PSK系統(tǒng)設計與仿真

1、 課程設計報告課程設計題目：  PSK系統(tǒng)設計與仿真 學 號：123學生姓名：陳專 業(yè)：通信工程班 級：1221指導教師：涂老師 2015年 1 月 12 日 目錄  一  引言 1.1 課程設計目的 . 3 1.2 課程設計要求 .3 1.3 課程設計注意事項.3二 PSK信號調制解調模型的建立及分析 2.1  PSK信號解調模型的建立. 4  2.2   PSK信號解調模型的建立. 4  2.3 PSK調制過程分析. 5  2.4 PSK解調

2、過程分析. 7 三  高斯白噪聲對系統(tǒng)影響分析. . . 10 四 PSK調制系統(tǒng)的抗噪聲性能分析 . 12 五 PSK系統(tǒng)的仿真.13六 實驗總結 .17. 一 引 言 本課程設計用于實現PSK系統(tǒng)設計與仿真,移動通信的迅速發(fā)展，離不開很多關鍵技術的支持與應用，數字調制在通信領域中就發(fā)揮著重大的作用,為了使數字信號在帶通信道中傳輸，必須使用數字基帶信號對載波進行調制，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用，本課題主要介紹了PSK波形的產生和仿真過程.1.1、課程設計目的本課程設計是實現PSK系

3、統(tǒng)仿真。在此次課程設計中，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中的實現方法。預期通過這個階段的研習，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的應用方式與特色。利用自主的設計過程來鍛煉自己獨立思考，分析和解決問題的能力，為我今后的自主學習研究提供具有實用性的經驗1.2、課程設計要求 （1）熟悉MATLAB中M文件的使用方法，掌握PSK系統(tǒng)仿真原理，以此為基礎用M文件編程實現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，觀察兩者在解調前后的變化，通過對分析結果來加強對

4、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，繪制出解調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信號的波形有何區(qū)別，由所得結果來分析噪聲對信號解調造成的影響。 （4）在老師的指導下，獨立完成課程設計的全部內容，并按要求編寫課程設計論文，文中能正確闡述和分析設計和實驗結果。1.3、課程設計注意事項 (1)所有的仿真用MATLAB或VC程序實現（如用MATLAB則只能用代碼的形式，不能用SIMULINK實現）(2) 系統(tǒng)經過的信道都假設為高斯白噪聲信道。 （3）模擬調制要求用程序畫出調制信號，載波，已調信號、解調信號的波形，數字調制要求畫出誤

5、碼率隨信噪比的變化曲線。 二 PSK信號調制解調模型的建立2.1、PSK信號調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字信息，而振幅和頻率保持不變的一種數字信號傳遞方法。PSK的調制原理框圖如下圖所示，與ASK信號的產生方法比較，只是對s的要求不同，在ASK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 模擬調制方法 開關電路相移 0 圖2 鍵控法 2.2、PSK信號解調模型的建立信號的解調通常采用相干解調法，解調器原理框圖如下圖。在相干解調中，怎樣得到與接收的信號同頻同相的相干載波是一個關鍵的問題。帶通濾波器相乘器低通濾波器抽樣判決器

6、 定時脈沖 圖3 PSK信號的解調原理框圖2.3、PSK調制過程分析 根據PSK調制的定義，設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二進制數字信號的調制方式，稱

7、為二進制絕對相移方式，且其帶寬為基帶信號的兩倍。調制過程產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=;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 m

8、od1=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: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

9、s(t)等長的載波信號endtiaoz=cm.*mod;%e(t)調制figure(1);subplot(3,2,2);plot(tiaoz);grid on;axis(0 200*length(g) -2 2);title('2PSK調制信號');figure(2);subplot(3,2,1);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);

10、title('2PSK信號頻譜');運行結果： 圖5 二進制、信號波形和頻譜圖2.4、PSK解調過程分析根據調制的原理框圖 圖6 信號的解調原理框圖帶通濾波器的意義是讓有用信號（已調信號）通過，濾除一部分噪聲，所以有用信號在處得到信號為假設相干載波的基準相位與2PSK信號的調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波器后最后通過抽樣判決器恢復出數字信號。 但是，由于在2PSK信號的載波恢復過程中存在著的相位模糊，即恢復的本地載波與所需的相干載波可能同相，也可能反相，這種相位關系的不確定性將會造成解調出的數字基帶信號與發(fā)送的數字基帶信號正好相反，即“1”變

11、為“0”，“0”變?yōu)椤?”，判決器輸出數字信號全部出錯。這種現象稱為 方式的“倒”現象或“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信號相干解調各點時間波形如下圖所示： 圖7 2PSK信號相干解調時各點時間波形為了更直觀的了解解調過程，我用繪出解調過程的相關波形，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

12、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=mod1 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

13、9;);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endtiaoz=cm.*mod; %e(t)調制tz=awgn(tiaoz,10); %信號調制中加入白噪聲，信噪比為10jiet=2*mod1.*tz; %同步解調figure(1);subplot(3,2,1);plot(

14、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/(fn/2); wp=fp/(fn/2);%計算歸一化角頻率n,wn=buttord(wp,ws,rp,rs);%計算階數和截止頻率b,a=butter(n,wn);%計算H(z）jt=

15、filter(b,a,jiet);figure(1);subplot(3,2,3);plot(jt);grid onaxis(0 200*length(g) -2 2);title('經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('經低通濾波器后信號頻譜');%抽樣判決for m=1:200*length(g); if jt(m)<0; jt(m)=1; else jt(m)>=0; jt(m)=0; endendfig

16、ure(1);subplot(3,2,5);plot(jt);grid onaxis(0 200*length(g) -2 2);title('經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('經抽樣判決后信號頻譜');運行結果： 圖8 解調相關波形三 高斯白噪聲對系統(tǒng)影響分析 當信號經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。根據設計要求考慮不同信噪比的高斯白噪聲對系統(tǒng)的影響。

17、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，我用函數來添加噪聲，此函數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，直接反應到波形上，波形圖如下 圖9.1 PSK信號調制 圖9.2 傅里葉頻域分析 圖9.3 加噪信號波形 四 PSK調制系統(tǒng)的抗噪聲性能分析 2PSK相干解調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信號相干解調系統(tǒng)性能分析模型設接收端帶通濾波器輸出波形為經過相干解調后，送入抽樣判決器的輸入波形為由于是均值

18、為0，方差為的高斯噪聲，所以的一維概率密度函數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*pi/199:2*pi;for n=1:len

19、gth(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=ones(1,200);%

20、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)調制figure(1);subplot(3,2,2);plot(tiaoz);grid on;axis(0 20*length(g) -2 2);title('2PSK調制信號');figure(2);subplot(3,2,1);plot(abs(fft(cp);axis(0 20*

21、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);su

22、bplot(3,2,3);plot(abs(fft(tz);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');%

23、低通濾波器fp=500;fs=700;rp=3;rs=20;fn=11025;ws=fs/(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('經低通濾波器后信號波形')figure(2);subplot(3,2,5);plot(abs(fft(jt);axis(0 2

24、0*length(g) 0 400);title('經低通濾波器后信號頻譜');%抽樣判決for m=1:200*length(g); if jt(m)<0; jt(m)=1; else jt(m)>=0; jt(m)=0; endendfigure(1);subplot(3,2,6);plot(jt);grid onaxis(0 20*length(g) -2 2);title('經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);titl

25、e('經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);theo_err_prb(i) = (1/2)*erfc(sqrt(SNR_eb);%PSK系統(tǒng)的誤碼率與信噪比的關系endfigure(3);semilogy(snr,theo_err_prb,'ko-');grid on;title('誤碼率隨信噪比的變化曲線');仿真結果： 六 心得體會一個禮拜的時間

26、，需要完成通信原理的課程設計，還需要完成相關課程的復習。時間緊迫，任務重。但越是在這樣的情況下，越是讓人有動力。經過這一周的通信原理實驗課的學習，付出多，收獲更多。期間，我也發(fā)現了自己存在的很多問題。我的探索方式還有待改善，當面對一些復雜的實驗時我還不能很快很好的完成；我的數據處理能力還得提高，當眼前擺著一大堆復雜數據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，但是可以學到很多很多的的東西，同時不僅可以鞏固了以前所學過的知識，而且學到了很多在書本上所沒有學到過的知識，為自己后期考研打下堅實的基礎。 通過這次課程設

27、計使我懂得了理論與實際相結合是很重要的，只有理論知識是遠遠不夠的，只有把所學的理論知識與實踐相結合起來，從理論中得出結論，才能真正為社會服務，從而提高自己的實際動手能力和獨立思考的能力 在這次課程設計過程中，體現出自己單獨設計實驗的能力以及綜合運用知識的能力，體會了學以致用、收獲自己勞動成果的喜悅心情，從中發(fā)現自己平時學習的不足和薄弱環(huán)節(jié)，從而加以彌補。同時也要感謝涂老師和其他同學，是他們在我困惑是一直給予我?guī)椭椭笇А４送?，在實驗課上學到的，我將發(fā)揮到其他中去，也將在今后的學習和工作中不斷提高、完善；在此間發(fā)現的不足，我將努力改善，通過學習、實踐等方式不斷提高，克服那些不應成為學習、獲得知識的障礙。在今后的學習、工作中有更大的收獲，在不斷地探索中、在無私的學習、奉獻中實現自己的人生價值！為自己，為社會貢獻一份力量！參考文獻1樊昌信        通信原理