通信系統(tǒng)建模與仿真課程設(shè)計(jì)基于SIMULINK的基帶傳輸系統(tǒng)的仿真

1、通信系統(tǒng)建模與仿真課程設(shè)計(jì) 2011 級(jí) 通信工程 專(zhuān)業(yè) * 班級(jí)題 目 基于SIMULINK的基帶傳輸系統(tǒng)的仿真 姓 名 * 學(xué)號(hào) * 指導(dǎo)教師 胡 娟 2014年 月 日1.任務(wù)書(shū)試建立一個(gè)基帶傳輸模型，發(fā)送數(shù)據(jù)為二進(jìn)制雙極性不歸零碼，發(fā)送濾波器為平方根升余弦濾波器，滾降系數(shù)為0.5，信道為加性高斯信道，接收濾波器與發(fā)送濾波器相匹配。發(fā)送數(shù)據(jù)率為1000bps。（1） 設(shè)計(jì)接收機(jī)采樣判決部分，對(duì)比發(fā)送數(shù)據(jù)與恢復(fù)數(shù)據(jù)波形，并統(tǒng)計(jì)誤碼率。（2） 要求觀察接收信號(hào)眼圖，說(shuō)明眼圖意義與影響因素，改變影響眼圖的參數(shù)，觀察是否有變化。（3） 設(shè)計(jì)定時(shí)提取系統(tǒng)，說(shuō)明定時(shí)提取的原理，觀察定時(shí)提取脈沖的波形

2、，說(shuō)明其正確性。2. 基帶系統(tǒng)的理論分析根據(jù)Simulink提供的仿真模塊，數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的仿真可以簡(jiǎn)化成如圖3.2所示的模型：根據(jù)3.3（a）所示方框圖產(chǎn)生2-ASK信號(hào)，并用圖3.4（b）所示的相干解調(diào)法來(lái)解調(diào)整個(gè)的仿真系統(tǒng)的調(diào)制與解調(diào)過(guò)程為：首先將信號(hào)源的輸出信號(hào)與載波通過(guò)相乘器進(jìn)行相乘，在接收端通過(guò)帶通濾波器后再次與載波相乘，接著通過(guò)低通濾波器、抽樣判決器，最后由示波器顯示出各階段波形，并用誤碼器觀察誤碼率。在MATLAB下Simulink仿真平臺(tái)構(gòu)建了ASK調(diào)制與解調(diào)仿真電路圖如圖3-1所示： 將信號(hào)源的碼數(shù)率設(shè)為1B/S,即頻率為1 Hz。在調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)中，載波信號(hào)的頻率一般要大于信

3、號(hào)源的頻率。信號(hào)源頻率為1 Hz，所以將載波頻率設(shè)置為6 Hz，由于在載波參數(shù)設(shè)置里，頻率的單位是rad/sec，所以即為12*pi。低通濾波器的頻帶邊緣頻率與信號(hào)源的頻率相同，前面設(shè)置信號(hào)源頻率為1 Hz，所以對(duì)話框中“Passband edge frequency (rads/sec)：”應(yīng)填“2*pi”。對(duì)于2ASK系統(tǒng)，判決器的最佳判決門(mén)限為a/2(當(dāng)P(1)=P(0)時(shí))，它與接受機(jī)輸入信號(hào)的幅度有關(guān)。當(dāng)接收機(jī)輸入的信號(hào)幅度發(fā)生變化，最佳判決門(mén)限也將隨之改變。量化器抽樣頻率等于信號(hào)源頻率。前面已經(jīng)設(shè)置信號(hào)源頻率為1Hz，即抽樣頻率為1Hz，所以對(duì)話框中“Sample time (-1

4、 for inherited):”應(yīng)填“1”。設(shè)置好參數(shù)之后，進(jìn)行仿真，由示波器的輸出波形可知，信號(hào)的調(diào)制解調(diào)成功，但存在 1比特的時(shí)延（用時(shí)延時(shí)間乘以采樣量化編碼器的采樣頻率）。因而，誤碼器的可接納時(shí)延為1比特。其參數(shù)設(shè)置如圖3-7所經(jīng)過(guò)誤碼器的1比特時(shí)延后，其誤碼率為0，結(jié)果正確。輸入信號(hào)經(jīng)過(guò)ASK調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)后，輸出的各個(gè)波形(從上到下分別是輸入信號(hào)、載波信號(hào)、已調(diào)信號(hào)、經(jīng)過(guò)乘法器的解調(diào)信號(hào)、經(jīng)過(guò)低通濾波器的解調(diào)信號(hào)，輸出信號(hào)) 第一路為信號(hào)源模塊波形圖，第二路為ASK調(diào)制后波形圖，第三路為調(diào)制信號(hào)與載波相乘后波形圖，第四路為經(jīng)過(guò)低通濾波器后波形圖，第五路為ASK解調(diào)波形圖。由各波形可看

5、出該ASK調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)符合設(shè)計(jì)要求。如圖3-9所示：整個(gè)加入高斯白噪聲后的ASK仿真系統(tǒng)的調(diào)制與解調(diào)過(guò)程為：首先將信號(hào)源的輸出信號(hào)與載波通過(guò)相乘器進(jìn)行相乘，送入加性高斯白噪聲（AWGN）信道中傳輸。在接收端通過(guò)帶通濾波器后再次與載波相乘，接著通過(guò)低通濾波器、抽樣判決器，最后由示波器顯示出各階段波形，并用誤碼器觀察誤碼率。高斯白噪聲的抽樣時(shí)間設(shè)置為0.01。帶通濾波器的下頻應(yīng)該等于載波頻率與調(diào)制信號(hào)頻率之差，上頻應(yīng)該等于載波頻率與調(diào)制信號(hào)頻率之和。前面已設(shè)置信號(hào)源頻率為1Hz，載波頻率為6Hz,計(jì)算得上、下截止頻率分別為7Hz、5Hz，轉(zhuǎn)換成以rads/sec為單位即為14*pi 、10*pi。

6、所以“Lower passband edge frequency (rads/sec) Upper passband edge frequency (rads/sec)”應(yīng)填“10*pi 、14*pi”。設(shè)置好參數(shù)之后，進(jìn)行仿真，由示波器的輸出波形可知，信號(hào)的調(diào)制解調(diào)成功，但存在0.01秒的時(shí)延，即信號(hào)時(shí)延了2比特（用時(shí)延時(shí)間乘以采樣量化編碼器的采樣頻率）。因而，誤碼器的可接納時(shí)延為2比特。經(jīng)過(guò)誤碼器的2比特時(shí)延后，其誤碼率為03.基帶系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案誤碼率是衡量一個(gè)數(shù)字通信系統(tǒng)性能的重要指標(biāo)。在信道高斯白噪聲的干擾下，各種二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的誤碼率取決于解調(diào)器輸入信噪比，而誤碼率表達(dá)示的形式則取

7、決于解調(diào)方式。ASK調(diào)制與解調(diào)中計(jì)算誤碼率仿真圖如圖3-16所示圖3-16 ASK調(diào)制與解調(diào)中計(jì)算誤碼率仿真圖在繪制信噪比-誤碼率關(guān)系曲線圖之前，先將源程序創(chuàng)建M文件，將仿真圖及M文件放入MATLAB軟件的work文件夾下，并重新設(shè)置高斯噪聲和誤碼器模型參數(shù)。高斯白噪聲的“Variance（vector or matrix）”應(yīng)該設(shè)置為“var”。誤碼器“Output data”應(yīng)該設(shè)置為“workspace”。二進(jìn)制數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng),誤碼率與信號(hào)形式(調(diào)制方式),與噪聲的統(tǒng)計(jì)特性,解調(diào)及譯碼判決方式有關(guān)。對(duì)于二進(jìn)制數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng),無(wú)論采用何種方式,何種檢測(cè)方法,其共同點(diǎn)都是隨著輸入信噪比增

8、大時(shí),系統(tǒng)的誤碼率就降低;反之,當(dāng)輸入信噪比減小時(shí),系統(tǒng)的誤碼率就增加。根據(jù)信噪比與誤碼率的關(guān)系式，可以繪制出信噪比-誤碼率理論關(guān)系曲線圖。源程序見(jiàn)附錄，所需M文件如圖3-19所示：圖3-19 M文件1信噪比-誤碼率的理論關(guān)系曲線如圖3-20所示：圖3-20信噪比-誤碼率的理論關(guān)系曲線圖根據(jù)信噪比與誤碼率的關(guān)系式，可以繪制出信噪比-誤碼率實(shí)際關(guān)系曲線圖。源程序見(jiàn)附錄，所需M文件如圖3-21所示：圖3-21 M文件2信噪比-誤碼率的實(shí)際關(guān)系曲線如圖3-22所示：圖3-22信噪比-誤碼率的實(shí)際關(guān)系曲線圖與信噪比-誤碼率理論關(guān)系曲線圖相比較類(lèi)似，由上圖可以看出：隨著輸入信噪比增大，系統(tǒng)的誤碼率降低；

9、反之，當(dāng)輸入信噪比減小時(shí),系統(tǒng)的誤碼率就增加。符合理論要求，所以此圖繪制正確，達(dá)到預(yù)想結(jié)果。圖 2.42PSK信號(hào)相干解調(diào)各點(diǎn)時(shí)間波形在實(shí)際通信系統(tǒng)中往往存在噪聲，噪聲會(huì)對(duì)判決值產(chǎn)生影響，即會(huì)產(chǎn)生誤碼率，一般假設(shè)信道的噪聲為高斯白噪聲，下面討論2PSK解調(diào)器在高斯白噪聲干擾下的誤碼率：（1）發(fā)端發(fā)1時(shí)收到的2PSK信號(hào)為 (2.7) 帶通濾波器的輸出時(shí)信號(hào)加窄帶噪聲： (2.8)上式與本地載波相乘后： (2.9)經(jīng)低通濾波后： (2.10)所以x(t)的取樣判決值的概率密度函數(shù)為： (2.11) （2）發(fā)端發(fā)0時(shí)，收到的2PSK信號(hào)： (2.12)帶通濾波器的輸出時(shí)信號(hào)加窄帶噪聲： (2.13

10、) 上式與本地載波相乘后： (2.14) 經(jīng)低通濾波后： (2.15) 所以x(t)的取樣判決值的概率密度函數(shù)為： (2.16)綜上所述可畫(huà)出概率密度函數(shù)曲線： 圖2.5 取樣值概率密度函數(shù)示意圖當(dāng)P(0)=P(1)時(shí)，最佳門(mén)限應(yīng)選在兩條曲線的交點(diǎn)處。即從圖可看出最佳判決門(mén)效應(yīng)為0.所以發(fā)1錯(cuò)判0概率為： (2.17)發(fā)0錯(cuò)判1的概率等于發(fā)1錯(cuò)判0概率 (2.18) 根據(jù)圖2-5及上式可得2PSK相干解調(diào)器的誤碼率公式為 (2.19)4. SIMULINK下基帶系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 模型建立2PSK調(diào)制與解調(diào)及誤碼分析的總體仿真模型：圖3.1 2PSK調(diào)制與解調(diào)及誤碼分析的總體仿真模正相載波：4HZ，幅

11、度+2設(shè)置依據(jù)：載波頻率本來(lái)應(yīng)該很高，但是為了波形觀察方便，故頻率設(shè)為4HZ。伯努利二進(jìn)制隨機(jī)序列產(chǎn)生器（Bernoulli Binary Generator）參數(shù)設(shè)伯努利二進(jìn)制隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生器：幅度為2，周期為3，占0比為1/2。碼型變化器（Unipolar to Bipolar Converter）參數(shù)設(shè)置：圖3.5 碼型變化器參數(shù)設(shè)置多路選擇器（Switch）參數(shù)設(shè)置：圖3.6 多路選擇器參數(shù)設(shè)置設(shè)置依據(jù)：當(dāng)二進(jìn)制序列大于0時(shí)，輸出第一路信號(hào)；當(dāng)二進(jìn)制序列小于0時(shí)，輸出第二路信號(hào)。帶通濾波器（Digital Filter Design）參數(shù)設(shè)置：圖3.7 帶通濾波器參數(shù)設(shè)置帶通濾波器參數(shù)：帶

12、通范圍為27HZ設(shè)置依據(jù)：載波頻率為4HZ，而基帶號(hào)帶寬為1HZ，考濾到濾波器的邊沿緩降，故設(shè)置為27HZ。取樣判決器（Sign）參數(shù)設(shè)置：圖3.9 取樣判決器參數(shù)設(shè)置取樣判決器設(shè)置：門(mén)限值取為0.5，取樣時(shí)間為1設(shè)置依據(jù)：當(dāng)大于0.5時(shí)輸出1，當(dāng)小于0.5時(shí)輸出0，能達(dá)到在0變1不變的取樣規(guī)則下正確解碼的目的。5.仿真結(jié)果分析調(diào)制波形： 圖中第一個(gè)圖為正相載波的波形，第二個(gè)調(diào)制后的2PSK信號(hào)，第三個(gè)圖為原始信號(hào)，最后一個(gè)為解調(diào)后信號(hào)。6.遇到的問(wèn)題及解決的方法在本次課程設(shè)計(jì)運(yùn)用了MATLAB軟件建立工作模型，在仿真的過(guò)程中遇到了各種不同的問(wèn)題，通過(guò)自己的探索和老師同學(xué)的幫助都一一解決，總結(jié)分析分析如下：1、在解調(diào)時(shí)沒(méi)有加噪聲出現(xiàn)誤碼率。解答辦法：出現(xiàn)誤碼數(shù)據(jù)時(shí)，可以根據(jù)示波器的輸出波形，合理修改誤碼器中的receive delay的數(shù)據(jù)就可以使誤碼數(shù)據(jù)為零。2、示波器中的波形只出現(xiàn)一部分。解決辦法：雙擊示波器，修改data history中的limit data points to last的數(shù)據(jù)，再重新運(yùn)行Simulink觀察示波器即可看到準(zhǔn)確圖形。3、