號可表示為S(t) = cos(0t+n) = cos (0t+2n/M)若載波頻率是基帶信號速率的整數(shù)倍，則上式可改寫為S(t)=g(t-nTs)cos(0t+n)=cos0tg(t-nTs)cosn-sin0tg(t-nT)sinn式中g(shù)(t)是高度為1、寬度為

10、Ts的矩形脈沖。式中表明，MPSK信號可等效為兩個正交載波的MASK信號之和。所以，MPSK信號的帶寬和MASK信號的帶寬相同。因此，MPSK系統(tǒng)是一種高效率的信息傳輸方式。但是，當(dāng)M的取值增加時，載波間的相位差也隨之減少，這就使它的抗噪聲性能變差。16PSK (16 Phase Shift Keying 16移相鍵控) 是一種相位調(diào)制算法。 相位調(diào)制（調(diào)相）是頻率調(diào)制（調(diào)頻）的一種演變，載波的相位被調(diào)整用于把數(shù)字信息的比特編碼到每一詞相位改變（相移）。"16PSK"中的"PSK表示使用移相鍵控方式，移相鍵控是調(diào)相的一種形式，用于表達(dá)一系列離散的狀態(tài)，16PSK對

11、應(yīng)16種狀態(tài)的PSK。如果是其一半的狀態(tài)，即8種，則為EPSK，如果是其2倍的狀態(tài)，則為32PSK。4.2 16PSK調(diào)制解調(diào) 4.2.1 16PSK圖4.14位比特信息到16RSK符號的映射關(guān)系16PSK（絕對相移鍵控）是用載波的16種不同相位表示不同的數(shù)字信息。16PSK調(diào)制的16個矢量端點(diǎn)均勻分布在圓上，其數(shù)學(xué)表達(dá)式包括同相分量和正交分量兩部分。16PSK是將輸入的二進(jìn)制信號序列經(jīng)過串并轉(zhuǎn)換每次將一個4位的碼元映射為一個符號的相位，因此符號速率為比特率的1/4。不同的碼元和對應(yīng)的相位映射如圖4-1所示4.2.2 16PSK調(diào)制解調(diào)框圖圖4.2 16PSK調(diào)制框圖 圖4.3 16PSK最佳

12、接收框圖5仿真5.1 16PSK仿真模塊建模16PSK基帶調(diào)制仿真系統(tǒng)如圖5-1圖5.1 16PSK基帶調(diào)制仿真仿真系統(tǒng)中各模塊的主要參數(shù)圖5-2隨機(jī)整數(shù)發(fā)生器主要參數(shù)圖5-3 16PS調(diào)制器主要參數(shù)圖5-4信道的主要參數(shù)5.程序內(nèi)容（1）生成一個隨機(jī)的二進(jìn)制比特流。（2）將二進(jìn)制比特流轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的十六進(jìn)制信號。（3）用16PSK調(diào)制器對信號進(jìn)行調(diào)制并畫出信號的星座圖。（4）在16PSK信號中加入高斯白噪聲。（5）畫出通過信道之后接收信號的星座圖。（6）生成信號眼圖。（7）16PSK信號的解調(diào)。（8）計(jì)算誤碼率。5.3程序如下： M=16; k=log2(M); n=100000; %比特序列

13、長度 samp=1; %過采樣率 x=randint(n,1); %生成隨機(jī)二進(jìn)制比特流 stem(x(1:50),'filled'); %畫出相應(yīng)的二進(jìn)制比特流信號 title %('二進(jìn)制隨機(jī)比特流'); xlabel('比特序列');ylabel %('信號幅度'); x4=reshape(x,k,length(x)/k); %將原始的二進(jìn)制比特序列每四個一組分組，并排列成k行l(wèi)ength(x)/k列的矩陣 xsym=bi2de(x4.','left-msb'); %將矩陣轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的16進(jìn)制信號序列

14、figure; stem(xsym(1:50); %畫出相應(yīng)的16進(jìn)制信號序列 xlabel('信號序列');ylabel ('信號幅度'); y=modulate(modem.pskmod(M),xsym); %用16PSK調(diào)制器對信號進(jìn)行調(diào)制 scatterplot(y); %畫出16PSK信號的星座圖 text(real(y)+0.1,imag(y),dec2bin(xsym); axis(-5 5 -5 5); EbNo=15; %假設(shè)Eb/No=15db snr=EbNo+10*log10(k)-10*log10(samp); %信噪比 yn=awgn

15、(y,snr,'measured'); % 加入高斯白噪聲 h=scatterplot(yn,samp,0,'b.'); %經(jīng)過信道后接收到的含白噪聲的信號星座圖 hold on; scatterplot(y,1,0,'k+',h); %加入不含高斯白噪聲的信號星座圖 title %('接收信號星座圖'); legend %('含噪聲接收信號','不含噪聲接收信號'); axis(-5 5 -5 5); hold off; eyediagram(yn,2); %眼圖 yd=demodulate(modem.pskdemod(M),yn);%此時解調(diào)出來的是16進(jìn)制信號 z=de2bi(yd,'left-msb'); %轉(zhuǎn)化為對應(yīng)的二進(jìn)制比特流 z=reshape(z.',numel(z),1'); number_of_errors,bit_error_rate=biterr(x,z) %計(jì)算誤碼率運(yùn)行結(jié)果