用matlab實現(xiàn)16PSK通信課程設計

1、 目 錄1 課程設計目的12 課程設計要求13 相關知識14 課程設計分析45 仿真76結果分析127 參考文獻14 沈陽理工大學通信系統(tǒng)課程設計報告16PSK系統(tǒng)設計1.課程設計目的（1）根據(jù)題目，查閱有關資料，掌握16進制相移鍵控的基本原理。（2）學習MATLAB軟件，掌握MATLAB中元器件使用及參數(shù)的設置。（3）鍛煉我們分析問題和解決問題的能力同時對我們進行良好的獨立工作習慣和科學素質的培養(yǎng)為今后參加科學工作打下良好的基礎2.課程設計要求（1）掌握相移鍵控的相關知識、概念清晰。（2）掌握MATLAB使用方法，利用軟件繪制圖像。（3）程序設計合理、能夠正確運行。3.相關知識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制信道解調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是很實用的數(shù)學軟件它在數(shù)學類科技應用軟件中在數(shù)值運算方面首屈一指。MATLAB可以進行運算、繪制函數(shù)和數(shù)據(jù)、實現(xiàn)算法、創(chuàng)建用戶界面、連接接其他編程語言的程序等，主要應用于工程計算、控制設計、信號處理與通訊、金融建模設計與分析等領域。 MATLAB的基本數(shù)據(jù)單位是矩陣，它的指令表達式與數(shù)學、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,使MATLAB成為一個強大的數(shù)學軟件。可以直接調用,用戶也可以將自己編寫的實用程序導入到MATLAB函數(shù)庫中方便自己以后調用，此外許多的MATLAB愛好者都編寫了一些經典的程序，用戶可以直接進行下載就可以用。3.2.2 MATLAB 產品應用MATLAB 產品族可以用來進行以下各種工作： 數(shù)值分析 數(shù)值和符號計算 工程與科學繪圖 控制系統(tǒng)的設計與仿真 數(shù)字信號處理技術 通訊系統(tǒng)設計與仿真 3.2.3 MATLAB 特點此高級語言可用于技術計算 此開發(fā)環(huán)境可對代碼、

5、文件和數(shù)據(jù)進行管理 交互式工具可以按迭代的方式探查、設計及求解問題 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的標準界面，人機交互性更強，操作更簡單。而且新版本的MATL

6、AB提供了完整的聯(lián)機查詢、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試系統(tǒng)，程序不必經過編譯就可以直接運行，而且能夠及時地報告出現(xiàn)的錯誤及進行出錯原因分析。 （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)結構、輸入和輸出和面向對象編程特點。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雜的應用程序（M文件）后再一起運行。新版本的MATLAB語言是基于最為流行的C語言基礎上的，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)學表達式的書寫格式。使之更利于非計算機專業(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，這也是MATLAB能夠深入到科學研究及工程計算各個領域的重要原因。 （3）強大的科學計算機數(shù)據(jù)處理能力MATLAB是一個包含大量計算算法的集合。其擁有600多個工程中要用到的數(shù)學運算函數(shù)，可以方便的實現(xiàn)用戶所需的各種計算功能。函數(shù)中所使用的算法都是科研和工程計算中的最新研究成果，而前經過了各種優(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復數(shù)的各種運算、三角函數(shù)和其他初等數(shù)學運算、多維數(shù)組操作以及建模動態(tài)仿真等。 3.3絕對相移鍵控調制仿真 為了提高通信系統(tǒng)的頻帶利用率，多元數(shù)字調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。因為相同的噪聲功率使信號偏離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。對于移動設備等場合提高功率又是難以實現(xiàn)的。工程實踐中應權衡二者的關系。 應用仿真的方法，可以得出多元調制情況下頻帶利用率，功率利用率，誤碼率與調制方式，傳輸環(huán)境之間的定量關系，為系統(tǒng)規(guī)劃，設計提供有參考的價值的信息。 4.課程設計分析4.1 MPSK的概念MPSK即多進制相移鍵控，

9、又稱為多相制。這種鍵控方式是多進制鍵控的主要方式。在M進制的相移鍵控信號，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位二進制碼元的的不同組合的碼組。多進制相移鍵控也分為多進制絕對相移鍵控和多進制相對相移鍵控。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(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) 是一種相位調制算法。 相位調制（調相）是頻率調制（調頻）的一種演變，載波的相位被調整用于把數(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，移相鍵控是調相的一種形式，用于表達一系列離散的狀態(tài)，16PSK對

11、應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調制解調 4.2.1 16PSK圖4.14位比特信息到16RSK符號的映射關系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調制的16個矢量端點均勻分布在圓上，其數(shù)學表達式包括同相分量和正交分量兩部分。16PSK是將輸入的二進制信號序列經過串并轉換每次將一個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。不同的碼元和對應的相位映射如圖4-1所示4.2.2 16PSK調制解調框圖圖4.2 16PSK調制框圖 圖4.3 16PSK最佳

12、接收框圖5仿真5.1 16PSK仿真模塊建模16PSK基帶調制仿真系統(tǒng)如圖5-1圖5.1 16PSK基帶調制仿真仿真系統(tǒng)中各模塊的主要參數(shù)圖5-2隨機整數(shù)發(fā)生器主要參數(shù)圖5-3 16PS調制器主要參數(shù)圖5-4信道的主要參數(shù)5.程序內容（1）生成一個隨機的二進制比特流。（2）將二進制比特流轉換成對應的十六進制信號。（3）用16PSK調制器對信號進行調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。（8）計算誤碼率。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); %生成隨機二進制比特流 stem(x(1:50),'filled'); %畫出相應的二進制比特流信號 title %('二進制隨機比特流'); 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'); %將矩陣轉化為相應的16進制信號序列

14、figure; stem(xsym(1:50); %畫出相應的16進制信號序列 xlabel('信號序列');ylabel ('信號幅度'); y=modulate(modem.pskmod(M),xsym); %用16PSK調制器對信號進行調制 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);%此時解調出來的是16進制信號 z=de2bi(yd,'left-msb'); %轉化為對應的二進制比特流 z=reshape(z.',numel(z),1'); number_of_errors,bit_error_rate=biterr(x,z) %計算誤碼率運行結果